[发明专利]基于双脉冲移相干涉的Φ-OTDR系统及相位解调方法

说明书

本发明公开了一种基于双脉冲移相干涉的Φ‑OTDR系统及相位解调方法，该系统包括激光光源、光开关、相位调制器、掺铒光纤放大器、光环形器、传感光纤、信号发生器、声源振动器件、FPGA、光电探测器、瞬态光电信号处理器和计算机。方法为：首先生成两个宽度一致且具有延时的连续双脉冲，然后对连续双脉冲进行相位调制，并进行光功率放大，再由光环形器输入到传感光纤，返回的背向瑞利散射光脉冲之间发生干涉叠加；在传感光纤中加入声源振动器件，引起光纤相位变化；携带振动信号的干涉信号由光电探测器接收，对多组数据进行采集和处理，实现对外界振动信号的相位解调。本发明抗干扰能力强且减少了非线性干扰，具有结构简单、精度高的优点。

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感技术领域，特别是一种基于双脉冲移相干涉的Φ-OTDR系统及相位解调方法。

背景技术

分布式光纤声学传感器(DOFAS)已广泛应用于几种实际应用中的振动检测，如入侵检测、铁路安全监测和地震监测。因此，沿光纤同时检索多个事件的能力对于DOFAS的实际应用至关重要，完整检索声学信号的波形可用于收集关于振动事件的更多信息。基于相位敏感型光时域反射计(Φ-OTDR)的光纤入侵传感器系统，具有分布式多点检测、灵敏度高、信噪比高、响应速度快、动态范围广、隐蔽性强、不受地形地貌影响等优势，可以实现长距离分布式检测外界扰动情况的应用，在周界安防入侵监测方面极具潜力，已成为研究的热点。

现在的传感技术主要分为基于光时域反射计和基于干涉仪结构的分布式光纤传感器。基于光时域反射计的传感技术对于不同的散射原理：拉曼散射、布里渊散射、瑞利散射，提出了对应的3种分布式传感器，其中对基于瑞利散射的光时域反射计，又根据检测方法的不同分为偏振光时域反射计(POTDR)和相位敏感型光时域反射计(Φ-OTDR)。在光纤传感技术中，信号检测方法是其核心技术之一。目前Φ-OTDR相位解调方案主要有相位生成载波法(零差法)、外差法和3×3迈克尔逊干涉仪法等。相位生成载波法一般用于消除随机相位漂移、相位衰落等影响的干涉型光纤传感器中，但易受到频率和传感距离的限制，使得系统的检测频率范围降低；3×3迈克尔逊干涉仪法可以检测更高的目标频率，没有调制深度的限制，但系统结构较复杂；外差法结构简单，但器件成本高，光源相干性高，要求频率偏移小，探测器带宽高，易受到距离的限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、精度高、抗干扰能力强的基于双脉冲移相干涉的Φ-OTDR系统及相位解调方法。

实现本发明目的技术解决方案为：一种基于双脉冲移相干涉的Φ-OTDR系统，包括开激光光源、光开关、相位调制器、掺铒光纤放大器、光环形器、传感光纤、信号发生器、声源振动器件、FPGA、光电探测器、瞬态光电信号处理器和计算机；

所述激光光源发出的激光，顺次发送至光开关和相位调制器；所述FPGA给予光开关一个连续双脉冲信号，同时给予相位调制器一个具有π/2调制深度的连续相位脉冲调制信号；相位调制器的出射光输入掺铒光纤放大器进行信号放大，放大后的光信号从光环形器的1号口进入到2号口，并从2号口输出到传感光纤，在传感光纤内发生背向瑞利散射光间的干涉叠加得到干涉光信号；将传感光纤盘绕一段固定放置于声源振动器件上，信号发生器发送给声源振动器件一个正弦调制信号，使得声源振动器件产生特定频率和幅度的振动，声源振动器件产生的振动引起传感光纤内干涉光信号的相位发生变化；携带振动信号的干涉光信号返回至光环形器的2号口，并由3号口输出到光电探测器，然后进入瞬态光电信号处理器进行数据采集，所采集的数据传送至计算机进行计算，解调出声源振动器件的正弦振动相位信号。

一种基于双脉冲移相干涉的Φ-OTDR系统的相位解调方法，包括以下步骤：

步骤1、激光光源发出的激光，顺次发送至光开关和相位调制器；FPGA给予光开关一个连续双脉冲信号，同时给予相位调制器一个具有π/2调制深度的连续相位脉冲调制信号，形成经相位调制的激光脉冲；