相干光时域反射计的光频扫描扩展检测

宋牟平; 吴媖; 朱伟基; 庄守望; 王轶轩

doi:doi:10.3788/CJL201946.0410002

中国激光, 2019, 46 (4): 0410002, 网络出版: 2019-05-09

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Optical Frequency Scanning Extension Detection of Coherent Optical Time Domain Reflectometry

论文大纲

宋牟平 ^*吴媖朱伟基庄守望王轶轩

作者单位

浙江大学信息与电子工程学院, 浙江杭州 310027

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摘要

通过改变微波电光调制器的调制频率,实现光频率扫描。利用光频移产生的后向瑞利散射光干涉图样的变化,可得到传感温度变化信息。基于温度变化前后两次扫描频率曲线的互相关特性及其与温度变化量的对应关系,提出了光频率扫描扩展方案。理论分析和实验结果表明,该方案可有效提高系统的温度测量检测范围。实验中,信噪比提升了2.13 dB,系统可检测的最小温度变化量约为0.029 ℃。

Abstract

By changing the modulation frequency of the microwave electro-optic modulator, we achieve the optical frequency scanning. Using the variation of the interference pattern of the backward Rayleigh scattered light generated by the optical frequency shift, we can obtain the information of the sensing temperature change. Based on the cross-correlation properties of the two scanning frequency curves before and after the temperature change and their correspondence with the temperature variation, we propose an optical frequency scanning extension scheme. Theoretical analysis and experimental results show that the proposed scheme can effectively improve the temperature detection range of the system. In the experiment, the signal-to-noise ratio is improved by 2.13 dB, and the minimum detectable temperature change of the system is about 0.029 ℃.

1 引言

分布式光纤传感器^[1-3]可实现高分辨率的分布式温度监测,具有较广阔的应用前景,但需要合适的传感技术。分布式光纤温度传感有多种实现技术,基于光纤非线性散射的拉曼分布式光纤温度传感器^[4-6]或布里渊分布式光纤温度传感器^[7-9],可实现较稳定的温度定量传感,但由于检测光信号微弱的限制,温度分辨率较低,难以达到1 ℃以下。普通光时域反射计(OTDR)^[10-11]是基于较强的光纤线性瑞利散射,可获得沿光纤传输的光损耗信息,但普通OTDR系统的温度灵敏度低,难以实现有效的温度传感。采用窄线宽光源的相位敏感OTDR(Φ-OTDR)^[12-16]进行检测,其检测到的瑞利散射光功率信号随温度变化,是关于温度的函数,然而该函数为非线性函数,Φ-OTDR系统难以对温度进行定量测量。为了将该系统应用于分布式温度传感领域,Pastor-Graells等^[17]提出了一种基于直接检测Φ-OTDR的线性啁啾单脉冲发射方案,系统结构简单,但精确度不高且温度检测范围有限。采用快速连续频移扫描的光频域反射计(OFDR)^[18-19]可实现高空间分辨率的分布式光纤传感,但由于采用的是频域信号处理检测光的幅度(不是相位)变化信息,长距离高温度分辨率传感难以实现。

基于光频移扫描的相干光时域反射计(COTDR)^[20-22]可实现高分辨率的长距离分布式温度定量传感,这是因为环境温度变化会导致传感光纤的后向瑞利散射干涉图样(相位变化信息)发生改变。当光频率以一定频率间隔,周期性地进行扫描时,根据光频率变化与温度变化分别对瑞利散射图样产生的影响,可以定量计算出传感温度变化。光频率扫描是直接影响COTDR系统的重要性能参数,温度检测的检测范围由光频率扫描范围决定。采用微波电光调制(EOM)可实现光频移精确变化,但扫频间隔增大会导致温度分辨率降低,扫频步数增多会导致扫频时间变长,尤其对于温度随时间非线性变化的检测环境,易出现测量误差。

