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基于3×3迈克耳孙干涉仪的四路检测相位解调φ-OTDR.pdf

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第38卷 第8期 2018年8月 光 学 学 报 ACTAOPTICASINICA Vol.38,No.8 August,2018 基于3×3迈克耳孙干涉仪的四路检测 相位解调ϕGOTDR 宋牟平∗∗,尹聪∗,陆燕,朱伟基,吴媖,庄守望 浙江大学信息与电子工程学院,浙江 杭州310027 摘要 相位敏感光时域反射计(ϕGOTDR)中使用相干性较好 的 窄 线 宽 光 源,因 传 感 光 纤 中 光 脉 冲 产 生 的 散 射 光 发 生干涉,故可利用干涉光的变化检测外界扰动,检测灵 敏 度 较 高.但 传 统 的 幅 度 检 测ϕGOTDR 的 结 果 难 以 实 现 定 量检测,需要进行相位解调.基于3×3迈克耳孙干涉仪的相位解调系统是一 种 较 好 的 解 调 方 案,但 直 接 解 调 的 结 果存在空间分辨能力小于传统幅度检测ϕGOTDR 的 问 题.采 用 四 路 检 测 方 法 来 保 持ϕGOTDR 的 空 间 分 辨 能 力, 只需在系统结构中增加一路检测.同时考虑到窄线宽光源产生的脉冲内干涉对 解 调 造 成 的 不 利 影 响,在 提 出 四 路 检测相位解调ϕGOTDR 的基础上,从瑞利后向散射光的角度对基于3×3迈克 耳 孙 干 涉 仪 的 相 位 解 调ϕGOTDR 进 行分析,并通过实验进行验证.完成了对5km 传感光纤上 扰 动 信 号 的 定 量 检 测,检 测 线 性 度 为0.9956,解 调 相 位 的幅度达到31.85rad,解调系统的空间分辨率与传统的幅度检测ϕGOTDR 相同. 关键词 光纤光学;分布式光纤传感;相位敏感光时域反射计;相位解调;定量检测;四路检测 中图分类号  TP212   文献标识码 A doi:10.3788/AOS201838.0806001 FourGChannelDetectingPhaseDemodulationϕGOTDR Basedon3×3MichelsonInterferometer SongMuping∗∗ YinCong∗ LuYan ZhuWeiji WuYing ZhuangShouwang CollegeofInformationScienceandElectronicEngineering ZhejiangUniversity Hangzhou Zhejiang310027 China Abstract PhaseGsensitiveopticaltimedomainreflectometry ϕGOTDR usesnarrowlineGwidthlaserwithhigh coherence敭Inthesensingfiber scatteredlightsfromopticalpulseinterfere andtheinterferencelightishighly sensitivetoexternaldisturbance敭ButthetraditionalamplitudeGdetectionϕGOTDRisnotquantitativedetection so thatphasedemodulationisnecessary敭Phasedemodulationsystembasedon3×3MichelsoninterferometeriscostG effective butisoflowerspatialresolutionthanthetraditionalamplitudeGdetectionϕGOTDR敭WeproposeafourG channeldetectionmethodtopreservethesamespatialresolutionasamplitudeGdetectionϕGOTDRbyaddingonlyone detectionchannel敭Buttheinterferenceofscatteredlightsmayhavecriticalinfluencetophasedemodulation敭AfourG