CN106525362B - 光纤分布式传感监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光纤分布式传感监测系统，属于光纤分布式传感技术领域，该系统包括信号光产生装置、第一光耦合器、传感光纤、光分束器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一干涉调制装置、第二干涉调制装置及解调装置。分别通过第一干涉调制装置对第一偏振控制器输出的第一线偏振光进行干涉调制，通过第二干涉调制装置对第二偏振控制器输出的第二线偏振光进行干涉调制，进而解调第一干涉调制装置输出的第一干涉信号和第二干涉调制装置输出的第二干涉信号得到相应的传感信号，能够尽可能地保证传感信号不丢失，有效地提高了光纤分布式传感监测系统的信噪比。

Description

光纤分布式传感监测系统
技术领域
本发明涉及光纤分布式传感技术领域，具体而言，涉及一种光纤分布式传感监测系统。
背景技术
随着我国国民经济的高速发展，社会对能源尤其是油气资源的需求量越来越大。在国家能源战略中，油气储运的建设和发展关系到为国民经济建设和社会发展提供长期、稳定、经济、安全的能源保障的战略全局。管道运输是继公路、铁路、水路、航空运输之后的第五大运输方式，其发展状况直接体现了一个国家运输业的水平。故管道泄漏的监测技术成为科技工作者的研究热点。
分布式光纤传感技术由于具有传感空间范围大、传感与传光为同一根光纤、结构简单、使用方便、单位长度内信号获取成本低、性价比高等优选被广泛地应用于管道泄漏的监测技术中。现有的光纤分布式声波监测系统中，利用传感光纤上的不同单位长度间的背向瑞利散射信号作为传感信号的载体，进一步完成相应位置上的传感信号的相位变化解析，以测得传感信号。然而，由于背向瑞利散射信号非常微弱，且环境噪声极易改变光在传输过程中的偏振态，导致传感信号淹没在噪声信号中，造成系统无法解调出相应的传感信号。
发明内容
有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种光纤分布式传感监测系统，以有效地改善上述问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：
本发明实施例提供了一种光纤分布式传感监测系统，包括信号光产生装置、第一光耦合器、传感光纤、光分束器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一干涉调制装置、第二干涉调制装置及解调装置，所述传感光纤用于感应传感信号。所述信号光产生装置产生的信号光经过所述第一光耦合器输入所述传感光纤。所述传感光纤中的携带所述传感信号的背向瑞利散射光返回所述第一光耦合器，经所述第一光耦合器输入所述光分束器，经所述光分束器分为第一光束和第二光束。所述第一光束经所述第一偏振控制器处理为第一线偏振光后入射到所述第一干涉调制装置，所述第二光束经所述第二偏振控制器处理为第二线偏振光后也入射到所述第二干涉调制装置，其中，所述第一线偏振光和所述第二线偏振光的偏振方向满足预设关系。所述解调装置用于对所述第一干涉调制装置输出的第一干涉信号和所述第二干涉调制装置输出的第二干涉信号进行解调得到所述传感信号。
在本发明较佳的实施例中，上述第一偏振控制器和第二偏振控制器均为光纤线圈偏振控制器，所述光纤线圈偏振控制器包括绕制于筒状压电陶瓷的外壁的光纤线圈。所述第一偏振控制器的光纤线圈的输入端与所述光分束器的第一分束端耦合，所述第一偏振控制器的光纤线圈的输出端与所述解调装置耦合。所述第二偏振控制器的光纤线圈的输入端与所述光分束器的第二分束端耦合，所述第二偏振控制器的光纤线圈的输出端与所述解调装置耦合。所述系统还包括电压输出装置，所述第一偏振控制器的筒状压电陶瓷、所述第二偏振控制器的筒状压电陶瓷及所述解调装置均与所述电压输出装置电连接。
