何 劍,王二偉

(中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

?

基于相干檢測的偏振光時(shí)域反射光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)*

何 劍*,王二偉

(中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

提出將相干檢測技術(shù)和偏振光時(shí)域反射技術(shù)POTDR(Polarization Optical Time Domain Reflectometry)相結(jié)合,利用相干檢測技術(shù)的高探測靈敏度和偏振光時(shí)域反射技術(shù)中偏振態(tài)對(duì)外界環(huán)境敏感的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)光纖分布式傳感,測量微弱振動(dòng)信號(hào)并實(shí)現(xiàn)定位功能。首先分別介紹了相干檢測技術(shù)及其與POTDR相結(jié)合的相關(guān)原理,分析可行性,然后提出實(shí)驗(yàn)測試方案并搭建了測試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于相干檢測技術(shù)的POTDR傳感系統(tǒng)能成功地實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的探測和振動(dòng)點(diǎn)的定位功能,這對(duì)于光纖分布式傳感系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義。

相干檢測技術(shù);偏振光時(shí)域反射技術(shù);光纖分布式傳感;定位功能

自高琨博士創(chuàng)新性提出采用光纖傳導(dǎo)光信號(hào)以來,伴隨著光纖通信技術(shù)的飛速發(fā)展,光纖傳感技術(shù)也得到了大量關(guān)注和廣泛研究。光在光纖中實(shí)際傳輸過程時(shí),當(dāng)受到溫度、壓力、振動(dòng)和電磁干擾等外界的擾動(dòng),其光學(xué)特性(如偏振態(tài)、相位、振幅、頻率等)將會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變,通過監(jiān)測光學(xué)參數(shù)的變化便可獲得外部環(huán)境信息,從而構(gòu)成一種可直接交換信息的探測技術(shù)——光纖傳感技術(shù)。

基于偏振光時(shí)域反射POTDR(Polarization Optical Time-Domain Reflectometer)的分布式光纖傳感器是通過檢測光纖中偏振態(tài)變化,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分布式光纖傳感的一種新型傳感器[1]。光纖中光偏振態(tài)的變化實(shí)質(zhì)來源于光波相位的變化,對(duì)外界環(huán)境變化的感知極其敏感,即使是環(huán)境噪聲也會(huì)改變光纖中的光偏振特性。因此,相對(duì)于傳統(tǒng)的OTDR技術(shù)而言,POTDR能檢測出光纖中微弱的的溫度或應(yīng)力變化,具有更高的靈敏度,成為光纖傳感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。該技術(shù)自1981年Rogers提出的30多年以來,世界各地的學(xué)者,提出了許多關(guān)于POTDR分布式光纖傳感器的實(shí)現(xiàn)方案,并對(duì)光纖中的雙折射、偏振相關(guān)損耗等進(jìn)行了理論分析[2-3]。國內(nèi)對(duì)POTDR光纖傳感器的研究起步較晚,目前處于光路設(shè)計(jì)、信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理的實(shí)驗(yàn)階段,主要參與單位有復(fù)旦大學(xué)[4]、北京交通大學(xué)[5]等高校。然而,盡管國內(nèi)外對(duì)POTDR的研究較多,對(duì)PMD的測量和偏振態(tài)等的分析也較成熟[6-7],但對(duì)POTDR的信號(hào)檢測方面均采用直接檢測方法,由于其靈敏度的限制,采用該方法的POTDR無法測量微弱振動(dòng)信號(hào),因而也無法實(shí)現(xiàn)光纖傳感系統(tǒng)的產(chǎn)品化[8-9]。

本文提出將POTDR技術(shù)與相干檢測技術(shù)相結(jié)合的方案,相對(duì)于直接檢測而言,相干檢測可獲得更高的信噪比,進(jìn)而提高POTDR傳感器的靈敏度。利用符合要求的光纖、嵌入式系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡等硬件設(shè)施,搭建了基于相干檢測技術(shù)的POTDR振動(dòng)檢測系統(tǒng),并采用適當(dāng)?shù)男畔⒉杉?shù)據(jù)處理、算法設(shè)計(jì)、軟件界面設(shè)計(jì)等方法,成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)微弱振動(dòng)信號(hào)的提取和檢測,對(duì)POTDR技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展及其產(chǎn)品化應(yīng)用具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 相干檢測基本原理

