CN103115633A - 利用相位生成载波降低干涉路径散（反）射光干扰的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属光光纤传感技术领域，具体为一种利用相位生成载波降低干涉路径散（反）射光干扰的方法。该方法是在一根光纤路径的末端上施加相位调制，通过特定工作点的选取，实现目标信号与干扰信号的分离，获得更加纯净的目标信号，提高测量距离。该方法采用的信号解调方法不同于相位生成载波调制（PGC）的传统方法，解调时无需利用调制频率做为参考频率，易于实现。本发明适用于长距离管线监控、大范围光纤周界安防等，特别是加调制端与信号解调端远离的应用环境。本发明还可以用于通过对反馈装置中光传输相位的调制实现测量的应用中。

Description

利用相位生成载波降低干涉路径散(反)射光干扰的方法

技术领域

本发明属光光纤传感技术领域，具体涉及一种消除光纤传感器中背向散射光影响的方法。

背景技术

光纤传感技术常被用于大范围、长距离的监测中，如，应用于石油管线，高压电网，输气管道、通信光缆等基础设施的安全监测，它把光纤作为感应器，实时采集相关扰动信号，通过对特征的分析来确定扰动发生的位置。单芯反馈式光路结构是感应段光纤使用单根光纤，光纤自身不用闭合，仅在光纤末端加一反馈装置，如反射镜，构成干涉光路。在实际应用中，这种结构铺设方便、灵活。这类监测系统的特点是携带扰动信息的光是传输到光纤末端后，经反馈装置反馈的光。

如下是单芯反馈式定位系统采用的一种定位技术。

图1所示的为一感应段光纤（光缆），1为光纤（光缆）的起始点，感应段的末端有一反馈装置2，如反射镜，入射光经反馈装置作用后原路返回。设外界D点有一扰动，对光相位产生的调制为                                               ，当光先后两次经过扰动点D，相位受到的调制为：

其中，

，L为扰动点D距反馈装置2的距离，c为真空中的光速，

为光纤的等效折射率。

构造干涉光路，如图2所示。

干涉光路由N*M（N、M为整数）耦合器3、P*Q（P、Q为整数）耦合器4、光纤延迟器5，延迟为τ，光纤（光缆）6和反馈装置2构成。3a1、3a2、…、3aN、3b1、3b2为耦合器3的端口，3a1、3a2、…、3aN是同向端口，共N个，3b1、3b2是耦合器3的另一组同向端口（共M个）中的两个端口。4a1、4a2、4b1为耦合器4的端口，4a1、4a2是耦合器2的一组同向端口（共P个）中的两个端口，4b1是耦合器4的另一组同向端口（共Q个）中的两个端口。光纤6为感应光纤。反馈装置2，使沿光纤传输来的光重新进入光纤6返回到耦合器4。光源经耦合器3的端口3a1输入，经耦合器3分光后分别经端口3b1、3b2输出，两路光：

Ⅰ：3b1→5→4a1→4b1→6→2→6→4b1→4a2→3b2

Ⅱ：3b2→4a2→4b1→6→2→6→4b1→4a1→5→3b1

在耦合器3处重新会和，发生干涉，干涉信号分别经端口3a1、3a2、…、3aN输出。

干涉光路中，先经过延迟器5在进入光缆6的光，受到的相位调制为：

两相干干涉光的相位差为：

在相位差的频谱中，存在频率陷落点，即“陷波点”，根据陷波点的位置即可确定扰动发生的位置。“陷波点”如图3所示，在这幅通过时频变换得到的幅度-频率图中，“○”所标示的位置即为频率陷波点。陷波点与扰动位置的关系为：

 

其中，为k阶陷波点的频率。

从上述的原理中可以看到，相干的光必需历经从感应光纤6的端点1传输到2再返回到感应光纤6中这一过程，才能携带有位置“L”信息。然而，在实际中，由于光纤的结构特点以及光纤自身的缺陷等原因，光纤中存在着散射光，如瑞利散射光等。

