1.简介
传统的光时域反射仪（OTDR）已广泛应用于光纤通信中，用于检测光纤链路的故障事件。其工作原理是测量分数变化指数[1,2,三]. 然而，只能识别静态变化，例如光纤衰减、拼接和连接器损耗以及断点。使用传统OTDR无法确定动态事件。此外，它的空间分辨率通常为几十米，不足以精确定位断层的位置。相敏光时域反射计（Ф-OTDR）具有同时识别入侵类型和准确位置的能力，自其发明以来就备受关注[4]. 此外，Ф-OTDR还具有许多现场应用，如在边界、桥梁、隧道、油管等大型结构的健康监测中[5,6]. Ф-OTDR系统中有两种典型的信号检测方案，包括直接检测[7,8,9,10]和相干检测[11,12,13,14,15,16,17,18,19,20]. 在直接检测方案中，设置简单；使用高灵敏度光电探测器只检测光信号的强度。然而，传感距离有限（无放大）。为了实现更长的传感距离，直接检测方案需要复杂的结构和高成本（额外的泵浦激光器）[9,10]. 与直接探测技术不同，相干探测方案中使用局域光和平衡光电探测器来实现更长的探测距离。这大大降低了整个系统的复杂性和成本。到目前为止，基于相干检测的系统有三种信号解调方法，包括电频谱分析仪（ESA）的零量程功能[11,12]，外差检测[13,14,15,16,17,18]和数字相干检测[19,20]. 在以前的报告中，ESA的零量程功能用于消除所有其他不需要的电气元件，以获得纯信号[11,12]. 然而，它在实时监测方面并不实用，ESA大大增加了系统的成本。在外差解调方案中，稳定的本地电信号与差拍信号混合，其中其频率严格等于声光调制器（AOM）引起的频移[13,14,15,16,17,18]. 然而，这种同步解调方案对差拍信号的变化很敏感，通常需要一个锁频环。差拍信号的不稳定性使检测系统的信噪比（SNR）因激光器和AOM的频率漂移而波动[16,17]. 对于数字相干检测的解调方法，需要一个具有超高采样率和大量存储的数据采集卡（DAQ）。这使得存储和处理了太多不必要的数据。虽然它可以获得更好的解调性能，但它需要更多的时间，无法实现实时监测[19,20]. 本文针对相干Ф-OTDR系统提出了一种自混合信号解调方案。它通过混合差拍信号本身从差拍信号中提取入侵信号，与外差检测相比，避免了产生本地信号和频率锁定环路。更重要的是，它消除了剩余频率（由差拍信号的不稳定性引起）以获得纯信号。因此，它大大提高了解调性能。实验结果通过同时确定振动侵入的频率和位置，证明了该技术的可行性。在42.5 km光纤链路上实现了10 m的空间分辨率。此外，在这项工作中，实现了从8Hz到980Hz的可检测频率范围和21.4dB的高SNR。
2.原理
当高相干激光源的光脉冲注入传感光纤时，后向散射瑞利光的相位携带振动信息[7,8,17,21]. 光信号将在一个脉冲持续时间内相互干扰。当脉冲前缘（包含振动信息）的后向散射信号与其后面没有振动信息的信号相遇时，它们将产生干扰[8,17,21]. 单脉冲持续时间内后向散射瑞利光的演变如所示图1，包括未调制、部分调制和完全调制信号[8,17,21]; 具有振动信息的信号部分称为调制（橙色部分），而没有振动信息的部分称为未调制（蓝色部分）。这意味着一个脉冲持续时间内两个后向散射信号的相位差反映了外部信息（振动/应变）。后向散射瑞利光返回到脉冲光注入的末尾，可以描述为： 两个后向散射光信号的相位为φ1(t吨)它携带振动信息和φ0(t吨)这是正常的后向散射（没有振动信息）。电子R（右）1(t吨)和电子R（右）0(t吨)相应地是振幅，以及（f）c（c）是激光源输出光的中心频率。
