基于频-空域匹配和注入锁定技术的相敏型OTDR与测量方法技术

本发明专利技术提供了一种基于频‑空域匹配和注入锁定技术的相敏型OTDR与测量方法。相敏型OTDR包括脉冲光序列产生装置和回波信号探测装置；脉冲光序列产生装置包括主激光器、从激光器、电光调制器、声光调制器、任意波形发生器、任意函数发生器和第一环形器；回波信号探测装置包括第一掺铒光纤放大器、第二环形器、第二掺铒光纤放大器和光电探测器。上述技术采用任意波调制式注入锁定技术实现对激光频率的快速调谐，从根本上避免了频率扫描过程中的非线性问题，具有高精度的传感能力。本发明专利技术对数据的解调采用频域‑空域匹配技术，通过对多空域点的频域信息进行匹配，显著减小数据解调对频域点数的需求，大大降低对硬件带宽的要求，扩大了测量范围。

Phase Sensitive OTDR and Measurement Method Based on Frequency-Space Matching and Injection Locking Technology

The invention provides a phase-sensitive OTDR and measurement method based on frequency-space matching and injection locking technology. Phase-sensitive OTDR includes pulse light sequence generator and echo signal detector; pulse light sequence generator includes main laser, slave laser, electro-optic modulator, acousto-optic modulator, arbitrary waveform generator, arbitrary function generator and first loop; echo signal detector includes first erbium-doped fiber amplifier, second loop, second erbium-doped fiber amplifier and first loop. Photoelectric detector. The above technology uses arbitrary wave modulation injection locking technology to achieve fast tuning of laser frequency, fundamentally avoids the non-linear problem in the frequency scanning process, and has high precision sensing ability. The invention adopts frequency domain spatial domain matching technology for data demodulation, matches the frequency domain information of multi-spatial points, significantly reduces the demand of frequency domain points for data demodulation, greatly reduces the requirement of hardware bandwidth and enlarges the measurement range.