在本发明较佳的实施例中，上述光纤线圈为λ/4光纤线圈。
在本发明较佳的实施例中，上述光纤线圈偏振控制器还包括第一壳体，所述绕制于筒状压电陶瓷的外壁的光纤线圈封装于所述第一壳体内。
在本发明较佳的实施例中，上述光纤线圈偏振控制器还包括电机及传动轴，所述电机的转轴与所述传动轴连接，所述电机通过所述传动轴与设置于所述第一壳体底部的转动连接口连接。所述第一偏振控制器的电机与所述第二偏振控制器的电机均与所述电压输出装置电连接。所述第一偏振控制器的电机用于带动所述第一偏振控制器的光纤线圈转动以使得该光纤线圈输出所述第一线偏振光。所述第二偏振控制器的电机用于带动所述第二偏振控制器的光纤线圈转动以使得该光纤线圈输出所述第二线偏振光。
在本发明较佳的实施例中，上述光纤线圈偏振控制器还包括第二壳体，封装有所述绕制于筒状压电陶瓷的外壁的光纤线圈的所述第一壳体设置在所述第二壳体内，所述第二壳体设置有第一开口、第二开口和第三开口，所述第一开口用于穿入所述传动轴，所述第二开口用于穿出所述光纤线圈的线圈入线，所述第三开口用于穿出所述光纤线圈的线圈出线。
在本发明较佳的实施例中，上述第一线偏振光和第二线偏振光的偏振方向相互正交。
在本发明较佳的实施例中，上述第一干涉调制装置包括第一光纤干涉仪，所述第二干涉调制装置包括第二光纤干涉仪，所述解调装置包括第一偏振合束器、第一光电探测器和数据处理器。所述第一光纤干涉仪的输入端与所述第一偏振控制器的输出端耦合，所述第二光纤干涉仪的输入端与所述第二偏振控制器的输出端耦合，所述第一光纤干涉仪的输出端与所述第二光纤干涉仪的输出端均与所述第一偏振合束器的输入端耦合，所述第一偏振合束器的输出端与所述第一光电探测器的输入端耦合，所述第一光电探测器的输出端与所述数据处理器电连接。所述第一线偏振光进入经所述第一光纤干涉仪的干涉处理后形成第一干涉信号，所述第二线偏振光经所述第二光纤干涉仪的干涉处理后形成第二干涉信号。所述第一干涉信号与所述第二干涉信号均进入所述第一偏振合束器，经所述第一偏振合束器的合束处理后经所述第一光电探测器转换为电信号进入所述数据处理器。所述数据处理器用于处理所述电信号得到所述传感信号。
在本发明较佳的实施例中，上述第一干涉调制装置还包括第二光耦合器，所述第二干涉调制装置还包括第三光耦合器，所述解调装置还包括第二偏振合束器、第三偏振合束器、第二光电探测器及第三光电探测器，所述第一光纤干涉仪包括第一3×3耦合器，所述第二光纤干涉仪包括第二3×3耦合器。所述第一偏振控制器的输出端与所述第二光耦合器的第一端口耦合，所述第二光耦合器的第二端口与所述第一3×3耦合器的第一端口耦合，所述第二光耦合器的第三端口与所述第一偏振合束器的输入端耦合，所述第一3×3耦合器的第二端口与所述第二偏振合束器的输入端耦合，所述第一3×3耦合器的第三端口与所述第三偏振合束器的输入端耦合。所述第二偏振控制器的输出端与所述第三光耦合器的第一端口耦合，所述第三光耦合器的第二端口与所述第二3×3耦合器的第一端口耦合，所述第三光耦合器的第三端口与所述第一偏振合束器的输入端耦合，所述第二3×3耦合器的第二端口与所述第二偏振合束器的输入端耦合，所述第二3×3耦合器的第三端口与所述第三偏振合束器的输入端耦合。所述第二偏振合束器的输出端与所述第二光电探测器的输入端耦合，所述第三偏振合束器的输出端与所述第三光电探测器的输入端耦合，所述第二光电探测器的输出端与所述第三光电探测器的输出端均与所述数据处理器电连接。
在本发明较佳的实施例中，上述第一光纤干涉仪和第二光纤干涉仪均为迈克尔逊光纤干涉仪。
