專利名稱：相位敏感otdr傳感器中電光調(diào)制器控制裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及分布式光纖傳感領(lǐng)域，尤其涉及一種應(yīng)用于分布式相位敏感OTDR傳感器中的電光調(diào)制器自動(dòng)控制裝置及方法。
背景技術(shù)：
光通信技術(shù)的快速發(fā)展為光傳感技術(shù)的應(yīng)用提供了平臺(tái)，其中光纖傳感器正成為光傳感器研究領(lǐng)域中的一大熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)的電傳感器相比，光纖傳感器具有非常明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)?？闺姶鸥蓴_、電絕緣、耐腐蝕等特性使其不怕電磁干擾，也不影響外界的電磁場(chǎng)，安全可靠，這使它在強(qiáng)電磁干擾、強(qiáng)腐蝕等環(huán)境中能夠有效的傳感；高靈敏度的特性能夠讓光纖傳感器應(yīng)用于水聲、加速度、溫度、磁場(chǎng)等物理量的高靈敏傳感領(lǐng)域；重量輕、體積小、夕卜形可變等特性是光纖傳感器能夠更容易的適應(yīng)應(yīng)用環(huán)境。近些年光纖傳感器領(lǐng)域發(fā)展迅速，根據(jù)原理不同可以測(cè)量多種物理量，例如測(cè)量溫度、壓力、位移、速度、加速度、液面、流量、振動(dòng)、水聲、電流、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電壓、液體濃度等物理量的傳感器均得到了不同程度的發(fā)展。分布式相位敏感OTDR傳感器是在原有OTDR分布式傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的，根據(jù)傳感光纖被擾動(dòng)時(shí)，后向瑞利散射光的相位會(huì)變化，經(jīng)過光纖傳輸，到達(dá)光電檢測(cè)器的干涉強(qiáng)度發(fā)生變化從而進(jìn)行檢測(cè)。由于檢測(cè)信息是調(diào)制在光的相位上，系統(tǒng)的靈敏度相較于傳統(tǒng)方式有了很大的提高。在提高靈敏度的同時(shí)，則要求降低系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。其中的一個(gè)方面在于盡可能的增加光脈沖的消光比。這是因?yàn)樵跓o光脈沖輸出時(shí)，如果漏光功率較大，這部分光也會(huì)在傳感光纖上產(chǎn)生后向瑞利散射光，這部分光會(huì)傳回檢測(cè)端，成為系統(tǒng)噪聲。為了達(dá)到較高的消光比，現(xiàn)在普遍的做法是使用聲光調(diào)制器，但是聲光調(diào)制器價(jià)格較高、驅(qū)動(dòng)方式復(fù)雜，不利于系統(tǒng)的應(yīng)用，隨著高空間分辨率這一性能的要求，聲光調(diào)制器本身的原理限制其不利于產(chǎn)生脈寬及窄的探測(cè)脈沖。隨著技術(shù)的發(fā)展，電光調(diào)制器也能夠達(dá)到很高的消光比，并且電光傳感器價(jià)格較低，有利于這類傳感器的發(fā)展。但是電光調(diào)制器的偏置點(diǎn)會(huì)因?yàn)榄h(huán)境產(chǎn)生變化，無法在相同的驅(qū)動(dòng)電平下產(chǎn)生消光比最大且相同的光脈沖，為了解決這一問題，普遍的做法是外加調(diào)制器控制電路，將調(diào)制器輸出的光通過光電轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換，利用數(shù)字處理器判斷調(diào)制器的偏置點(diǎn)位置，從而調(diào)整電光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)參數(shù)。這樣的解決方式使系統(tǒng)組成復(fù)雜，增加了成本
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用于分布式相位敏感OTDR光纖傳感器中，控制電光調(diào)制器工作在最大消光比狀態(tài)的裝置。光電檢測(cè)器將傳感光纖傳回的后向瑞利散射光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)，計(jì)算機(jī)通過對(duì)返回信號(hào)功率進(jìn)行積分就可以判斷調(diào)制器的工作狀態(tài)，從而給信號(hào)發(fā)生器發(fā)送命令和參數(shù)，調(diào)整電光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取技術(shù)方案為
