CN102519385B - 基于布里渊散射的光纤入侵信号的快速解调装置 - Google Patents

Abstract

一种基于布里渊散射的光纤入侵信号的快速解调装置，由高速PIN光电探测器、第一SMA连接头、低噪声放大器、第二SMA连接头、带通滤波器、第三SMA连接头、微波下变频器、第四SMA连接头、边缘滤波器、第五SMA连接头、边缘滤波控制电路、控制信号传输线、中频检波器、同轴屏蔽信号线、数据采集卡、PCI数据总线、计算机和串口连接线组成，本发明可实现对基于布里渊散射技术的光纤入侵信号的实时解调，结构简单，响应快速。

Description

基于布里渊散射的光纤入侵信号的快速解调装置

技术领域

本发明涉及光纤传感，特别是一种基于布里渊散射的光纤入侵信号的快速解调装置，可用于光纤入侵传感系统、光纤应变传感系统中的信号快速解调。

背景技术

在传统的分布式光纤入侵传感系统中，主要的传感原理是基于光相位干涉技术和光纤光栅技术。基于光相位干涉技术的入侵传感系统，具有很高的灵敏度，但是长传感距离和高空间定位精度无法同时实现，通常的传感距离为几千米量级，空间定位精度为±50米量级。基于光纤光栅技术的入侵传感系统，只能实现点式测量，或者通过组成多点传感网络的模式扩大测量范围，但无法实现真正的分布式测量，而且组网模式会极大地提高系统成本和系统复杂度，不利于应用。

基于布里渊散射技术的光纤传感系统，具有长距离分布式测量(几十千米)，高空间定位精度(几米)的优点，在温度和应变测量方面有很好的应用前景。而在入侵应变信号检测方面，信号快速实时解调是其核心技术之一，该实时解调需要达到秒甚至百毫秒量级的响应速度。传统的基于布里渊散射技术的光纤应变解调方法采用频率步进扫描方式实现，即通过微波扫频技术，发送一个本振频率控制信号，使微波扫频器的本振频率处于某一个频率值，通过本振信号与被测信号拍频，再经过一个频带窗口固定的窄带宽滤波器(通常带宽为几MHz)，将布里渊散射信号频谱上的某一点频率解调出来，重复采集多次并累加平均，得到布里渊散射信号频谱该频率点处的最终信号强度，然后通过控制信号使本振频率产生步进变化，就可以得到布里渊散射信号频谱上的下一个频率点处的信号强度，最终通过逐点改变微波扫频器的本振信号，实现对整个布里渊散射信号频谱的扫描，然后确定布里渊散射频谱的中心频率，从而得到应变引起的布里渊散射信号频率改变量。这类方案的不足在于，通过频率步进扫描得到完整的信号频谱，需要对频谱进行各频率点的逐点扫描检测，布里渊频谱的宽度通常在50MHz左右，扫描步进小(如1MHz)，测量得到的频谱就越精细，但是测量的频率点就多，增加了测量时间，即增加了系统响应时间，增大扫描步进(如5MHz)，可以减少测量的频率点数，提高完成一次完整频谱测量的速度，但是频谱上的频率点间隔增大，降低了频谱精度，也就降低了最后的布里渊散射频移中心的解调精度。通常情况下，扫描一个完整的布里渊频谱，需要扫描100MHz左右的频谱范围，采用步进2MHz，需扫描50个频率点，并在每个频率点对信号重复采集210次(提高信噪比，需要进行累加平均处理)。对于20Km的传感光纤，在一个频率点上，探测信号沿光纤传输一次并完成采集的时间是200微秒，探测信号的占空比为50％，则完成一个频率点上210次重复采集需要409.6毫秒，最终完成50个频率点的完整频谱信号采集，就需要20.48秒。传感距离越长，重复累加平均次数越多，扫频步进越小，扫频范围越宽，则所需的解调时间越长。因此对于采用频率步进扫描的信号解调方法的布里渊光纤传感系统，其完成信号解调的速度通常在几十秒量级，无法满足光纤入侵应变检测的实时性要求，无法应用于光纤入侵应变检测场合。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于布里渊散射的光纤入侵传感系统的信号快速解调装置，该装置可对入侵应变信号进行优于秒量级的快速解调，并减小环境温度变化对该装置的影响，能够完全满足光纤入侵传感系统的需要，具有结构简单，响应快速的特点，为布里渊散射技术在光纤入侵传感领域的应用、同时实现长传感距离和高空间定位精度提供了一种可行的途径。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于布里渊散射的光纤入侵信号的快速解调装置，其特点在于由高速PIN光电探测器、第一SMA连接头、低噪声放大器、第二SMA连接头、带通滤波器、第三SMA连接头、微波下变频器、第四SMA连接头、边缘滤波器、第五SMA连接头、边缘滤波控制电路、串口连接线、中频检波器、同轴屏蔽信号线、数据采集卡、PCI数据总线、计算机和串口连接线组成，其连接关系是：所述的高速PIN光电探测器的输出端和低噪声放大器的输入端经第一SMA连接头连接，所述的低噪声放大器的输出端和所述的带通滤波器的输入端通过第二SMA连接头相连，带通滤波器输出端和所述的微波下变频器的输入端通过第三SMA连接头相连，微波下变频器的输出端通过第四SMA连接头接所述的边缘滤波器的信号输入端，所述的边缘滤波控制电路通过串口连接线连接到边缘滤波器的控制输入端，边缘滤波器的信号输出端通过第五SMA连接头和所述的中频检波器的输入端相连，中频检波器和所述的数据采集卡通过同轴屏蔽信号线相连，数据采集卡通过PCI数据总线与所述的计算机内部直接建立通信互联，计算机通过所述的串口连接线与边缘滤波控制电路实现连接。

