基于相干檢測的偏振光時域反射光纖振動傳感系統*

何 劍,王二偉

(中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051)

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基于相干檢測的偏振光時域反射光纖振動傳感系統*

何 劍*,王二偉

(中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051)

提出將相干檢測技術和偏振光時域反射技術POTDR(Polarization Optical Time Domain Reflectometry)相結合,利用相干檢測技術的高探測靈敏度和偏振光時域反射技術中偏振態對外界環境敏感的特點,實現光纖分布式傳感,測量微弱振動信號并實現定位功能。首先分別介紹了相干檢測技術及其與POTDR相結合的相關原理,分析可行性,然后提出實驗測試方案并搭建了測試系統。實驗結果表明,基于相干檢測技術的POTDR傳感系統能成功地實現振動信號的探測和振動點的定位功能,這對于光纖分布式傳感系統的進一步發展具有重要意義。

相干檢測技術;偏振光時域反射技術;光纖分布式傳感;定位功能

自高琨博士創新性提出采用光纖傳導光信號以來,伴隨著光纖通信技術的飛速發展,光纖傳感技術也得到了大量關注和廣泛研究。光在光纖中實際傳輸過程時,當受到溫度、壓力、振動和電磁干擾等外界的擾動,其光學特性(如偏振態、相位、振幅、頻率等)將會發生相應的改變,通過監測光學參數的變化便可獲得外部環境信息,從而構成一種可直接交換信息的探測技術——光纖傳感技術。

基于偏振光時域反射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變化,進而實現分布式光纖傳感的一種新型傳感器[1]。光纖中光偏振態的變化實質來源于光波相位的變化,對外界環境變化的感知極其敏感,即使是環境噪聲也會改變光纖中的光偏振特性。因此,相對于傳統的OTDR技術而言,POTDR能檢測出光纖中微弱的的溫度或應力變化,具有更高的靈敏度,成為光纖傳感領域的研究熱點。該技術自1981年Rogers提出的30多年以來,世界各地的學者,提出了許多關于POTDR分布式光纖傳感器的實現方案,并對光纖中的雙折射、偏振相關損耗等進行了理論分析[2-3]。國內對POTDR光纖傳感器的研究起步較晚,目前處于光路設計、信號采集和數據處理的實驗階段,主要參與單位有復旦大學[4]、北京交通大學[5]等高校。然而,盡管國內外對POTDR的研究較多,對PMD的測量和偏振態等的分析也較成熟[6-7],但對POTDR的信號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無法測量微弱振動信號,因而也無法實現光纖傳感系統的產品化[8-9]。

本文提出將POTDR技術與相干檢測技術相結合的方案,相對于直接檢測而言,相干檢測可獲得更高的信噪比,進而提高POTDR傳感器的靈敏度。利用符合要求的光纖、嵌入式系統、數據采集卡等硬件設施,搭建了基于相干檢測技術的POTDR振動檢測系統,并采用適當的信息采集、數據處理、算法設計、軟件界面設計等方法,成功地實現了對微弱振動信號的提取和檢測,對POTDR技術的進一步發展及其產品化應用具有重要的科學意義和應用價值。

1 相干檢測基本原理

相干檢測技術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光在進入光探測器之前通過混頻器進行光學混頻,產生一個本振光和信號光的差頻分量,通過探測兩束相干光的光強信息,進而獲得更大信噪比的檢測技術,其基本原理示意圖如圖1所示。

圖1 相干檢測技術原理圖

考慮一束頻率為ωs的信號光和一束頻率為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分別為信號光的電場、振幅、頻率和相位。當信號光與本振光發生相干疊加時,光探測器探測到的光強信息是二者的相干光強,產生的相干電流強度可表示為

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

(3)

將式(3)展開,并利用三角函數數學變換得到

(4)

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

I(t)=Sasalcos[(ws-wl)t+(φs-φl)]

(5)

式中:S為比例系數。

如上所述,若本振光和信號光滿足相干條件,即兩束光具有穩定的相位差(φs-φl=常數)和相同的光學頻率(ωs-ωl=0),其干涉光強分布將不隨時間變化而呈現出穩定的干涉條紋。在保證本振光不變的前提下,干涉光強分布特點的變化將與信號光的相關光學參數(如振幅、相位)相對應,通過對干涉條紋強度的監測,以及相關的信號處理手段,便可以實現對信號光所承載信息的解調。

目前,所有的光電探測器都無法直接探測到光波頻率、振幅、相位和偏振態等光學參數的變化,需要將這些參量轉換為光強信息進行探測。相干檢測技術之所以能提高系統信噪比,其根本原因在于光電探測器探測到的光強為本振光和信號光的相干光強,而非獨立的信號光強。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。對于信號光束而言,其有效光功率P為

(6)

而本振光和信號光相干時,其有效光功率P為

(7)

顯然,相干檢測時的有效光功率明顯大于直接檢測時的有效光功率。對于普通的直接檢測技術而言,即使一束較強的信號光,入射進入光路相對較長傳感系統之后,由于傳輸過程中產生的衰減、吸收、散射等原因,光到達探測器時,其強度也將被大幅度削弱,使得信號光難以從噪聲中分離出來。相反,如果采用相干檢測技術,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制信號,進而提高信噪比。因此,相對于普通的直接檢測技術,相干檢測技術更適用于檢測微弱信號,如微振動、小范圍變溫等。

