一种基于单片机的低成本鉴相型的φ-OTDR系统的制作方法

一种基于单片机的低成本鉴相型的
φ-otdr系统
技术领域
1.本发明涉及分布式光纤传感技术领域，具体而言涉及一种基于单片机的低成本鉴相型的φ-otdr系统。


背景技术：

2.分布式光纤声学传感(distributed acoustic sensor，das)利用整条光纤作为信号的传感介质和传感单元，能够实时连续地测量光纤沿线的参数变化，具有体积小、抗电磁干扰、对恶劣环境牢靠耐用等优点。在许多应用中，特别是在管道安全等远程应用以及石油和天然气井等恶劣环境中，都是一个很有前途的解决方案。
3.目前，das系统的实现主要是基于相位敏感光时域反射技术(phase-sensitive optical time domain reflectometry，φ-otdr)，通过探测传感光纤中背向瑞利散射光的相位变化来感知外界扰动信息。光纤受扰动后，相应位置光程会发生变化，从而导致受扰动的光纤段两端产生的瑞利散射光相位差发生变化。理论上，受扰动的光纤段两端产生的瑞利散射光相位差与扰动存在线性关系，所以可以通过解调该相位差的变化实现对扰动幅度的定量测量，这就是das的传感原理。根据解调相位方式的不同，das系统结构主要有外差相干探测、三端口耦合探测、相位生成载波等。不同的解调算法各有优劣，其中基于3
×
3耦合器的相位解调(又称低成本鉴相型)是通过引入两臂之间存在120
°
相位差的3
×
3耦合器并结合干涉结构来实现相位解调的，适用于直接探测光路，受偏振噪声影响较小，但对器件一致性要求较高。
4.传统的三端口耦合探测的φ-otdr系统结构主要包含窄线宽激光器(nll)、声光调制器(aom)、掺铒光纤放大器(edfa)、3x3耦合器(oc)、三个光电探测器(pd)等不可缺少的光电器件，以及数采卡(daq)、数据处理端(一般为pc)等数据采集和处理设备。
5.为了更好更快地解调得到相位信息，一般需要高采样率的数采卡和配置高、性能好的pc设备，而这样性能的相应设备往往价格高昂，使得整个das设备的价格居高，限制了das设备在一些成本敏感的应用场景里的使用。


技术实现要素：

6.本发明针对现有das设备成本高昂的问题，提供一种基于单片机的低成本鉴相型的φ-otdr系统，通过分别使用价格低廉的单片机、采样保持器代替原有的pc、daq设备，配合专门的低运算量的相位解调算法，在不影响原有系统性能的情况下尽可能地降低了系统成本。
7.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
8.第一方面，本发明实施例提出了一种基于单片机的低成本鉴相型的φ-otdr系统，所述φ-otdr系统包括窄线宽激光器、强度调制器、掺铒光纤放大器、环形器、1x2耦合器、延时光纤、3x3耦合器、三个光电探测器、三个采样保持器和单片机；
9.所述强度调制器的输入端与窄线宽激光器连接，输出端与掺铒光纤放大器连接，
强度调制器用于将窄线宽激光源产生的具有高相干特性的连续激光调制为相应的脉冲光，由单片机控制该脉冲光的重复频率、脉冲宽度和触发机制；强度调制器发出的脉冲光经掺铒光纤放大器放大后进入环形器；环形器的其中一个输出端与1x2耦合器连接，另一个输出端与待测光纤连接；
10.所述1x2耦合器将环形器返回的探测信号均分成功率相等的两路探测光，其中一路探测光经过延时光纤延时后和另一路探测光分别入射至3x3耦合器，由3x3耦合器耦合后再次均分成三路光信号，且三路光信号分别入射至三个光电探测器；
11.所述三个光电探测器的输出端一一对应地与三个采样保持器连接，三个光电探测器的设备参数相同，将3x3耦合器耦合输出的三路光信号转换为相应的光电流信号后输出至三个采样保持器；
12.所述三个采样保持器的输出端均与单片机连接，每个采样保持器根据预设的采样周期对输入的待测光电流信号进行采样，并将采样得到的光电流信号幅值保持至下一个采样周期，再利用下一个采样周期的光电流信号幅值覆盖当前采样周期的光电流信号幅值；
13.所述单片机内存储有光电流信号幅值与外部扰动引起的相位变化量的映射关系表，单片机接收三个采样保持器采样得到的光电流信号值，结合映射关系表计算得到当前采样周期的三个光电流信号幅值对应的最佳相位变化量的估计值。
