何 剑,王二伟

(中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051)



基于相干检测的偏振光时域反射光纤振动传感系统*

何 剑*,王二伟

(中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051)

提出将相干检测技术和偏振光时域反射技术POTDR(Polarization Optical Time Domain Reflectometry)相结合,利用相干检测技术的高探测灵敏度和偏振光时域反射技术中偏振态对外界环境敏感的特点,实现光纤分布式传感,测量微弱振动信号并实现定位功能。首先分别介绍了相干检测技术及其与POTDR相结合的相关原理,分析可行性,然后提出实验测试方案并搭建了测试系统。实验结果表明,基于相干检测技术的POTDR传感系统能成功地实现振动信号的探测和振动点的定位功能,这对于光纤分布式传感系统的进一步发展具有重要意义。

相干检测技术;偏振光时域反射技术;光纤分布式传感;定位功能

自高琨博士创新性提出采用光纤传导光信号以来,伴随着光纤通信技术的飞速发展,光纤传感技术也得到了大量关注和广泛研究。光在光纤中实际传输过程时,当受到温度、压力、振动和电磁干扰等外界的扰动,其光学特性(如偏振态、相位、振幅、频率等)将会发生相应的改变,通过监测光学参数的变化便可获得外部环境信息,从而构成一种可直接交换信息的探测技术——光纤传感技术。

基于偏振光时域反射POTDR(Polarization Optical Time-Domain Reflectometer)的分布式光纤传感器是通过检测光纤中偏振态变化,进而实现分布式光纤传感的一种新型传感器[1]。光纤中光偏振态的变化实质来源于光波相位的变化,对外界环境变化的感知极其敏感,即使是环境噪声也会改变光纤中的光偏振特性。因此,相对于传统的OTDR技术而言,POTDR能检测出光纤中微弱的的温度或应力变化,具有更高的灵敏度,成为光纤传感领域的研究热点。该技术自1981年Rogers提出的30多年以来,世界各地的学者,提出了许多关于POTDR分布式光纤传感器的实现方案,并对光纤中的双折射、偏振相关损耗等进行了理论分析[2-3]。国内对POTDR光纤传感器的研究起步较晚,目前处于光路设计、信号采集和数据处理的实验阶段,主要参与单位有复旦大学[4]、北京交通大学[5]等高校。然而,尽管国内外对POTDR的研究较多,对PMD的测量和偏振态等的分析也较成熟[6-7],但对POTDR的信号检测方面均采用直接检测方法,由于其灵敏度的限制,采用该方法的POTDR无法测量微弱振动信号,因而也无法实现光纤传感系统的产品化[8-9]。

本文提出将POTDR技术与相干检测技术相结合的方案,相对于直接检测而言,相干检测可获得更高的信噪比,进而提高POTDR传感器的灵敏度。利用符合要求的光纤、嵌入式系统、数据采集卡等硬件设施,搭建了基于相干检测技术的POTDR振动检测系统,并采用适当的信息采集、数据处理、算法设计、软件界面设计等方法,成功地实现了对微弱振动信号的提取和检测,对POTDR技术的进一步发展及其产品化应用具有重要的科学意义和应用价值。

1 相干检测基本原理

相干检测技术是一种利用光的相干特性,将本振光和载有被测信息的信号光在进入光探测器之前通过混频器进行光学混频,产生一个本振光和信号光的差频分量,通过探测两束相干光的光强信息,进而获得更大信噪比的检测技术,其基本原理示意图如图1所示。

图1 相干检测技术原理图

考虑一束频率为ωs的信号光和一束频率为ωl的本振光,二者具备相干条件,且具有相同的偏振方向,其电矢量分别可表示为

Ul(t)=alcos(wlt+φl)

(1)

Us(t)=ascos(wst+φs)

(2)

式中:Ul(t)、al、wl、φl分别为本振光的电场、振幅、频率和相位,Us(t)、as、ws、φs分别为信号光的电场、振幅、频率和相位。当信号光与本振光发生相干叠加时,光探测器探测到的光强信息是二者的相干光强,产生的相干电流强度可表示为

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

(3)

将式(3)展开,并利用三角函数数学变换得到

(4)

可以看出,相干后的光电流强度由5部分组成,第一、二部分是直流项,可通过滤波器滤除;第3、第4部分是和频项,其频率值远高于探测器的响应速率,因而无法被探测到;最后,探测器检测到的光电流信号主要由第5项的差频分量构成,考虑到实际的光电转换效率和滤波电路的影响时,光电流强度的交流分量可表达为:

I(t)=Sasalcos[(ws-wl)t+(φs-φl)]

(5)

式中:S为比例系数。

如上所述,若本振光和信号光满足相干条件,即两束光具有稳定的相位差(φs-φl=常数)和相同的光学频率(ωs-ωl=0),其干涉光强分布将不随时间变化而呈现出稳定的干涉条纹。在保证本振光不变的前提下,干涉光强分布特点的变化将与信号光的相关光学参数(如振幅、相位)相对应,通过对干涉条纹强度的监测,以及相关的信号处理手段,便可以实现对信号光所承载信息的解调。

目前,所有的光电探测器都无法直接探测到光波频率、振幅、相位和偏振态等光学参数的变化,需要将这些参量转换为光强信息进行探测。相干检测技术之所以能提高系统信噪比,其根本原因在于光电探测器探测到的光强为本振光和信号光的相干光强,而非独立的信号光强。我们知道,光电探测器探测到的有效光功率与光振幅的平方成正比。对于信号光束而言,其有效光功率P为

(6)

而本振光和信号光相干时,其有效光功率P为

(7)

显然,相干检测时的有效光功率明显大于直接检测时的有效光功率。对于普通的直接检测技术而言,即使一束较强的信号光,入射进入光路相对较长传感系统之后,由于传输过程中产生的衰减、吸收、散射等原因,光到达探测器时,其强度也将被大幅度削弱,使得信号光难以从噪声中分离出来。相反,如果采用相干检测技术,我们可以通过增加本振光的光功率,来提高探测器最终探测到的总有效光功率,然后通过滤波器得到调制信号,进而提高信噪比。因此,相对于普通的直接检测技术,相干检测技术更适用于检测微弱信号,如微振动、小范围变温等。

2 相干POTDR振动传感系统工作原理

一般的OTDR光纤传感器很难检测到外界环境中物理量的微弱变化,但由于光纤中传输光的偏振态对外界环境的扰动(如振动、温度、应力等)极其敏感,因而基于偏振态探测的POTDR光纤传感器的灵敏度远高于OTDR光纤传感器的灵敏度。

如图2所示,由激光器发出的光脉冲经过一个起偏器后变为线偏振光(如图中箭头A所示),然后线偏振光经过耦合器进入待测光纤(如图中箭头B所示)。线偏振光在光纤中向前传输的过程中,将发生瑞利散射,致使一部分后向瑞利散射光沿光纤返回,并通过耦合器入射到光电探测器中。当光纤长度方向上某点受到微弱振动时,光纤局部的折射率将发生变化,这将导致偏振光分量之间相位差发生改变,进而使得偏振光偏振方向改变[10]。由于光在光纤中发生后向瑞利散射时,其频率和偏振态并不发生变化,后向散射光的频率和偏振方向与入射光的频率和偏振方向始终保持一致。因此,当入射光的偏振态由于外界振动而发生变化时,后向散射光的偏振态也将发生变化。此时,由振动扰动后的信号光的偏振方向将与本振光的偏振方向产生一定夹角θ,由(5)所示的光电流强度分布将会受到信号光偏振方向的调制,因为式(5)所示的光电流强度分布的前提条件为本振光和信号光具有相同的偏振方向。调制后的光电流应修正为:

I=Sasalcos[(ws-wl)t+(φs-φl)]cosθ

(8)

图2 POTDR工作流程图

如果保持本振光和信号光的相位差、频率差恒定,光电探测器探测到的后向瑞利散射光强信息的变化便反映了散射光偏振方向的变化大小和外界振动的强弱。同时,通过探测器接收到散射光的时间便可定位振动点的位置,最终实现振动传感功能。

由以上分析可知,基于相干检测的POTDR传感系统的灵敏度和分辨率在很大程度上取决于本振光和信号光之间的相干特性,因而实验过程对入射光的光源有较高的要求,激光器质量将会对探测结果产生很大影响[11]。此外,偏振态对环境变化非常敏感,选用低噪声的接收组件也是决定该系统能否成功实现传感的重要因素。

3 传感系统搭建

根据相干检测原理和POTDR传感原理,我们设计了如图3所示的实验系统搭建方案。由窄线宽激光器发出的传输光经过起偏器后变为有特定偏振方向的线偏振光,该线偏振光经过耦合器后分为两路,一路直接进入探测器,作为相干检测中的本振光,另一路光入射到待测光纤中,经过瑞利散射后的后向散射光作为相干检测中的信号光。两路光在探测器中相遇时发生光学相干叠加,最后,经过光电转换、信号处理等手段确定出散射光强度的变化和振动点的位置。

