CN105091919B - 高灵敏度双光纤光缆传感器 - Google Patents
高灵敏度双光纤光缆传感器 Download PDFInfo
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Abstract
一种高灵敏度双光纤光缆传感器,包括窄线宽激光器、第一光纤耦合器、电光调制器、声光调制器、环形器、第二光纤耦合器、双光纤光缆、第三光纤耦合器、第四光纤耦合器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一双平衡探测器、第二双平衡探测器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、第四乘法器、第一模数转换器、第二模数转换器、第三模数转换器、第四模数转换器、可编程逻辑器件、放大器、第一延时器和第二延时器。本发明不需要搭建特殊的传感系统，可在现有的双光纤光缆的基础上，利用光纤末端反射回来的信号，实现高灵敏度的声音、振动等信息的测量，解决了现有光纤传感器灵敏度低、信噪比差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及数字增强干涉光纤传感技术，特别是一种高灵敏度双光纤光缆传感器。
背景技术
光纤传感器具有抗电磁干扰能力强，非侵入性，高灵敏度，容易实现对被测信号的远距离监控，耐腐蚀，防爆，光路有可挠曲性，便于与光纤系统连接等优势。近年来，被广泛应用于天然气、石油管道安全监测，桥梁裂纹监测，气体浓度探测、边界安防等领域。但是，在一些要求高灵敏度探测能力的场合，例如声音探测、微弱振动的探测等，光纤传感器的灵敏度和信噪比一直是其制约因素。因此，提高光纤传感系统的灵敏度和信噪比是当务之急。
自从1993年H.F.Taylor提出相位敏感光时域反射计(Phase sensitive opticaltime domain reflectometry,以下简称Phase-OTDR)以来，大大提高了光纤传感的灵敏度，具体参见【H.F.Taylor and E.E.Lee.Apparatus and method for fiber opticintrusion sensing.U.S.Patent 5,1993:194847】。
Robert M.Payton等提出在Phase-OTDR中应用伪随机序列对连续探测光进行相位调制，并在接收端进行相关运算，解调出相位信息，提高了系统的灵敏度和信噪比【RobertM.Payton.Natural fiber span reflectometer providing a spread virtual sensingarray capability.U.S.Patent,US7268863】。
D.A.Shaddock等提出的数字增强干涉技术的概念，利用伪随机码的相关特性，能够有效的抑制杂散噪声，具体参见【Daniel A.Shaddock,Digitally enhanced heterodyneinterferometry.Optics letters 2007,32(22),3355-3357.】
但是，Phase-OTDR系统中利用的是瑞利散射光进行传感，瑞利散射光的强度比较低，对于提高系统的灵敏度和信噪比有很大限制。基于此，可以设法提取光纤中很强的反射信号作为传感信号，并与数字增强干涉技术结合，来提高系统的灵敏度。但是，光纤中不能随意添加反射点，有人考虑采用利用光纤连接头的级联作为反射点，并且用前面的连接头作为相邻后面连接头的参考点，来求出连接头之间的相位信息。但是有些场合下，外部环境不允许连接头的接入，例如连接头的体积的限制 或者是一些工程施工的要求等。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有光纤传感系统灵敏度低、信噪比差、传感结构复杂的不足，提出一种高灵敏度双光纤光缆传感器。采用双光纤光缆作为传感结构，光缆中的两根光纤外部环境一致，具有相同的相位信息。一根光纤作为参考支路，另一根作为传感光纤，结构简单，传感距离灵活，且可以利用现有的组网光缆，不需铺设特殊的传感结构。采集的信号是光纤末端反射回来的信号，信号强度大，信噪比高。系统中采用数字增强干涉技术，利用伪随机码的互相关特性，去除杂散噪声的影响，接收端采用分偏振接收，减弱偏振衰落的影响，提高了系统的信噪比。
