CN104467984B - 一种分布式光纤声波通信方法及装置 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种分布式光纤声波通信方法及装置，涉及光纤通信领域。首先发射携带有信息的声波，该声波传播至通信光缆，引起通信光缆内传播信号光的瑞利散射的变化，通过分布式光纤声波通信主机检测出瑞利散射的变化，解调还原出发射的声波，从而实现发明目的。因而具有完全无源特性、分布式通信特性、精确的声源定位特性；还能达到超长距离无中继通信，模拟传输和数字传输可以任意切换，不需要对硬件设备进行调整的效果；并且声波信源既可以是模拟声源，也可以是数字声源，因此该分布式光纤声波通信系统可以实现直接的声波通信，也可以实现数字通信。

Description

一种分布式光纤声波通信方法及装置

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，尤其涉及一种实现分布式光纤声波通信系统的方法及装置。

背景技术

目前，分布式声波探测系统成为最热门的光纤传感技术之一。分布式声波探测系统向光纤周期性注入光脉冲，通过高灵敏度的光探测以及光相位解调技术，实时解调瑞利散射光的相位信息，从而能够线性解调与外界对光缆产生的扰动。由于其足够灵敏，灵敏度可达数nε，因此，可以有效探测声波对光缆施加的应变，从而能够有效的还原声场信息。该技术在石油、安防、电力等多个领域的声波探测领域得到广泛的应用。

目前，在通信领域，无线通信以及光纤通信是较为广泛应用的通信方式，由于广阔的市场前景，通信技术迅猛发展。但同时不论无线通信还是传统的光纤通信，在某些特定场合仍然具有局限性。例如，由于电磁波在固体和水中衰减较快，因此像水下、封闭的井下巷道这种场合，无线通信无法正常工作；而传统的光纤通信需要光发射机和接收机，进行较为复杂的部署后，只能实现点对点的通信，而在光纤链路的中间，无法直接上载信息。

发明内容

本发明的目的是基于分布式声波传感器，来解决以上背景技术部分提到的特殊情况下的声波通信的问题，实现声波信息的分布式传输。

为达此目的，本发明一种分布式光纤声波通信方法及装置采用以下技术方案，首先发射携带有信息的声波，该声波传播至通信光缆，引起通信光缆内传播信号光的瑞利散射相位的变化，通过分布式光纤声波通信主机检测出瑞利散射相位的变化，进而还原出发射的声波，从而实现发明目的。因而本发明一种分布式光纤声波通信方法，该方法包括：

步骤1：声波源发射携带有信息的声波；该声波可为普通的声音，也可以声波作为载波，将数字信息通过声波进行调制为数字声波信号；

步骤2：分布式光纤声波通信主机发出信号光入射进通信光缆，发射的声波传播到通信光缆，引起通信光缆内的瑞利散射光相位变化，而该相位的变化是与声波近似线性对应；

步骤3：分布式光纤声波通信主机端发射探测光脉冲，并同步收集散射回的瑞利散射光，并利用光电探测器对瑞利散射光进行光电转换，然后利用模数转换器将模拟电信号转换成数字信号，并通过光相位解调系统实时解调出瑞利散射光的相位。

进一步的所述步骤1特征在于，声源的频率小于分布式光纤声波通信主机的带宽，并根据声源传播介质的衰减特性调整频率大小，以使声波能量较好的传递到光缆；声波能量的大小以及距离声波通信光缆的距离，调整到分布式光纤声波通信主机能以较高的信噪比还原声波信息为准；某些特定需求，为达到保密声波通信的目的，可以在声波源处对声波信息通过编码进行加密处理，同时将声波源尽可能贴近声波通信光缆，同时将声波能量调到稍大于分布式光纤声波通信主机能够准确探测的最小探测能力，以防止声波源信息被窃听；在进行信息传输之前以及传输信息之后，声波源传送固定的标识，以方便分布式光纤声波通信主机判断信息的起止。

进一步的，所述步骤3中，分布式光纤声波通信主机重复收集散射回的瑞利散射光，实时得到每个发射周期探测得到的瑞利散射光的相位；将每个散射周期内瑞利散射光以固定间隔进行重采样，并根据光时域反射仪的原理，将瑞利散射光的相位变化与声波通信光缆的空间位置相对应，还原出声波光缆上每个位置处的动态应变信息；该动态应变信息是与声波线性对应的；随后对每个位置处的原始的相位信息进行去噪处理，以减少光学信号噪声以及环境噪声对声音信息的影响；将每个位置处的实时动态应变信息进行扫描，对已经发送开始标识报头的位置持续信息接收或者停止接收；若声波为数字声波信号，则根据其调制格式，进行对应的解调。