2 相干POTDR振動傳感系統工作原理

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

如圖2所示,由激光器發出的光脈沖經過一個起偏器后變為線偏振光(如圖中箭頭A所示),然后線偏振光經過耦合器進入待測光纖(如圖中箭頭B所示)。線偏振光在光纖中向前傳輸的過程中,將發生瑞利散射,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。當光纖長度方向上某點受到微弱振動時,光纖局部的折射率將發生變化,這將導致偏振光分量之間相位差發生改變,進而使得偏振光偏振方向改變[10]。由于光在光纖中發生后向瑞利散射時,其頻率和偏振態并不發生變化,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,當入射光的偏振態由于外界振動而發生變化時,后向散射光的偏振態也將發生變化。此時,由振動擾動后的信號光的偏振方向將與本振光的偏振方向產生一定夾角θ,由(5)所示的光電流強度分布將會受到信號光偏振方向的調制,因為式(5)所示的光電流強度分布的前提條件為本振光和信號光具有相同的偏振方向。調制后的光電流應修正為:

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的強弱。同時,通過探測器接收到散射光的時間便可定位振動點的位置,最終實現振動傳感功能。

由以上分析可知,基于相干檢測的POTDR傳感系統的靈敏度和分辨率在很大程度上取決于本振光和信號光之間的相干特性,因而實驗過程對入射光的光源有較高的要求,激光器質量將會對探測結果產生很大影響[11]。此外,偏振態對環境變化非常敏感,選用低噪聲的接收組件也是決定該系統能否成功實現傳感的重要因素。

3 傳感系統搭建

根據相干檢測原理和POTDR傳感原理,我們設計了如圖3所示的實驗系統搭建方案。由窄線寬激光器發出的傳輸光經過起偏器后變為有特定偏振方向的線偏振光,該線偏振光經過耦合器后分為兩路,一路直接進入探測器,作為相干檢測中的本振光,另一路光入射到待測光纖中,經過瑞利散射后的后向散射光作為相干檢測中的信號光。兩路光在探測器中相遇時發生光學相干疊加,最后,經過光電轉換、信號處理等手段確定出散射光強度的變化和振動點的位置。

圖3 相干POTDR方案圖

在系統搭建時,特別需要注意元器件的選取。首先,要使傳感系統對振動點位置確定的分辨率限制在5m以內,除需要使激光器光源具有良好的相關性以外,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,應選用額定功率較高的激光光源。本實驗系統選用波長為1 550nm的激光器是多量子阱F-P腔半導體激光器,功率為120mW,光脈沖寬度調為50ns。

信號的采集、處理和顯示是借助于MFC平臺,利用WinIO函數庫[12]、MFC庫函數[13]和C++語言[14]編程實現。安裝WinIO函數庫是為了實現接口上的I/O操作,創建MFC平臺和MFC庫函數是為了構建系統的人機交互界面。在系統的信號處理上,我們采用對多組本振光信號和信號光信號分別取平均,再進行相減的方式來減小系統噪聲,搭建的整個實驗系統如圖4所示。

圖4 相干POTDR實物圖

4 實驗結果

搭建完測試系統后,我們對距離環形器1 700m處的待測光纖施加振動。考慮到傳感系統對于外界變化極其敏感,為了消除環境干擾,整體待測光纖被放入一個防震的泡沫箱子里,僅留下距環形器1 690m～1 710m段的光纖放在測振動臺上,用于后面的振動測試。當對振動臺上的待測光纖施加振動時,我們便可通過觀察POTDR測試曲線的變化來定位振動點的位置。

圖5為采樣500次后獲得的振動前、后POTDR測試曲線,其中,橫坐標表示待測光纖的位置,縱坐標表示探測到的光功率。仔細觀察不難發現,在沒有施加外界振動的情況下,測得的光功率曲線圖(圖5(a))在整個待測光纖上光強都沒有明顯的變化;施加了外界振動后(圖5(b)),位于1 700m處的光強信號存在明顯的縮進,反應出由于該光纖點受到振動擾動,偏振光分量間相位差的變化改變了向前傳輸的信號光和返回的后向散射光的偏振方向,進而導致探測到的光功率的減小。因此,實驗結果顯示了基于相干檢測的POTDR傳感系統能成功地探測到了施加在光纖上的外界振動,并實現了準確的定位。

圖5 距離環形器1 700 m處光纖振動前后的實驗結果

以上實驗結果證明了基于相干檢測技術的POTDR傳感系統測量微弱振動在實驗上是可行的,然而,值得注意的是本實驗屬于定性實驗,如需進行定量測試,還需要考慮諸多問題,例如系統的光路設計是否是唯一、是否可以通過改善數據處理算法來改善系統的信噪比以及振動點的更精確定位、振動強度是否可以實現量化等,這些問題我們將會在以后的工作中去研究和討論。

5 總結

本文將相干檢測技術應用到POTDR傳感系統中,綜合了相干檢測技術和POTDR技術各自的優點,成功地實現了對微弱振動信號的探測和定位功能。首先對相干檢測技術和POTDR技術的基本測試原理進行了闡述,并根據相關原理提出相應的系統測試方案。然后,選取復合測試要求的激光光源、光纖、數據采集卡等相關元件,搭建了基于相干檢測原理的POTDR振動傳感系統,并利用C++語言、WinIO函數庫、MFC庫函數等軟件工具設計適當的算法,實現了數據采集、信號處理和人機交互操作。為了驗證傳感系統的定位功能,我們對距離環形器1 700m處的光纖進行了擾動,實驗測試結果顯示搭建的傳感系統能靈敏地反應出擾動點處光功率的變化情況,并準確地計算出擾動點的位置,實現定位功能,同時也驗證了相干檢測技術與POTDR系統相結合實現傳感功能的可行性。最后,我們給出了本實驗的局限性和改進空間,并對在改進過程中需要考慮的技術問題進行了簡要分析。

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何 劍(1985-),男,四川巴中人,副教授,博士,主要從事傳感器設計制造及相關的研究工作,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

項目來源:國家自然科學基金項目(51605449);山西省應用基礎研究青年科技研究基金項目(2016021064);中北大學科學研究基金項目(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