所述的边缘滤波控制电路由可编程逻辑器件、MAX232串口电平转换芯片、串口线连接插座和信号线连接插座构成，所述的可编程逻辑器件将通过MAX232串口电平转换芯片接收从串口连接线上发送过来的计算机控制信号，转换为边缘滤波器所能识别的控制电平信号，通过信号线连接插座与控制信号传输线相连，并发送给边缘滤波器，实现对边缘滤波器滤波频带中心的调整。

所述的高速PIN光电探测器将光纤入侵应变引起的布里渊散射光信号转换为电信号，通过低噪声放大器放大，带通滤波器滤波降低噪声，再经过微波下变频器实现信号中心频率从11GHz到2GHz的下变频，然后通过边缘滤波器将应变引起的频移变化转换为强度变化，并通过中频检波器和数据采集卡，检测出信号强度，最后根据公式(公式在‘具体实施方式’中详细给出)，可以计算出光纤入侵应变信号的大小，实现信号快速解调。

本发明优点在于：

1、采用高速InGaAs/InP PIN光电探测器，低暗电流，高响应度，光信号探测精度高。

2、采用单边带宽200MHz的边缘滤波器，将信号频移变化转换为强度变化，实现了快速测量，响应速度＜1秒，并具有较大的测量范围，动态范围0～4000MHz。

3、采用可编程逻辑器件，根据所需检测信号的特点，可改变边缘滤波器的滤波工作点，获得最佳的信噪比和测量范围。

4、采用具有累加平均功能的高速(150MHz)数据采集卡，可以实现采集卡上的原始数据累加平均，可以有效提高系统响应速度，降低白噪声，改善信噪比，提高空间定位精度。

附图说明

图1为本发明光纤入侵信号快速解调装置的结构框图。

图2为本发明中边缘滤波控制电路的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

参见图1，图1为本发明基于布里渊散射的光纤入侵信号的快速解调装置的结构框图，它由高速PIN光电探测器1、第一SMA连接头2、低噪声放大器3、第二SMA连接头4、带通滤波器5、第三SMA连接头6、微波下变频器7、第四SMA连接头8、边缘滤波器9、第五SMA连接头10、边缘滤波控制电路11、串口连接线12、中频检波器13、同轴屏蔽信号线14、数据采集卡15、PCI数据总线16、计算机17和串口连接线18组成，其连接关系是：所述的高速PIN光电探测器1的输出端和低噪声放大器3的输入端经第一SMA连接头2连接，所述的低噪声放大器3的输出端和所述的带通滤波器5的输入端通过第二SMA连接头4相连，带通滤波器5输出端和所述的微波下变频器7的输入端通过第三SMA连接头6相连，微波下变频器7的输出端通过第四SMA连接头8接所述的边缘滤波器9的信号输入端，所述的边缘滤波控制电路11通过串口连接线12连接到边缘滤波器9的控制输入端，边缘滤波器9的信号输出端通过第五SMA连接头10和所述的中频检波器13的输入端相连，中频检波器13和所述的数据采集卡15通过同轴屏蔽信号线14相连，数据采集卡15通过PCI数据总线16与所述的计算机17内部直接建立通信互联，计算机17通过所述的串口连接线18与边缘滤波控制电路11实现连接。