本發(fā)明中的裝置包括窄線寬激光器、電光調(diào)制器、可編程信號(hào)發(fā)生器、摻鉺光纖放大器、環(huán)形器、檢測(cè)光纖、光電檢測(cè)器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)。窄線寬激光器與電光調(diào)制器的光輸入端連接，可編程信號(hào)發(fā)生器的輸出與電光調(diào)制器的偏置端連接，電光調(diào)制器的光輸出端與摻鉺光纖放大器的輸入連接，摻鉺光纖放大器的輸出與環(huán)形器的I端口連接，環(huán)形器2端口與檢測(cè)光纖連接，環(huán)形器3端口與光電檢測(cè)器的輸入連接，光電檢測(cè)器的輸出與數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入連接，數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)通過PCI Express接口連接,數(shù)據(jù)采集卡的外部觸發(fā)端口與可編程信號(hào)發(fā)生器的同步端口連接，可編程信號(hào)發(fā)生器通過以太網(wǎng)與計(jì)算機(jī)連接。利用上述的裝置進(jìn)行控制的方法電光調(diào)制器在可編程信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的電脈沖驅(qū)動(dòng)下，將窄線寬激光器發(fā)出的連續(xù)激光調(diào)制成為光脈沖，光脈沖經(jīng)過摻鉺光纖放大器放大，經(jīng)環(huán)形器I端口接入，從環(huán)形器2端口注入到檢測(cè)光纖中，在檢測(cè)光纖中產(chǎn)生的瑞利后向散射光從檢測(cè)光纖傳回，從環(huán)形器2端口輸入到環(huán)形器,從環(huán)形器3端口輸出，光信號(hào)經(jīng)光電檢測(cè)器轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，模擬電信號(hào)經(jīng)過與可編程信號(hào)發(fā)生器同步的數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，傳到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理；計(jì)算機(jī)對(duì)后向瑞利散射光功率進(jìn)行定時(shí)長(zhǎng)的積分，與之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可以判斷出調(diào)制器的消光比是否最大，計(jì)算出驅(qū)動(dòng)電光調(diào)制器電脈沖的高電平和低電平，經(jīng)過以太網(wǎng)將控制信號(hào)發(fā)送給可編程信號(hào)發(fā)生器，改變調(diào)制器的工作狀態(tài)，從而在系統(tǒng)運(yùn)彳丁時(shí)，能夠保證電光調(diào)制器工作在消光比最大的狀態(tài)。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明是通過檢測(cè)后向瑞利散射光在電域內(nèi)的功率積分來判斷電光調(diào)制器的工作狀態(tài)，從而控制電光調(diào)制器工作在最大消光比處，使檢測(cè)系統(tǒng)始終工作在低噪狀態(tài)下。這種裝置能夠不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)成本，同時(shí)還能夠很好的去除由于電光調(diào)制器偏置點(diǎn)不穩(wěn)定帶來的系統(tǒng)噪聲。
圖1是本發(fā)明中的裝置結(jié)構(gòu)示意 圖2是電光強(qiáng)度調(diào)制器的工作點(diǎn)曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。本發(fā)明通過窄線寬激光器產(chǎn)生連續(xù)激光，在電光調(diào)制器的調(diào)制下生成探測(cè)光脈沖，經(jīng)光放大器放大，經(jīng)過環(huán)形器注入到檢測(cè)光纖中，光纖中的后向瑞利散射光經(jīng)環(huán)形器傳回檢測(cè)系統(tǒng)，這部分光經(jīng)電光轉(zhuǎn)換，模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)通過采集到的信號(hào)處理，控制系統(tǒng)運(yùn)行、調(diào)整參數(shù)、檢測(cè)振動(dòng)。