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
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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
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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
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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
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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.
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