[发明专利]一种基于频率调制的相位敏感光时域反射装置及方法

说明书

本发明提供的一种基于频率调制的相位敏感光时域反射装置及方法，通过将激光分为两路，经过强度调制器同步调制输出得到多频光脉冲序列，每个光脉冲频谱由一固定单频和频段不重叠的线性啁啾组成；该序列在传感光纤中能够产生频段相互分开的后向瑞利散射信号，通过使用不同频段的数字带通滤波器得到每个多频光脉冲的瑞利散射图样；依次对先后获取的瑞利散射图样进行相关处理，最终获得扰动位置及其扰动大小。本发明提供的一种基于频率调制的相位敏感光时域反射装置及方法，解决了传统装置中在重复周期内打入多个脉冲时造成的信号混叠的问题，缩短了探测间隔时间，测量速度提升较大，使得系统在宽频大振动测量能力上得到提升。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，更具体的，涉及一种基于频率调制的相位敏感光时域反射装置及方法。

背景技术

相位敏感光时域反射计-OTDR是一种能够实现振动测量的分布式光纤传感技术。当激光光源输出光经过调制器调制成脉冲光注入传感光纤后，通过探测器探测后向瑞利散射光，根据散射光接收的时延来得到相应光纤位置处的信息。由于-OTDR使用的是窄线宽光源，因此探测器接收到的是脉冲宽度内后向瑞利散射光相互干涉叠加后的结果。当外界扰动作用于光纤时，对应位置处的折射率将发生变化，从而导致该位置处光相位发生了改变，最终表现为该位置处散射光强度的剧烈起伏。

为了保证前后两次测量的散射光在时域上不发生混叠，系统必须等待探测器接收到位于光纤末端的散射光后才能进行下一次的测量，这使得其测量速度受限于传感距离，即系统对宽频振动的测量能力受到限制。

2016年，西班牙课题组提出了一种基于啁啾脉冲和直接探测型的-OTDR(CP-OTDR)系统(WO2017093588A1)，其能够通过啁啾脉冲的时频关系对外界扰动引起的瑞利散射谱的频移进行补偿，从而实现对扰动的定量测量。一方面，该方法的测量速度仍然受到传感距离的限制，使其无法测量频率较高的外界扰动；另一方面，由于CP-OTDR单次测量的频移量仅为啁啾脉冲扫频范围的3％-5％，因此其应变测量范围同样受到测量速度的影响。

频分复用技术是用于提高基于光时域反射技术测量速度的常见方法。例如2012年上海交通大学周俊、蔡海文等人提出的光频分复用相位敏感光时域反射计(CN201210124995.3)，其实现了对高频振动的检测，但其不得不提高脉冲宽度来避免测量过程中的频谱混叠，从而损失了定位精度。另外，2016年上海交通大学何祖源、刘庆文等人提出的分布式光纤传感系统及其振动检测定位方法(CN201610719172.3)，在相干结构下采用扫频脉冲实现了多路频分复用，虽然克服了响应带宽与定位精度低的问题，但其系统复杂度也提升了许多。目前，由于单个脉冲内与多个脉冲间存在着相互干涉的现象，现有的基于啁啾脉冲和直接探测型的-OTDR系统还无法满足频分复用条件。

发明内容

本发明为克服现有的基于啁啾脉冲和直接探测型的-OTDR系统测量速度存受限于传感距离技术缺陷，提供了一种基于频率调制的相位敏感光时域反射装置及方法来实现对高频扰动的测量。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于频率调制的相位敏感光时域反射装置，包括激光光源、频率调制装置、光放大与滤波模块、传感模块、信号采集及解调装置；所述信号采集及解调装置包括光电探测器、采集卡和解调装置；其中：

所述激光光源发出激光经所述频率调制装置进行调制，得到高消光比多频脉冲信号；

所述光放大与滤波模块对高消光比多频脉冲信号进行光功率放大并滤除放大产生的噪声后，经过所述传感模块将光信号输入所述信号采集及解调装置中；

所述信号采集及解调装置通过所述光电探测器将光信号转化为电信号并输出到所述采集卡；