14.进一步地，所述单片机中存储有三个映射关系表，三个映射关系表分别对应三个采样保持器的光电流信号幅值与外部扰动引起的相位变化量的映射关系。
15.进一步地，所述单片机结合映射关系表计算得到当前采样周期的三个光电流信号幅值对应的最佳相位变化量的估计值的过程包括以下步骤：
16.设每个采样保持器获得光电流信号幅值和外部扰动引起的相位变化量之间的映射关系为：
[0017][0018]
其中，in(m)是第n个采样保持器对应的查找表中第m个光电流信号幅值，是查找表中与in(m)对应的外部扰动引起的相位变化量，n是采样保持器的编号，n＝1，2，3，m是相位的精细化程度，m越大，相位精度越高；
[0019]
联立三个映射关系：
[0020][0021]
式中，是t时刻采样得到的光电流信号幅值，是t时刻采样得到的三个光电流信号幅值与各自查找表的幅值的差值平方和；
[0022]
将差值平方和最小的m值对应的相位值作为t时刻的最佳相位变化量的估计值。
[0023]
进一步地，所述单片机包括三个存储块，三个存储块分别与三个采样保持器相对应，每个存储块都为m行，对应相位变化量的精细化程度。
[0024]
进一步地，所述单片机的采用pic16f914。
[0025]
进一步地，所述窄线宽激光器的输出光波长为1550nm，线宽为100khz，光功率为
8dbm。
[0026]
进一步地，所述单片机通过重复改变从强度调制器的脉冲光发出到采样保持器开始采样的延时时间，获得不同位置的由外部扰动引起的相位变化值，以执行在一定范围内的对外部扰动的分布式传感测量。
[0027]
第二方面，本发明实施例提出了一种基于单片机的低成本鉴相型的φ-otdr系统的工作方法，所述工作方法包括：
[0028]
s1，对窄线宽激光器产生的具有高相干特性的连续激光调制为相应的脉冲光，对脉冲光进行放大后注入环形器；
[0029]
s2，当外部扰动在待测光纤任一位置上施加振动时，扰动信号反向传输并且经环形器进入1x2耦合器，由1x2耦合器均分成功率相等的两路探测光，其中一路探测光经过延时光纤和另一路探测光进行混合；
[0030]
s3，采用3x3耦合器将混合信号均分成三路信号光，三路信号光分别经三个光电探测器转换成相应的光电流信号；
[0031]
s4，控制三个采样保持器同时根据预设的采样周期对三路光电流信号进行采样保持，将采样得到的光电流信号幅值与对应的映射关系表相匹配，计算得到当前采样周期的三个光电流信号幅值对应的最佳相位变化量的估计值。
[0032]
本发明的有益效果是：
[0033]
(1)使用成本更低的单片机、采样保持器替代了原有的pc、daq等较为昂贵的设备，配合低运算量的且快速的映射关系表(查表法)，在不影响原有系统性能的情况下尽可能地降低了系统成本。
[0034]
(2)使用的替代模块体积比原有模块小许多，为das设备未来的小型化提供了一种思路。
[0035]
(3)使用一种低运算量的映射关系算法，可使得对数据处理模块性能的要求降到更低，同时保证高速运算。
附图说明
[0036]
图1是本发明实施例的基于单片机的低成本鉴相型的φ-otdr系统结构图。
[0037]
图2是本发明实施例的单片机具体资源配置的内部框图。
[0038]
图3a是一次采样过程中采样保持器1得到的幅值信息示意图。
[0039]
图3b是一次采样过程中采样保持器2得到的幅值信息示意图。
[0040]
图3c是一次采样过程中采样保持器3得到的幅值信息示意图。
[0041]
图4是查找表中三种幅值-相位映射关系示意图。
[0042]
图5a是解缠绕前的相位信息对应外部扰动施加的正弦信号示意图。
[0043]
图5b是解缠绕后的相位信息对应外部扰动施加的正弦信号示意图。
具体实施方式
[0044]
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
[0045]
图1是本发明公开的一种基于单片机的低成本鉴相型的φ-otdr系统的结构示意图。该系统装置包括窄线宽激光器(nll)、强度调制器(mod)、掺铒光纤放大器