如图4所示，设点7是一个散射点，背向散射光沿光缆回到干涉结构中，因而存在这样两束光：

Ⅰ：3b1→5→4a1→4b1→6→7→6→4b1→4a2→3b2

Ⅱ：3b2→4a2→4b1→6→7→6→4b1→4a1→5→3b1

由于具有相似的光谱特性，无扰动时，光程相等，因而在耦合器3处重新会和，也会发生干涉。显然，这两束干涉光携带的扰动点的信息是点7到扰动点D的长度L₇。设点8是另一个散射点，该点后向散射形成的干涉携带的长度信息为点8到扰动点D的长度L₈，显然，

，由于这些干涉在输出端是混合在一起的，对于布里渊背向散射光或拉曼背向散射光等产生的干涉光，可以通过光滤波器滤除，但对于瑞利散射产生的干涉光，或是光路上的接点反射产生的干涉光，是不可能通过光滤波的方法对其进行消除，必然会影响有用干涉信号的纯度，直接影响到扰动点位置L的精度。通常情况下，背向散射光、接点反射光产生的干涉强度明显小于反射光产生的干涉强度（有效干涉信号），对有效干涉信号不会产生明显的影响，L的精度可以满足实际使用需要，但是当被监测线路达到一定长度后，整个线路散射光的综合影响会很明显，这时可以观察到干涉信号已发生明显的畸变，系统因此无法正常获得有效干涉信号。

相类似，光路中的接点带来的反射也会对干涉信号造成同样的不利影响。

传感线路中散（反）射光的影响，不仅是系统的监测距离受到了明显限制，且在线路中存在较大散（反）射点的情况下，系统无法进行正常测试。

为了消减上述信号的影响，发明专利201010508357.2（如图5所示）中提出了利用相位生成载波（Phase Generated Carrier）技术将有效干涉相位信息从混杂着背向散射光、接点反射光干涉干扰信号的光输出中分离出来，获得纯净的含有有效扰动位置信息的信号，从而达到消除背向散射光等的影响的目的。该技术在感应光纤（光缆）6的末端，接近反馈装置2处接入一相位调制器9，对相位调制器9施加调制信号，获得仅包含有用信息的载波基频（或倍频）边带信号提取出来，并利用PGC解调技术将边带信息提取出来。PGC解调技术一般采用相干解调技术，即解调过程中需要利用与调制信号同源的信号做为参考信号。由于需要在信号生成端获得调制信号，在单芯反馈式系统的应用中，当带有信号调制的末端（9的位置）远离信号生成端时，如何获得参考信号，成为该方法实现的难点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种消除光纤传感器中背向散射光影响的方法。

本发明提出了一种利用相位调制技术，通过高通滤波的简便方法实现目标信号与光纤路径中散射、反射引入的干扰信号的分离，获得纯净的含有有效扰动位置信号的方法。本发明通过对相位调制信号的幅度的设置，使得在0频率的左右边带中不包含有效信号形成的分量，仅包含背向散射、反射带来的干扰信号，而调制频率基频和倍频的边带中，不包含干扰信号，在此基础上，利用高通滤波器即可将杂散光的干扰信号的影响消除。本方法与传统PGC解调技术相比，解调时无需利用与施加在相位调制信号同源的信号做为参考信号，结构简单，更易于实现。具体方法如下。

光路的连接如图5。为了能将这两个干涉信号区分开，调制信号工作点的选择分析如下。

设相位调制器9引入的干涉相位差为

，经相位调制器到达反馈装置2反射后重新返回到光缆的光发生的干涉信号可以表示为：

                         （1）

其中，是与系统参数有关常系数；

是干涉结构的初始相位，为常量，且因干涉输出端口的不同而有所差异；是由扰动引起的干涉相位差。

对于光缆中相位调制器9以前的路径引起的背向散射光等，如，7、8点引起的背向散射光，从图5可以看出，由于传输中不会经过相位调制器9，其相位变化不会受到相位调制器9上施加信号的影响。这部分光干涉信号可表示为：

