CN106595837A - 相干相位敏感光时域反射仪的处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种相干相位敏感光时域反射仪的处理方法及装置，其中，该方法包括：通过相位敏感光时域反射仪提取待测光纤的相位，其中，该待测光纤上设置辅助弱反射点，该辅助弱反射点用于对该待测光纤中的瑞利散射光的相位信号进行校正，解决了相位敏感光时域反射仪技术中激光器相位噪声影响测量振动信息的问题，有效减小了激光器的相位噪声。

Description

相干相位敏感光时域反射仪的处理方法及装置

技术领域

本发明涉及通信领域，具体而言，涉及一种相干相位敏感光时域反射仪的处理方法及装置。

背景技术

光时域反射仪技术由于其分布式传感的特性，在许多传感领域有其独特的优势，因而得到了很多关注。光时域反射仪技术(OTDR)根据其实现原理可分为偏振光时域反射仪技术(P-OTDR)、相位敏感光时域反射仪技术(Phase sensitive optical time domainreflectometry，简称为)等。其中，由于其实现简单，测量灵敏度高，能同时传感多个事件等优势，在光纤分布式振动传感领域被广泛运用。其中，基于相干探测的，由于其信噪比高、空间分辨率高而成为光纤分布式振动传感研究的主流方向。

基于相干探测的振动传感技术可分为两类：基于光强度提取的振动传感与基于光相位提取的振动传感。对于基于光相位提取的振动传感，国内外已有较多成熟方案，能准确地测量振动的强度，但是其测量距离受激光器相位噪声限制，因而当距离超过一公里时，信噪比将显著下降，以至于无法测量振动信息。

针对相关技术中，相位敏感光时域反射仪技术中激光器相位噪声影响测量振动信息的问题，目前还没有有效的解决方案。

发明内容

本发明提供了一种相干相位敏感光时域反射仪的处理方法及装置，以至少解决相关技术中相位敏感光时域反射仪技术中激光器相位噪声影响测量振动信息的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种相干相位敏感光时域反射仪的处理方法，包括：

通过相位敏感光时域反射仪提取待测光纤的相位，其中，所述待测光纤上设置有辅助弱反射点，所述相位为通过所述辅助弱反射点对所述待测光纤中的瑞利散射光的相位信号进行校正后得到的相位。

进一步地，所述待测光纤上设置辅助弱反射点包括：

在所述待测光纤上等距设置辅助弱反射点。

进一步地，所述方法包括：

设置所述弱反射点的反射强度高于所述瑞利散射光。

进一步地，所述弱反射点的反射强度高于所述瑞利散射光包括：

所述弱反射点的反射强度比所述瑞利散射光高3dB～10dB。

进一步地，通过相位敏感光时域反射仪提取待测光纤的相位包括以下之一：

通过光混合器获得相干探测拍频信号的相位信息；

通过算法获得相干探测拍频信号的相位信息。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种相干相位敏感光时域反射仪的处理装置，包括：待测光纤，所述待测光纤上设置辅助弱反射点；

所述待测光纤与相位敏感光时域反射仪连接，其中，通过相位敏感光时域反射仪提取所述待测光纤的相位，其中，所述辅助弱反射点用于对所述待测光纤中的瑞利散射光的相位信号进行校正。

进一步地，所述待测光纤上设置所述辅助弱反射点包括：

在所述待测光纤上等距设置辅助弱反射点。

进一步地，所述辅助弱反射点包括：

微球面研磨抛光PC/PC接头。

进一步地，所述弱反射点的反射强度高于所述瑞利散射光。

进一步地，该装置还包括：光混合器；

相位敏感光时域反射仪通过所述光混合器获得相干探测拍频信号的相位信息。

通过本发明，通过相位敏感光时域反射仪提取待测光纤的相位，其中，该待测光纤上设置辅助弱反射点，该辅助弱反射点用于对该待测光纤中的瑞利散射光的相位信号进行校正，解决了相位敏感光时域反射仪技术中激光器相位噪声影响测量振动信息的问题，有效减小了激光器的相位噪声。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的一种相干相位敏感光时域反射仪的处理装置的结构框图；

图2是根据本发明优选实施例的相干检测的原理示意图；

图3是根据本发明优选实施例的相干检测的装置结构示意图；

图4是根据本发明优选实施例的相干检测的测量结果示意图一；

图5是根据本发明优选实施例的相干检测的测量结果示意图二。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

在本实施例中提供了一种相干相位敏感光时域反射仪的处理方法，通过相位敏感光时域反射仪提取待测光纤的相位，其中，该待测光纤上设置有辅助弱反射点，该相位为通过该辅助弱反射点对该待测光纤中的瑞利散射光的相位信号进行校正后得到的相位。