基于COTDR系统中光频移与温度变化量之间的补偿关系,本文提出一种光频扫描扩展方案,在不影响温度检测分辨率和测量准确性的前提下,扩展光频率扫描范围,从而提升系统的温度检测范围。对系统中后向瑞利散射光信号的模拟计算验证了该方案的有效性,并在实验中实现了采用该光频扫描扩展方案的COTDR系统,传感系统的测温范围和信噪比都得到了有效提高。

2 原理

2.1 系统原理

COTDR系统的工作原理图如图1所示。在COTDR系统中,激光器发射的光波的归一化电场可表述为

\begin{matrix} E_{Laser} (t) = \cos (ω_{c} t), (1) \end{matrix}

式中:ω_c为光波的角频率,t为时间。微波信号发生器产生一系列单频正弦调制信号P_mcos(ω_mt),其中P_m为调制信号的强度,ω_m为调制角频率。光频率移动是通过微波电光调制光波来实现,通过改变调制信号的调制角频率ω_m(分别设为ω₁、ω₂、…、ω_n,其中n为扫描光频率的个数),实现该系统的光频率扫描。

图 1. COTDR系统的工作原理图

Fig. 1. Working principle diagram of COTDR system

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频率调制后的光源再经脉冲声光调制器(AOM)进行脉冲调制,由此形成的窄线宽频移脉冲光进入待测光纤(FUT),假设半个脉宽内的散射点总数为M,在发射端检测到待测光纤中的后向瑞利散射光强度可表述为^[20]

\begin{matrix} P_{pulse} (z) = \overset{M}{\sum_{a = 1}} \overset{M}{\sum_{b = 1}} P_{P} \exp (- 2 α z_{a}) \times P_{P} \exp (- 2 α z_{b}) \cos [\frac{4 π n_{f} ν (z_{a} - z_{b})}{c}], (2) \end{matrix}

式中:α为单模光纤的衰减系数,P_P为入射光脉冲强度,c为光在真空中传播的速度,n_f为光纤中的折射率,ν为光源的频率,z_a和z_b分别为第a和第b个散射点在光纤中的位置。P_pulse(z)为关于光源频率ν、折射率n_f、散射点分布z_a和z_b的函数,而折射率n_f和散射点位置会随外界温度的变化而变化。因此,可以通过分析光频率扫描的后向瑞利散射光强度来实现分布式温度定量检测,具体方案如下。

在t₁时刻,通过微波电光调制,间隔Δf逐步改变光源频率ν进行光频率扫描,并记录下检测到的n条不同光频率所对应的后向瑞利散射轨迹,记为P_t₁(z,ν),如图2(a)所示。在t₂时刻,用同样的方法检测记录后向瑞利散射轨迹,记为P_t₂(z,ν),如图2(b)所示。若在t₁至t₂时刻没有温度变化,那么P_t₁(z,ν)与P_t₂(z,ν)轨迹相似。如果发生温度变化,P_t₁(z,ν)与P_t₂(z,ν)之间会存在差异,但存在一个光频率偏移量Δν可以补偿温度变化,使得后向瑞利散射轨迹P_t₁(z,ν)与P_t₂(z,ν+Δν)相似。P_t₁(z,ν)和P_t₂(z,ν)的互相关函数R₁₂(z,f)可表示为

\begin{matrix} R_{12} (z, f) = \frac{\overset{k}{\sum_{i = 1}} [P_{t 1} (z, ν_{i}) - {\bar{P}}_{t 1} (z)] [P_{t 2} (z, ν_{i} + f) - {\bar{P}}_{t 2} (z)]}{\sqrt[]{\{\overset{k}{\sum_{i = 1}} {[P_{t 1} (z, ν_{i}) - {\bar{P}}_{t 1} (z)]}^{2}\} \{\overset{k}{\sum_{i = 1}} [P_{t 2} (z, ν_{i} + f) - {\bar{P}}_{t 2} {(z)]}^{2}\}}}, (3) \end{matrix}