本发明实施例提供的光纤分布式传感监测系统，通过光分束器将携带传感信号的背向瑞利散射光进行分束为第一光束和第二光束，通过第一偏振控制器和第二偏振控制器分别将第一光束和第二光束处理为偏振方向满足预设关系的第一线偏振光和第二线偏振光。分别通过第一干涉调制装置和第二干涉调制装置对第一线偏振光和第二线偏振光进行干涉调制，再经解调装置解调第一干涉调制装置输出的第一干涉信号和第二干涉调制装置输出的第二干涉信号得到相应的传感信号，能够尽可能地保证传感信号不丢失，有效地提高了光纤分布式传感监测系统的信噪比。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了本发明实施例提供的光纤分布式传感监测系统的一种结构示意图；
图2示出了本发明实施例提供的光纤线圈偏振控制器的一种结构在一种视角下的示意图；
图3示出了本发明实施例提供的光纤线圈偏振控制器的一种结构在另一种视角下的示意图；
图4示出了本发明实施例提供的光纤线圈偏振控制器的另一种结构在一种视角下的示意图；
图5示出了本发明实施例提供的光纤线圈偏振控制器的第二壳体在另一种视角下的示意图；
图6示出了本发明实施例提供的光纤分布式传感监测系统的另一种结构示意图；
图7示出了本发明实施例提供的相位载波解调算法的结构框图；
图8示出了本发明实施例提供的光纤分布式传感监测系统的又一种结构示意图；
图9示出了本发明实施例提供的3×3耦合器解调算法的结构框图。
图中：1-光纤分布式传感监测系统；10-信号光产生装置；20-第一环形器；30-传感光纤；40-光分束器；51-第一偏振控制器；52-第二偏振控制器；50-光纤线圈偏振控制器；501-光纤线圈；502-第一壳体；503-转动连接口；504-线圈入口；505-电机；506-第二壳体；507-线圈入线；508-线圈入线固定处；509-传动轴；510-线圈出线；511-线圈出线固定处；512-第一开口；513-第二开口；514-线圈出口；515-第三开口；61-第一干涉调制装置；610-第二环形器；611-第一3×3耦合器；62-第二干涉调制装置；620-第三环形器；621-第二3×3耦合器；70-解调装置；701，711-第一偏振合束器；712-第二偏振合束器；713-第三偏振合束器；702，721-第一光电探测器；722-第二光电探测器；723-第三光电探测器；703，730-数据处理器；80-电压输出装置。
具体实施方式
现有的光纤分布式声波监测系统中，利用传感光纤上的不同单位长度间的背向瑞利散射信号作为传感信号的载体，进一步完成相应位置上的传感信号的相位变化解析，以测得传感信号。然而，由于背向瑞利散射信号非常微弱，且环境噪声极易改变光在传输过程中的偏振态，导致传感信号淹没在噪声信号中，造成系统无法解调出相应的传感信号。
鉴于此，本发明实施例提供了一种光纤分布式传感监测系统，以改善上述由于背向瑞利散射信号非常微弱，且环境噪声极易改变光在传输过程中的偏振态，导致传感信号淹没在噪声信号中，造成系统无法解调出相应的传感信号的问题。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”、“电连接”、“耦合”应做广义理解，例如，可以是直接连接或耦合，也可以通过中间媒介间接连接或耦合，可以是两个元件内部的连通。其中，“耦合”表示光学器件之间的光耦合。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明实施例提供了一种光纤分布式传感监测系统1，包括信号光产生装置10、第一光耦合器、传感光纤30、光分束器40、第一偏振控制器51、第二偏振控制器52、第一干涉调制装置61、第二干涉调制装置62及解调装置70。
