基于兩模光纖φ-OTDR的振動檢測方法及實(shí)驗(yàn)研究

秦祖軍 銀珊

摘? 要：研究了基于兩模光纖和相位敏感光時(shí)域反射計(jì)（φ-OTDR）的振動檢測系統(tǒng)。兩模光纖支撐LP01模和LP11模穩(wěn)定傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，LP01模和LP11模的后向瑞利散射信號經(jīng)相干檢測和正交解調(diào)后，均可獨(dú)立檢測出振動信號并進(jìn)行準(zhǔn)確定位;同時(shí)，兩種模式均復(fù)原500Hz的振動信號波形。本實(shí)驗(yàn)通過提供基于兩模光纖的振動信號檢測方法，旨在培養(yǎng)學(xué)生的研究、探索與創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：相位敏感光時(shí)域反射計(jì)? 兩模光纖? 振動檢測? 差分累加算法

中圖分類號：TP212? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）09（a）-0092-06

Abstract： A vibration detection system combined by a two-mode fiber （TMF） and phase sensitive optical time domain reflectometer （φ-OTDR） is investigated. The TMF supports the transmission of the LP01 and LP11 modes. It is proved that each mode supported by the two-mode fiber （i.e.， LP01 mode and LP11 mode） can be used as an independent channel to detect the vibration signal with an acceptable signal-to-noise ratio after processing by coherent detection and IQ demodulation. In addition， both modes restore 500Hz vibration signal waveform. By providing a vibration signal detection method based on two-mode fiber， this experiment aims to cultivate students' ability of research， exploration and innovation.

Key Words： φ-OTDR; Two-mode fiber; Vibration detection; Differential accumulation

光纖相位敏感光時(shí)域反射計(jì)（φ-OTDR）屬于分布式傳感器，能以全方位和連續(xù)方式檢測多種物理參量。φ-OTDR通過在光纖中注入窄線寬的激光脈沖，利用后向瑞利散射信號的相干效應(yīng)增強(qiáng)瑞利散射信號，提高了其所攜帶信息的信噪比，使之對外界振動和聲場信息呈現(xiàn)高靈敏度響應(yīng)。此外，φ-OTDR具備結(jié)構(gòu)簡單、多擾動點(diǎn)測量、傳感距離大、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等諸多優(yōu)勢，已應(yīng)用在大型建筑物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、石油管道安全監(jiān)測和安防監(jiān)控等領(lǐng)域[1-5]。φ-OTDR根據(jù)解調(diào)參量不同，分為幅值解調(diào)型和相位解調(diào)型兩類：前者通過解調(diào)背向瑞利散射光的幅度信息定位振動事件;后者則通過解調(diào)背向瑞利散射光的相位信息實(shí)現(xiàn)振動事件的檢測。

少模光纖的最新發(fā)展已經(jīng)影響到了許多領(lǐng)域[6]。在光纖傳感領(lǐng)域，相較于單模光纖，少模光纖的模場面積大，其非線性閾值電平高，可以注入更高功率的探測光功率以提高信號信噪比[7]。此外，少模光纖纖芯半徑介于單模光纖與多模光纖之間，不同線性偏振模對外部參數(shù)產(chǎn)生的擾動反應(yīng)不同。本文研究了基于兩模光纖的φ-OTDR系統(tǒng)，對獲得LP01和LP11兩種模式的后向瑞利散射光相干信號進(jìn)行分析，得到振動信號的位置并復(fù)原500Hz的振動波形。

1? 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)依據(jù)

兩模光纖允許LP01和LP11兩種模式的光波傳輸，其中LP11模由LP11a和LP11b兩種線性偏振模組成。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以兩模光纖作為傳感光纖，使用φ-OTDR系統(tǒng)作為探測方法，研究兩模光纖不同模式振動傳感特性。目前φ-OTDR系統(tǒng)中多使用單模光纖作為傳感光纖，而單模光纖有非線性閾值電平低和傳播模式單一的缺點(diǎn)。因此，研究兩模光纖的傳感性能具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2? φ-OTDR系統(tǒng)原理