一种分布式光纤声波通信装置，该装置包括：声波发射器、分布式光纤声波通信主机、声波通信光缆；

所述声波发射器用于发射声波信号，如果其发射数字信号声波，它包括了数字信号发生器，调制器，以及压电装置，数字信号发生器将产生的数字信号经过调制器进行调制产生载波信号，然后载波信号驱动压电装置产生数字声波；

所述分布式声波通信系统主机包括：激光器、光调制器、环形器、光相位解调器、信息处理器。

所述激光器用于发射连续光，输出给光调制器；其中激光器为窄线宽激光器，输出功率根据光纤的长度不同而进行大范围调节；

所述光调制器用于将所述连续光调制成脉冲光信号，作为探测光脉冲；其中光调制器应为高消光比光调制器；

所述环形器用于将脉冲光注入到光缆，脉冲光在光缆中发生瑞利散射，并接收光缆中反射回的相干光，输出给光电探测器；

所述光相位解调器用于将所述瑞利散射相干光转化为电信号，然后对电信号进行数字信号处理，进而得到瑞利散射相干光的实时相位，并对原始的相位信息进行去噪处理；

所述的信息处理器用于处理跟踪每个位置处的声波信息的开始、结束标识，并对发送的信息进行处理；如果是数字声波通信方式，则需要首先对接收到的声波信号进行数字解调，得到数字信号。

进一步的，所述光缆内的光纤为单模光纤，并根据需要，对光缆进行声波增敏处理，使其接收声波信号的能力增强。

本发明提供的分布式光纤声波通信系统具有如下优点：一、完全无源特性。该分布式光纤声波通信系统由于是完全无源的，因此声波的调制不需要供电，同时声波信号的调制和传输完全不受电磁场的干扰，可以保证在雷电等恶劣环境下正常工作，在强电磁干扰以及需要电磁静默场合仍可照常通信。二、分布式通信特性。该分布式光纤声波通信系统可实现全分布式的声波信息调制，当通信主机终端持续发射脉冲光，在光缆所有位置，声波信号都可以调制到散射光波信号上，从而快速组建形成具备完整功能的声波通信系统。三、精确的声源定位特性。由于对光缆上的声波探测是基于光时域反射技术，因此当声源将声波信号调制到光缆上时，声源的位置就可以实时获取。四、超长距离无中继通信。由于光纤的低损耗特性，利用光放大技术，在终端进行分布式或分立式应用光放大技术，该分布式光纤声波通信系统无中继通信距离可达上百公里，可以满足长距离声波通信的需求。五、模拟传输和数字传输可以任意切换，不需要对硬件设备进行调整。声波信源既可以是模拟声源，也可以是数字声源，因此该分布式光纤声波通信系统可以实现直接的声波通信，也可以实现数字通信。

附图说明

图1为本发明实施例提供的分布式光纤声波通信系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的分布式光纤声波通信主机结构框图；

图3为本发明实施例提供的模拟声波通信的幅度调制的解调结果图；

图4为本发明实施例提供的模拟声波通信的频率调制的解调结果图；

图5为本发明实施例提供的数字声波通信BFSK的解调结果图；

图6为本发明实施例提供的数字声波通信装置测试时井下人员具体位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

请参照图1所示，图1为本发明分布式光纤声波通信系统结构示意图。

本实施例中分布式光纤声波通信系统具体包括声波信源101，分布式光纤声波通信主机102和声波通信光缆103。在所述分布式光纤声波通信主机102位于本系统的接收端。所述声波通信光缆103内的光纤为单模光纤，并根据需要，可以对该光缆进行声波增敏处理，使其接收声波信号的能力增强。

所述分布式光纤声波通信主机102与声波通信光缆103连接，用于发出脉冲光信号注入到声波通信光缆103，并对光缆103中反射回的相干光进行处理，并对声波通信光缆103中反射回的相干瑞利散射光进行处理，获得位于光缆任意位置处的声波信息。

分布式光纤声波通信主机102发出脉冲光在光缆102中传输时发生瑞利散射，当声波信源101发出声波时，声波将引起声波通信光缆103的折射率发生改变，近而影响后向散射瑞利散射光相位的变化，反射回来的瑞利散射相干光传入分布式光纤声波通信主机102。分布式光纤声波通信主机102对光信号进行信号处理，沿光纤各点的动态应变信息，从而解调得到声波信源101发送的声波信息。