参见图2，所述的边缘滤波控制电路11由可编程逻辑器件11-1、MAX232串口电平转换芯片11-2和串口连接插座11-3构成，所述的可编程逻辑器件将通过MAX232串口电平转换芯片11-2接收从串口连接线18上发送过来的计算机17控制信号，转换为边缘滤波器9所能识别的控制电平信号，通过信号线连接插座与控制信号传输线相连，并发送给边缘滤波器，实现对边缘滤波器滤波频带中心的调整。

高速PIN光电探测器1将外部输入的布里渊散射光信号转换为电信号，其输出端通过第一SMA连接头2与低噪声放大器3输入端相连，低噪声放大器3对电信号进行放大，其自身噪声很小，能有效提高信噪比，低噪声放大器3的输出端通过第二SMA连接头4与带通滤波器5的输入端相连，对经过放大的电信号进行滤波，滤除11GHz通带附近之外的电噪声，带通滤波器5的输出端通过第三SMA连接头6与微波下变频器7的输入端相连，微波下变频器7将输入的11GHz信号通过与内部本振信号υ_L拍频，输出2GHz附近的差频信号，实现对信号的频率下移，降低信号检测的难度，输出信号通过第四SMA连接头8与边缘滤波器9的信号输入端相连，由边缘滤波控制电路11输出控制信号，通过串口连接线12连接到边缘滤波器9的控制输入端，通过控制命令，调整边缘滤波器9的滤波窗口，使微波下变频器7的输出信号在无应变入侵时工作在边缘滤波器9的低频侧滤波边带的低频边沿附近，边缘滤波器9低频侧滤波边带的损耗变化率C_Pυ为-0.1dB/MHz，因此入侵应变导致信号频移增加，会引起信号向边缘滤波器9低频侧滤波边带上的高频方向移动，即沿损耗减小的方向移动，从而引起通过的信号强度增强，实现信号频率变化到信号强度变化的快速转换测量。信号从边缘滤波器9的信号输出端输出，经过第五SMA连接头10进入中频检波器13进行检波，然后通过同轴屏蔽信号线14，传输到数据采集卡15，数据采集卡对模拟电信号进行采集并对原始数据进行多次累加平均，作为最终采集得到的数字信号。

分布式光纤入侵传感系统在无入侵应变的时候，对该系统需要进行一次初始化设置。在无入侵应变的时候，微波下变频器的输出信号频率和强度是稳定不变的，借助传统的频率步进扫频方式，可以精确地得到频谱中心频率和谱宽。然后通过计算机给可编程逻辑器件发送控制命令，可编程逻辑器件再将计算机控制信号转换成边缘滤波器可接受的命令格式发送给边缘滤波器，改变边缘滤波器的中心频率，使微波下变频器的输出信号频率从边缘滤波器滤波窗口低频侧滤波边带的低频边沿位置(距离边沿约20MHz)通过，这样可以获得最大的动态检测范围。边缘滤波器中心频率位置固定在当前的频率点，通过数据采集卡得到此时无入侵应变情况下空间各点的信号强度，计算机将这些信息记录保存，作为系统初始状态参数。当系统长期运行过程中，环境温度会发生缓慢而较大范围的变化，这会引起布里渊散射信号频率改变，微波下变频器的输出信号频率就会改变，使得在无应变情况下，信号通过边缘滤波器时所处的滤波频率位置发生改变，这会引起系统动态检测范围变化，并导致采集卡得到的信号强度变化。由于入侵应变引起的信号频率变化远大于温度缓慢变化产生的频率变化，因此可以通过设置两个阈值X₀和X₁(X₀＜X₁)，来区分这些影响。当采集卡采集到的信号强度相比于系统初始状态参数的变化＜X₀时，判断为系统正常的信号抖动误差，当变化＞X₁时，判断为入侵应变，当处于两者之间时，认为是累积的温度变化引起的信号变化。当判定为温度变化引起的信号强度改变时，通过与计算机中记录的系统初始状态参数比较，得到信号强度变化ΔP_T，结合边缘滤波器的损耗变化率C_Pυ得到频率变化Δυ_T＝ΔP_T/C_Pυ。计算机根据这一频率变化，发送控制命令给可编程逻辑器件，调整边缘滤波器的中心频率工作点，消除由温度变化引起的信号在边缘滤波器低频侧滤波边带上通过的位置变化，这样就保证了该解调装置基本不受温度的影响，也保证了系统的动态检测范围不受影响。