式中:k为互相关计算中互相关窗口中包含的光频率个数;ν_i为光频率扫描中的第i个光频率;max{ $\begin{matrix} |f| \end{matrix}$ }为互相关窗口最大滑动范围; $\begin{matrix} {\bar{P}}_{tx} \end{matrix}$ (z)= $\begin{matrix} \frac{1}{k} \end{matrix} \begin{matrix} \overset{k}{\sum_{i = 1}} \end{matrix}$ P_tx(z,ν_i), x=1,2。互相关函数峰值所对应的f即补偿温度变化的光频率偏移量Δν。由(3)式可知,系统的温度分辨率由光频率扫描间隔Δf决定,温度检测范围由光频率扫频范围决定。

图 2. 不同时刻的检测信号。(a) t1时刻;(b) t2时刻

Fig. 2. Detection signal at different moments. (a) Time t1; (b) time t2

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光频率偏移量Δν与温度变化量ΔT呈线性关系^[20]:

\begin{matrix} \begin{matrix} Δν \approx - ν (ρ_{T} + C_{T}) ΔT, (5) \\ ρ_{T} + C_{T} \approx 6.92 \times 10^{- 6} ℃^{- 1} 。 (6) \end{matrix} \end{matrix}

式中:ρ_T为光纤材料的热膨胀系数,C_T为光纤折射率的瑞利相关温度系数。

2.2 光频率扫描扩展方案

假设光频率扫描步数n为100,扫频间隔为Δf,温度在t₁时刻为T₁,t₂时刻为T₂,其中T₁<T₂。根据(5)式,利用光频率变化量Δν与温度变化量ΔT之间的补偿关系,总能找到一个温度变化所对应的扫描频率步数间隔Δi≈- $\begin{matrix} \frac{ν (ρ_{T} + C_{T}) (T_{1} - T_{2})}{Δf} \end{matrix}$ ,使得等式P_t₁(z,ν_i+_Δ_i)=P_t₂(z,ν_i)成立。该等式应当对任意光频率成立,由此可推测,对于超越扫频范围的光频率P_t₁(z,ν_i+_Δ_i)=P_t₂(z,ν_j),(i+Δi>100,j<100)成立。图3(a)中虚线所示为依据P_t₁(z,ν)扩展得到的光频率。用同样的方法,可以扩展P_t₂(z,ν)的频率,如图3(b)虚线所示。

图 3. 不同时刻的光扫描频率扩展示意图。(a) t1时刻;(b) t2时刻

Fig. 3. Schematic of optical scanning frequency extension at different moments. (a) Time t1; (b) time t2

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为验证该方案的有效性,根据(2)式,对COTDR系统进行模拟计算,假设光纤中散射点服从均匀分布,周期性发射光频率扫描间隔Δf为3 MHz、宽度为200 ns的脉冲光,每个周期发射100个不同光频率的脉冲光信号。t₁至t₂时刻,传感光纤温度变化量设为0.0679 ℃。两次扫描周期中,接收端探测到的光功率信号强度P沿光频率轴的分布曲线图如图4(a)所示。依据上述光扫描频率扩展方案,可将t₂时刻的扫描频率范围扩展30 MHz,扩展后的曲线如图4(b)中实线所示。其他参数设置与t₂时刻完全相同,将每个周期光频率扫描步数设为110,得到一组如图4(b)虚线(十字)所示的原始数据,与光频率扩展后的曲线完全重合。光扫描频率扩展有效地扩展了光频率扫描范围,并且光频率扩展范围的宽度与温度偏移量的大小有关,温度偏移量越大,光扫描频率扩展得越多,如图4(c)所示。

图 4. 频率扩展仿真图。(a)光功率信号强度分布曲线;(b)原始数据与光频率扩展数据对比;(c)光频率扩展范围与温度变化量的关系曲线

Fig. 4. Optical frequency extension simulation. (a) Distribution curves of optical power signal intensity; (b) comparison of original data and optical frequency extension data; (c) range of optical frequency extension versus temperature change