φ-OTDR系統(tǒng)如圖1所示。激光器發(fā)射出連續(xù)激光，經(jīng)9：1分光器分成兩路：10%的連續(xù)光作為本振光與信號光進(jìn)行相干探測;90%的連續(xù)光通過聲光調(diào)制器（AOM）調(diào)制成探測脈沖光，經(jīng)環(huán)形器導(dǎo)入光子燈籠后選擇以不同的模式（LP01?；蛘週P11模）激發(fā)進(jìn)入光纖。脈沖光在光纖中發(fā)生瑞利散射，其后向瑞利散射干涉光沿光纖傳播回光纖注入端，由光子燈籠解復(fù)用后再經(jīng)環(huán)形器與本振光進(jìn)行相干探測，轉(zhuǎn)換成電信號。電信號再經(jīng)放大、濾波和正交解調(diào)后產(chǎn)生兩路基帶信號，由上位機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并送入上位機(jī)中進(jìn)行處理。

圖1中函數(shù)信號發(fā)生器的作用為：（1）給AOM提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)脈沖，供AOM將連續(xù)光調(diào)制成對應(yīng)脈寬的脈沖光;（2）控制示波器的采樣時(shí)間，以便當(dāng)脈沖光產(chǎn)生時(shí)，示波器進(jìn)行同步采集。系統(tǒng)中各器件的參數(shù)如表1所示。

注：

（1）LP01和LP11模在光纖中傳播速度不同。分別根據(jù)其在光纖中傳播2m的時(shí)間設(shè)置采樣率。

（2）本文使用喇叭作為振動源，其位置是到光纖注入端的距離;振動位置位于872m。

（3）喇叭產(chǎn)生振動信號的頻率。

2.1 φ-OTDR原理

φ-OTDR與OTDR均利用光纖中的后向瑞利散射光獲得光纖沿線的信息;不同的是，φ-OTDR向光纖中注入的是窄線寬的激光，其產(chǎn)生的瑞利散射光在光纖中更容易發(fā)生干涉效應(yīng)，增大信號光的功率[8]，具體如圖2所示。具體地，一束探測脈沖光注入光纖后，會不斷地發(fā)生后向傳輸?shù)娜鹄⑸涔?。圖2中AC段為一個(gè)光脈沖，B為AC段的中點(diǎn)。A點(diǎn)處產(chǎn)生的后向瑞利散射光向光纖注入端傳輸?shù)紹點(diǎn)時(shí)，C點(diǎn)處的探測光也將傳輸?shù)紹點(diǎn)并發(fā)生瑞利散射，并與A點(diǎn)傳輸?shù)紹點(diǎn)的散射光發(fā)生干涉效應(yīng)。由此可知，B點(diǎn)處的瑞利散射信號是由A到B的范圍內(nèi)所有的后向瑞利散射光干涉累加而成，可提高信號光的功率。

2.2 相干探測原理

相干探測的目的是提高檢測信號信噪比，如圖3所示。光纖返回的瑞利散射信號與本振光合束后再經(jīng)1：1分光（分光后的兩束光相位相差π/2），最后經(jīng)平衡探測器將兩束光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和差分處理。由此獲得的電信號的功率是直接探測的4倍[9]。

2.3 IQ解調(diào)原理

正交解調(diào)原理如圖4所示。圖中，C（t）是圖3經(jīng)過放大和濾波后的中頻差分信號（約200MHz），將其分別與兩路相位相差90°、頻率與中頻信號相同的本振信號相乘[10]，可以得到I（t）和Q（t）兩路正交信號。采集上述兩路信號后，可以反推出中頻信號的幅度和相位信息。IQ解調(diào)實(shí)現(xiàn)了中頻信號下變頻，減輕了采集系統(tǒng)的采樣壓力。

3? 主要實(shí)驗(yàn)儀器

3.1 激光器

φ-OTDR是利用脈沖光產(chǎn)生的后向瑞利散射光在光纖中發(fā)生干涉效應(yīng)來檢測擾動的，激光的線寬越窄，其相干性越好。本文使用的激光器工作波長為1550.15nm，線寬小于3kHz，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下頻率穩(wěn)定度為20MHz/10min，滿足實(shí)驗(yàn)所需。