【技术实现步骤摘要】
基于频-空域匹配和注入锁定技术的相敏型OTDR与测量方法
本专利技术的实施方式涉及传感
，更具体地，本专利技术的实施方式涉及一种基于频-空域匹配和注入锁定技术的相敏型OTDR与测量方法。
技术介绍
相对于其它分布式传感技术，基于瑞利散射效应的相位敏感型光时域反射计(Φ-OTDR)技术具有结构简单、灵敏度高的优点。该技术通过向光纤中注入窄线宽的激光脉冲，获得半脉冲宽度内的后向瑞利散射光的干涉叠加信号，此干涉叠加信号对外界温度或应变变化极其敏感。回波信号的强度变化表明，温度或应变的响应灵敏度分别能够达到mK和nε量级。Φ-OTDR技术的难点是对温度或应变的定量测量。频域相关法是一种可以实现定量测量的一类技术。此方法对多个频率的回波信号在频域上进行相关，以此计算温度或应变变化。此方法无衰落噪声问题。目前的频域相关法需要的扫频点数多，带宽需求量大，导致其测量范围小，从经济性和实用性两方面显著制约了该技术的实际应用价值。而且，目前的频域相关方案采用微波调谐方法或内调制法，前者扫频速度慢，测量速度低，无法进行动态测量，后者调频线性度低，测量精度低。
技术实现思路
在本上下文中，本专利技术的实施方式期望提供一种基于频-空域匹配和注入锁定技术的相敏型OTDR与测量方法，以解决现有频域相关式Φ-OTDR术存在的测量范围小以及带宽需求量大的问题，从而实现大范围、高灵敏度的温度或应变的动态测量。在本专利技术实施方式的第一方面中，提供了一种基于频-空域匹配和注入锁定技术的相敏型OTDR，包括脉冲光序列产生装置和回波信号探测装置；所述脉冲光序列产生装置包括主激光器、从激光器、电光调制器、声光调制器、任意波形发生器、任意函数发生器和第一环形器；所述回波信号探测装置包括第一掺铒光纤放大器、第二环形器、第二掺铒光纤放大器和光电探测器；所述主激光器的输出激光由所述电光调制器调制，调制后的激光经由所述第一环形器注入所述从激光器中，其中，所述电光调制器的调制信号的频率作阶跃变化，该调制信号由所述任意波形发生器产生；所述从激光器的输出光经所述第一环形器输出至所述声光调制器，经所述声光调制器调制后的脉冲光序列经由所述第一掺铒光纤放大器放大后、再经所述第二环形器注入待测光纤中；其中，所述任意函数发生器用于产生预设的方波信号输出至所述声光调制器；所述待测光纤中的后向瑞利散射回波信号经所述第二环形器输出至所述第二掺铒光纤放大器，所述后向瑞利散射回波信号经所述第二掺铒光纤放大器放大后由所述光电探测器探测。进一步地，还包括滤波器，所述滤波器设于所述第二掺铒光纤放大器与所述光电探测器之间，用于滤除所述第二掺铒光纤放大器的自发辐射噪声。在本专利技术实施方式的第二方面中，提供了一种基于频-空域匹配和注入锁定技术的相敏型OTDR的测量方法，该测量方法基于如上所述的基于频-空域匹配和注入锁定技术的相敏型OTDR实现；所述测量方法包括：在第一发送时间将所述脉冲光序列产生装置产生的第一脉冲光序列输入所述回波信号探测装置，在第一接收时间通过所述光电探测器接收与所述第一脉冲光序列相对应的第一后向瑞利散射回波信号，其中，所述第一脉冲光序列包括n个预定频率的探测光脉冲；n为正整数；在第二发送时间将所述脉冲光序列产生装置产生的第二脉冲光序列输入所述回波信号探测装置，在第二接收时间通过所述光电探测器接收与所述第二脉冲光序列相对应的第二后向瑞利散射回波信号，其中，所述第二脉冲光序列包括所述n个预定频率的探测光脉冲；其中，所述第二发送时间在所述第一发送时间之后；所述第一后向瑞利散射回波信号包括所述第一脉冲光序列中的每个探测光脉冲在所述待测光纤各位置上的后向瑞利散射回波信号，所述第二后向瑞利散射回波信号包括所述第二脉冲光序列中的每个探测光脉冲在所述待测光纤各位置上的后向瑞利散射回波信号；获得所述第一后向瑞利散射回波信号的第一频域-空域特征图以及所述第二后向瑞利散射回波信号的第二频域-空域特征图；其中，所述第一频域-空域特征图和第二频域-空域特征图以待测光纤上的位置为第一维坐标、以探测光脉冲的频率为第二维坐标、以所述光电探测器接收的信号强度或信号幅值为第三维坐标；在所述第一频域-空域特征图中选取预定尺寸的参考数据区域，在所述第二频域-空域特征图中确定该参考数据区域对应的匹配数据区域，计算所述参考数据区域与所述匹配数据区域在第二维坐标上的位移量，以根据该位移量确定所述第一频域-空域特征图与所述第二频域-空域特征图之间的频率延迟；根据所述频率延迟，计算所述待测光纤的温度变化量或应变变化量。进一步地，所述参考数据区域包括所述第一频域-空域特征图中预设的第一位置点的预定大小邻域的数据点；在所述第二频域-空域特征图中确定该参考数据区域对应的匹配数据区域的步骤包括：在所述第二频域-空域特征图中，将与所述预设的第一位置点的第一维坐标相同的第二位置点的预定大小邻域的数据点所形成的数据区域作为待匹配数据区域；将待匹配数据区域沿所述第二频域-空域特征图的第二维坐标轴移动，获得移动过程中每次移动所得的待匹配数据区域与所述参考数据区域之间的差异矩阵，并计算每次所得的差异矩阵的所有元素的平方和；确定移动过程中的差异矩阵的所有元素的平方和最小时所对应的差异矩阵，将该差异矩阵对应的待匹配数据区域作为所述匹配数据区域。进一步地，计算所述待测光纤的温度变化量或应变变化量的步骤包括：根据如下公式计算所述待测光纤的应变变化量：其中，Δv表示频率延迟，v表示光波基频，pε表示弹光系数，Δε表示应变改变量，Kε表示应变系数。进一步地，根据如下公式计算所述待测光纤的温度变化量：其中，Δv表示频率延迟，v表示光波基频，ξ表示热光系数，α表示热膨胀系数，ΔT表示温度改变量，KT表示温度系数。根据本专利技术实施方式的基于频-空域匹配和注入锁定技术的相敏型OTDR与测量方法，其具有以下有益效果：本专利技术采用任意波调制式注入锁定技术实现对激光频率的快速调谐。该技术从根本上避免了频率扫描过程中的非线性问题，具有高精度的传感能力。此外，该技术利用任意波调制技术，极大地提高了频率调谐速度，使本技术具备对快速变化信号的测量能力。本专利技术对数据的解调采用频域-空域匹配技术，改变了此前技术仅对一个点的频域信息进行相关的策略。通过对多空域点的频域信息进行匹配，可显著减小数据解调对频域点数的需求，大大降低对硬件带宽的要求(现有技术带宽大约为4GHz，使用本专利技术可以降低至500MHz，可以降低为原带宽的1/8)，扩大系统的测量范围。附图说明通过参考附图阅读下文的详细描述，本专利技术示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本专利技术的若干实施方式，其中：图1是示出根据本专利技术实施方式的基于频-空域匹配和注入锁定技术的相敏型OTDR的光路结构示意图；图2是示出根据本专利技术实施方式的基于频-空域匹配和注入锁定技术的相敏型OTDR的测量方法的一个示例性处理的流程图；图3是示出图2中的步骤S250的一个可能处理的流程图；图4是示出频域-空域匹配法示意图；图5A是示出光纤不同位置接收的信号强度变化情况的示意图；图5B是示出信噪比低时信号强度变化的示意图；图5C是示出不同窗长下一维相关运算方法与二维图像匹配法的解调结果对比的示意图。在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于频‑空域匹配和注入锁定技术的相敏型OTDR，其特征在于包括脉冲光序列产生装置和回波信号探测装置；所述脉冲光序列产生装置包括主激光器(1‑1)、从激光器(1‑2)、电光调制器(1‑3)、声光调制器(1‑4)、任意波形发生器(1‑5)、任意函数发生器(1‑6)和第一环形器(1‑7)；所述回波信号探测装置包括第一掺铒光纤放大器(1‑8)、第二环形器(1‑9)、第二掺铒光纤放大器(1‑10)和光电探测器(1‑11)；所述主激光器(1‑1)的输出激光由所述电光调制器(1‑3)调制，调制后的激光经由所述第一环形器(1‑7)注入所述从激光器(1‑2)中，其中，所述电光调制器(1‑3)的调制信号的频率作阶跃变化，该调制信号由所述任意波形发生器(1‑5)产生；所述从激光器(1‑2)的输出光经所述第一环形器(1‑7)输出至所述声光调制器(1‑4)，经所述声光调制器(1‑4)调制后的脉冲光序列经由所述第一掺铒光纤放大器(1‑8)放大后、再经所述第二环形器(1‑9)注入待测光纤中；其中，所述任意函数发生器(1‑6)用于产生预设的方波信号输出至所述声光调制器(1‑4)；所述待测光纤中的后向瑞利散射回波信号经所述第二环形器(1‑9)输出至所述第二掺铒光纤放大器(1‑10)，所述后向瑞利散射回波信号经所述第二掺铒光纤放大器(1‑10)放大后由所述光电探测器(1‑11)探测。...