其中計(jì)算機(jī)通過計(jì)算傳感光纖后向瑞利散射的功率積分，從信號(hào)發(fā)生器中讀取當(dāng)前驅(qū)動(dòng)電信號(hào)的低電平，與上一控制周期的電平和功率積分進(jìn)行比較，判斷出調(diào)制器的運(yùn)行情況，將計(jì)算出的控制信號(hào)及參數(shù)發(fā)送給信號(hào)發(fā)生器，從而改變調(diào)制器的工作狀態(tài)。如圖1所示，窄線寬激光器I發(fā)出連續(xù)波的激光，電光調(diào)制器2在信號(hào)發(fā)生器3的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生光脈沖，信號(hào)發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)電信號(hào)根據(jù)圖2的A，B兩點(diǎn)決定，脈沖的高電平對(duì)應(yīng)A，低電平對(duì)應(yīng)B。光脈沖經(jīng)過摻鉺光纖放大器4的放大，通過環(huán)形器5，注入到檢測(cè)光纖6，激光脈沖在檢測(cè)光纖中會(huì)產(chǎn)生瑞利散射，后向的瑞利散射會(huì)沿光纖經(jīng)耦合器傳到光電檢測(cè)器7處，光電檢測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡8模數(shù)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)傳到計(jì)算機(jī)9進(jìn)行處理，根據(jù)不同周期傳回信號(hào)的差別，可以判斷振動(dòng)情況。同時(shí)在計(jì)算機(jī)中，可以將一個(gè)周期傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行有限長(zhǎng)積分，也就是將一個(gè)周期內(nèi)采集的所有離散的點(diǎn)求和，這一積分值代表傳回檢測(cè)端的光能量，而能量的大小與電光調(diào)制器的消光比有關(guān)，也就是電脈沖的高低電平有關(guān)。如果脈沖低電平不變，高電平在A點(diǎn)附近變化，功率值會(huì)減小，但是，由于脈沖占空比極小，這部分光強(qiáng)對(duì)總能量的貢獻(xiàn)很小，所以在控制時(shí)優(yōu)先考慮脈沖低電平。本周期的積分值與上一控制周期的積分值比較，從信號(hào)發(fā)生器中讀取本周期的脈沖低電平，并與上一周期的比較，就可以判斷出當(dāng)前點(diǎn)處于圖2中B點(diǎn)的左側(cè)還是右側(cè)以及電平調(diào)整的方向。具體方法如下如果本周期的積分值大于(小于)上一周期的積分值，且本周期的低電平值大于(小于)上一周期的低電平值，那么本周期的電平值在B點(diǎn)右側(cè)，應(yīng)該減少電平的大??；如果本周期的積分值大于(小于)上一周期的積分值，且本周期的低電平值小于(大于)上一周期的低電平值，那么本周期的電平值在B點(diǎn)左側(cè)，應(yīng)該增加低電平的大小。這樣，計(jì)算判斷出當(dāng)前點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)的相對(duì)關(guān)系及電壓控制方向后即可調(diào)整驅(qū)動(dòng)電平。由于調(diào)制器在B點(diǎn)附近有很強(qiáng)的非線性，所以在調(diào)整電平時(shí)，采用定步長(zhǎng)的調(diào)整方式即可。這樣利用調(diào)制器的非線性可以在低電平離目標(biāo)電平差值較大時(shí)獲得較大的光功率變化，而離目標(biāo)電平差距較小時(shí)，每次調(diào)整后，通過的光功率變化很小。這一特性可以在目標(biāo)電平突變時(shí)快速調(diào)整驅(qū)動(dòng)電平值，也可以在調(diào)制器工作穩(wěn)定時(shí)讓驅(qū)動(dòng)電信號(hào)跟隨調(diào)制器的漂移，達(dá)到讓系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的目的。所以本發(fā)明能夠在使用電光調(diào)制器的分布式相位敏感OTDR傳感器中穩(wěn)定調(diào)制器工作狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.