本实施例中，信号光产生装置10用于产生信号光，并将信号光经过第一光耦合器输入传感光纤30。信号光产生装置10可以包括超窄线宽激光器和声光调制器，超窄线宽激光器发出的激光进入到声光调制器，经过声光调制器将连续激光调制成脉冲脉宽为τ，周期为T的脉冲激光，即上述信号光为脉冲激光。此外，信号光产生装置10还可以包括第一光放大器和超窄带宽第一光滤波器依次耦合。其中，第一光放大器用于提高信号光的能量以增加信号光的传播距离，超窄带宽第一光滤波器用于滤除信号光中脉宽较大的脉冲。当然，信号光产生装置10也可以采用窄带宽的脉冲激光器。
传感光纤30为分布于待测目标表面的单根光纤，用于感应传感信号。例如，待测目标为输运油、气的管道时，传感光纤30分布于管道表面，当管道发生泄漏时，在管道内外压差的作用下泄漏点处将有油、气流出，从而产生声波。泄漏点油、气流出产生的声波即传感信号将会对传感光纤30中传输的信号光产生扰动。由于瑞利散射属于光纤的本征损耗，本实施例中，以传感光纤30中的背向瑞利散射光作为传感信号的载体，通过显示损耗与传感光纤30长度的关系来检测外界传感信号分布于传感光纤30上的扰动信息。
第一光耦合器可以为第一环形器20，第一环形器20包括第一端口、第二端口和第三端口，由信号光产生装置10输出的信号光由第一环形器20的第一端口输入第一环形器20并从第一环形器20的第二端口输出至传感光纤30。从传感光纤30中返回的携带传感信号的背向瑞利散射光从由第二端口输入、第三端口输出至光分束器40。由于背向瑞利散射光较微弱，可以在第一环形器20与光分束器40之间设置第二光放大器和超窄带宽第二光滤波器。
光分束器40可以为1×2耦合器，也可以是其它类型的分束器，用于将入射的信号光分为第一光束和第二光束。优选的，1×2耦合器的分束能量比为50:50。光分束器40包括第一分束端和第二分束端，第一光束由第一分束端输出，第二光束由第二分束端输出。
第一偏振控制器51的输入端与光分束器40的第一分束端耦合，第二偏振控制器52的输入端与光分束器40的第二分束端耦合。第一光束由第一分束端输出至第一偏振控制器51，第二光束由第二分束端输出至第二偏振控制器52。第一偏振控制器51用于控制第一光束的偏振方向，将第一光束转换为第一线偏振光输出。相应地，第二偏振控制器52也用于控制第二光束的偏振方向，将第二光束转换为第二线偏振光输出。通过调节第一偏振控制器51和第二偏振器，使得上述第一线偏振光和第二线偏振光的偏振方向满足预设关系。优选的，上述第一线偏振光和第二线偏振光的偏振方向满足的预设关系为：第一线偏振光的偏振方向和第二线偏振光的偏振方向相互正交。需要说明的是，由于受到第一偏振控制器51和第二偏振控制器52调节精度的影响，第一线偏振光和第二线偏振光的偏振方向可能并不是绝对的正交，存在一定的误差。
本实施例中，第一偏振控制器51和第二偏振控制器52可以均采用光纤线圈偏振控制器。下面将对光纤线圈偏振控制器的具体结构和原理进行介绍。
如图2所示，光纤线圈偏振控制器50包括绕制于筒状压电陶瓷的外壁的光纤线圈501。光纤线圈501的弯曲半径R(m，N)与缠绕匝数、分波系数的关系式如下：
式(1)中，a为常数，例如，对于二氧化硅作纤芯和包层的单模光纤，a＝0.133；r为光纤的半径；N为缠绕匝数；m为分波系数。
本实施例中，光纤线圈501为λ/4光纤线圈，能够等效于四分之一波片。具体的，选定半径为R的筒状压电陶瓷，对于λ/4光纤线圈，m＝4，根据式(1)计算出相应的缠绕匝数N。光纤线圈501中的光纤优选采用单模耐弯曲光纤。将单模耐弯曲光纤在筒状压电陶瓷的外壁按照周向方向在压电陶瓷外壁上绕制N匝，利用光纤弯曲引起光纤横截面内的应力具有各向异性的分布，由于光弹效应，使光纤材料折射率分布发生变化，从而产生附加的应力双折射，引起导波偏振态的变化，以实现对偏振态的控制，使得光纤线圈501输出用户所需要的偏振方向的线偏振光。