如图2所示，图2为本发明实施例所提供的分布式光纤声波通信主机结构框图。于本实施例，所述分布式光纤声波通信主机102包括激光器(Laser)、光调制器(AOM)、驱动器(Driver)、环形器(Circulator)、光相位解调器(Phase Demodulator)。

所述激光器201用于发射连续光，输出给光调制器202。所述连续光为满足相应要求的窄线宽、低频漂的连续光，其输出功率可以根据光纤的长度不同而进行大范围调节

所述光调制器202用于将所述连续光调制成脉冲光信号。

所述驱动器203用于产生电脉冲，然后将电脉冲驱动光调制器202以完成调制。

所述环形器204用于将202输出的脉冲光信号注入到声波通信光缆103，光在声波通信光缆103中发生瑞利散射，并接收声波通信光缆103中反射回的相干瑞利散射光，通过环形器204的第三端口输出给光相位解调器205。

所述光相位解调器205用于将所述瑞利散射相干光转化为电信号，然后对电信号进行数字信号处理，进而获得瑞利散射相干光的实时相位，并根据光时域反射仪的原理将相位信息与光纤每个位置相对应，从而获得光缆各个位置处的声场。如果是数字声波信源，则需要对接收到的声波信号进行数字解调，从而得到最后的数字信号。

光相位解调器205进行数据处理的具体过程如下：一、对探测瑞利散射光进行光电转换，得到瑞利散射信号；二、根据瑞利散射信号，对光纤上每一点的瑞利散射信号的相位进行解调。三、重复发射探测光脉冲后，光相位解调系统得到光纤上每个位置相位的变化，从而形成光纤范围内的声场图。四、光相位解调系统对每个位置处的声波信号进行去噪处理。五、当声波信源是模拟声波信号时，光相位解调系统直接还原得到的声波信号，就完成了对声波信源的；当声波信源是模拟声波信号时，光相位解调系统对接收到的声波信号作数字解调，从而恢复得到声波信源发送的数字信息。

本发明经过井下通信实验，将井下的声波源的信息传递到井上，起到井下人员的信息上传以及井下人员定位功能的作用。当井下人员手持2kHz的声波信源线性调幅时，分布式光纤声波通信主机解调得到的调幅信号如图3所示。当井下人员手持声波信源靠近声波通信光缆进行周期性线性调频时，分布式光纤声波通信主机接收到的原始调幅信号，解调得到的瞬时频率分别如图4(a)、图4(b)所示。图3，图4证明了该系统有效的还原了模拟声波信号。当井下人员手持数字声波信源，用声波作为载波进行二进制频移键控BFSK调制，发送了一串数字信号0110001110010001111。分布式光纤声波通信主机解调得到的原始信号如图5(a)所示，随后用过零点检测法对其进行解调，在抽样判决前得到的信号如图5(b)所示，抽样判决后的数字信号，如图5(c)所示，与声波信源发送的数字信息完全一致，证明该系统有效的还原了声波信源发出的数字信息。当井下人员的声波信源持续发出声波信号时，井上的分布式通信主机准确的检测到井下人员的精确位置，如图6中阴影处所示。

上述实施例表明所有具有分布式声波检测的分布式振动传感器，利用本专利所述的调制和解调方法进行分布式声波通信，上述的分布式光纤声波通信主机只是其中的一种。在不脱离本发明的精神或者本质特征的情况下，本发明可以通过基于其它原理的、具有分布式声波检测功能的分布式振动传感器来实现。

本发明的技术方案具有如下优点：一、完全无源特性。该分布式光纤声波通信系统由于是完全无源的，因此声波的调制不需要供电，同时声波信号的调制和传输完全不受电磁场的干扰，可以保证在雷电等恶劣环境下正常工作，在强电磁干扰以及需要电磁静默场合仍可照常通信。二、分布式调制特性。该分布式光纤声波通信系统可实现全分布式的声波信息调制，当通信主机终端持续发射脉冲光，在光缆所有位置，声波信号都可以调制到散射光波信号上，从而快速组建形成具备完整功能的声波通信系统。三、精确的声源定位特性。由于对光缆上的声波探测是基于光时域反射技术，因此当声源将声波信号调制到光缆上时，声源的位置就可以实时获取。四、超长距离无中继通信。由于光纤的低损耗特性，利用光放大技术，在终端进行分布式或分立式应用光放大技术，该分布式光纤声波通信系统无中继通信距离可达上百公里，可以满足长距离声波通信的需求。五、模拟传输和数字传输可以任意切换，不需要对硬件设备进行调整。声波信源既可以是模拟声源，也可以是数字声源，因此该分布式光纤声波通信系统可以实现直接的声波通信，也可以实现数字通信。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (5)

