CN103063240B - 一种基于相位载波技术的光纤传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相位载波技术的光纤传感装置，主要包括基于分布式光纤传感系统设置的光源发生装置，按光的传播路径配合设置在所述光源发生装置之后的周期信号相位载波装置。本发明所述基于相位载波技术的光纤传感装置，可以克服现有技术中空间分布率低、探测灵敏度低、测量范围小和响应时间长等缺陷，以实现空间分布率高、探测灵敏度高、测量范围大和响应时间短的优点。

Description

一种基于相位载波技术的光纤传感装置

技术领域

本发明涉及信号检测和分析技术领域，具体地，涉及一种基于相位载波技术的光纤传感装置。

背景技术

随着激光技术和通信技术的发展，近年来光纤传感技术得到了迅猛的发展，并开始有最早的军用走入民用。

分布式光纤传感系统（参见图7）是其中的一枝独秀，应用前景非常广阔。但是，现有的分布式光纤传感技术基于全光解调技术，在当传感系统由于振动过激导致偏振态紊乱而无法感知振动。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在空间分布率低、探测灵敏度低、测量范围小和响应时间长等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于相位载波技术的光纤传感装置，以实现空间分布率高、探测灵敏度高、测量范围大和响应时间短的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于相位载波技术的光纤传感装置，主要包括基于分布式光纤传感系统设置的光源发生装置，按光的传播路径配合设置在所述光源发生装置之后的周期信号相位载波装置。

进一步地，所述周期信号相位载波装置，包括嵌入有光源发生装置的光纤传感信号处理主机，与所述光纤传感信号处理主机配合设置的光包，用于装载光包的光包盒，与所述光纤传感信号处理主机配合设置的光纤，以及用于装载光纤的光包盒；

在所述光纤传感信号处理主机中，设有用于产生余弦载波信号的周期信号发生电路；

在所述光纤传感信号处理主机中，设有用于将光纤中的光强变化信号转换成电子设备能够处理的电信号的光电转换装置；

在所述光纤传感信号处理主机中，设有用于从周期信号发生电路产生的余弦载波信号中还原振动信号的振动信号检波电路；

在所述光纤传感信号处理主机与光包之间，设有用于将周期的载波信号传输至光包盒、以备对激光信号进行载波调谐的电信号传输电缆；

在所述光包盒中，设有用于将根据电信号传输电缆中的电调制信号规律来改变激光振荡的相位角即周期余弦信号载波的电光相位调制器；

在所述光包盒中，设有用于接收光纤调制传感光信号、并基于该光纤调制传感光信号将被调制的光相位变化转换成干涉后的光强变化的光纤耦合器；

在所述光纤传感信号处理主机的传感区域，设有用于感知传感区域的振动情况、并将基于振动情况的振动信号传输至光纤传感信号处理主机中进行处理的传感光缆；

所述周期信号发生电路，与振动信号检波电路连接；所述周期信号发生电路和光源发生装置，分别与光纤耦合器连接，为光线传感系统提供载波信号。

进一步地，在所述光包盒中，还设有依次连接在所述光纤耦合器与光纤传感信号处理主机之间的探测器和放大器。

进一步地，所述光纤，包括双环传感光纤；和/或，所述周期信号发生电路，包括余弦信号发生器；和/或，所述光纤传感信号处理主机，包括信号采集及数字信号处理模块。

进一步地，所述光源发生装置，包括激光发生器。

本发明所述的基于相位载波技术的光纤传感装置，主要由双环传感光纤、光路模块（即激光发生器）、光电转换及信号处理模块（即光纤耦合器、余弦信号发生器和放大器）、信号分析与报警系统（即数字信号处理器）四模块组成。该基于相位载波技术的光纤传感装置的核心为：周期信号相位载波装置分布于信号处理模块中和光路模块中，由周期信号发生电路、光电转换装置和振动信号检波电路组成。

上述实施例的基于相位载波技术的光纤传感装置的工作流程如下：

第一步、光纤传感信号处理主机中嵌入了一个激光光源（即激光发生器）和余弦信号发生器，分别产生一路激光和一路余弦载波信号，经过通信光缆和载波电缆引入光包，在光包中激光被分光器分成光强相等、相位相同功率减半的两路激光，每路激光都通过一个Y波导进行正玄信号载波并分成两路，而后进入一个感应环路；