在本实施例中，可以在该待测光纤上等距设置辅助弱反射点。并且可以设置该弱反射点的反射强度高于该瑞利散射光，该弱反射点的反射强度比该瑞利散射光高3dB～10dB。

在本实施例中，通过相位敏感光时域反射仪提取待测光纤的相位包括以下之一：通过光混合器获得相干探测拍频信号的相位信息；通过算法获得相干探测拍频信号的相位信息。

图1是根据本发明实施例的一种相干相位敏感光时域反射仪的处理装置的结构框图，如图1所示，该装置包括：待测光纤12，该待测光纤12上设置辅助弱反射点14；

该待测光纤12与相位敏感光时域反射仪连接，其中，通过相位敏感光时域反射仪提取该待测光纤12的相位，其中，该辅助弱反射点14用于对该待测光纤中的瑞利散射光的相位信号进行校正。

在本实施例中，在该待测光纤12上等距设置辅助弱反射点14。该辅助弱反射点14包括：

微球面研磨抛光PC/PC接头。

在本实施例中，该弱反射点的反射强度高于该瑞利散射光。

在本实施例中，该装置还包括：光混合器；

相位敏感光时域反射仪通过该光混合器获得相干探测拍频信号的相位信息。

通过上述实施例，通过相位敏感光时域反射仪提取待测光纤的相位，其中，该待测光纤上设置辅助弱反射点，该辅助弱反射点用于对该待测光纤中的瑞利散射光的相位信号进行校正，解决了相位敏感光时域反射仪技术中激光器相位噪声影响测量振动信息的问题，有效减小了激光器的相位噪声。

下面结合优选实施例和实施方式对本发明进行详细说明。

本优选实施例针对相干检测相位提取技术存在的光源相位噪声的问题，提出了一种基于辅助弱反射点(Auxiliary Weak Reflection Point，简称为AWRP)的补偿方法。

图2是根据本发明优选实施例的相干检测的原理示意图，如图2所示，在相干检测的待测光纤待测光纤(Fiber Under Test,，简称为FUT)上等距加入若干辅助弱反射点，在进行相位提取后，对于光纤上任意点，用其相位与距离该点最近的辅助弱反射点相位的差代替其原本相位。由于光纤上任意点到与其最近的辅助弱反射点的距离小于到光源的距离，因而由于距离增长所累积的相位信号的噪声被补偿到较低水平，克服了光源相位噪声对相位提取带来的影响，显著提升了光相位提取技术的有效测量距离。

图3是根据本发明优选实施例的相干检测的装置结构示意图，如图3所示，包括：窄线宽光源，马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer)，辅助弱反射点(AWRP)，光电探测和数据采集模块；其中，FL(Fiber Laser)：窄线宽光纤激光器；；EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier)：掺铒光纤放大器；OC(Optical Coupler)：光耦合器；AOM(Acousto-Optic Modulator)：声光调制器；CIR(Circulator)：光环形器；PC(Polarization Controller)：偏振控制器；BPD(Balanced Photo-Detector)：平衡光电探测器；ADC(Analog-to-Digital Converter)：模数转换器；PZT(Piezoelectric Transducer)：压电陶瓷；RF Driver(Radio Frequency Driver)：射频驱动器；AWG(Arbitrary WaveGenerator)：任意波形发生器。

光源装置包括：窄线宽光纤激光器。

该窄线宽光纤激光器工作波长为1550nm，线宽小于1kHz。

马赫-曾德尔干涉仪包括：，声光调制器(AOM)，射频驱动器，任意波形发生器，两个掺铒光纤放大器(EDFA)，两个光耦合器(50/50)，一个环行器，待测光纤(FUT)，偏振控制器。

该50/50光耦合器将光信号分成参考光和探测光，参考光经过偏振控制器到达第二个光耦合器。通过任意波形发生器与射频驱动器产生单频脉冲信号驱动声光调制器，探测光通过声光调制器，产生移频的探测光脉冲。探测光脉冲经过EDFA放大，用于提高探测光脉冲的功率。放大后的探测光脉冲从环行器1端口进入待测光纤，瑞利背向散射光从环行器2端口进入第二个EDFA进行二次放大，然后在第二个光耦合器中与参考光产生拍频，偏振控制器用来调节参考光的偏振态。

