[发明专利]光频分复用相位敏感光时域反射计

说明书

技术领域

本发明涉及光时域反射计，特别是一种光频分复用相位敏感光时域反射计。

背景技术

相位敏感光时域反射计(Phase sensitive optical time domain reflectometry，以下简称Phase-OTDR)是一种基于瑞利散射的新型分布式光纤传感计，能对沿光纤线路范围内的外界动态物理量进行远程实时监测。与常规的光时域反射计(optical time domain reflectometry，简称为OTDR)不同的是，Phase-OTDR采用窄线宽(约为KHz)和极小频率漂移的激光器作为光源，通过探测脉冲宽度区域内后向瑞利散射光的干涉信号而获得扰动位置处的各种特征物理量(振幅、频率、相位等)，并通过回波时间对事件进行定位。因此，它除了常规分布式光纤传感诸多特点外，还具有隐蔽性、定位精度高、数据处理简单等优点，特别适合于天然气、石油管道等安全监控，以及民用设施如桥梁、大型建筑等土木工程的健康监控。

自1993年H.F.Taylor提出Phase-OTDR以来，该技术的问世极大提高了分布式光纤传感技术的灵敏度。但是当时多采用的是直接探测的方法，只能定性测量发生扰动的位置信息，无法定量测量扰动信号的振幅、频率和相位信息，具体参见【H.F.Taylor and C.E.Lee.Apparatus and method for fiber optic intrusion sensing.U.S.Patent 5，1993：194847.】。为了提高Phase-OTDR的性能，研究者们进行了广泛而深入的研究：

在先技术一【参见Lidong Lu，Yuejiang Song，Fan Zhu，Xuping Zhang，Dual frequency probe based coherent optical time reflectometry，Opt.Commun.，2012，in press】利用相位调制器在激光器中心频率附近产生许多边带，同时控制调制深度(1.44)，使其0级，±1级占其主要成分，然后将包含有三种频率的光脉冲注入到光纤，采用相干检测的方法，研究表明，该技术可以有效减少相干瑞利噪声，提高了3dB的动态范围，但是受到带通滤波器和脉冲宽度的相互制约(脉冲宽度为1us)，因此不能有很好的定位精度，只适合于长距离的海底光缆传输线的监测。更重要的是，该技术只停留在定性测量上，没有实现对扰动信号的定量测量，包括振幅、频率以及相位信息。

在先技术二【参见Y.L.Lu，T.Zhu，L.A.Chen，and X.Y.Bao，Distributed vibration sensor based on coherent detection of phase-OTDR，J.Lightw.Technol.，2010，28(22)，3243-3249.】首次提出利用Phase-OTDR相干检测的方法去测量外界声场的扰动频率，使其拓展至分布式振动传感领域。但是还仅仅局限于定性测量扰动信号的振幅和频率信息，没有定量获得光纤链路及扰动位置的相位信息。另一方面，由于受到采样率的制约，最高可探测扰动频率小于1KHz，空间分辨率为5m左右，对于更高频率的扰动信息则无法测量。这就大大限制了这种新型传感技术的应用范围，比如扰动频率为MHz以上的超声波监测，从而在一定程度上也无法体现这种技术的先进性和优越性。

发明内容

为了克服上述在先技术的缺点，本发明提出一种光频分复用相位敏感光时域反射计，以期突破目前相关分布式光纤传感领域发展所面临的低信噪比、低采样速率、非定量检测等若干瓶颈问题。

本发明的技术解决方案如下：

一种光频分复用相位敏感光时域反射计，其特点在于包括窄线宽激光器、光纤耦合器、相位调制器、扰偏器、掺铒光纤放大器、声光调制器、光纤环形器、信号发生器模块、触发源、双平衡探测器、低通滤波器、数据采集卡、计算机和长距离传感光纤，上述元件的位置关系如下：

所述的窄线宽激光器发出的光经所述的光纤耦合器分成信号光和本地光，沿信号光方向通过光纤依次连接所述的相位调制器、扰偏器、掺铒光纤放大器、声光调制器和光纤环形器，该光纤环形器的第二端口接所述的长距离传感光纤的一端，该光纤环形器的第三端口经光纤接所述的双平衡探测器的输入端，所述的信号发生器模块的输出端接所述的相位调制器的控制端；