应用副载波技术提高分布式传感系统性能的方法

摘要

本发明公开了一种应用副载波技术提高分布式传感系统性能的方法，该方法是将脉冲信号调制到一个载频上，在接收端信号主要位于载波频带上，而非理想消光比产生的噪声主要位于基带上，再采用带通滤波技术滤掉噪声，最后将信号下变频到基带上进行处理。本发明方法可解决非理想消光比对系统传感性能的影响，有效地提高系统的信噪比。

说明书

技术领域

本发明属光纤传感器技术领域，具体涉及一种应用副载波技术提高分布式传感系统性能的方法，所述分布式传感系统指的是基于光时域反射计的分布式传感系统，具体是偏振态光时域法(POTOR)/布里渊光时域反射法(BOTDR)/相干相位光时域反射法(φ-OTDR)分布式传感系统。

背景技术

光时域反射计(OTDR)是目前光纤、光缆生产与线路维护的最主要技术，具有远程检测与定位监测光纤传输损耗、连接损耗、断点与断裂的能力。POTDR/BOTDR/φ-OTDR是基于OTDR技术的分布式光纤传感系统。POTDR对光缆微扰极为敏感，测量距离可大于100km，空间分辨率小于100m，目前该技术已用于PMD测量和分布式应力测量；布量渊分布式测量技术由于具有可同时测量温度和应变、可长距离分布式测量、空间分辨率高、应变测量精度较高等优点被认为是最有发展前途的光纤分布式传感技术，BOTDR目前已有测量距离100km、空间分辨率小于20m、应变精度35με、应变分辨率10με、重复率85με、的结果报道；最近报导的φ-OTDR技术可望能获得比POTDR更高的微扰探测灵敏度，成为另一种有效的分布式传感技术。POTDR/BOTDR/Φ-OTDR不仅可以监测事件发生，而且能准确定位目标，这种类型的传感器还具有高敏感性、隐蔽性等特点。POTDR/BOTDR/φ-OTDR系统可以用于军事基地、国际航标、监狱、核设施等敏感区域的围栏防护。

然而这些系统随着对空间分辨率和测量距离要求的进一步提高，其光脉冲宽度将会变得越来越窄，信号的占空比随之也越来越小，从而导致信噪比急剧下降，也就是说在发送一个脉冲的周期内，没有脉冲的时间间隙中光的总能量相对脉冲本身能量很大，其结果就将严重影响系统的信噪比，从而使传感性能受到严重限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用副载波技术提高POTDR/BOTDR/-OTDR分布式传感系统性能的方法，该方法可消除非理想消光比对系统性能的影响，有效地提高系统的信噪比。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案包括如下步骤：(1)将入射光脉冲调制到载频上；(2)采用相干探测将背向瑞利散射光或布里渊散射光信号转换为电信号；(3)采用带通滤波技术滤除上述电信号中由非理想消光比产生的位于基带位置的噪声；(4)采用下变频技术将上述电信号变频到基带上，以便进行后续处理。

本发明方法等效地提高了光脉冲信号的消光比和信噪比，解决了非理想消光比对系统性能的影响，较大地提高了系统的传感性能，具有重要的实用价值。

附图说明

图1为使用发明方法的φ-OTDR传感系统的结构示意图。

图2为图1所示传感系统的实验结果。

图3为未使用本发明方法的φ-OTDR传感系统的实验结果。

图1中：1-激光器  2-x∶y耦合器  3-电光调制器4、12-信号发生电路  5-掺铒光纤放大器  6-环行器  7-传感光纤  8-p∶q耦合器9-探测器  10-带通滤波器  11-混频器  13-低通滤波器

具体实施方案

如图1所示，应用本发明方法的φ-OTDR传感系统包括窄线宽激光器1、9∶1耦合器2、电光调制器3、信号发生电路4、12、掺铒光纤放大器5、环行器6、传感光纤7、1∶1耦合器8、探测器9、中心频率为1GHZ的带通滤波器、混频器11和截止频率为50MHZ的低通滤波器。激光器1发出的连续激光经9∶1耦合器分成两部分，信号发生电路4产生的是载频为1GHZ的光脉冲，90％的连续激光经电光调制器3输出载频光脉冲，载频光脉冲功率经掺铒光纤放大器5放大后进入环行器6的端口1，从端口2出来后进入传感光纤7。背向瑞利散射光或布里渊散射光进入环行器6的端口2，从环行器6的端口3出来后进入1∶1耦合器8，该耦合器的另外一个输入端为窄线宽激光器1发出的连续激光的10％部分，它同背向瑞利散射光/布里渊散射光同时到达探测器9进行相干探测得到电信号，电信号经中心频率为1GHZ的带通滤波器10滤除噪声，经混频器11(信号发生电路12产生1GHZ的本振信号)和截止频率为50MHZ的低通滤滤器13得到基带信号，再进行后续处理，后续处理步骤与系统未使用本发明方法时的处理步骤相同。

图3是使用了本发明方法、脉冲宽度为10μs，传感光纤长度为25km的φ-OTDR传感系统的实验结果，从图中可看出系统的动态范围为19.13dB。图4为未使用本发明方法、脉冲宽度为10μs，传感光纤长度为25km的φ-OTDR传感系统的实验结果，从图中可看出，系统的动态范围为8dB。从图3、图4的比较可知，采用本发明方法可将系统的动态范围提高约11dB。

通过本实施例可以看出，由于非理想消光比产生的噪声位于基带上，而信号位于载频上，因此通过滤波可以滤除这种噪声的影响。