【技术特征摘要】
1.基于频-空域匹配和注入锁定技术的相敏型OTDR，其特征在于包括脉冲光序列产生装置和回波信号探测装置；所述脉冲光序列产生装置包括主激光器(1-1)、从激光器(1-2)、电光调制器(1-3)、声光调制器(1-4)、任意波形发生器(1-5)、任意函数发生器(1-6)和第一环形器(1-7)；所述回波信号探测装置包括第一掺铒光纤放大器(1-8)、第二环形器(1-9)、第二掺铒光纤放大器(1-10)和光电探测器(1-11)；所述主激光器(1-1)的输出激光由所述电光调制器(1-3)调制，调制后的激光经由所述第一环形器(1-7)注入所述从激光器(1-2)中，其中，所述电光调制器(1-3)的调制信号的频率作阶跃变化，该调制信号由所述任意波形发生器(1-5)产生；所述从激光器(1-2)的输出光经所述第一环形器(1-7)输出至所述声光调制器(1-4)，经所述声光调制器(1-4)调制后的脉冲光序列经由所述第一掺铒光纤放大器(1-8)放大后、再经所述第二环形器(1-9)注入待测光纤中；其中，所述任意函数发生器(1-6)用于产生预设的方波信号输出至所述声光调制器(1-4)；所述待测光纤中的后向瑞利散射回波信号经所述第二环形器(1-9)输出至所述第二掺铒光纤放大器(1-10)，所述后向瑞利散射回波信号经所述第二掺铒光纤放大器(1-10)放大后由所述光电探测器(1-11)探测。2.根据权利要求1所述的基于频-空域匹配和注入锁定技术的相敏型OTDR，其特征在于还包括滤波器，所述滤波器设于所述第二掺铒光纤放大器(1-10)与所述光电探测器(1-11)之间，用于滤除所述第二掺铒光纤放大器(1-10)的自发辐射噪声。3.基于频-空域匹配和注入锁定技术的相敏型OTDR的测量方法，其特征在于，该测量方法基于权利要求1或2所述的基于频-空域匹配和注入锁定技术的相敏型OTDR实现；所述测量方法包括：在第一发送时间将所述脉冲光序列产生装置产生的第一脉冲光序列输入所述回波信号探测装置，在第一接收时间通过所述光电探测器(1-11)接收与所述第一脉冲光序列相对应的第一后向瑞利散射回波信号，其中，所述第一脉冲光序列包括n个预定频率的探测光脉冲；n为正整数；在第二发送时间将所述脉冲光序列产生装置产生的第二脉冲光序列输入所述回波信号探测装置，在第二接收时间通过所述光电探测器(1-11)接收与所述第二脉冲光序列相对应的第二后向瑞利散射回波信号，其中，所述第二脉冲光序列包括所述n个预定频率的探测光脉冲；其中，所述第二发送时间在所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：巴德欣，董永康，王龙，何伟明，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23