本发明的核心思想是：利用可编程逻辑器件产生伪随机序列，伪随机序列经过放大器之后，用来驱动电光调制器，对窄线宽连续激光进行相位调制，伪随机码调制后光信号注入到双光纤光缆中，不同反射点处反射回来的光信号的到达接收端的时间不同，通过偏振控制器的作用对不同偏振的反射光信号分别进行接收，利用伪随机码自相关系数为1，互相关系数约为0的特点，将接收到的信号与经过特定延迟(与信号光到达欲测量点的往返时间一致)的本地伪随机码进行相关运算，就可以得到感兴趣的某点的反射信号，而其它点的信号(包括噪声)被抑制，相关运算之后的信号再经过相位解调，得到累加的相位信息，再减去参考支路的参考信号，就能得到传感光纤上的振动、声音等传感信号。由于传感中采用的是反射点的信号，以及采用了伪随机序列相位调制解调的方式及分偏振接收，可以大大提高系统的信噪比。
本发明的技术解决方案如下：
一种高灵敏度双光纤光缆传感器，特征在于其构成包括窄线宽激光器、第一光纤耦合器、电光调制器、声光调制器、环形器、第二光纤耦合器、双光纤光缆、第三光纤耦合器、第四光纤耦合器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一双平衡探测器、第二双平衡探测器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、第四乘法器、第一模数转换器、第二模数转换器、第三模数转换器、第四模数转换器、可编程逻辑器件、放大器、第一延时器、第二延时器等，其特征是在所述的窄线宽激光器的输出端口与所述的第一光纤耦合器的输入端口相连，该第一光纤耦合器的第一输出端口与所述的电光调制器光信号输入端相连，该第一光纤耦合器的第二输出端口与所述的声光调制器的光信号输入端口相连，所述的电光调制器的光信号输出端口与所述的环形器第一端口相连，该环形器的第二端口与第二光纤耦合器的输入端口相连，该环形器的第三端口与所述的第三光纤耦合器的输入端相连，第二光纤耦合器的第一输出端口与所述的双光纤光缆的传感光纤相连，第二光纤耦合器的第二输出端口与所述的双光纤光缆的参考光纤相连，第三光纤耦合器的第一输出端口与所述的第一双平衡探测器的第一输入端口相连，第三光纤耦合器的第二输出端口与所述的第一偏振控制器的输入端口相连，第一偏振控制器的输出端口与所述的第二双平衡探测器的第一输入端口相连，所述的声光调制器的光信号输出端口与所述的第四光纤耦合器的输入端口相连，该第四光纤耦合器的第一输出端口与所述的第二偏振控制器的输入端口相连，该第二偏振控制器的输出端口与第一双平衡探测器的第二输入端口相连，第四光纤耦合器的第二输出端口与所述的第二双平衡探测器的第二输入端口相连，第一双平衡探测器的输出端口与所述的第二低通滤波器的输入端口相连，第二双平衡探测器的输出端口与所述的第一低通滤波器的输入端口相连，该第一低通滤波器的输出端口分别与第一乘法器的第一输入端口和第二乘法器的第一输入端口相连，第二低通滤波器的输出端口分别与第三乘法器的第一输入端口和第四乘法器的第一输入端口相连，第一乘法器的输出端口与所述的第一模数转换器的输入端口相连，该第一模数转换器的输出端口与所述的可编程逻辑器件的第一数字输入总线相连，第二乘法器的输出端口与第二模数转换器的输入端口相连，该第二模数转换器的输出端口与所述的可编程逻辑器件的第二数字输入总线相连，第三乘法器的输出端口与第三模数转换器的输入端口相连，该第三模数转换器的输出端口与所述的可编程逻辑器件的第三数字输入总线相连，第四乘法器的输出端口与第四模数转换器的输入端口相连，该第四模数转换器的输出端口与所述的可编程逻辑器件的第四数字输入总线相连，可编程逻辑器件的传感伪随机序列输出端口与所述的放大器的输入端口相连，放大器的输出端口与所述的电光调制器调制信号输入端口相连，可编程逻辑器件的本地伪随机序列的输出端口分别与所述的第一延时器的输入端口和所述的第二延时器的输入端口相连，第一延时器的输出端口分别与第一乘法器的第二输入端口和第三乘法器的第二输入端口相连，第二延时器的输出端口分别与第二乘法器的第二输入端口和第四乘法器的第二输入端口相连。
所述的窄线宽激光器是窄线宽光纤激光器，中心波长是1550nm,线宽约为2.5kHz,也可以采用其它种类的窄线宽的激光器。