图3 相干POTDR方案图

在系统搭建时,特别需要注意元器件的选取。首先,要使传感系统对振动点位置确定的分辨率限制在5m以内,除需要使激光器光源具有良好的相关性以外,激光器光源的光脉冲宽必须小于50ns;其次,为了提高探测器的灵敏度,应选用额定功率较高的激光光源。本实验系统选用波长为1 550nm的激光器是多量子阱F-P腔半导体激光器,功率为120mW,光脉冲宽度调为50ns。

信号的采集、处理和显示是借助于MFC平台,利用WinIO函数库[12]、MFC库函数[13]和C++语言[14]编程实现。安装WinIO函数库是为了实现接口上的I/O操作,创建MFC平台和MFC库函数是为了构建系统的人机交互界面。在系统的信号处理上,我们采用对多组本振光信号和信号光信号分别取平均,再进行相减的方式来减小系统噪声,搭建的整个实验系统如图4所示。

图4 相干POTDR实物图

4 实验结果

搭建完测试系统后,我们对距离环形器1 700m处的待测光纤施加振动。考虑到传感系统对于外界变化极其敏感,为了消除环境干扰,整体待测光纤被放入一个防震的泡沫箱子里,仅留下距环形器1 690m～1 710m段的光纤放在测振动台上,用于后面的振动测试。当对振动台上的待测光纤施加振动时,我们便可通过观察POTDR测试曲线的变化来定位振动点的位置。

图5为采样500次后获得的振动前、后POTDR测试曲线,其中,横坐标表示待测光纤的位置,纵坐标表示探测到的光功率。仔细观察不难发现,在没有施加外界振动的情况下,测得的光功率曲线图(图5(a))在整个待测光纤上光强都没有明显的变化;施加了外界振动后(图5(b)),位于1 700m处的光强信号存在明显的缩进,反应出由于该光纤点受到振动扰动,偏振光分量间相位差的变化改变了向前传输的信号光和返回的后向散射光的偏振方向,进而导致探测到的光功率的减小。因此,实验结果显示了基于相干检测的POTDR传感系统能成功地探测到了施加在光纤上的外界振动,并实现了准确的定位。

图5 距离环形器1 700 m处光纤振动前后的实验结果

以上实验结果证明了基于相干检测技术的POTDR传感系统测量微弱振动在实验上是可行的,然而,值得注意的是本实验属于定性实验,如需进行定量测试,还需要考虑诸多问题,例如系统的光路设计是否是唯一、是否可以通过改善数据处理算法来改善系统的信噪比以及振动点的更精确定位、振动强度是否可以实现量化等,这些问题我们将会在以后的工作中去研究和讨论。

5 总结

本文将相干检测技术应用到POTDR传感系统中,综合了相干检测技术和POTDR技术各自的优点,成功地实现了对微弱振动信号的探测和定位功能。首先对相干检测技术和POTDR技术的基本测试原理进行了阐述,并根据相关原理提出相应的系统测试方案。然后,选取复合测试要求的激光光源、光纤、数据采集卡等相关元件,搭建了基于相干检测原理的POTDR振动传感系统,并利用C++语言、WinIO函数库、MFC库函数等软件工具设计适当的算法,实现了数据采集、信号处理和人机交互操作。为了验证传感系统的定位功能,我们对距离环形器1 700m处的光纤进行了扰动,实验测试结果显示搭建的传感系统能灵敏地反应出扰动点处光功率的变化情况,并准确地计算出扰动点的位置,实现定位功能,同时也验证了相干检测技术与POTDR系统相结合实现传感功能的可行性。最后,我们给出了本实验的局限性和改进空间,并对在改进过程中需要考虑的技术问题进行了简要分析。

[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,饶云江. 基于Φ-OTDR和POTDR结合的分布式光纤微扰传感器[J]. 光子学报,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,贾波. 稳定的长距离光纤分布式干涉测量技术研究[D]. 上海:复旦大学,2013:4.

[5] 尚超,吴重庆. 光纤高速偏振态检测与偏振光时域反射技术的研究[D]. 北京:北京交通大学,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] 范登华. 分布式光纤振动传感器的研究[D]. 成都:电子科技大学,2006:50-52.

[13] 姚领田. MFC窗口程序设计[M]. 中国水利水电出版社,2007.

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

何 剑(1985-),男,四川巴中人,副教授,博士,主要从事传感器设计制造及相关的研究工作,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

项目来源:国家自然科学基金项目(51605449);山西省应用基础研究青年科技研究基金项目(2016021064);中北大学科学研究基金项目(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