相干檢測技術(shù)是一種利用光的相干特性,將本振光和載有被測信息的信號(hào)光在進(jìn)入光探測器之前通過混頻器進(jìn)行光學(xué)混頻,產(chǎn)生一個(gè)本振光和信號(hào)光的差頻分量,通過探測兩束相干光的光強(qiáng)信息,進(jìn)而獲得更大信噪比的檢測技術(shù),其基本原理示意圖如圖1所示。

圖1 相干檢測技術(shù)原理圖

考慮一束頻率為ωs的信號(hào)光和一束頻率為ωl的本振光,二者具備相干條件,且具有相同的偏振方向,其電矢量分別可表示為

Ul(t)=alcos(wlt+φl)

(1)

Us(t)=ascos(wst+φs)

(2)

式中:Ul(t)、al、wl、φl分別為本振光的電場、振幅、頻率和相位,Us(t)、as、ws、φs分別為信號(hào)光的電場、振幅、頻率和相位。當(dāng)信號(hào)光與本振光發(fā)生相干疊加時(shí),光探測器探測到的光強(qiáng)信息是二者的相干光強(qiáng),產(chǎn)生的相干電流強(qiáng)度可表示為

I(t)=[Us(t)+Ul(t)]2

(3)

將式(3)展開,并利用三角函數(shù)數(shù)學(xué)變換得到

(4)

可以看出,相干后的光電流強(qiáng)度由5部分組成,第一、二部分是直流項(xiàng),可通過濾波器濾除;第3、第4部分是和頻項(xiàng),其頻率值遠(yuǎn)高于探測器的響應(yīng)速率,因而無法被探測到;最后,探測器檢測到的光電流信號(hào)主要由第5項(xiàng)的差頻分量構(gòu)成,考慮到實(shí)際的光電轉(zhuǎn)換效率和濾波電路的影響時(shí),光電流強(qiáng)度的交流分量可表達(dá)為:

I(t)=Sasalcos[(ws-wl)t+(φs-φl)]

(5)

式中:S為比例系數(shù)。

如上所述,若本振光和信號(hào)光滿足相干條件,即兩束光具有穩(wěn)定的相位差(φs-φl=常數(shù))和相同的光學(xué)頻率(ωs-ωl=0),其干涉光強(qiáng)分布將不隨時(shí)間變化而呈現(xiàn)出穩(wěn)定的干涉條紋。在保證本振光不變的前提下,干涉光強(qiáng)分布特點(diǎn)的變化將與信號(hào)光的相關(guān)光學(xué)參數(shù)(如振幅、相位)相對(duì)應(yīng),通過對(duì)干涉條紋強(qiáng)度的監(jiān)測,以及相關(guān)的信號(hào)處理手段,便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)光所承載信息的解調(diào)。

目前,所有的光電探測器都無法直接探測到光波頻率、振幅、相位和偏振態(tài)等光學(xué)參數(shù)的變化,需要將這些參量轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)信息進(jìn)行探測。相干檢測技術(shù)之所以能提高系統(tǒng)信噪比,其根本原因在于光電探測器探測到的光強(qiáng)為本振光和信號(hào)光的相干光強(qiáng),而非獨(dú)立的信號(hào)光強(qiáng)。我們知道,光電探測器探測到的有效光功率與光振幅的平方成正比。對(duì)于信號(hào)光束而言,其有效光功率P為

(6)

而本振光和信號(hào)光相干時(shí),其有效光功率P為

(7)

顯然,相干檢測時(shí)的有效光功率明顯大于直接檢測時(shí)的有效光功率。對(duì)于普通的直接檢測技術(shù)而言,即使一束較強(qiáng)的信號(hào)光,入射進(jìn)入光路相對(duì)較長傳感系統(tǒng)之后,由于傳輸過程中產(chǎn)生的衰減、吸收、散射等原因,光到達(dá)探測器時(shí),其強(qiáng)度也將被大幅度削弱,使得信號(hào)光難以從噪聲中分離出來。相反,如果采用相干檢測技術(shù),我們可以通過增加本振光的光功率,來提高探測器最終探測到的總有效光功率,然后通過濾波器得到調(diào)制信號(hào),進(jìn)而提高信噪比。因此,相對(duì)于普通的直接檢測技術(shù),相干檢測技術(shù)更適用于檢測微弱信號(hào),如微振動(dòng)、小范圍變溫等。