所述的第一光纤耦合器是普通单模光纤，1550nm波段，端口2X2，分光比是9:1，也可以采用分光比略有差别的光纤耦合器。
所述的第二光纤耦合器、第三光纤耦合器是普通单模光纤，1550nm波段，端口2X2，分光比是1:1，也可以采用分光比略有差别的光纤耦合器。
所述的电光调制器，是具有较高带宽的相位调制器，通过伪随机码对光信号进 行0或π相位调制。
所述的声光调制器，是使本振光与探测光产生几十MHz的频率差，输出光仍为连续光。
所述的光纤环形器，是一个三端口光纤环形器，也可以采用接入光纤耦合器和隔离器的办法，起到等同于光纤环形器效果的方案。
所述的双平衡探测器，是将光信号转换为电信号的高速探测器。
所述的低通滤波器，主要滤除电信号的高频成分。
所述的乘法器，是实现电信号与伪随机序列的乘法(相关)运算。
所述的模数转换器，主要是将模拟电信号转换为数字信号。
所述的可编程逻辑器件，主要是是实现伪随机序列的产生，以及对数字信号处理，实现数字信号的相位解调。
所述的放大器，主要是实现对伪随机序列的放大，使伪随机序列能够驱动电光调制器实现0或π相位调制。
所述的延时器，是可编程控制的延时器，使本地伪随机序列进行延迟，与反射点反射回来的信号的伪随机序列相位一致。
在数字增强干涉技术的传感系统中，接收端采用了分偏振接收，通过第一偏振控制器、第二偏振控制器对偏振态进行控制，通过第一双平衡探测器、第二双平衡探测器分别接收两个不同偏振态的光信号，可以消除偏振衰落对系统信噪比的影响。
本发明的优点在于：
1、采用数字增强干涉技术，传感光是经过伪随机码调制的连续光，接收端将接收到的信号与本地经过相应延迟的伪随机序列进行相关运算，再进行相位解调。由于伪随机码的相关特性，可以抑制杂散噪声和码间串扰，提高信噪比。
2、采用双光纤光缆，用反射信号作为传感信号，信号强度高，比光纤中散射信号强度大，信噪比高，可以实现声音、振动等信息的测量。
3、接收端采用分偏振接收，可以大大降低偏振衰落带来的影响。
4、传感光缆价格低廉，易于组网，传感距离灵活，应用前景大。
附图说明
图1为本发明高灵敏度双光纤光缆传感器结构框图
图2为双光纤光缆通过1×N耦合器扩展为多路并联的应用方式
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
首先请参照图1，图1为本发明高灵敏度双光纤光缆传感器整体结构框图。由图1可见，本发明高灵敏度双光纤光缆传感装置其构成包括窄线宽激光器1、第一光纤耦合器2、电光调制器3、声光调制器4、环形器5、第二光纤耦合器6、双光纤光缆7、第三光纤耦合器8、第四光纤耦合器9、第一偏振控制器10、第二偏振控制器11、第一双平衡探测器12、第二双平衡探测器13、第一低通滤波器14、第二低通滤波器15、第一乘法器16、第二乘法器17、第三乘法器18、第四乘法器19、第一模数转换器20、第二模数转换器21、第三模数转换器22、第四模数转换器23、可编程逻辑器件24、放大器25、第一延时器26、第二延时器27等，其特征是在所述的窄线宽激光器1的输出端口与所述的第一光纤耦合器2的输入端口相连，该第一光纤耦合器2的第一输出端口与所述的电光调制器3光信号输入端相连，该第一光纤耦合器的第二输出端口与所述的声光调制器4的光信号输入端口相连，所述的电光调制器3的光信号输出端口与所述的环形器5第一端口相连，该环形器5的第二端口与第二光纤耦合器6的输入端口相连，该环形器5的第三端口与所述的第三光纤耦合器8的输入端相连，第二光纤耦合器6的第一输出端口与所述的双光纤光缆7的传感光纤相连，第二光纤耦合器6的第二输出端口与所述的双光纤光缆7的参考光纤相连，第三光纤耦合器8的第一输出端口与所述的第一双平衡探测器12的第一输入端口相连，第三光纤耦合器8的第二输出端口与所述的第一偏振控制器10的输入端口相连，第一偏振控制器10的输出端口与所述的第二双平衡探测器13的第一输入端口相连，所述的声光调制器4的光信号输出端口与所述的第四光纤耦合器9的输入端口相连，该第四光纤耦合器9的第一输出端口与所述的第二偏振控制器11的输入端口相连，该第二偏振控制器11的输出端口与第一双平衡探测器12的第二输入端口相连，第四光纤耦合器9的第二输出端口与所述的第二双平衡探测器13的第二输入端口相连，第一双平衡探测器12的输出端口与所述的第二低通