第二步、经过感应环路的调制，调制激光汇聚于光纤耦合器中的干涉器（如双环Sagnac光纤干涉仪），形成相干光，最后通过通信光纤进入光纤传感信号处理主机的光信号探测器；

第三步、两路相干光分别被光电转换装置转换成两路电信号，并通过放大器、以及数字信号处理器中的滤波模块和A/D模块变为数字信号；

第四步、对数字信号进行信号解调，将加载于余弦信号上的振动（扰动）信号保留，滤除载波信号。

本发明各实施例的基于相位载波技术的光纤传感装置，由于主要包括基于分布式光纤传感系统设置的光源发生装置，按光的传播路径配合设置在光源发生装置之后的周期信号相位载波装置；利用周期信号相位载波装置，可以在激光光源处引入电信号载波调制，有效消除光纤传感器的信号漂移现象，增强系统的稳定性、改善探测灵敏度、扩大测量范围、缩短响应时间；从而可以克服现有技术中空间分布率低、探测灵敏度低、测量范围小和响应时间长的缺陷，以实现空间分布率高、探测灵敏度高、测量范围大和响应时间短的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为基于Sagnac双环干涉型分布式振动光线系统的工作原理图（即基于相位载波技术的光纤传感装置中使用的双Sagnac环光纤干涉仪的工作原理示意图）；

图2为分布式振动光纤传感系统的信号流程图（即基于相位载波技术的光纤传感装置的工作原理示意图）；

图3为光电信号转换、放大滤波数字化及数字信号处理电路（即探测器、放大器和数字信号处理器）的电气原理示意图；

图4为周期信号发生电路的电气原理示意图；

图5为电光相位调制器的工作原理框图；

图6a为余弦调制信号的波形图；

图6b为激光通过余弦信号的调制后的干涉波形图；

图7为分布式振动光纤系统的工作原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明实施例，如说明书附图所示，提供了一种基于相位载波技术的光纤传感装置。

本实施例的基于相位载波技术的光纤传感装置，主要包括基于分布式光纤传感系统设置的光源发生装置，按光的传播路径配合设置在光源发生装置之后的周期信号相位载波装置。该光源发生装置，包括激光发生器。该分布式光纤传感系统是一种利用光干涉原理设计的光纤分布式感知系统，光源发生装置是分布式光纤传感系统的子系统和发动机，为传感系统的提供光源。

其中，上述周期信号相位载波装置，包括嵌入有光源发生装置的光纤传感信号处理主机，与光纤传感信号处理主机配合设置的光包，用于装载光包的光包盒，与光纤传感信号处理主机配合设置的光纤，以及用于装载光纤的光包盒；所谓光包是用来盘绕光线、放置光线传感主机的通信光纤与传感光纤的接口；

在光纤传感信号处理主机中，设有用于产生余弦载波信号的周期信号发生电路；在光纤传感信号处理主机中，设有用于将光纤中的光强变化信号转换成电子设备能够处理的电信号的光电转换装置；在光纤传感信号处理主机中，设有用于从周期信号发生电路产生的余弦载波信号中还原振动信号的振动信号检波电路；

在光纤传感信号处理主机与光包之间，设有用于将周期的载波信号传输至光包盒、以备对激光信号进行载波调谐的电信号传输电缆；

在光包盒中，设有用于将根据电信号传输电缆中的电调制信号规律来改变激光振荡的相位角即周期余弦信号载波的电光相位调制器；在光包盒中，设有用于接收光纤调制传感光信号、并基于该光纤调制传感光信号将被调制的光相位变化转换成干涉后的光强变化的光纤耦合器；在光包盒中，还设有依次连接在光纤耦合器与光纤传感信号处理主机之间的探测器（即光信号探测器）和放大器；