然而，一方面，由于上述第一光束和第二光束可能并不是标准的椭圆偏振光，而是部分偏振光，此时现有的λ/4光纤线圈无法得到较准确的线偏振光；另一方面，由于光纤线圈501的弯曲半径R不精确，影响了光纤线圈501的线偏振态输出，不利于光纤分布式传感监测系统1的解调。因此，本发明实施例中，λ/4光纤线圈绕制于筒状压电陶瓷的外壁，由于压电陶瓷具有电磁伸缩效应，在压电陶瓷的正负极通电时可以引起缠绕在外壁的单模耐弯曲光纤的长度、弯曲半径发生变化，并能够通过挤压光纤产生附加的应力双折射。因此，通过控制施加到压电陶瓷上的电压数值能够对光纤线圈501参数进行微调，从而实现光纤线圈501的线偏振态输出。
进一步的，光纤线圈偏振控制器50还包括第一壳体502，绕制于筒状压电陶瓷的外壁的光纤线圈501封装于第一壳体502内。图2示出了光纤线圈偏振控制器50的主视图，图3示出了图2的左视图。具体的，将缠绕完毕后的压电陶瓷放置在第一壳体502内，如图3所示，第一壳体502设置有线圈入口504和线圈出口514，将光纤线圈501的线圈入线507穿出线圈入口504，将光纤线圈501的线圈出线510穿出线圈出口514。其中，线圈入线507包括单模耐弯曲光纤的入线和压电陶瓷的正电极入线，线圈出线510包括单模耐弯曲光纤的出线和压电陶瓷的负电极出线。将环氧树脂胶灌入到第一壳体502内，从而将绕制于筒状压电陶瓷的外壁的光纤线圈501封装在第一壳体502内。第一壳体502能够起到隔声、隔振、固定功能。
进一步的，为了更准确地调节光纤线圈501输出的线偏振光的偏振方向，如图4所示，光纤线圈偏振控制器50还包括电机505及传动轴509，第一壳体502的底部设置有转动连接口503。电机505的转轴与传动轴509连接，电机505通过传动轴509与设置于第一壳体502底部的转动连接口503连接。此时，控制电机505的转轴沿着ω方向转动即可以控制光纤线圈501的偏转角度，从而控制光纤线圈501输出的线偏振光的偏振方向。本实施例中，电机505可以为步进电机。
光纤线圈501为λ/4线圈，当线圈平面转过α时，λ/4光纤线圈输出的线偏振光的方向转过β，α与β的关系如式(2)所示。
β＝4(1-t)α (2)
式(2)中，t为反映光纤材料特性的常数，对于所有掺杂二氧化硅，t＝0.08。如图4所示，电机505的转轴转动第一预设角度时，带动传动轴509沿ω方向转动，进而带动光纤线圈501沿着ω方向转动第二预设角度，从而使得光纤线圈501的线圈平面由图4所示的初始位置转动至预设位置，实现所需偏振方向的线偏振光输出。其中，第二预设角度根据所需偏振方向设置，第一预设角度根据电机505的转轴与λ/4光纤线圈之间的传动比设置。
进一步的，如图4所示，光纤线圈偏振控制器50还包括第二壳体506，上述封装有绕制于筒状压电陶瓷外壁的光纤线圈501的第一壳体502设置在第二壳体506内。第二壳体506具有隔离声音的功能，能够有效地避免外界声音信号对光纤线圈501的偏振态调制的干扰。需要说明的是，图4为光纤线圈偏振控制器50的主视图，图5为图4中所示的第二壳体506的左视图。如图5所示，为了穿过传动轴509、线圈入线507和线圈出线510，第二壳体506设置有第一开口512、第二开口513和第三开口515。其中，第一开口512用于穿入传动轴509，第二开口513用于穿出光纤线圈501的线圈入线507，第三开口515用于穿出光纤线圈501的线圈出线510。为了避免线圈入线507和线圈出线510发生窜动，如图4所示，将线圈入线507和线圈出线510分别使用环氧树脂胶点固在线圈入线固定处508和线圈出线固定处511。
使用时，第一偏振控制器51的光纤线圈501的输入端(单模耐弯曲光纤的入线)与光分束器40的第一分束端耦合，第一偏振控制器51的光纤线圈501的输出端(单模耐弯曲光纤的出线)与解调装置70耦合。第二偏振控制器52的光纤线圈501的输入端与光分束器40的第二分束端耦合，第二偏振控制器52的光纤线圈501的输出端与解调装置70耦合。