进入高速PIN光电探测器的布里渊散射光拍频信号强度为P₀，拍频后布里渊频移为υ₀，光电转换系数为C₀，低噪声放大器增益系数为C₁，带通滤波器损耗系数为C₂，微波下变频器内部增益为C₃，本振频率为υ_L，第一第二第三第四SMA连接头的总连接损耗系数为C₄，则边缘滤波器信号输入端的信号中心频率υ₁＝υ₀-υ_L，强度P₁＝C₀·C₁·C₂·C₃·C₄·P₀。边带滤波器在信号频率υ₁处的损耗系数为C₅，第五SMA连接头损耗为C₆，中频检波器插损为C₇，同轴屏蔽信号线连接损耗为C₈。因此在数据采集卡信号输入端的信号强度为：

P₂＝C₀·C₁·C₂·C₃·C₄·C₅·C₆·C₇·C₈·P₀＝C_total·C₅·P₀(3)

在该信号快速解调装置进行信号解调时，对于不同大小的入侵应变信号，除了C₅之外，其它的增益系数和损耗系数都是固定不变的，总体表示为C_total。

当信号频率因入侵应变而改变为υ₁+Δυ时，信号通过边缘滤波器的损耗系数为C₅+C_Pυ·Δυ，此时在数据采集卡信号输入端的信号强度为：

P₃＝C_total·(C₅+C_Pυ·Δυ)·P₀＝P₂+C_total·C_Pυ·Δυ·P₀(4)

由公式(3)(4)得到因应变变化产生的频率变化Δυ引起的数据采集卡信号输入端信号强度变化：

ΔP＝C_total·C_Pυ·Δυ·P₀(5)

由公式(3)(5)可得：

$\frac{\mathrm{\ΔP}}{P_2}=\frac{C_{\mathrm{P\υ}}\·\mathrm{\Δ\υ}}{C_5}---\left(6\right)$

由公式(1)(6)可得：

$\mathrm{\Δ\ϵ}=\frac{C_5\·\mathrm{\ΔP}}{C_{\mathrm{P\υ}}\·C_{\mathrm{\υ\ϵ}}\·P_2}=\frac{\mathrm{\ΔP}}{C_k\·P_2}---\left(7\right)$

数据采集卡在无入侵应变初始状态和有入侵应变时采集到的数字信号分别为D₁和D₂，则公式(7)可改写为：

$\mathrm{\Δ\ϵ}=\frac{D_2-D_1}{C_k\·D_1}---\left(8\right)$

公式(8)就是该基于布里渊散射的光纤入侵信号的快速解调装置最终的信号解调公式，这里系数C_k可通过系统实验进行精确定标。

本装置采用的是将检测频率转换为检测强度的办法，因此无需实现频率扫描，只需一次采集，就可以通过公式(8)与系统初始状态比较，从而得到入侵应变信息。对于和背景技术中采用频率步进扫描方式的系统一样的检测参数(20千米，探测脉冲50％占空比，2¹⁰次数据累加平均)，本装置所需时间为409.6毫秒。因此本发明装置完全可以满足基于布里渊散射技术的光纤入侵传感系统的信号快速解调。

本发明采用的微波下变频器将11GHz高频信号频率下移至2GHz，降低了信号解调的难度，通过边缘滤波器的运用，将信号频率变化转换为强度变化，简化了解调系统的结构，显著提高了系统对入侵应变信号的检测速度，实现了系统实时快速响应，通过边缘滤波控制电路调整边缘滤波器的滤波工作窗口，使无入侵应变时的信号频率位于边缘滤波器低频侧滤波边带的低频边沿附近，从而获得较宽的信号动态检测范围，并能通过反馈控制，消除了温度变化引起的信号经过边缘滤波器低频滤波边带位置的变化，保证了动态检测范围不受温度的影响，通过低噪声放大器、带通滤波器和中频检波器的应用，以及数据采集卡对原始数据的累加平均，有效降低了噪声水平，提高了系统信噪比，从而保证了光纤入侵信号检测的长探测距离和高空间定位精度。