在光纤传感信号处理主机的传感区域，设有用于感知传感区域的振动情况、并将基于振动情况的振动信号传输至光纤传感信号处理主机中进行处理的传感光缆；

上述周期信号发生电路，与振动信号检波电路连接；周期信号发生电路和光源发生装置，分别与光纤耦合器连接；通过周期信号发生电路和振动信号检波电路，能够增强光纤振动信号的稳定性，避免振动信号漂移的发生。这里，光纤，包括双环传感光纤；和/或周期信号发生电路，包括余弦信号发生器；和/或，光纤传感信号处理主机，包括信号采集及数字信号处理模块。

可见，上述实施例的基于相位载波技术的光纤传感装置，是在基于分布式光纤传感系统基础上，在光源发生装置之后加入的一种周期信号相位载波装置。该周期信号相位载波装置，包括：

⑴布置于光纤传感信号处理主机中的周期信号发生电路，它的主要功能是产生余弦载波信号。

⑵布置于光纤传感信号处理主机中的光电转换装置，其功能在于将光纤中的光强变化信号转换成便于电子设备处理的电信号。

⑶布置于光纤传感信号处理主机中的振动信号检波电路（解调），其主要功能是从余弦载波信号中还原振动信号。

⑷布置于光纤传感信号处理主机与光包之间的信号传输电缆，其主要用于将周期的载波信号传输至光包盒，以备对激光信号进行载波调谐。

⑸布置于光包盒中的电光相位调制器，其功能在于用电信号传输电缆中的电调制信号规律来改变激光振荡的相位角的装置，即周期余弦信号载波。

⑹布置于光包盒汇中的光纤耦合器，其主要功能在于接收光纤调制传感光信号，并将被调制的光相位变化转换成干涉后的光强变化。

⑺布置于传感区域的传感光缆，其主要功能在于感知传感区域的振动情况，并将振动信号传输至信号处理主机中进行处理。

上述实施例的基于相位载波技术的光纤传感装置，需要从信号处理主机中产生一路正弦信号并将其作为光源调制的载波信号，该方法可以有效提高振动信号的灵敏度，同时降低光纤传感的噪声；特别地，与传统无源全光调制方法相比，如果传感系统由于振动过激导致偏振态紊乱而无法感知振动，由于引入载波，系统将自动调整偏振控制器，使系统始终处于最佳工作状态。

图1可以显示该基于相位载波技术的光纤传感装置使用的双环Sagnac光纤干涉仪的原理。设定102-103-104-108-109-102为感应环路1（loop1），105-108-109-103-104-105为感应环路2（loop2），则激光发生器（LASER1）101经光纤耦合器（WDM1）103分光为两束相同的光，分别沿loop1正时针方向和逆时针方向传播并交汇于光纤耦合器103，经通信光纤进入探测器（PIN1）110形成第一路干涉信号；激光发生器（LASER2）106经光纤耦合器（C2）105分光为两束相同的光，分别沿loop2正时针和逆时针方向传播并交汇于光纤耦合器105形成第二路干涉信号。当传感光缆某处111收到入侵扰动，第一路干涉信号和第二路干涉信号将先后检测到振动，二者的时间差将可作为定位入侵位置的定位依据。图6a可以显示余弦调制信号的波形图，图6b可以展示激光通过余弦信号的调制后的干涉波形图。

图2可以显示该基于相位载波技术的光纤传感装置的工作原理。首先，位于信号采集数字信号处理模块向激光发生器发送激光启动指令，激光发生器产生激光并送达光纤耦合器，同时数字采集数字信号处理模块向余弦信号发生器下达启动指令，向光纤耦合器发送余弦载波，在光纤耦合器出对激光的相位进行调制。然后，调制激光相位在传感区域受到振动信号的调制，在光纤耦合器处发生干涉，将相位变化转变成光强变化。最后在探测器处将光强变化信号转换成电信号，通过放大器放大后交给信号采集数字处理模块对信号进行解调处理，还原振动信号。

图3可以显示探测器、放大器和数字信号处理器的电路原理。首先，光电二极管Di将光纤中的光信号转化电流信号，通过A1、Rh1、Rf1组成的跨组放大电路将光电信号转化成电压信号。第二步，通过Ri2、A2、Rf2、Rh2组成的前置放大电路对电压信号进行牵制放大。第三步，通过Ri3、A3、Rr3、Cr、Rh3组成的滤波放大电路进行低通滤波，以消除A/D转换产生的信号频率混叠。最后通过A/D转换将模拟信号数字化，并送由信号处理模块进行信号处理。