channeldetectionsystemofphasedemodulationϕGOTDRisanalyzedbasedon3×3Michelsoninterferometer from theaspectofRayleighbackscatteringlight敭Theexperimentshowsthatthedisturbancearoundthefiberisdetected quantitatively withalinearityof0敭9956 phasesensingrangeof31敭85rad andthespatialresolutionissameas thatofamplitudeGdemodulationϕGOTDR敭 Keywords fiberoptics distributedopticalfibersensing phaseGsensitiveopticaltimedomainreflectometry phase demodulation quantitativedetection fourGchanneldetecting OCIScodes 060敭2300 060敭2370 060敭4080 1 引  言 近年来,分布式光纤传感技术被认为具有广泛 的应用前景,尤其 是 在 国 防、管 道 监 测、大 型 结 构 监 测等方面[1].相位敏感光时域反射计(ϕGOTDR)因 其灵敏度较高、动态范围大、能够进行多点同时检测   收稿日期:2018G01G04;修回日期:2018G02G07;录用日期:2018G03G28   ∗EGmail:yincong19920311@qq.com;∗∗EGmail:songmp@zju.edu.cn 0806001G1 等优点而受到 广 大 研 究 人 员 的 关 注[2].目 前,人 们 在提高ϕGOTDR 传感距离、空间分辨率以及信噪比 等方面进行了深入 研 究,同 时 结 合 光 纤 光 栅 等 辅 助 手段改良其性能,为ϕGOTDR 的实际应用做出了诸 多努力[3G5].ϕGOTDR 利 用 高 相 干 窄 线 宽 激 光 器 为 光源,传感光纤中光 脉 冲 产 生 的 后 向 散 射 光 相 互 干
光   学   学   报 也有很多研究针对各种检测方法的解调算法进行改 检测方法通过使用频率漂移很小的激光器进行散射 涉,利用干涉光的变化对外界扰动进行检测,具有很 高的灵敏度. 传统的ϕGOTDR 是 基 于 后 向 瑞 利 散 射 光 幅 度 检测的分布式光纤 传 感 器,但 扰 动 引 起 散 射 光 的 幅 度变化与扰动的强 弱 不 是 线 性 关 系,因 此 难 以 对 扰 动进行定量检 测[6G7].同 时 幅 度 检 测 在 扰 动 较 强 时 还会产生谐 波,影 响 对 外 界 扰 动 情 况 的 正 常 判 断. 而散射光的相位与 扰 动 的 强 弱 变 化 呈 线 性 关 系,因 此相位解调可以对扰动进行定量测量.已有的外差 光与本征光的相干检测,从而实现相位解调[8];零差 检测方法通过散射 光 的 自 相 干 进 行 解 调,包 括 相 位 生成载波方法及3×3迈克耳孙干涉仪的方法[9G10]; 进,以减小解调过程带来的误差以及失真[11].国内 的王毅等[12]引进并研究了基于3×3耦合器的解调 方法,指出了该方法的优势与应用价值.基于3×3 耦合器的迈克耳孙干涉仪,能够对光纤上两处散射光 的相位差进行解调,从而实现对传感光纤上扰动情况 的检测.该方法所用设备结构简单,成本较低,但由 于解调相位是光纤上两处散射光的相位差,需要进一 步处理解调结果才能保持原有的空间分辨率. 本文提出基于3×3 迈 克 耳 孙 干 涉 仪 的 四 路 检 测相位解调ϕGOTDR,在保持ϕGOTDR 系统空间分 辨率和灵敏 度 的 同 时,能 够 对 扰 动 进 行 定 量 检 测. 调结果的影响,通 过 实 验 对 分 析 结 果 进 行 验 证.分 析了干涉仪非平衡 长 度 对 系 统 性 能 的 影 响,并 选 取 适当的非平衡长度实现了对5km 光纤上扰动的定 量检测. 2 原  理 基于3×3迈克 耳 孙 干 涉 仪 的 四 路 检 测 相 位 解 调ϕGOTDR 传感原理如图1所示,通过对光纤上两 定量扰动,并通过直 接 检 测 散 射 光 来 对 扰 动 进 行 空 间定位.