(edfa)、环形器(cir)、1x2耦合器(coupler)、延时光纤(fiber)、3x3耦合器、三个光电探测器(pd)、三个采样保持器(s/h)、单片机(mcu)。
[0046]
强度调制器的输入端与窄线宽激光器连接，输出端与掺铒光纤放大器连接，强度调制器用于将窄线宽激光源产生的具有高相干特性的连续激光调制为相应的脉冲光，由单片机控制该脉冲光的重复频率、脉冲宽度和触发机制；强度调制器发出的脉冲光经掺铒光纤放大器放大后进入环形器；环形器的其中一个输出端与1x2耦合器连接，另一个输出端与待测光纤连接。
[0047]
1x2耦合器将环形器返回的探测信号均分成功率相等的两路探测光，其中一路探测光经过延时光纤延时后和另一路探测光分别入射至3x3耦合器，由3x3耦合器耦合后再次均分成三路光信号，且三路光信号分别入射至三个光电探测器。
[0048]
三个光电探测器的输出端一一对应地与三个采样保持器连接，三个光电探测器的设备参数相同，将3x3耦合器耦合输出的三路光信号转换为相应的光电流信号后输出至三个采样保持器。
[0049]
三个采样保持器的输出端均与单片机连接，每个采样保持器根据预设的采样周期对输入的待测光电流信号进行采样，并将采样得到的光电流信号幅值保持至下一个采样周期，再利用下一个采样周期的光电流信号幅值覆盖当前采样周期的光电流信号幅值。本实施例的采样保持器的本质是一个定时模数转换的前置设备，在某一时间点上取出待测信号的值，将这个信号值保持一段时间，以供模数转换器转换，直到下一个采样时间再取出一个模拟信号值来代替原来的值。
[0050]
单片机内存储有光电流信号幅值与外部扰动引起的相位变化量的映射关系表，单片机接收三个采样保持器采样得到的光电流信号值，结合映射关系表计算得到当前采样周期的三个光电流信号幅值对应的最佳相位变化量的估计值。本实施例的单片机的核心是微处理器，用于控制整个系统的运作。
[0051]
区别于现有技术，本实施例可以通过采用较低运算能力的单片机来代替原来的pc，同时采用采样保持器代替原有的数采卡，配合前述低运算量的相位解调算法，在不影响原有系统性能的情况下尽可能地降低了系统成本。下面结合附图对本实施例的几个关键技术方案进行详细说明。
[0052]
(一)相位解调算法
[0053]
相位解调实质上是从幅值信息得到相位信息的过程，如果提前确定幅值和相位的映射关系，就可以通过简单的检索计算完成相位解调，省去了复杂的运算过程。
[0054]
通过相应的理论推导和验证工作，得到以下结论：每一个采样保持器获得光电流信号幅值in(m)和外部扰动引起的相位变化量之间的映射关系为：
[0055][0056]
其中，in(m)是第n个采样保持器对应的查找表中第m个光电流信号幅值，是查找表中与in(m)对应的外部扰动引起的相位变化量，n是采样保持器的编号，n＝1，2，3，m是相位的精细化程度，m越大，相位精度越高。该映射关系不是单调的，幅值和相位不是一一对应的关系。但因存在三个相位差为120
°
的映射关系，联立三个映射关系，仍可得到唯一确定的相位变化量与当前时刻测得的幅值相对应，具体做法是：
[0057][0058]
式中，是t时刻采样得到的光电流信号幅值，是t时刻采样得到的三个光电流信号幅值与各自查找表的幅值的差值平方和；
[0059]
将差值平方和最小的m值对应的相位值作为t时刻的最佳相位变化量的估计值。
[0060]
优选的，为了适应单片机有限的数据存储深度与计算能力，使用存储器提前存储好三个映射关系表，三个映射关系表分别对应三个采样保持器的光电流信号幅值与外部扰动引起的相位变化量的映射关系。该存储器可划分为三个存储块，分别与三个采样保持器相对应，每个存储块都为m行，对应相位变化量的精细化程度。在某一时刻得到的三个采样保持器的幅值遍历检索这m行存储数据，并求得对应的差值平方和，使得该值最小的行数对应的相位值即是所求值。该方案可使得对数据处理模块性能的要求降到更低，同时保证高速运算。
[0061]
示例性地，单片机采用pic16f914。该单片机具有7k的片上flash，多通道10位a/d。具体资源配置的内部框图如图2所示，强度调制器的触发脉冲由ccp引脚捕获，定时器timer产生一段延时后，adc结合片内模拟多路复选器实现对3路信号的轮询采集，flash的一部分大小作为查找表存储空间。