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3 实验与结果

实验系统如图5所示,激光器(RIO0195-3-02-1,RIO,美国)发射线宽为3 kHz、波长为1550 nm的连续光,经电光调制器实现光频率调制。脉冲发生器驱动声光调制器(FCM-401E5C,IntraAction,美国)将连续光调制成窄脉冲,脉冲宽度为200 ns。由掺铒光纤放大器(EDFA,23 dB)对光功率进行放大,再利用滤波器滤除EDFA自发受激辐射噪声。通过一个三端口耦合器,将脉冲光耦合进传感光纤。待测光纤中的后向瑞利散射光由光电探测器(BPD)接收并进行光电转换。采样率为100 MSa/s的数据采集卡(DAQ)采集并输出电信号,在电脑(PC)端进行数据处理与分析。

图 5. COTDR 实验系统

Fig. 5. Experimental system of COTDR

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实验中,在保温瓶中倒入70 ℃的热水,令其自然冷却。将一段150 m长的光纤绕成环并作为待测光纤放入保温瓶中,其余光纤置于室温下。光频率扫描间隔为5 MHz,光频率扫描个数为100个,调频100次为一个周期,不断地进行光频率扫描。对温度变化前后的原始信号进行互相关运算,实验结果即其互相关曲线R_original如图6(a)所示,置于保温瓶中的传感光纤(z∈[150 m,300 m])无相关峰,这是因为补偿温度变化量所对应的光频率偏移量已超出光频率扫描范围,无法计算温度变化量。借助相邻周期的测量数据,经过光频率扩展处理后的互相关曲线R_extension如图6(b)所示,在光频率偏移量为155 MHz处可看见清晰的相关峰,对应温度变化量为0.1157 ℃,温度变化被成功检测,较原温度检测范围,该方案的提升了3.3%。温度检测范围扩展程度与相邻周期温度变化量有关,相邻周期温度变化量越大,光频率扩展越多,温度检测范围扩展越明显。经实验验证,光频率扩展有效地提高了COTDR系统的温度检测范围。

图 6. 温度变化前后的互相关函数。(a)原始数据的互相关曲线;(b)光频率扩展后的互相关曲线

Fig. 6. Cross-correlation curves before and after temperature change. (a) Cross-correlation curve of original data; (b) cross-correlation curve after optical frequency extension

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光频率扩展不仅可以扩展互相关运算时窗口的滑动范围(即检测范围),还可以扩展互相关窗口大小。光频率扫描范围固定,采用与之前一致的方案进行光扫描频率扩展,互相关窗口大小从150 MHz扩展到185 MHz。图7(a)和(b)分别是光频率扩展前后互相关运算的结果。经光频率扩展处理的信号的信噪比为6.45 dB,相比于原始信号提高了2.13 dB。这里将信噪比定义为10lg(A_m/A_n),其中A_m为信号相关峰的幅度值,A_n为背景噪声的均方值。互相关窗口越大,其包含的信号光的特征信息越多,进行互相关计算时有利于减弱背景噪声的相关性,提高测量准确性。

图 7. 温度变化前后的互相关曲线。(a)原始数据的互相关曲线;(b)光频率扩展后的互相关曲线

Fig. 7. Cross-correlation curves before and after temperature change. (a) Cross-correlation curve of original data; (b) cross-correlation curve after optical frequency extension

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利用该COTDR分布式光纤温度传感系统实现了长时间温度检测,检测结果如图8所示,可看出系统检测到的最小温度变化量约为0.029 ℃(图中正值表示温度上升,负值表示温度下降),这比一般的分布式温度传感器约高1个数量级。