当有扰动 存 在 时,在 扰 动 位 置 的 散 射 光 幅 度会发生变化,扰动 位 置 及 其 后 向 散 射 光 相 位 也 会 发生变化,从而引起扰动前后散射光的相位差变化, 信息. 2.1 光脉冲内散射光 ϕGOTDR 中光 脉 冲 在 传 感 光 纤 中 传 播 发 生 散 射,其中后向散射光 携 带 着 光 纤 上 的 扰 动 带 来 的 幅 然后从散射光的角度推导分析脉冲内干涉现象对解 同时检测出幅度变化和相位差即可得到扰动的相关 个相隔一定距离的后向散射光的相位差进行解调来 度和相位变化等 信 息,被 探 测 器 接 收.散 射 模 型 可 以用图2表示. 图1 基于3×3迈克耳孙干涉仪的四路检测相位 解调ϕGOTDR 传感原理 Fig.1 SensingprincipleoffourGchanneldetectingphase demodulationϕGOTDRbasedon3×3 Michelsoninterferometer 图2 光脉冲散射模型 Fig.2 Scatteringmodelofopticalpulse i=1 涉后的光场可以表示为 Eiexp(jϕi)=Eexp(jϕ), 光脉冲产生的后向散射光相遇时发生干涉,干 E=∑n (1) 式中:n为脉冲内散射单元个数;Ei 和ϕi 为第i个 散射点的幅度和相位;E 和ϕ为干涉 后 的 幅 度 和 相 位.当有扰动作用于光纤时,E 和ϕ都 会 随 扰 动 的 变化而变化,ϕGOTDR 幅度检测 就 是 检 测 扰 动 引 起 的E 的变化. 2.2 散射光相位差解调 基于3×3 迈 克 耳 孙 干 涉 仪 的 相 位 解 调 ϕG OTDR 是对光 纤 上 相 隔 一 定 距 离 的 两 个 后 向 散 射 光之间的相位差进行解调,简化模型如图3所示. 图3 相位差模型 Fig.3 Modelofphasedifference 向散射光进入3×3耦合器时的光场可以表示为 根据(1)式,没 有 扰 动 时 脉 冲 在 A、B 两 处 的 后 (2) (3) 干涉后从3×3耦合器输出,最终探测器检测到的三 EA =EA0exp(jϕA), EB =EB0exp(jϕB), 路信号可以表示为 0806001G2
光   学   学   报 l=lp+l0, 号平均衰 落 周 期 加 脉 冲 长 度 作 为 干 涉 仪 非 平 衡 长 距离的分布是具有接近但不完全一致的周期性的瑞 一定范围内解调结 果 不 完 全 失 真,就 可 以 确 定 扰 动 引起的相位变化量.由于脉冲产生的散射光幅度沿 利分布,对于 实 际ϕGOTDR 系 统 来 说,可 以 选 取 信 度,即 (11) 式中:l为干涉臂 非 平 衡 长 度;lp 为 脉 冲 长 度;l0 为 ϕGOTDR 一个平均衰落周期,可通过统 计ϕGOTDR 曲线衰落周期的平均值来获得[13]. 3 四路检测系统 基于3×3迈克 耳 孙 干 涉 仪 的 四 路 检 测 相 位 解 调系统如图5 所 示.激 光 从 中 心 波 长 为1550nm、 线宽 为 2kHz 的 激 光 器 发 出,经 过 声 光 调 制 器 (AOM)调 制 成 光 脉 冲,再 经 掺 铒 光 纤 放 大 器 (EDFA)放大,通 过 环 形 器 进 入 光 纤. 后 向 散 射 光 经环形器进入分 光 比 为1∶1的 耦 合 器,分 出 的 一 路 进入由3×3耦合器与法拉第旋转镜(FRM)构成的 迈克耳孙干涉仪,另一路直接被光电探测器(PD)接 收.四路检测系统中PD1、PD2、PD3接收的信号用 于相位 解 调,PD4 接 收 的 信 号 用 于 对 扰 动 进 行 定 位.实验中使用直径 为6cm 的 压 电 陶 瓷(PZT)作 用于待测光纤(FUT)产生扰动信号. (4) (5) (6) ö ÷ , ø ö ÷ , ø æ ç è æ ç è E1 =M+Ncosϕ0, E2 =M+Ncosϕ0 +2 3π E3 =M+Ncosϕ0 -2 3π 3λ(E2A0 +E2B0), N=λEA0EB0, ϕ0 =(ϕB -ϕA), M=1 其中: (7) (8) (9) 式中:λ为探测器响应 系 数;EA0和EB0为 A、B 两 处 散射光的初始光场幅度;ϕA 和ϕB 为 A、B 两处散射 光的相位;通过差分G交叉相乘的解调方法得到相位 ϕ0,即为 A、B 两处散射光的相位差.