[0062]
窄线宽激光器的输出光波长为1550nm，线宽为100khz，光功率为8dbm。nll输出的连续光经过mod调制成脉冲光，光脉冲的宽度为100ns，重复周期为37us，对应的空间分辨率为10m。该脉冲光经过edfa放大后通过环形器注入传感光线中，传感光纤的长度为2.16km。应当理解，本实施例的技术方案并不局限于前述这一种参数的单片机或者激光器，前述例子只是为了对技术方案做更具象的说明。
[0063]
(二)分布式传感测量
[0064]
作为其中的一种优选例，本实施例的φ-otdr系统不需要增加任何硬件设备即可实现分布式传感测量。具体的，令探测脉冲发出到采样保持器开始采样之间的时长作为的延时时间，将这个延时时间乘以光速反映到空间距离上，就可以通过查表法获得相位变化值所处的空间位置。因此，通过改变延时时间，即可以获得不同位置的由外部扰动引起的相位变化值。重复改变延时时间，可实现在一定范围内的对外部扰动的分布式传感测量。
[0065]
在前述系统结构的基础上，本发明实施例提出了一种基于单片机的低成本鉴相型的φ-otdr系统的工作方法，该工作方法包括以下步骤：
[0066]
s1，对窄线宽激光器产生的具有高相干特性的连续激光调制为相应的脉冲光，对脉冲光进行放大后注入环形器。
[0067]
s2，当外部扰动在待测光纤任一位置上施加振动时，扰动信号反向传输并且经环形器进入1x2耦合器，由1x2耦合器均分成功率相等的两路探测光，其中一路探测光经过延时光纤和另一路探测光进行混合。
[0068]
s3，采用3x3耦合器将混合信号均分成三路信号光，三路信号光分别经三个光电探测器转换成相应的光电流信号。
[0069]
s4，控制三个采样保持器同时根据预设的采样周期对三路光电流信号进行采样保
持，将采样得到的光电流信号幅值与对应的映射关系表相匹配，计算得到当前采样周期的三个光电流信号幅值对应的最佳相位变化量的估计值。下面通过一个具体的例子对前述φ-otdr系统的工作原理进行详细阐述。
[0070]
本φ-otdr系统的具体工作步骤如下：
[0071]
步骤一、采用强度调制器mod将窄线宽激光器产生的具有高相干特性的连续激光(输出恒定功率为8dbm，中心波长为1550nm)调制为相应的脉冲光(脉冲宽度为100ns，重复周期为37us)，对脉冲光进行放大处理后注入环形器。
[0072]
步骤二、假设外部扰动在待测光纤1.553km处施加振动频率为100hz、幅值为13v的正弦振动信号，产生的扰动信号反向传输并且经环形器进入1x2耦合器，由1x2耦合器均分成功率相等的两路探测光，其中一路探测光经过长度为200m的延时光纤和另一路探测光进行混合。
[0073]
步骤三、采用3x3耦合器将混合信号均分成三路信号光，三路信号光分别经三个带宽均为10mhz的光电探测器转换成相应的光电流信号。
[0074]
步骤四、控制三个采样保持器同时根据预设的采样周期对三路光电流信号进行采样保持，将采样得到的光电流信号幅值与对应的映射关系表相匹配，计算得到当前采样周期的三个光电流信号幅值对应的最佳相位变化量的估计值。
[0075]
步骤五、单片机控制在探测脉冲发出约15.5us(使用单片机上定时器产生，该时间对应外部扰动所处的空间距离)后控制三个采样保持器同步采样，采样周期为37us(对应探测脉冲的重复周期，大于片上a/d的最小转换周期17.6us)，连续采样0.2s后，记录三个采样保持器端口的幅值信息，结果如图3a至图3c所示，为了区分，记三个采样保持器分别为采样保持器1、采样保持器2和采样保持器3，相应的，记三个光电探测器分别为光电探测器1、光电探测器2和光电探测器3。对应查找表(图4)，获得相应的相位信息，如图5a和图5b所示。这里设置m＝360，相位精度为1
°
，幅值数据宽度为14位，总查找表大小不超过2k，使用片上flash存储。
[0076]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。