                          （2）

其中，

是光纤6上第i个散射点引起的干涉的系数，是与第i个散射点相应的初始相位，

是由扰动引起的相应于第i个散射点的干涉相位差。

表示沿着相位调制器9之前的感应光纤6上的所有散射点求和。

总的输出信号变化部分可以表示为：

                                           （3）

设经相位调制器9上施加的相位为频率为f_m的正弦信号，则通过光路的干涉生成的正弦载波信号

可表示为，

                                         （4）

是

的幅度。式（1）利用J_n阶贝塞尔函数展开可表示为：

（5）

则，

   （6）

调节施加在相位调制器上的调制信号幅度，使得

                             （7）

则，

    （8）

此时，

    （9）

式（9）中各分量，不考虑幅度变化，仅考虑频率分布， 

（N=1,3,5，…）是将

的频谱从0频率处移到

附近；

（M=2,4,6，…）是将

的频谱从0频率处移到

附近。而

的频率成份分布在0频率附近。设

为

（或

）的最大频率， 

为P_B的最大频率，取

：

                       （10）

即，f_m足够大，使P_B的频谱和P不发生交叠，则利用高通滤波器，可滤除P_B，获得完整的、无干扰的信号P，这样，则可将散射点引起的干涉信号与到达反馈装置的光形成的反射分离开来。获得信号P后，再利用干涉结构常用的相位还原方法，即可得到恢复出信号

                     （11）

可见，在满足式（8）的同时，选择f_m，使其位于

的频率成分之外，采用滤波技术，滤除f_m的频率成分，则可获得，即实现了信号的解调。

当干涉结构具有两个干涉输出端口，两个端口的干涉信号分别表示为： 

   （12）

    （13）

 其中，

、

分别为这两个端口干涉输出所对应的初始相位，且

按照本发明前面所述的方法，可获得两路具有固定相位差的信号：

             （14）

              （15）

联合式（14）（15），则可还原出信号

，再经滤波，滤除f_m频率成分，可得到信号。

根据上述描述，本发明方法的具体步骤归纳如下：

1）在单芯反馈式光杆光纤尾端串接相位调制器9；

2）选择加载相位调制器9上的信号频率f_m，f_m满足以下条件：

且f_m位于

的频率成分之外；

3）在相位调制器上施加正弦信号。该调制信号所生成的载波可表示为：

4）调节正弦信号的幅度，使：

使反馈装置2形成的有效干涉信号的频率成分分布在载波频率f_m的基频和倍频的基带上，而在零频率附近，没有频率分量。有效干涉信号P可表示为：

此时，零频率附近仅有线路中背向散（反）射光干涉形成的干扰信号。

5）对

进行高通滤波，滤除干扰信号

，保留有效信号信号P，即将干扰信号与有效信号进行分离，获得有效信号。

6）从有效信号P解算出

，滤除f_m频率成分，获得扰动引起的干涉相位差

。

本发明的优点在于可有效地消除单芯反馈式光纤传感光路中背向散（反）射光的影响，将有效信息从被严重干扰的信号中提取出来，从而显著地提高了测量距离，增强干涉测量系统对线路的适应性。该技术采用独特的载波信号加载及解调方法，无需像传统的PGC调制解调方法那样必须在信号解调端提供与载波信号同源的参考信号，因此，在长距离监测中，更加易于实现监测光缆尾端自由延伸的布设方式。同时，由于解调技术无需参考信号，测量系统结构简单，易于实现。

基于发明的分布式光纤管线监控系统可广泛应用于通信干线、电力传输线、天然气管道、石油管道、边境线的安全监测领域的长距离监测；也能应用于大型建筑物例如水坝、隧道、矿井等的安全监测。

附图说明                             

图1是单芯反馈式传感器定位原理。

图2为一种单芯反馈式干涉结构。

图3是从干涉信号解调出的相位信号的频谱，“○”为频率“陷波点”。

图4是背向散射光带来的影响示意图。

图5是采用相位生成载波技术消除背向散射影响的光路连接方法。

图6是可实现本发明方法的的一个具体结构。

图中标号：1为感应光纤6的端点，2为反馈装置，3为N*M（N、M为整数）耦合器，4是P*Q（P、Q为整数）耦合器，5是光纤延迟器，延迟为τ，6是传感光纤（光缆）和反馈装置2构成。3a1、3a2、…、3aN、3b1、3b2为耦合器3的端口，3a1、3a2、…、3aN是同向端口，共N个，3b1、3b2是耦合器3的另一组同向端口（共M个）中的两个端口。4a1、4a2、4b1为耦合器4的端口，4a1、4a2是耦合器2的一组同向端口（共P个）中的两个端口，4b1是耦合器4的另一组同向端口（共Q个）中的两个端口。7、8为光纤中的散射点。9为相位调制器。