相位敏感OTDR傳感器中電光調(diào)制器控制裝置，包括窄線寬激光器、電光調(diào)制器、可編程信號(hào)發(fā)生器、摻鉺光纖放大器、環(huán)形器、檢測(cè)光纖、光電檢測(cè)器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)，其特征在于窄線寬激光器與電光調(diào)制器的光輸入端連接，可編程信號(hào)發(fā)生器的輸出與電光調(diào)制器的偏置端連接，電光調(diào)制器的光輸出端與摻鉺光纖放大器的輸入連接，摻鉺光纖放大器的輸出與環(huán)形器的I端ロ連接，環(huán)形器2端ロ與檢測(cè)光纖連接，環(huán)形器3端ロ與光電檢測(cè)器的輸入連接，光電檢測(cè)器的輸出與數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入連接，數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)通過PCI Express接ロ連接，數(shù)據(jù)采集卡的外部觸發(fā)端ロ與可編程信號(hào)發(fā)生器的同步端ロ連接，可編程信號(hào)發(fā)生器通過以太網(wǎng)與計(jì)算機(jī)連接。
2.利用權(quán)利要求1所述的裝置進(jìn)行控制的方法，其特征在干電光調(diào)制器在可編程信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的電脈沖驅(qū)動(dòng)下，將窄線寬激光器發(fā)出的連續(xù)激光調(diào)制成為光脈沖，光脈沖經(jīng)過摻鉺光纖放大器放大，經(jīng)環(huán)形器I端ロ接入，從環(huán)形器2端ロ注入到檢測(cè)光纖中，在檢測(cè)光纖中產(chǎn)生的瑞利后向散射光從檢測(cè)光纖傳回，從環(huán)形器2端ロ輸入到環(huán)形器，從環(huán)形器3端ロ輸出，光信號(hào)經(jīng)光電檢測(cè)器轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，模擬電信號(hào)經(jīng)過與可編程信號(hào)發(fā)生器同步的數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，傳到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理；計(jì)算機(jī)對(duì)后向瑞利散射光功率進(jìn)行定時(shí)長(zhǎng)的積分，與之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可以判斷出調(diào)制器的消光比是否最大，計(jì)算出驅(qū)動(dòng)電光調(diào)制器電脈沖的高電平和低電平，經(jīng)過以太網(wǎng)將控制信號(hào)發(fā)送給可編程信號(hào)發(fā)生器，改變調(diào)制器的工作狀態(tài)，從而在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，能夠保證電光調(diào)制器工作在消光比最大的狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種相位敏感OTDR傳感器中電光調(diào)制器控制裝置及方法。目前分布式相位敏感OTDR傳感系統(tǒng)中大多使用聲光調(diào)制器，但其成本較高，而電光調(diào)制器由于漂移問題，使光脈沖輸出不穩(wěn)定，會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。本發(fā)明包括窄線寬激光器、電光調(diào)制器、可編程信號(hào)發(fā)生器、摻鉺光纖放大器、環(huán)形器、檢測(cè)光纖、光電檢測(cè)器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)。本發(fā)明利用后向瑞利散射光在電域內(nèi)的功率積分，反饋控制電光調(diào)制器，使驅(qū)動(dòng)調(diào)制器的電信號(hào)高低電平追隨電光調(diào)制器的漂移，從而保證電光調(diào)制器的高消光比。本發(fā)明繼承了利用電光調(diào)制器的低成本和簡(jiǎn)單系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，又達(dá)到了穩(wěn)定系統(tǒng)光脈沖輸出的目的，具有很好的時(shí)間穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)G02F1/01GK103049027SQ201210557688
公開日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月20日
發(fā)明者回曉楠, 章獻(xiàn)民, 鄭史烈, 徐晨, 金曉峰, 池灝 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)