2 相干POTDR振動(dòng)傳感系統(tǒng)工作原理

一般的OTDR光纖傳感器很難檢測到外界環(huán)境中物理量的微弱變化,但由于光纖中傳輸光的偏振態(tài)對(duì)外界環(huán)境的擾動(dòng)(如振動(dòng)、溫度、應(yīng)力等)極其敏感,因而基于偏振態(tài)探測的POTDR光纖傳感器的靈敏度遠(yuǎn)高于OTDR光纖傳感器的靈敏度。

如圖2所示,由激光器發(fā)出的光脈沖經(jīng)過一個(gè)起偏器后變?yōu)榫€偏振光(如圖中箭頭A所示),然后線偏振光經(jīng)過耦合器進(jìn)入待測光纖(如圖中箭頭B所示)。線偏振光在光纖中向前傳輸?shù)倪^程中,將發(fā)生瑞利散射,致使一部分后向瑞利散射光沿光纖返回,并通過耦合器入射到光電探測器中。當(dāng)光纖長度方向上某點(diǎn)受到微弱振動(dòng)時(shí),光纖局部的折射率將發(fā)生變化,這將導(dǎo)致偏振光分量之間相位差發(fā)生改變,進(jìn)而使得偏振光偏振方向改變[10]。由于光在光纖中發(fā)生后向瑞利散射時(shí),其頻率和偏振態(tài)并不發(fā)生變化,后向散射光的頻率和偏振方向與入射光的頻率和偏振方向始終保持一致。因此,當(dāng)入射光的偏振態(tài)由于外界振動(dòng)而發(fā)生變化時(shí),后向散射光的偏振態(tài)也將發(fā)生變化。此時(shí),由振動(dòng)擾動(dòng)后的信號(hào)光的偏振方向?qū)⑴c本振光的偏振方向產(chǎn)生一定夾角θ,由(5)所示的光電流強(qiáng)度分布將會(huì)受到信號(hào)光偏振方向的調(diào)制,因?yàn)槭?5)所示的光電流強(qiáng)度分布的前提條件為本振光和信號(hào)光具有相同的偏振方向。調(diào)制后的光電流應(yīng)修正為:

I=Sasalcos[(ws-wl)t+(φs-φl)]cosθ

(8)

圖2 POTDR工作流程圖

如果保持本振光和信號(hào)光的相位差、頻率差恒定,光電探測器探測到的后向瑞利散射光強(qiáng)信息的變化便反映了散射光偏振方向的變化大小和外界振動(dòng)的強(qiáng)弱。同時(shí),通過探測器接收到散射光的時(shí)間便可定位振動(dòng)點(diǎn)的位置,最終實(shí)現(xiàn)振動(dòng)傳感功能。

由以上分析可知,基于相干檢測的POTDR傳感系統(tǒng)的靈敏度和分辨率在很大程度上取決于本振光和信號(hào)光之間的相干特性,因而實(shí)驗(yàn)過程對(duì)入射光的光源有較高的要求,激光器質(zhì)量將會(huì)對(duì)探測結(jié)果產(chǎn)生很大影響[11]。此外,偏振態(tài)對(duì)環(huán)境變化非常敏感,選用低噪聲的接收組件也是決定該系統(tǒng)能否成功實(shí)現(xiàn)傳感的重要因素。

3 傳感系統(tǒng)搭建

根據(jù)相干檢測原理和POTDR傳感原理,我們設(shè)計(jì)了如圖3所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建方案。由窄線寬激光器發(fā)出的傳輸光經(jīng)過起偏器后變?yōu)橛刑囟ㄆ穹较虻木€偏振光,該線偏振光經(jīng)過耦合器后分為兩路,一路直接進(jìn)入探測器,作為相干檢測中的本振光,另一路光入射到待測光纖中,經(jīng)過瑞利散射后的后向散射光作為相干檢測中的信號(hào)光。兩路光在探測器中相遇時(shí)發(fā)生光學(xué)相干疊加,最后,經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理等手段確定出散射光強(qiáng)度的變化和振動(dòng)點(diǎn)的位置。

圖3 相干POTDR方案圖

在系統(tǒng)搭建時(shí),特別需要注意元器件的選取。首先,要使傳感系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)點(diǎn)位置確定的分辨率限制在5m以內(nèi),除需要使激光器光源具有良好的相關(guān)性以外,激光器光源的光脈沖寬必須小于50ns;其次,為了提高探測器的靈敏度,應(yīng)選用額定功率較高的激光光源。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選用波長為1 550nm的激光器是多量子阱F-P腔半導(dǎo)體激光器,功率為120mW,光脈沖寬度調(diào)為50ns。