解调框图如图 4所示[12],相对于反三角函数解调方法来说,这种解 调方法的优点是即使相位跳变也可以准确解调. 图4 解调原理图 Fig.4 Diagramofdemodulationprinciple 当光纤上有扰动作用时,假设 A 处未受到扰动 作用,B 处在扰动影响下散射光场变为 (10) E′B=E′B0exp(jϕ′B). 此时,M、N 和ϕ0 均发生变化,其 中 参 数 M 的 变 化 与散射光幅度检测的变化是一致的,ϕ0 则与扰动强 弱呈线性关系.在相位解调过程中,N 作为与相位 无关的量需要 被 消 去.由 于 脉 冲 内 的 干 涉 效 应,N 在某些位置很小,作 为 分 母 会 放 大 噪 声 对 解 调 结 果 的影响,导致解调相位失真. 当非平衡长度较长时,在 A 处的散射光未受到 扰动影响前,B 处 的 散 射 光 受 到 扰 动 影 响 且 待 相 位 完全发生变化后,这 一 段 范 围 内 两 处 散 射 光 的 相 位 差同时变化,即 可 以 解 调 得 到 连 续 稳 定 的 相 位 差. 响的区域增加,降低了系统的空间分辨率,可以通过 增加一路直接检测 对 扰 动 进 行 定 位,免 去 采 用 数 据 处理手段来保持系统的空间分辨率.但过长的非平 衡长度也没有必要,可以选取适当的非平衡长度,使 增大非平衡长度的方法使采集到的信号受到扰动影 图5 四路检测相位解调系统 Fig.5 FourGchanneldetectingphasedemodulationsystem 4 实验结果与分析 首先对系统进行验证,然后在不同干涉仪非平 衡长度下进行解调,比较解调结果,最后选取合适的 非平衡长度在5km 光纤末端对PZT 扰动信号的强 弱进行定量检测.实验中采用100Hz的 正 弦 信 号 对PZT 进行驱动,脉 冲 的 宽 度 为100ns,重 复 频 率 为12kHz. 4.1 结果验证 将PZT 放在距光 纤 起 始 端42m 的 位 置,PZT 的驱动电压为2Vpp(Vpp为驱动电压的峰值电压),光 0806001G3
光   学   学   报 纤绕制长度为12m.取5km 长度光纤的散射光幅 度进行统计,得到ϕGOTDR 衰落的平均周期.计算 得平均衰落周期约为6m.根据(11)式选取干涉仪 非平衡长度为16m,对应散射光的光程差为32m, 使得进行干涉的两 个 位 置 的 散 射 光 分 开 一 定 距 离. 取扰动区域上单点 的 信 号 进 行 分 析,采 集 得 到 该 点 的干涉仪 输 出 信 号 随 时 间 的 变 化 如 图6(a)所 示. 计算得 到 的 M、N 以 及 该 点 的ϕGOTDR 幅 度 检 测 的信号E0 如图6(b)所 示,从 图 中 可 以 看 出 M、N 的值随时间改变,其中 M 与E0 变化一致. 图6 (a)56m 处单点采集的三路信号E1、E2、E3;(b)计算得到的 M、N 与E0 的对比 应关系为 lϕ=l-lp+lPZT, Fig.6 a AcquiredthreeGchannelsignalsE1 E2 E3at56m b comparisonofE0andcalculatedM N 4.2 不同非平衡长度的解调结果及ϕGOTDR 定位 将PZT 置于光纤起始处,此处干涉衰落位置的 信号仍然较大,解 调 失 真 较 少 以 便 于 分 析 规 律.在 2Vpp的 PZT 驱 动 电 压 下,干 涉 仪 非 平 衡 长 度 分 别 设置为20,30,40,50m,对 PZT 扰 动 进 行 解 调,并 用ϕGOTDR 幅度 检 测 进 行 扰 动 定 位. 光 纤 始 端 相 位解调的结果如图7所示,可以清晰地看到PZT 引 起的相位变化.其中20m 非平衡长度下解调得到 连续且稳定相位差的范 围 约 为22m.30,40,50m 非平衡长度对应 的 范 围 分 别 约 为32,42,52m. 对 (12) 式中:lϕ 为 解 调 连 续 稳 定 相 位 的 范 围;lPZT 为 PZT 作用光纤长度.从图7(b)、(c)中 可 以 看 出 仍 有 一 小段解调结 果 受 到 脉 冲 内 干 涉 的 影 响,产 生 失 真. 因此要选取合适的 干 涉 仪 非 平 衡 长 度,使 得 进 行 干 期,以便对解调结果进行定量分析. 涉的两处 散 射 光 的 距 离 略 大 于 信 号 的 平 均 衰 落 周 图7 非平衡长度分别为(a)20m,(b)30m,(c)40m,(d)50m 下的解调结果 Fig.7 Demodulationresultsundertheunbalancedlengthof a 20m b 30m c 40m d 50m 0806001G4