1.一种分布式光纤声波通信方法，该方法包括：

步骤1：声波源发射携带有信息的声波；该声波可为普通的声音，也可以声波作为载波，将数字信息通过声波进行调制为数字声波；

步骤2：分布式光纤声波通信主机发出信号光入射进通信光缆，发射的声波传播到通信光缆，引起通信光缆内的瑞利散射光相位变化，而该相位的变化是与声波近似线性对应；

步骤3：分布式光纤声波通信主机端发射探测光脉冲，并同步收集散射回的瑞利散射光，并利用光电探测器对瑞利散射光进行光电转换，然后利用模数转换器将模拟电信号转换成数字信号，并通过光相位解调系统实时解调出瑞利散射光的相位；

其特征在于所述步骤1中，声源的频率小于分布式光纤声波通信主机的带宽，并根据声源传播介质的衰减特性调整频率大小，以使声波能量较好的传递到光缆；声波能量的大小以及距离声波通信光缆的距离，调整到分布式光纤声波通信主机能以高信噪比还原声波信息为准；某些特定需求，为达到保密声波通信的目的，可以在声波源处对声波信息通过编码进行加密处理，同时将声波源贴近声波通信光缆，同时将声波能量调到稍大于分布式光纤声波通信主机能够准确探测的最小探测能力，以防止声波源信息被窃听；在进行信息传输之前以及传输信息之后，声波源传送固定的报头，以方便分布式光纤声波通信主机判断信息的起止。

2.如权利要求1所述的一种分布式光纤声波通信方法，其特征在于所述步骤3中，分布式光纤声波通信主机重复收集散射回的瑞利散射光，实时得到每个发射周期探测得到的瑞利散射光的相位；将每个散射周期内瑞利散射光以固定间隔进行重采样，并根据光时域反射仪的原理，将瑞利散射光的相位变化与声波通信光缆的空间位置相对应，还原出声波光缆上每个位置处的动态应变信息；该动态应变信息是与声波线性对应的；随后对每个位置处的原始的相位信息进行去噪处理，以减少光学信号噪声以及环境噪声对声音信息的影响；将每个位置处的实时动态应变信息进行扫描，对已经发送开始标识报头的位置持续信息接收或者停止接收；若声波为数字声波信号，则根据其调制格式，进行对应的解调。

3.一种采用如权利要求1所述的分布式光纤声波通信方法的装置，该装置包括：声波发射器、分布式光纤声波通信主机、声波通信光缆；

所述声波发射器用于发射声波信号，如果其发射数字信号声波，它包括了数字信号发生器，调制器，以及压电装置，数字信号发生器将产生的数字信号经过调制器进行调制产生载波信号，然后载波信号驱动压电装置产生数字声波；

所述分布式光纤声波通信主机包括：激光器、光调制器、环形器、光相位解调器、信息处理器。

4.如权利要求3所述的一种采用分布式光纤声波通信方法的装置，其特征在于所述激光器用于发射连续光，输出给光调制器；其中激光器为窄线宽激光器，输出功率根据光纤的长度不同而进行大范围调节；

所述光调制器用于将所述连续光调制成脉冲光信号，作为探测光脉冲；其中光调制器应为高消光比光调制器；

所述环形器用于将脉冲光注入到光缆，脉冲光在光缆中发生瑞利散射，并接收光缆中反射回的相干光，输出给光电探测器；

所述光相位解调器用于将所述瑞利散射相干光转化为电信号，然后对电信号进行数字信号处理，进而得到瑞利散射相干光的实时相位，并对原始的相位信息进行去噪处理；

所述的信息处理器用于处理跟踪每个位置处的声波信息的开始、结束标识，并对发送的信息进行处理；如果是数字声波通信方式，则需要首先对接收到的声波信号进行数字解调，得到数字信号。

5.如权利要求3所述的一种采用分布式光纤声波通信方法的装置，其特征在于所述光缆内的光纤为单模光纤，并根据需要，对光缆进行声波增敏处理，使其接收声波信号的能力增强。