滤波器15的输入端口相连，第二双平衡探测器13的输出端口与所述的第一低通滤波器14的输入端口相连，该第一低通滤波器14的输出端口分别与第一乘法器16的第一输入端口和第二乘法器17的第一输入端口相连，第二低通滤波器15的输出端口分别与第三乘法器18的第一输入端口和第四乘法器19的第一输入端口相连，第一乘法器16的输出端口与所述的第一模数转换器20的输入端口相连，该第一模数转换器20的输出端口与所述的可编程逻辑器件24的第一数字输入总线相连，第二乘法器17的输出端口与第二模数转换器21的输入端口相连，该第二模数转换器21的输出端口与所述的可编程逻辑器件24的第二数字输入总线相连，第三乘法器18的输出端口与第三模数转换器22的输入端口相连，该第三模数转换器22的输出端口与 所述的可编程逻辑器件24的第三数字输入总线相连，第四乘法器19的输出端口与第四模数转换器23的输入端口相连，该第四模数转换器24的输出端口与所述的可编程逻辑器件24的第四数字输入总线相连，可编程逻辑器件24的传感伪随机序列输出端口与所述的放大器25的输入端口相连，放大器25的输出端口与所述的电光调制器3调制信号输入端口相连，可编程逻辑器件24的本地伪随机序列的输出端口分别与所述的第一延时器26的输入端口和所述的第二延时器27的输入端口相连，第一延时器26的输出端口分别与第一乘法器16的第二输入端口和第三乘法器18的第二输入端口相连，第二延时器27的输出端口分别与第二乘法器17的第二输入端口和第四乘法器19的第二输入端口相连。
本发明装置的基本原理如下：
第一、窄线宽激光器输出的光信号经第一光纤耦合器分为探测光和本振光，探测光经电光调制器，伪随机码驱动电光调制器对输入连续激光进行相位调制。伪码的0对应调制相位0，伪码的1对应调制相位π。
第二、调制后的光信号通过环形器注入双光纤光缆，双光纤光缆能够使两根光纤的外部环境一致，使两根光纤包裹在光缆中的部分的光相位信息一致。假设双光纤光缆中参考支路和传感支路的长度分别为l1和l2，则传感光纤中Δl＝l2-l1段光纤是实际的检测外部信号的部分。探测光信号往返参考支路和传感支路的时间分别为t1＝2nl1/c、t2＝2nl2/c，式中c为光速，n为光纤折射率。双光纤光缆中待测振动产生的光相位差信号为Δφ(t)＝4πn(t)Δl(t)/c。
第三、本振光经过声光调制器移频之后，产生一定的频移。经双光纤光缆反射回来的光信号与频移后的光分别经过第一偏振控制器和第二偏振控制器，确保用双平衡探测器进行外差分偏振接收。由于偏振衰落会导致某些时刻反射回来的信号与本振光拍频信号幅度接近零，导致相位解调出现误差，分偏振接收能够大大降低偏振衰落的影响。
第四、本地伪随机序列经过延时器，分别延时t1和t2后，与接收到的反射光信号进行乘法(相关)运算。由于伪随机序列的自相关系数为1，互相关系数为0。因此，延时t1后的本地伪随机序列与反射回的信号相关运算后得到位置l1处参考支路反射点反射回的信号；同理，延时t2后本地伪随机序列与反射回的信号相关运算后得 到位置l2处的传感光纤反射回来的信号。
第五、相关运算得到的模拟信号，经过模数转换器转换为数字信号之后，接入可编程逻辑器件，进行数字相位解调，例如采用正交相位解调的方式。解调出的l1处的两种偏振态的相位信息为和l2处两种偏振态的相位信息分别为则传感光纤段内的两种偏振态的相位信息为和
以上技术方案可以实现一种高灵敏度双光纤光缆传感器。虽然参照上述具体实施例详细地描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施方式和实施例，对于本专业领域技术人员来说，可对其形式和细节进行各种改变。例如光纤激光器的形式可以替代为其它窄线宽单频激光器；激光器的工作波段可以替换为其它波段；环形器可用耦合器替代；环形器后面的双光纤光缆可以通过1×N耦合器扩展为多路并联的方式，实现多点传感，参考图2；可以与通信复用；可以多波长复用；可编程逻辑器件也可以替换为其他种类的数字信号处理器，如计算机、单片机等。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种高灵敏度双光纤光缆传感器，特征在于其构成包括窄线宽激光器(1)、第一光纤耦合器(2)、电光调制器(3)、声光调制器(4)、环形器(5)、第二光纤耦合器(6)、双光纤光缆(7)、第三光纤耦合器(8)、第四光纤耦合器(9)、第一偏振控制器(10)、第二偏振控制器(11)、第一双平衡探测器(12)、第二双平衡探测器(13)、第一低通滤波器(14)、第二低通滤波器(15)、第一乘法器(16)、第二乘法器(17)、第三乘法器(18)、第四乘法器(19)、第一模数转换器(20)、第二模数转换器(21)、第三模数转换器(22)、第四模数转换器(23)、可编程逻辑器件(24)、放大器(25)、第一延时器(26)和第二延时器(27)；