光   学   学   报   图8为光 纤 始 端 处PD4 的 散 射 光 幅 度 检 测 结 果去均值后得到的 信 号,可 以 看 到 振 动 的 起 点 和 终 点,且不受干涉 仪 非 平 衡 长 度 影 响.故 可 以 通 过 四 路检测的相位解调系统,在保留ϕGOTDR 的定位精 度的同时对扰动的强弱进行定量检测. 图8 幅度检测去均值后的信号 Fig.8 MeanGsubtractedsignalofamplitudedetection 4.3 5km 传感光纤末端定量测量结果 将PZT 置 于5km 传 感 光 纤 末 端,采 用16m 非平衡长度,对不同驱动电压下的PZT 信号进行了 解调,结果如图9 所 示.可 以 看 到 解 调 相 位 的 幅 度 与PZT 驱动电压呈线性关系,线性度R2=0.9956, 可测量最大相位幅度达到31.85rad. 图9 解调相位与PZT 驱动电压的关系 Fig.9 Relationshipbetweendemodulatedphase anddrivenvoltageofPZT 5 结  论 为了保持基于3×3 迈 克 耳 孙 干 涉 仪 的 相 位 解 调ϕGOTDR 的 空 间 分 辨 率,提 出 了 四 路 检 测 的 系 统,同时考虑到高相 干 窄 线 宽 光 源 给 相 位 解 调 带 来 的影响.从散 射 光 的 角 度 对 四 路 检 测 相 位 解 调ϕG OTDR 的原理进行分析,并结合实验进 行 验 证.通 过分析干涉仪非平 衡 长 度 对 解 调 性 能 的 影 响,指 出 了选取适当非平衡 长 度 的 重 要 性,并 在 合 适 的 非 平 衡长度下实现 了5km 末 端 扰 动 的 定 量 检 测,检 测 线性度为0.9956,解 调 相 位 幅 度 达 到31.85rad,同 时解调系统保持了传统ϕGOTDR 的空间分辨率. 参 考 文 献 1  YuK ZhangYS GuanL etal敭Structuralstate detectionwithtwistedtypefiberopticsensingarray andOTDRtechnology J 敭ActaOpticaSinica 1999 19 11 1530G1535敭    郁可 张永胜 管立 等敭基于光 时 域 反 射 技 术 与 缠 绕式光纤传感阵列的结构 状 态 监 测 方 法 J 敭光 学 学 报 1999 19 11 1530G1535敭 2  JuarezJC TaylorH F敭Fieldtestofadistributed fiberGoptic intrusion sensor system for long perimeters J 敭AppliedOptics 2007 46 11 1968G 1971敭 3  PengF Wu H JiaX H etal敭UltraGlonghighG sensitivity ϕGOTDR for high spatial resolution intrusiondetectionofpipelines J 敭OpticsExpress 2014 22 11 13804G13810敭 4  XieKL RaoYJ RanZL敭Distributedopticalfiber sensingsystembasedofRayleighscatteringlightϕG OTDRusingsingleGmodefiberlaserwithhighpower andnarrowlinewidth J 敭ActaOpticaSinica 2008 28 3 569G572敭    谢孔利 饶云江 