Claims (9)

1.一种基于布里渊散射的光纤入侵信号的快速解调装置，其特征在于它由高速PIN光电探测器（1）、第一SMA连接头（2）、低噪声放大器（3）、第二SMA连接头（4）、带通滤波器（5）、第三SMA连接头（6）、微波下变频器（7）、第四SMA连接头（8）、边缘滤波器（9）、第五SMA连接头（10）、边缘滤波控制电路（11）、控制信号传输线（12）、中频检波器（13）、同轴屏蔽信号线（14）、数据采集卡（15）、PCI数据总线（16）、计算机（17）和串口连接线（18）组成，其连接关系是：所述的高速PIN光电探测器（1）的输出端和低噪声放大器（3）的输入端经第一SMA连接头（2）连接，所述的低噪声放大器（3）的输出端和所述的带通滤波器（5）的输入端通过第二SMA连接头（4）相连，所述的带通滤波器（5）输出端和所述的微波下变频器（7）的输入端通过第三SMA连接头（6）相连，所述的微波下变频器（7）的输出端通过第四SMA连接头（8）接所述的边缘滤波器（9）的信号输入端，所述的边缘滤波控制电路（11）通过串口连接线（12）连接到边缘滤波器（9）的控制输入端，该边缘滤波器（9）的信号输出端通过第五SMA连接头（10）和所述的中频检波器（13）的输入端相连，该中频检波器（13）和所述的数据采集卡（15）通过同轴屏蔽信号线（14）相连，该数据采集卡（15）通过PCI数据总线（16）与所述的计算机（17）内部直接建立通信互联，该计算机（17）通过所述的串口连接线（18）与边缘滤波控制电路（11）实现连接。

2.根据权利要求1所述的基于布里渊散射的光纤入侵信号的快速解调装置，其特征在于所述的边缘滤波控制电路（11）由可编程逻辑器件（11-1）、MAX232串口电平转换芯片（11-2）、串口线连接插座（11-3）和信号线连接插座（11-4）构成，所述的可编程逻辑器件（11-1）将通过MAX232串口电平转换芯片（11-2）接收从串口连接线（18）上发送过来的计算机（17）控制信号，转换为边缘滤波器（9）所能识别的控制电平信号，通过信号线连接插座（11-4）与控制信号传输线（12）相连，并发送给边缘滤波器（9），实现对边缘滤波器（9）滤波频带中心的调整。

3.根据权利要求1所述的基于布里渊散射的光纤入侵信号的快速解调装置，其特征在于所述的边缘滤波器（9）的滤波频带中心频率可调，调整范围在1.8GHz到2.2GHz之间，调整步进量为5MHz，滤波带宽为400MHz，为中心对称分布，左右各200MHz的滤波损耗边带，边带损耗变化率用C_Pυ表示，其中左边带损耗变化率为-0.1dB/MHz，右边带损耗变化率为0.1dB/MHz，通过所述的边缘滤波控制电路（11），可以调整边缘滤波器（9）滤波窗口的位置，使待检测信号的频率落于边缘滤波器的某一工作边带上。

4.根据权利要求1所述的基于布里渊散射的光纤入侵信号的快速解调装置，其特征在于所述的高速PIN光电探测器（1）响应带宽为20GHz。

5.根据权利要求1所述的基于布里渊散射的光纤入侵信号的快速解调装置，其特征在于所述的低噪声放大器（3）和带通滤波器（5）的中心频率为10.9GHz。

6.根据权利要求1所述的基于布里渊散射的光纤入侵信号的快速解调装置，其特征在于所述的微波下变频器（7），本振信号8.9GHz，信号增益5dB。

7.根据权利要求1所述的基于布里渊散射的光纤入侵信号的快速解调装置，其特征在于所述的中频检波器（13）带宽为2GHz。

8.根据权利要求1所述的基于布里渊散射的光纤入侵信号的快速解调装置，其特征在于所述的数据采集卡（15），采样频率150MHz，采样精度12bit，具有数据累加平均功能。

9.根据权利要求1所述的基于布里渊散射的光纤入侵信号的快速解调装置，其特征在于SMA连接头是一种应用广泛的小型螺纹连接的同轴连接器，频带宽0-18GHz、性能优、高可靠、寿命长。

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