3.2 模分復(fù)用/解復(fù)用器

本文中使用的是一種支持三種模式復(fù)用/解復(fù)用的光子燈籠，其優(yōu)點(diǎn)是模式串?dāng)_低、耦合效率高和成本低，結(jié)構(gòu)圖如圖5所示[11]。光子燈籠兩端分別是一組單模光纖陣列和一根纖芯較大的兩模光纖，中間是錐形過渡區(qū)。使用時(shí)，當(dāng)光波從單模光纖陣列中的一根入射時(shí)，將會以對應(yīng)的模式激發(fā)進(jìn)入兩模光纖;相反，當(dāng)某種模式的光波從兩模光纖入射到光子燈籠時(shí)，將會從對應(yīng)的單模光纖中輸出，從而達(dá)到了對兩模光纖的模式復(fù)用與解復(fù)用的目的。

3.3 示波器

示波器的作用是對IQ解調(diào)后的信號進(jìn)行采集和處理，本文使用的是DPO7000C系列的示波器，其支持四個(gè)通道同時(shí)采集。示波器集成windows系統(tǒng)，提供豐富的儀器編程接口（Labview、MATLAB等），簡化了后期數(shù)據(jù)處理方式。

4? 振動信號定位與分析

為方便表述，做如下定義：LPi-j表示探測光以LPi模注入光纖，獲得LPj模的后向瑞利散射信號。如：LP01-01表示環(huán)形器端口2與光子燈籠LP01模式對應(yīng)端口連接，探測光以LP01模式前向傳輸，獲得LP01模式的后向瑞利散射光。因LP11a與LP11b在光纖中傳播相似，本文只討論LP01-01和LP11a-11a。圖6為連續(xù)注入500個(gè)光脈沖時(shí)，LP01-01與LP11a-11a所產(chǎn)生的500條后向瑞利散射光干涉曲線。圖中，40m處的強(qiáng)反射峰是由于環(huán)形器與光子燈籠的接頭導(dǎo)致的端面反射。

對原始的后向瑞利散射光干涉曲線做差分處理，具體計(jì)算公式如下所示：

式中，D表示每個(gè)探測脈沖產(chǎn)生的后向瑞利散射信號的強(qiáng)度曲線;N表示采集的瑞利散射曲線數(shù)目;S表示差分累加后的振動信號;k表示曲線差分間隔。本文中，N=500、k=100，為了避免偶然性，連續(xù)對10組數(shù)據(jù)作處理，結(jié)果如圖7所示。從圖中可得，兩種模式均在870m左右出現(xiàn)振動峰，與實(shí)際喇叭放置位置相符，且有較高的信噪比。

根據(jù)圖7判斷出振動所發(fā)生的位置，提取兩種模式振動位置的時(shí)域信號，并分別對其做快速傅里葉變換，其結(jié)果如圖8所示。從圖8（a）、（b）中可以得出，兩種模式均基本復(fù)原出施加在光纖上的500Hz正弦振動信號，LP01-01對信號的復(fù)原度高于LP11a-11a，其主要原因是LP11a模與LP11b模共享傳播常數(shù)，在光纖中傳輸時(shí)兩種模式間的功率傳遞造成了模間串?dāng)_，引入了新的噪聲;而LP01模與其他模式之間發(fā)生耦合的程度低，受模間串?dāng)_的影響小。圖8（c）、（d）功率譜圖反映出振動信號的頻率，產(chǎn)生高次諧波的原因是傳播過程中非線性介質(zhì)的非線性效應(yīng)和電信號處理時(shí)電路的非線性效應(yīng)。

7? 結(jié)語

本文使用φ-OTDR系統(tǒng)作為探測方法、兩模光纖作為傳感光纖，對光纖振動源進(jìn)行了定位和時(shí)域分析，復(fù)原了振動信號的波形。與單模光纖作為傳感光纖相比，兩模光纖可以得到多種模式信號，減弱了單模光纖受系統(tǒng)噪聲的影響，并且可以向兩模光纖中注入更高功率的探測脈沖。本試驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)簡單，實(shí)操性強(qiáng)，有利于促進(jìn)光電專業(yè)的學(xué)生對光的傳播模式和光纖傳感的理解。

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