信號(hào)的采集、處理和顯示是借助于MFC平臺(tái),利用WinIO函數(shù)庫[12]、MFC庫函數(shù)[13]和C++語言[14]編程實(shí)現(xiàn)。安裝WinIO函數(shù)庫是為了實(shí)現(xiàn)接口上的I/O操作,創(chuàng)建MFC平臺(tái)和MFC庫函數(shù)是為了構(gòu)建系統(tǒng)的人機(jī)交互界面。在系統(tǒng)的信號(hào)處理上,我們采用對(duì)多組本振光信號(hào)和信號(hào)光信號(hào)分別取平均,再進(jìn)行相減的方式來減小系統(tǒng)噪聲,搭建的整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 相干POTDR實(shí)物圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

搭建完測試系統(tǒng)后,我們對(duì)距離環(huán)形器1 700m處的待測光纖施加振動(dòng)?？紤]到傳感系統(tǒng)對(duì)于外界變化極其敏感,為了消除環(huán)境干擾,整體待測光纖被放入一個(gè)防震的泡沫箱子里,僅留下距環(huán)形器1 690m～1 710m段的光纖放在測振動(dòng)臺(tái)上,用于后面的振動(dòng)測試。當(dāng)對(duì)振動(dòng)臺(tái)上的待測光纖施加振動(dòng)時(shí),我們便可通過觀察POTDR測試曲線的變化來定位振動(dòng)點(diǎn)的位置。

圖5為采樣500次后獲得的振動(dòng)前、后POTDR測試曲線,其中,橫坐標(biāo)表示待測光纖的位置,縱坐標(biāo)表示探測到的光功率。仔細(xì)觀察不難發(fā)現(xiàn),在沒有施加外界振動(dòng)的情況下,測得的光功率曲線圖(圖5(a))在整個(gè)待測光纖上光強(qiáng)都沒有明顯的變化;施加了外界振動(dòng)后(圖5(b)),位于1 700m處的光強(qiáng)信號(hào)存在明顯的縮進(jìn),反應(yīng)出由于該光纖點(diǎn)受到振動(dòng)擾動(dòng),偏振光分量間相位差的變化改變了向前傳輸?shù)男盘?hào)光和返回的后向散射光的偏振方向,進(jìn)而導(dǎo)致探測到的光功率的減小。因此,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了基于相干檢測的POTDR傳感系統(tǒng)能成功地探測到了施加在光纖上的外界振動(dòng),并實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的定位。

圖5 距離環(huán)形器1 700 m處光纖振動(dòng)前后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了基于相干檢測技術(shù)的POTDR傳感系統(tǒng)測量微弱振動(dòng)在實(shí)驗(yàn)上是可行的,然而,值得注意的是本實(shí)驗(yàn)屬于定性實(shí)驗(yàn),如需進(jìn)行定量測試,還需要考慮諸多問題,例如系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)是否是唯一、是否可以通過改善數(shù)據(jù)處理算法來改善系統(tǒng)的信噪比以及振動(dòng)點(diǎn)的更精確定位、振動(dòng)強(qiáng)度是否可以實(shí)現(xiàn)量化等,這些問題我們將會(huì)在以后的工作中去研究和討論。

5 總結(jié)

本文將相干檢測技術(shù)應(yīng)用到POTDR傳感系統(tǒng)中,綜合了相干檢測技術(shù)和POTDR技術(shù)各自的優(yōu)點(diǎn),成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)微弱振動(dòng)信號(hào)的探測和定位功能。首先對(duì)相干檢測技術(shù)和POTDR技術(shù)的基本測試原理進(jìn)行了闡述,并根據(jù)相關(guān)原理提出相應(yīng)的系統(tǒng)測試方案。然后,選取復(fù)合測試要求的激光光源、光纖、數(shù)據(jù)采集卡等相關(guān)元件,搭建了基于相干檢測原理的POTDR振動(dòng)傳感系統(tǒng),并利用C++語言、WinIO函數(shù)庫、MFC庫函數(shù)等軟件工具設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)乃惴?實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理和人機(jī)交互操作。為了驗(yàn)證傳感系統(tǒng)的定位功能,我們對(duì)距離環(huán)形器1 700m處的光纖進(jìn)行了擾動(dòng),實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果顯示搭建的傳感系統(tǒng)能靈敏地反應(yīng)出擾動(dòng)點(diǎn)處光功率的變化情況,并準(zhǔn)確地計(jì)算出擾動(dòng)點(diǎn)的位置,實(shí)現(xiàn)定位功能,同時(shí)也驗(yàn)證了相干檢測技術(shù)與POTDR系統(tǒng)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)傳感功能的可行性。最后,我們給出了本實(shí)驗(yàn)的局限性和改進(jìn)空間,并對(duì)在改進(jìn)過程中需要考慮的技術(shù)問題進(jìn)行了簡要分析。

[1] Rogers A J. P-OTDR:A Technique for the Measurement of field Distributions[J]. Applied Optics,1981,20:1060-1074.

