基于两模光纤φ-OTDR的振动检测方法及实验研究

秦祖军 银珊

摘  要：研究了基于两模光纤和相位敏感光时域反射计（φ-OTDR）的振动检测系统。两模光纤支撑LP01模和LP11模稳定传输。实验结果表明，LP01模和LP11模的后向瑞利散射信号经相干检测和正交解调后，均可独立检测出振动信号并进行准确定位;同时，两种模式均复原500Hz的振动信号波形。本实验通过提供基于两模光纤的振动信号检测方法，旨在培养学生的研究、探索与创新能力。

关键词：相位敏感光时域反射计  两模光纤  振动检测  差分累加算法

中图分类号：TP212                          文献标识码：A                  文章编号：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

光纤相位敏感光时域反射计（φ-OTDR）属于分布式传感器，能以全方位和连续方式检测多种物理参量。φ-OTDR通过在光纤中注入窄线宽的激光脉冲，利用后向瑞利散射信号的相干效应增强瑞利散射信号，提高了其所携带信息的信噪比，使之对外界振动和声场信息呈现高灵敏度响应。此外，φ-OTDR具备结构简单、多扰动点测量、传感距离大、环境适应能力强等诸多优势，已应用在大型建筑物结构健康监测、石油管道安全监测和安防监控等领域[1-5]。φ-OTDR根据解调参量不同，分为幅值解调型和相位解调型两类：前者通过解调背向瑞利散射光的幅度信息定位振动事件;后者则通过解调背向瑞利散射光的相位信息实现振动事件的检测。

少模光纤的最新发展已经影响到了许多领域[6]。在光纤传感领域，相较于单模光纤，少模光纤的模场面积大，其非线性阈值电平高，可以注入更高功率的探测光功率以提高信号信噪比[7]。此外，少模光纤纤芯半径介于单模光纤与多模光纤之间，不同线性偏振模对外部参数产生的扰动反应不同。本文研究了基于两模光纤的φ-OTDR系统，对获得LP01和LP11两种模式的后向瑞利散射光相干信号进行分析，得到振动信号的位置并复原500Hz的振动波形。

1  实验设计依据

两模光纤允许LP01和LP11两种模式的光波传输，其中LP11模由LP11a和LP11b两种线性偏振模组成。本实验项目以两模光纤作为传感光纤，使用φ-OTDR系统作为探测方法，研究两模光纤不同模式振动传感特性。目前φ-OTDR系统中多使用单模光纤作为传感光纤，而单模光纤有非线性阈值电平低和传播模式单一的缺点。因此，研究两模光纤的传感性能具有重要的实际应用价值。

2  φ-OTDR系统原理

φ-OTDR系统如图1所示。激光器发射出连续激光，经9：1分光器分成两路：10%的连续光作为本振光与信号光进行相干探测;90%的连续光通过声光调制器（AOM）调制成探测脉冲光，经环形器导入光子灯笼后选择以不同的模式（LP01模或者LP11模）激發进入光纤。脉冲光在光纤中发生瑞利散射，其后向瑞利散射干涉光沿光纤传播回光纤注入端，由光子灯笼解复用后再经环形器与本振光进行相干探测，转换成电信号。电信号再经放大、滤波和正交解调后产生两路基带信号，由上位机进行A/D转换，并送入上位机中进行处理。

图1中函数信号发生器的作用为：（1）给AOM提供一个标准脉冲，供AOM将连续光调制成对应脉宽的脉冲光;（2）控制示波器的采样时间，以便当脉冲光产生时，示波器进行同步采集。系统中各器件的参数如表1所示。

注：

（1）LP01和LP11模在光纤中传播速度不同。分别根据其在光纤中传播2m的时间设置采样率。

（2）本文使用喇叭作为振动源，其位置是到光纤注入端的距离;振动位置位于872m。

（3）喇叭产生振动信号的频率。

2.1 φ-OTDR原理

φ-OTDR与OTDR均利用光纤中的后向瑞利散射光获得光纤沿线的信息;不同的是，φ-OTDR向光纤中注入的是窄线宽的激光，其产生的瑞利散射光在光纤中更容易发生干涉效应，增大信号光的功率[8]，具体如图2所示。具体地，一束探测脉冲光注入光纤后，会不断地发生后向传输的瑞利散射光。图2中AC段为一个光脉冲，B为AC段的中点。A点处产生的后向瑞利散射光向光纤注入端传输到B点时，C点处的探测光也将传输到B点并发生瑞利散射，并与A点传输到B点的散射光发生干涉效应。由此可知，B点处的瑞利散射信号是由A到B的范围内所有的后向瑞利散射光干涉累加而成，可提高信号光的功率。