图4可以显示周期信号发生电路的工作原理。该周期信号发生电路采用ICL8038信号发生器芯片为核心的余弦信号载波发生电路。其中R1、R2、R3、R4组成占空比频率调节电路；C1-C8为芯片提供时钟，更加不同的电容值为ACL8038提供不同频率的时钟；R6调节输出正弦波；R5、R7为信号输出偏置电路。

图5可以显示电光相位调制器的工作原理。在施工、放揽和日常使用过程中难免引起光缆扭绕，从而导致光干涉的相位解调发送漂移，为此本发明引入了Y波导对激光进行调制，使得两束光的相位始终正交。首先，探测器监测光素是否正交，如果不正交则发送一调制信号，通过A/D、逻辑电路、D/A，最后通过Y波导进行校正。

上述实施例的基于相位载波技术的光纤传感装置，涉及线振动监测的改进方法，主要针对现有的分布式光纤传感技术基于全光解调技术，在当传感系统由于振动过激导致偏振态紊乱而无法感知振动；该基于相位载波技术的光纤传感装置引入载波技术，系统将自动调整偏振控制器，使系统始终处于最佳工作状态。

上述实施例的基于相位载波技术的光纤传感装置，针对传统干涉型光纤振动传感器灵敏度低、空间分辨率大的不足引入相位载波技术，有效提高了光纤传感系统的空间分辨率、改善了探测灵敏度、扩大了测量范围、缩短了响应时间。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于相位载波技术的光纤传感装置，主要包括基于分布式光纤传感系统设置的光源发生装置，按光的传播路径配合设置在所述光源发生装置之后的周期信号相位载波装置；其特征在于，所述周期信号相位载波装置，包括嵌入有光源发生装置的光纤传感信号处理主机，与所述光纤传感信号处理主机配合设置的光包，与所述光纤传感信号处理主机配合设置的光纤，以及用于装载光纤的光包盒；

在所述光纤传感信号处理主机中，设有用于产生余弦载波信号的周期信号发生电路；

在所述光纤传感信号处理主机中，设有用于将传感光纤中的光强变化信号转换成信号处理主机能够处理的电信号的光电转换装置；

在所述光纤传感信号处理主机中，设有用于从周期信号发生电路产生的余弦载波信号中还原振动信号的振动信号检波电路；

在所述光纤传感信号处理主机与光包之间，设有用于将周期的载波信号传输至用于装载光包的光包盒、以备对激光信号进行载波调谐的电信号传输电缆；

在所述光包盒中，设有用于将根据电信号传输电缆中的电调制信号规律来改变激光振荡的相位角即周期余弦信号载波的电光相位调制器；

在所述光包盒中，设有用于接收通过传感光纤振动信号调制的光纤调制信号、并基于该光纤调制传感光信号将被调制的光相位变化转换成干涉后的光强变化的光纤耦合器；

在所述传感区域，设有用于感知传感区域的振动情况、并将基于振动情况的振动信号传输至光纤传感信号处理主机中进行处理的传感光缆；

所述周期信号发生电路，与振动信号检波电路连接；所述周期信号发生电路和光源发生装置，分别与光纤耦合器连接；通过周期信号发生电路和振动信号检波电路，能够增强光纤振动信号的稳定性，避免振动信号漂移的发生。

2.根据权利要求1所述的基于相位载波技术的光纤传感装置，其特征在于，在所述光包盒中，还设有依次连接在所述光纤耦合器与光纤传感信号处理主机之间的探测器和放大器。

3.根据权利要求1或2所述的基于相位载波技术的光纤传感装置，其特征在于，所述光纤，包括双环传感光纤；和/或，所述周期信号发生电路，包括余弦信号发生器；和/或，所述光纤传感信号处理主机，包括信号采集及数字信号处理模块。

4.根据权利要求1所述的基于相位载波技术的光纤传感装置，其特征在于，所述光源发生装置，包括激光发生器。