图 8. 温度变化量随时间的变化

Fig. 8. Temperature change versus time

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4 结论

在实现COTDR分布式温度传感系统的基础上, 提出了一种扩展COTDR系统温度监测范围的信号处理方法。利用温度变化前后两次扫描频率曲线的互相关特性与温度变化量的对应关系,实现了光扫描频率扩展,突破了硬件设备对扫频范围的限制。仿真及实验论证了该方案的有效性,实验中,利用该技术成功扩充了光扫描频率个数,分别通过扩展互相关窗口滑动范围和互相关窗口大小,有效提高了系统的温度检测范围,同时信噪比得到一定的提升。系统最小检测到的温度变化量约为0.029 ℃。

参考文献

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1 引言

2 原理

2.1 系统原理

图 1. COTDR系统的工作原理图

Fig. 1. Working principle diagram of COTDR system

图 2. 不同时刻的检测信号。(a) t1时刻;(b) t2时刻

Fig. 2. Detection signal at different moments. (a) Time t1; (b) time t2

2.2 光频率扫描扩展方案

图 3. 不同时刻的光扫描频率扩展示意图。(a) t1时刻;(b) t2时刻

Fig. 3. Schematic of optical scanning frequency extension at different moments. (a) Time t1; (b) time t2

图 4. 频率扩展仿真图。(a)光功率信号强度分布曲线;(b)原始数据与光频率扩展数据对比;(c)光频率扩展范围与温度变化量的关系曲线

Fig. 4. Optical frequency extension simulation. (a) Distribution curves of optical power signal intensity; (b) comparison of original data and optical frequency extension data; (c) range of optical frequency extension versus temperature change

3 实验与结果

图 5. COTDR 实验系统

Fig. 5. Experimental system of COTDR

图 6. 温度变化前后的互相关函数。(a)原始数据的互相关曲线;(b)光频率扩展后的互相关曲线

Fig. 6. Cross-correlation curves before and after temperature change. (a) Cross-correlation curve of original data; (b) cross-correlation curve after optical frequency extension

图 7. 温度变化前后的互相关曲线。(a)原始数据的互相关曲线;(b)光频率扩展后的互相关曲线

Fig. 7. Cross-correlation curves before and after temperature change. (a) Cross-correlation curve of original data; (b) cross-correlation curve after optical frequency extension

图 8. 温度变化量随时间的变化

Fig. 8. Temperature change versus time

4 结论

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1 引言

2 原理

2.1 系统原理

图 1. COTDR系统的工作原理图

Fig. 1. Working principle diagram of COTDR system

图 2. 不同时刻的检测信号。(a) t1时刻;(b) t2时刻

Fig. 2. Detection signal at different moments. (a) Time t1; (b) time t2

2.2 光频率扫描扩展方案

图 3. 不同时刻的光扫描频率扩展示意图。(a) t1时刻;(b) t2时刻

Fig. 3. Schematic of optical scanning frequency extension at different moments. (a) Time t1; (b) time t2

图 4. 频率扩展仿真图。(a)光功率信号强度分布曲线;(b)原始数据与光频率扩展数据对比;(c)光频率扩展范围与温度变化量的关系曲线

Fig. 4. Optical frequency extension simulation. (a) Distribution curves of optical power signal intensity; (b) comparison of original data and optical frequency extension data; (c) range of optical frequency extension versus temperature change

3 实验与结果

图 5. COTDR 实验系统

Fig. 5. Experimental system of COTDR

图 6. 温度变化前后的互相关函数。(a)原始数据的互相关曲线;(b)光频率扩展后的互相关曲线

Fig. 6. Cross-correlation curves before and after temperature change. (a) Cross-correlation curve of original data; (b) cross-correlation curve after optical frequency extension

图 7. 温度变化前后的互相关曲线。(a)原始数据的互相关曲线;(b)光频率扩展后的互相关曲线

Fig. 7. Cross-correlation curves before and after temperature change. (a) Cross-correlation curve of original data; (b) cross-correlation curve after optical frequency extension

图 8. 温度变化量随时间的变化

Fig. 8. Temperature change versus time

4 结论

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