对于直接检测方法，这两部分将干扰光电探测器。光电探测器的输出我直接的(t吨)表示为[21]. 为了实现具有满意信噪比的远距离传感，提出了基于相干检测的Ф-OTDR系统[11,12,13,14,15,16,17,18,19,20]. 如所示图2a、 将AOM调制的脉冲探测光注入传感光纤，以检测外部振动/侵入。后向散射瑞利光可以描述为电子R（右）1(t吨)实验(2π(（f）c（c）+∆f)t吨+φ1(t吨)) +电子R（右）0(t吨)实验(2π(（f）c（c）+∆f)t吨+φ0(t吨))、和∆f是由AOM引入的频率偏移。后向散射瑞利光在落在平衡光电探测器上之前，通过一个3dB耦合器与连续波（CW）局域光结合。CW局部光电子润滑油(t吨)实验(2πfc（c）t吨)通过90:10耦合器从相干激光中分离。耦合的光由一个平衡的光电探测器探测。检测到的电流我相干的与光功率成正比。哪里电子润滑油(t吨)比电子R（右）1(t吨)和电子R（右）2(t吨)、和θ(t吨)是后向散射光和CW局部光之间的相对偏振角。 在以前的报告中[13,14,15,16,17,18]，基于外差检测的相干Ф-OTDR的原理图如所示图2b.交流分量我相干的(t吨)在方程（3）中，可以通过仔细选择的电带通滤波器或高通滤波器来获得，其可以重写为： 在外差检测方案中，频率极其稳定的本振∆f必须获得以下解调信号第二版润滑油(t吨)cosθ(t吨)[电子R（右）1(t吨)cosφ1(t吨) +电子R（右）0(t吨)cosφ0(t吨)]. 同时，频率∆f必须等于差拍信号的中心频率。不幸的是，由于局部光的频率漂移和AOM驱动器的抖动，中心频率不稳定[13,14,15,16,17,18]. 虽然本地电振荡器足够稳定，但解调信号不能完全消除频率分量，如所示图2c.因此，需要一个典型的频率锁定环路来紧密跟踪差拍信号的变化[13,14,15,16,17,18]. 此外，解调信号不包含相位差，因为方程（4）中的两个分量互不干扰。这就需要进行进一步的数据处理（以实现精确的位置和频率测量）。 与外差检测方法相比，自混合解调技术通过混合差拍信号本身从差拍信号中提取入侵信号，如所示图2d.它避免了产生本地电信号和设置频率锁定回路。更重要的是，尽管差拍信号的频率不稳定，但它可以完全解调差拍信号（无剩余频率）并获得相位差。图2e显示了差拍信号不稳定情况下的解调结果。显然，由于混合信号是从同一信号中分离出来的，因此没有剩余频率。因此，这种自混合方法可以克服外差检测的缺陷。的解调结果S公司自混合(t吨)可以描述为： 振动信息可以通过使用精心选择的具有合适截止频率的低通滤波器来提取。 对于稳定的激光器电子润滑油(t吨)几乎是一个常数，相对极化角的变化θ(t吨)与动态测量相比，是一个缓慢的变化过程[12,13]. 因此，系数2[cosθ(t吨)电子润滑油(t吨)]2是一个缓慢变化的变量。与振动信号相比，它可以被视为一个常数。与相比我直接的(t吨)在方程（2）中，只有系数不同。因此，自混合方案从理论上可以提取调制在光信号上的振动信息。 3.实验装置
图3显示了基于自混合解调技术的相干Ф-OTDR系统的设置。激光源的线宽为~3 kHz。激光器的中心波长为1550.09nm，光输出峰值功率为20mw。窄线宽激光器通过90:10光纤耦合器分为两个分支。上部路径由一个频率偏移为200 MHz的AOM调制成光脉冲，作为探测光。调制光脉冲的重复频率为2 kHz，脉冲宽度为100 ns。经过脉冲掺铒光纤放大器（EDFA）和光纤布拉格光栅（FBG）滤波器连续放大和滤波后，光脉冲通过光环行器注入42.5km测试光纤。后向散射瑞利信号分别由EDFA和光学可调谐滤波器（OTF）放大和滤波。采用低光路中的连续波参考光作为本振器，通过可变光衰减器（VOA）和偏振控制器（PC）分别调节其强度和偏振角，与后向散射瑞利光相结合。差拍信号的交流（AC）分量由平衡光电探测器检测。通过低噪声放大器（LNA）和带通滤波器（BPF）连续放大和滤波后，电信号通过3dB功率分配器分为两部分。然后，通过可变延迟线（VDL）调整时间延迟后，将两个信号注入混频器，从而实现相互作用。混合信号由截止频率为20 MHz的低通滤波器（LPF）滤波。最后，用示波器以100MS/s的采样率对解调信号进行采样，并用个人计算机进行处理。 4.实验结果