辅助弱反射点是待测光纤之间相互连接的PC(Physical Contact)/PC接头。

该待测光纤为标准单模光纤。待测光纤之间相互连接的PC/PC接头被调节以使其反射强度较瑞利散射高3dB～10dB。

光电探测和数据采集模块包括：平衡光电探测器和8-bit，12.5GSa/s数据采集卡。

该平衡光电探测器用于光电转换，数据采集卡将模拟信号进行数字转换用于后期数据处理。

本优选实施例能够补偿相干检测光相位提取的光源相位噪声，实现十公里以上，相位标准差0.3弧度以下的高精度长距离光相位提取。

如图3所示，在本发明的优选实施例中，激光器产生波长为1550nm的连续光，经过第一个50/50耦合器分为参考光与探测光。参考光经过偏振控制器调节偏振态后，入射至第二个50/50耦合器中。任意波形发生器与射频驱动器产生载频80MHz，宽度100ns的单频脉冲信号驱动声光调制器，脉冲重复率为5kHz。通过声光调制器，将探测光调制成移频80MHz，宽度100ns的探测光脉冲，探测光脉冲重复率为5kHz，在OTDR中对应10m的空间分辨率。探测光脉冲经过第一个EDFA放大后，由环行器1端口入射至待测光纤中。环行器2端口出射的瑞利散射光经过第二个EDFA放大后，入射至第二个50/50耦合器中，与参考光拍频。通过一个平衡光电探测器，拍频信号被转换成电信号。通过模数转换器，电信号以1GSa/s的采样率与8bit的精度被采集转换为数字信号。模数转换器与声光调制器通过任意信号发生器进行同步。经过希尔伯特变换，采集得到的80MHz载频的信号经过希尔伯特变换，转换成复数域信号，求得其相位信号。利用已确定位置的辅助弱反射点，对所获得的相位信号进行补偿，得到补偿后的相位信号。检测补偿后的相位信号，即可对外界振动进行检测与分析。

待测光纤包含4段2km长的光纤，一段1km长的光纤，一段400m长的光纤。9km处一段约10m长的光纤被贴附于一个压电陶瓷上，以产生振动信号。任意信号发生器产生500Hz的方波信号，驱动压电陶瓷产生相应的振动。待测光纤沿线每2km设置一个PC/PC接头，连接头的反射强度经过设置，使得较瑞利散射强度高3～10dB，以区分连接头的反射信号与瑞利散射信号。利用设置的连接头与光纤末端的菲涅尔峰作为辅助弱反射点，对于光纤上的任意点，选取与其最近的辅助弱反射点，用这两者的相位之差代替该点的相位，实现相位噪声补偿。

图4是根据本发明优选实施例的相干检测的测量结果示意图一，如图4所示，在补偿前与补偿后光相位提取得到的信号的标准差沿距离分布的结果。补偿前相位信号的噪声随距离增加而增加，补偿后所有位置的相位信号的标准差均小于0.3rad。

图5是根据本发明优选实施例的相干检测的测量结果示意图二，如图5所示，给出了对500Hz方波型振动的测量结果，500Hz的基波与高次谐波均被测出，证明测量准确度很高。

本发明的优选实施例提出了一种新的消除相干检测中相位噪声的方法。通过在探测光纤上以2km间距加入若干个辅助弱反射点(Auxiliary Weak Reflection Point,AWRP)，辅助弱反射点包括PC/PC连接头，菲涅尔峰，弱反射FBG等，其反射强度强于瑞利散射。由于光源相位噪声会随着相位测量距离增长而增长，因此，用辅助弱反射点的相位校正辅助弱反射点附近瑞利散射信号的相位，可以有效地减小相位噪声，通过这种方法，前期验证实现了不进行平均处理的情况下，在10km的测量范围内得到小于0.3rad的相位标准差，且不需要牺牲振动频率响应度。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到根据上述实施例的方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种相干相位敏感光时域反射仪的处理方法，其特征在于，包括：

通过相位敏感光时域反射仪φ-OTDR提取待测光纤的相位，其中，所述待测光纤上设置有辅助弱反射点，所述相位为通过所述辅助弱反射点对所述待测光纤中的瑞利散射光的相位信号进行校正后得到的相位。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待测光纤上设置辅助弱反射点包括：

在所述待测光纤上等距设置辅助弱反射点。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

设置所述弱反射点的反射强度高于所述瑞利散射光。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述弱反射点的反射强度高于所述瑞利散射光包括：

所述弱反射点的反射强度比所述瑞利散射光高3dB～10dB。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过相位敏感光时域反射仪φ-OTDR提取待测光纤的相位包括以下之一：

通过光混合器获得相干探测拍频信号的相位信息；

通过算法获得相干探测拍频信号的相位信息。

6.一种相干相位敏感光时域反射仪的处理装置，其特征在于，包括：待测光纤，所述待测光纤上设置辅助弱反射点；

所述待测光纤与相位敏感光时域反射仪φ-OTDR连接，其中，通过相位敏感光时域反射仪φ-OTDR提取所述待测光纤的相位，其中，所述辅助弱反射点用于对所述待测光纤中的瑞利散射光的相位信号进行校正。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述待测光纤上设置所述辅助弱反射点包括：

在所述待测光纤上等距设置辅助弱反射点。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述辅助弱反射点包括：

微球面研磨抛光PC/PC接头。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，包括：

所述弱反射点的反射强度高于所述瑞利散射光。

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，该装置还包括：光混合器；

所述光混合器和所述相位敏感光时域反射仪φ-OTDR连接，所述相位敏感光时域反射仪φ-OTDR通过所述光混合器获得相干探测拍频信号的相位信息。