2.2 相干探测原理

相干探测的目的是提高检测信号信噪比，如图3所示。光纤返回的瑞利散射信号与本振光合束后再经1：1分光（分光后的两束光相位相差π/2），最后经平衡探测器将两束光进行光电转换和差分处理。由此获得的电信号的功率是直接探测的4倍[9]。

2.3 IQ解调原理

正交解调原理如图4所示。图中，C（t）是图3经过放大和滤波后的中频差分信号（约200MHz），将其分别与两路相位相差90°、频率与中频信号相同的本振信号相乘[10]，可以得到I（t）和Q（t）两路正交信号。采集上述两路信号后，可以反推出中频信号的幅度和相位信息。IQ解调实现了中频信号下变频，减轻了采集系统的采样压力。

3  主要实验仪器

3.1 激光器

φ-OTDR是利用脉冲光产生的后向瑞利散射光在光纤中发生干涉效应来检测扰动的，激光的线宽越窄，其相干性越好。本文使用的激光器工作波长为1550.15nm，线宽小于3kHz，实验室环境下频率稳定度为20MHz/10min，满足实验所需。

3.2 模分复用/解复用器

本文中使用的是一种支持三种模式复用/解复用的光子灯笼，其优点是模式串扰低、耦合效率高和成本低，结构图如图5所示[11]。光子灯笼两端分别是一组单模光纤阵列和一根纤芯较大的两模光纤，中间是锥形过渡区。使用时，当光波从单模光纤阵列中的一根入射时，将会以对应的模式激发进入两模光纤;相反，当某种模式的光波从两模光纤入射到光子灯笼时，将会从对应的单模光纤中输出，从而达到了对两模光纤的模式复用与解复用的目的。

3.3 示波器

示波器的作用是对IQ解调后的信号进行采集和处理，本文使用的是DPO7000C系列的示波器，其支持四个通道同时采集。示波器集成windows系统，提供丰富的仪器编程接口（Labview、MATLAB等），简化了后期数据处理方式。

4  振动信号定位与分析

为方便表述，做如下定义：LPi-j表示探测光以LPi模注入光纤，获得LPj模的后向瑞利散射信号。如：LP01-01表示环形器端口2与光子灯笼LP01模式对应端口连接，探测光以LP01模式前向传输，获得LP01模式的后向瑞利散射光。因LP11a与LP11b在光纤中传播相似，本文只讨论LP01-01和LP11a-11a。图6为连续注入500个光脉冲时，LP01-01与LP11a-11a所产生的500条后向瑞利散射光干涉曲线。图中，40m处的强反射峰是由于环形器与光子灯笼的接头导致的端面反射。

对原始的后向瑞利散射光干涉曲线做差分处理，具体计算公式如下所示：

式中，D表示每个探测脉冲产生的后向瑞利散射信号的强度曲线;N表示采集的瑞利散射曲线数目;S表示差分累加后的振动信号;k表示曲线差分间隔。本文中，N=500、k=100，为了避免偶然性，连续对10组数据作处理，结果如图7所示。从图中可得，两种模式均在870m左右出现振动峰，与实际喇叭放置位置相符，且有较高的信噪比。

根据图7判断出振动所发生的位置，提取两种模式振动位置的时域信号，并分别对其做快速傅里叶变换，其结果如图8所示。从图8（a）、（b）中可以得出，两种模式均基本复原出施加在光纤上的500Hz正弦振动信号，LP01-01对信号的复原度高于LP11a-11a，其主要原因是LP11a模与LP11b模共享传播常数，在光纤中传输时两种模式间的功率传递造成了模间串扰，引入了新的噪声;而LP01模与其他模式之间发生耦合的程度低，受模间串扰的影响小。图8（c）、（d）功率谱图反映出振动信号的频率，产生高次谐波的原因是传播过程中非线性介质的非线性效应和电信号处理时电路的非线性效应。

7  结语

本文使用φ-OTDR系统作为探测方法、两模光纤作为传感光纤，对光纤振动源进行了定位和时域分析，复原了振动信号的波形。与单模光纤作为传感光纤相比，两模光纤可以得到多种模式信号，减弱了单模光纤受系统噪声的影响，并且可以向两模光纤中注入更高功率的探测脉冲。本试验平台设计简单，实操性强，有利于促进光电专业的学生对光的传播模式和光纤传感的理解。

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