具体实施方式

实施例的测量系统采用如图3所示干涉结构。感应光缆6的长度为30km。使用的光源是电子集团总公司44研究所生产的SO3-B型超超辐射二极管（SLD），工作波长1310nm。耦合器3采用均分的3*3光纤熔融拉锥型单模耦合器，耦合器4采用均分的2*2光纤熔融拉锥型单模耦合器，皆为武汉邮电研究院生产。光纤延迟器使用的光纤为G652型单模光纤。光电转换及信息处理中使用的光电转换器件为44所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器。反馈装置2为光纤末端蒸镀铝膜制作，反射率大于95%。在尾端串接的相位调制器9是用光纤缠绕在压电陶瓷上制作而成。干涉信号基带带宽<10kHz，相位调制器上加载的正弦信号频率为60kHz。

在该单芯传感路径中，感应光缆6中据末端（反馈装置2）10km处存在活动接头连接点，该点反射>2dB，在端口4b1附近对感应光缆6施加扰动，不采用本发明所述方法，系统无法正常定位，采用该调制解调方法后，系统可准确定位。

图6为可实现该方法的一个具体结构，在该结构中，耦合器3使用均分3*3耦合器，光源从端口3a1输入，干涉信号从两个端口3a2和3a3输出，这两个干涉信号可以表示为： 

   （16）

    （17）

设

的最大频率为，取：

 且  

                    （18）

按照前面所述的方法，设置相位调制幅度使满足公式（7），对干涉信号进行高通滤波，滤除杂散光带来的干涉，则可获得以下信号：

             （19）

             （20）

则，联合式（19）（20），可还原出信号

（参考文献：吴红艳等；基于光纤干涉定位系统的信号解调技术[J]；传感器与微系统，2007，26（5）：p45-51）：

                 （16）

对

进行低通滤波，即可获得

。

Claims (4)

1.一种利用相位生成载波降低干涉路径散射光干扰的方法，其特征在于具体步骤为：

（1）在单芯反馈式光杆光纤尾端串接相位调制器；设相位调制器引入的干涉相位差为                                                

，经相位调制器到达反馈装置反射后重新返回到光缆的光发生的干涉信号表示为：

                         （1）

其中，

是与系统参数有关常系数；

是干涉结构的初始相位，为常量；

是由扰动引起的干涉相位差；

对于光缆中相位调制器以前的路径引起的背向散射光，其相位变化不会受到相位调制器上施加信号的影响，这部分光干涉信号表示为：

                          （2）

其中，

是光纤上第i个散射点引起的干涉的系数，是与第i个散射点相应的初始相位，

是由扰动引起的相应于第i个散射点的干涉相位差，

表示沿着相位调制器之前的感应光纤上的所有散射点求和；

于是，总的输出信号变化部分表示为：

                                           （3）

对式（1）进行J_n阶贝塞尔函数展开，表示为：

（5）

则，

   （6）

（2）选择加载相位调制器上的信号频率f_m，f_m满足以下条件：

，且f_m位于

的频率成分之外；

为

或

的最大频率， 

为P_B的最大频率；

（3）在相位调制器上施加正弦信号，该调制信号所生成的载波表示为：

，

是

的幅度；

（4）调节正弦信号的幅度，使：  

，

使反馈装置形成的有效干涉信号的频率成分分布在载波频率f_m的基频和倍频的基带上，而在零频率附近，没有频率分量，有效干涉信号P表示为：

此时，零频率附近仅有线路中背向散射光干涉形成的干扰信号；

（5）对

进行高通滤波，滤除干扰信号

，保留有效信号P，即将干扰信号与有效信号进行分离，获得有效信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于利用有效信号P进一步还原出信号

：

对

进行滤波，滤除

，得到由扰动引起的干涉相位差信号

。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于设干涉结构具有两个干涉输出端口，这两路干涉信号分别表示为： 

且        

可获得具有固定相位差的两个信号：

联合这两路信号，恢复出信号

。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于加载相位调制器上的信号频率

，对信号

进行低通滤波，滤除频率成分，获得由扰动引起的干涉相位差信号

。

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