对传感光纤施加300 Hz的振动。用示波器对300条连续记录道进行采样（采样率为100 MS/s）。通过计算沿传感光纤的振动自功率谱，频率为300 Hz的振动明显出现在40.45 km处，如所示图4a。图4b、 c分别显示了测试点的时域信号和相应的频谱。受振动执行器（PZT）性能和信号非处理的限制，时域曲线略有波动。请注意，并非所有结果都使用过滤算法进行处理。显然，解调结果与实际振动信号吻合良好。 通过从第一条记录道减去振幅记录道并计算绝对振幅变化之和[11,12]，振动位置曲线如所示图5a.在40.45km的振动位置，入侵信号的信噪比达到21.4dB（信噪比为振动信号峰值强度与背景噪声平方根强度之比）[11]. 在振动位置沿1.5 m的光纤施加振动。在实验结果中，一个点代表一米，因为在这些实验中使用了100 MS/s的采样率。图5b显示振动位置的全宽约为12 m（40446–40458 m）。这意味着空间分辨率约为12米，无需进一步处理[22]. 考虑到AOM引起的脉冲加宽（由AOM调制的光脉冲具有超过10ns的上升沿），它与100ns的探测脉冲宽度非常一致[22]. 受42.5km光纤长度的限制，实验中使用了2kHz的脉冲重复。因此，根据奈奎斯特定理，最大频率响应为1 kHz。为了确定宽带测量的能力，将频率为8Hz至980Hz的振动信号分别施加在传感光纤上。图6a显示了频率范围为8 Hz至980 Hz的归一化功率谱。图6b、 c分别显示了应用的最小和最大频率的详细信息。 5.讨论
5.1. 自混合法对传感距离的限制
尽管自混合方法可以有效地解调差拍信号，但其最大传感距离比外差检测方法短（对于相同的实验装置和参数）。为了获得相同的最大传感距离，LNA的增益或自混合中的光功率应大于外差检测。此外，当本机振荡器的功率在工作范围内时，混频器可以有效地工作。因此，需要一个高增益LNA来放大本振。此外，最大感应距离还受到混合器动态范围宽度的限制。如所示图7a、 稳定的本地振荡器与拍频信号混合，混频器的输出与射频（RF）信号成比例(（f）击败)。我们假设最大值和最小值之间的差值为X（X）dB，这是混频器的动态范围。对于自混合方法，差值变为Y（Y）dB，如所示图7b.等于2倍分贝。因此，自混合方法将最大感应距离减少一半（对于同一混合器）。为了获得更长的最大传感距离，需要一个具有大动态范围和高增益LNA的混频器。 5.2、。自混合解调的鲁棒性
另一个重要问题是，自混合方法处理光信号本身频率变化的速度有多快。在该系统中，激光源的频率偏移对拍频信号的影响可以忽略不计，因为激光源的变化比光脉冲慢得多。因此，差拍信号的频率变化主要是由AOM的频率漂移引起的[16,17]. 此外，它不能调整，但可以测量变化值。采用了一种简单的设置来获得差拍信号并校准AOM的频移[23]. 光纤长度设置为320米，这决定了光脉冲的返回时间和周期。最大可检测变化频率为100 kHz，脉冲周期为5µs。结果如所示图8并在无干扰的情况下进行测试（以获得正确的变化频率）。时间距离的三维图显示了在不同时期采样的拍频信号（中心频率为200 MHz），如所示图8a。图8b是用时域信号计算的图8a在同一位置。例如，100 m处的频率峰值（in图8b） 用100 m（in）处的2 ms时域信号计算图8a） ●●●●。同样，图8c、 d用基带信号计算（与固定频率为200 MHz的余弦信号混合）。显然，沿整个链路具有相同频率7.3kHz的两个强烈峰值如图所示图8b、 d分别在无干扰的条件下。两个信号（中心频率不同）测得的相同变化频率证明了测量值的可靠性。因此，差拍信号的变化频率约为7.3 kHz。如所示图4，除应用的频率峰值外，没有其他强峰值。这表明自混合方法至少可以克服7.3 kHz的频率变化。 6.结论
本文提出了一种自混合方法来提取相干Ф-OTDR系统中瑞利后向散射信号中调制的振动信号。与以往的方法相比，自混合解调技术通过对差拍信号本身进行混合，从差拍信号中提取入侵信号，避免了产生局部信号和典型的锁频环。更重要的是，该方法可以消除由本振和AOM驱动器的频率漂移引起的剩余频率。因此，使用这种方法可以获得更好的解调信号。
在这项工作中，我们已经通过实验证明了自混合方法的解调能力。利用100 ns脉冲宽度调制光，获得了10 m的空间分辨率。在42.5km光纤上精确地获得了振动位置，令人满意的信噪比为21.4dB。同时，对8～980Hz的10多个不同频率的振动信号进行了准确测量。