冉曾令敭基于大功率超窄线 宽 单 模 光纤激光器的ϕG光时域 反 射 计 光 纤 分 布 式 传 感 系 统 J 敭光学学报 2008 28 3 569G572敭 5  LiuS Han X Y Xiong Y C etal敭Distributed vibrationdetectionsystembasedonweakfiberBragg gratingarray J 敭ChineseJournalofLasers 2017 44 2 0210001敭    刘胜 韩新颖 熊玉川 等敭基于 弱 光 纤 光 栅 阵 列 的 分布式振动 探 测 系 统 J 敭中 国 激 光 2017 44 2 0210001敭 6  Shatalin S V Treschikov V N Rogers A J敭 InterferometricopticaltimeGdomainreflectometryfor distributedopticalGfibersensing J 敭AppliedOptics 1998 37 24 5600G5604敭 7  ParkerT Shatalin S Farhadiroushan M etal敭 Distributedacousticsensing anewtoolforseismic applications J 敭FirstBreak 2014 32 2010 61G 69敭 8  LuYL ZhuT ChenL etal敭Distributedvibration sensorbasedoncoherentdetectionofphaseGOTDR J 敭JournalofLightwave Technology 2010 28 22 3243G3249敭 9  Fang G S Xu T W FengS W etal敭PhaseG sensitiveopticaltimedomainreflectometerbasedon phaseGgenerated carrier algorithm J 敭Journal of LightwaveTechnology 2015 33 13 2811G2816敭 10  CaoY L YangF Xu D etal敭Disturbedfiber vibration sensor based on 3 × 3 Michelson 0806001G5
光   学   学   报 interferometer J 敭ChineseJournalofLasers 2016 43 10 1010001敭    曹玉龙 杨飞 徐丹 等敭基于3×3迈克耳孙干涉仪 的分布式光纤 振 动 传 感 器 J 敭中 国 激 光 2016 43 10 1010001敭 11  WangX Liu M H Yu M etal敭Analysisand improvementfor digital quadrature demodulation algorithm on phaseGsensitive optical timeGdomain reflectometricsystem J 敭ChineseJournalofLasers 2017 44 12 1210002敭    王旭 刘珉含 于淼 等敭相位敏 感 光 时 域 反 射 系 统 数字正交解调 算 法 分 析 及 改 进 研 究 J 敭中 国 激 光 2017 44 12 1210002敭 12  Jiang Y Lou Y M Wang H W敭 Software demodulationfor3×3 couplerbasedfiberoptic interferometer J 敭ActaPhotonicaSinica 1998 27 2 152G155敭    江毅 娄英 明 王 惠 文敭基 于 对 称3×3 耦 合 器 的 光 纤干涉 信 号 的 软 件 解 调 技 术 J 敭光 子 学 报 1998 27 2 152G155敭 13  HealeyP敭FadinginheterodyneOTDR J 敭Electronics Letters 1984 20 1 30G32敭 0806001G6
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