引用本文:

樊迎瑞,王宇,梅若彤,等. 移频双脉冲相干探测相位敏感光时域反射仪[J]. 光通信技术,2026,50(2):1-6.

移频双脉冲相干探测相位敏感光时域反射仪

樊迎瑞1,王 宇1,4*,梅若彤2,王俊虹1,王鹏飞2,4,刘 昕2,4,靳宝全2,3,4

1.太原理工大学 物理与光电工程学院,太原 030024;2.太原理工大学 电子信息工程学院,太原 030024;3.太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部重点实验室,太原 030024;4. 山西省矿山安全监测新型传感技术及应用工程研究中心,太原 030024

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摘要:为了提升相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)的相位解调性能,提出了一种移频双脉冲相干探测Φ-OTDR系统。通过分析声光调制器的幅频响应和拍频信号频谱,优化了双脉冲的移频参数,并对瑞利散射信号进行正交解调。实验结果显示,该系统能准确解调50~2 000 Hz的振动信号,驱动信号幅值与相位幅值的线性拟合度达0.992 2,干涉衰落概率从25.93%降至8.28%,实现了低衰落的相位解调。

关键词:分布式光纤传感;相位敏感光时域反射;移频双脉冲;相干探测;相位解调

中图分类号:TN29 文献标志码:文章编号:1002-5561(2026)02-0001-06

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2026.02.001

本文主要介绍了分布式光纤传感技术中的一种新型Φ-OTDR系统,通过移频双脉冲相干探测技术来提升相位解调性能。以下是文件的核心内容总结:

  1. 研究背景与意义

    • 分布式光纤传感技术:能够实现对温度、应变、振动等物理量的连续分布式测量,具有灵敏度高、抗电磁干扰、测量范围广等优点,广泛应用于地震信息采集、管道泄漏检测、电路监测、周界安防等领域。

    • Φ-OTDR技术:基于后向瑞利散射原理,在振动检测方面具有显著优势。

    • 双脉冲探测技术:近年来在Φ-OTDR系统中受到广泛关注,通过发射两个具有特定时间间隔的脉冲光进行探测,为分布式光纤传感提供了有效手段。

  2. 研究现状与问题

    • 现有研究:国内外学者相继开展了多种基于双脉冲的相位解调方法研究,如相移双脉冲方案、外差相位解调技术、稳定零差相位解调技术等,但存在系统复杂性高、硬件成本高以及噪声干扰等问题。

    • 研究动机:为了解决现有技术中的问题,提出移频双脉冲相干探测Φ-OTDR系统,以简化系统结构、降低成本并提高解调性能。

  3. 移频双脉冲相干探测Φ-OTDR系统

    • 正交解调原理:通过分析声光调制器的幅频响应和拍频信号频谱,优化双脉冲的移频参数,对瑞利散射信号进行正交解调。

    • 系统结构:包括窄线宽激光器、耦合器、声光调制器(AOM)、掺铒光纤放大器、环形器、平衡光电探测器、数据采集卡等组件。

    • 实验装置:详细描述了实验装置的连接方式和各组件的作用,包括如何生成移频双脉冲、如何进行光/电转换和数据处理等。

  4. 实验结果与分析

    • AOM幅频响应测试:测试了AOM在不同频率下的脉冲幅度,确定了有效幅频响应区间(60~100 MHz)。

    • 拍频信号频谱分析:分析了不同移频双脉冲探测下的拍频信号频谱特征,选择了最优化的双脉冲移频方案(70 MHz和90 MHz)。

    • 相位解调性能验证:通过实验验证了系统能够准确解调50~2000 Hz内的振动信号,驱动信号幅值与解调相位幅值之间的线性拟合系数达0.9922。

    • 抗衰落性能评估:通过对比单脉冲和移频双脉冲探测的归一化幅值曲线,证明了移频双脉冲能有效抑制相干衰落,将衰落概率从25.93%降低至8.28%。

  5. 系统优势与应用前景

    • 系统优势:该系统通过简洁的硬件结构和可靠的解调算法,提升了振动信息提取的准确性与可靠性,降低了漏报与误报概率。

    • 应用前景:适用于对监测可靠性要求较高的周界安防及其他场景,为分布式光纤传感技术的工程化应用提供了参考方案。

  6. 结论与展望

    • 研究结论:本文提出的移频双脉冲相干探测Φ-OTDR系统实现了低衰落的相位解调,具有良好的线性稳定性和抗衰落性能。

    • 未来展望:可以进一步优化系统参数、提高解调精度和稳定性,并探索在其他领域的应用潜力。