[2] 李建中,饒?jiān)平? 基于Φ-OTDR和POTDR結(jié)合的分布式光纖微擾傳感器[J]. 光子學(xué)報(bào),2009(5):1108-1113.

[3] Ellison J G. A Fully Polarimetric Optical Time-Domain Reflectometer[J]. IEEE Photon Technol Lett,1998,10(2):246-248.

[4] 肖倩,賈波. 穩(wěn)定的長距離光纖分布式干涉測量技術(shù)研究[D]. 上海:復(fù)旦大學(xué),2013:4.

[5] 尚超,吳重慶. 光纖高速偏振態(tài)檢測與偏振光時(shí)域反射技術(shù)的研究[D]. 北京:北京交通大學(xué),2012:6.

[6] Ehrhardt A,Fritzsche D,Paul M. Characterisation of the PMD Distribution Along Optical Fibres by a POTDR[J]. International Conference on Transparent Optical Networks,2008,1:173-177.

[7] Rogers A. Distributed Fiber Measurement Using Backscatter Polarimetry[J]. Optical Fiber Sensors Conference Technical Digest,2002,1:367-370.

[8] Wuilpart M,Linze N,Goussarov A,et al. Recent Advances in Polarization Sensitive OTDR for Sensing Applications[J]. Optical Society of America,2013,1.

[9] Chen M,Wang F. Detection of Multiple Vibration Points Using Fundamental Frequency and Harmonic Progressions in Response Spectra of POTDR[J]. Optik-International Journal for Light and Electron Optics,2013,124(21):5262-5266.

[10] Schuh R E,Ellison J G. Theoretical Analysis and Measurement of the Effect of Fiber Twist on the Polarization OTDR of Optical Fibers[J]. Optical Fiber Communication,1996:297-298.

[11] Iida D,Ito F. Detection Sensitivity Brillouin Scattering Nesr Fresnel Reflection in BOTDR Measurement[J]. Journal of Lightwave Technology,2008,26(4):417-424.

[12] 范登華. 分布式光纖振動(dòng)傳感器的研究[D]. 成都:電子科技大學(xué),2006:50-52.

[13] 姚領(lǐng)田. MFC窗口程序設(shè)計(jì)[M]. 中國水利水電出版社,2007.

[14] Qin Z G,Zhu T. High Sensitivity Distributed Vibration Sensor Based on Polarization-Maintaining Configurations of Phase-OTDR. IEEE,2011.

何 劍(1985-),男,四川巴中人,副教授,博士,主要從事傳感器設(shè)計(jì)制造及相關(guān)的研究工作,drhejian@nuc.edu.cn。

Polarization Optical Time Domain Reflectometry Vibration Sensing System Based on Coherent Detection Method*

HE Jian*,WANG Erwei

(Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement(North University of China),Ministry of Education,Taiyuan 030051,China)

The coherent detection method with higher detection sensitivity is introduced into the polarization optical time domain reflectometry(POTDR)with the polarization state sensitive to external disturbance. The developed sensing system can realize the fiber distributed sensing,acquiring the vibration signal and positioning the disturbance spot along fiber. First,the related theory of coherent detection and POTDR is given and the technical feasibility is examined. Then,according to the proposed scheme,the measurement system has been built. Experimental results show that the POTDR based on coherent detection method do sense the external vibration and the position of vibration along fiber,which is important to the further development of distributed fiber sensor.

coherent detection;polarization optical time domain reflectometry;fiber distributed sensing;positioning

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51605449);山西省應(yīng)用基礎(chǔ)研究青年科技研究基金項(xiàng)目(2016021064);中北大學(xué)科學(xué)研究基金項(xiàng)目(XJJ2016027)

2016-09-14 修改日期:2017-02-15

TN253

A

1004-1699(2017)07-1017-05

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.07.008