所述的窄线宽激光器(1)的输出端口与所述的第一光纤耦合器(2)的输入端口相连，该第一光纤耦合器(2)的第一输出端口与所述的电光调制器(3)光信号输入端相连，该第一光纤耦合器(2)的第二输出端口与所述的声光调制器(4)的光信号输入端口相连，所述的电光调制器(3)的光信号输出端口与所述的环形器(5)第一端口相连，该环形器(5)的第二端口与第二光纤耦合器(6)的输入端口相连，该环形器(5)的第三端口与所述的第三光纤耦合器(8)的输入端相连，第二光纤耦合器(6)的第一输出端口与所述的双光纤光缆(7)的传感光纤相连，第二光纤耦合器(6)的第二输出端口与所述的双光纤光缆(7)的参考光纤相连，第三光纤耦合器(8)的第一输出端口与所述的第一双平衡探测器(12)的第一输入端口相连，第三光纤耦合器(8)的第二输出端口与所述的第一偏振控制器(10)的输入端口相连，第一偏振控制器(10)的输出端口与所述的第二双平衡探测器(13)的第一输入端口相连，所述的声光调制器(4)的光信号输出端口与所述的第四光纤耦合器(9)的输入端口相连，该第四光纤耦合器(9)的第一输出端口与所述的第二偏振控制器(11)的输入端口相连，该第二偏振控制器(11)的输出端口与第一双平衡探测器(12)的第二输入端口相连，第四光纤耦合器(9)的第二输出端口与所述的第二双平衡探测器(13)的第二输入端口相连，第一双平衡探测器(12)的输出端口与所述的第二低通滤波器(15)的输入端口相连，第二双平衡探测器(13)的输出端口与所述的第一低通滤波器(14)的输入端口相连，该第一低通滤波器(14)的输出端口分别与第一乘法器(16)的第一输入端口和第二乘法器(17)的第一输入端口相连，第二低通滤波器(15)的输出端口分别与第三乘法器(18)的第一输入端口和第四乘法器(19)的第一输入端口相连，第一乘法器(16)的输出端口与所述的第一模数转换器(20)的输入端口相连，该第一模数转换器(20)的输出端口与所述的可编程逻辑器件(24)的第一数字输入总线相连，第二乘法器(17)的输出端 口与第二模数转换器(21)的输入端口相连，该第二模数转换器(21)的输出端口与所述的可编程逻辑器件(24)的第二数字输入总线相连，第三乘法器(18)的输出端口与第三模数转换器(22)的输入端口相连，该第三模数转换器(22)的输出端口与所述的可编程逻辑器件(24)的第三数字输入总线相连，第四乘法器(19)的输出端口与第四模数转换器(23)的输入端口相连，该第四模数转换器(23)的输出端口与所述的可编程逻辑器件(24)的第四数字输入总线相连，可编程逻辑器件(24)的传感伪随机序列输出端口与所述的放大器(25)的输入端口相连，放大器(25)的输出端口与所述的电光调制器(3)调制信号输入端口相连，可编程逻辑器件(24)的本地伪随机序列的输出端口分别与所述的第一延时器(26)的输入端口和所述的第二延时器(27)的输入端口相连，第一延时器(26)的输出端口分别与第一乘法器(16)的第二输入端口和第三乘法器(18)的第二输入端口相连，第二延时器(27)的输出端口分别与第二乘法器(17)的第二输入端口和第四乘法器(19)的第二输入端口相连。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度双光纤光缆传感器，其特征在于采用双光纤光缆(7)，其中一根为参考光纤，全包括在光缆里，其端面反射的信号作为参考支路，另一根为传感光纤，与参考支路相比有一部分裸露在光缆之外，其端面反射回来的信号作为传感信号。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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