此时，为了保证第一偏振控制器51和第二偏振控制器52输出线偏振光，并使得第一偏振控制器51输出的第一线偏振光和第二偏振控制器52输出的第二线偏振光的偏振方向满足上述预设关系。需要分别对第一偏振控制器51和第二偏振控制器52进行调节。因此，本实施例提供的光纤分布式传感监测系统1还包括电压输出装置，电压输出装置与解调装置70电连接。第一偏振控制器51与第二偏振控制器52均与电压输出装置电连接，具体的，第一偏振控制器51中的压电陶瓷与第二偏振控制器52中的压电陶瓷也均与电压输出装置电连接，且第一偏振控制器51中的电机505与第二偏振控制器52中的电机505均与电压输出装置电连接。
电压输出装置向第一偏振控制器51的压电陶瓷输入第一电压，向第二偏振控制器52的压电陶瓷输入第二电压，利用压电陶瓷具有的电磁伸缩效应，对第一偏振控制器51和第二偏振控制器52的光纤线圈501参数进行微调，从而实现第一偏振控制器51的光纤线圈501的线偏振态输出和第二偏振控制器52的光纤线圈501的线偏振态输出。
此外，电压输出装置向第一偏振控制器51的电机505输入第三电压，使得第一偏振控制器51的线圈平面偏转第一角度，此时，第一偏振控制器51将输入的第一光束处理为第一线偏振光。相应地，电压输出装置向第二偏振控制器52的电机505输入第四电压，使得第二偏振控制器52的线圈平面偏转第二角度，此时，第二偏振控制器52将输入的第二光束处理为第二线偏振光，并使得第一线偏振光和所述第二线偏振光的偏振方向相互正交。其中，第一电压、第二电压、第三电压和第四电压根据需要设置。
本实施例中，第一偏振控制器51和第二偏振控制器52采用上述的光纤线圈偏振控制器50相比于现有的偏振控制器，通过设置电机505和压电陶瓷能够有效地提高偏振态和偏振方向的控制精度，有利于提高本实施例提供的光纤分布式传感监测系统1的信噪比。
当然，除了上述光纤线圈偏振控制器50外，第一偏振控制器51和第二偏振控制器52也可以采用1/4波片、1/4波片和1/2波片的组合或其他偏振控制器件。
进一步的，第一干涉调制装置61接收由第一偏振控制器51输出的第一线偏振光，将第一线偏振光调制为第一干涉信号并输出至解调装置70。第二干涉调制装置62接收由第二偏振控制器52输出的第二线偏振光，将第二线偏振光调制为第二干涉信号并输出至解调装置70。
解调装置70用于对第一干涉调制装置61输出的第一干涉信号和第二干涉调制装置62输出的第二干涉信号进行解调得到传感信号。
本发明实施例主要提供了两种解调方式，两种解调方式分别对应于干涉调制装置和解调装置70的两种具体实施方式。下面将分别对这两种具体实施方式下的光纤分布式传感监测系统1进行描述。
作为一种具体实施方式，如图6所示，第一干涉调制装置61包括第一光纤干涉仪，第二干涉调制装置62包括第二光纤干涉仪，解调装置70包括第一偏振合束器701、第一光电探测器702和数据处理器703。
第一光纤干涉仪的输入端与第一偏振控制器51的输出端耦合，第二光纤干涉仪的输入端与所述第二偏振控制器52的输出端耦合，第一光纤干涉仪的输出端与第二光纤干涉仪的输出端均与第一偏振合束器701的输入端耦合，第一偏振合束器701的输出端与第一光电探测器702的输入端耦合，第一光电探测器702的输出端与数据处理器703电连接。
本实施例中，第一光纤干涉仪和第二光纤干涉仪均优选为迈克尔逊光纤干涉仪。
第一光纤干涉仪包括第一2×2耦合器、第一相位调制器、第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜。第二光纤干涉仪包括第二2×2耦合器、第二相位调制器、第三法拉第旋转镜和第四法拉第旋转镜。
如图6所示，超窄线宽激光器输出的激光进入到声光调制器，经过声光调制器将连续激光调制成脉冲脉宽为τ，周期为T的脉冲激光，脉冲激光依次经过第一光放大器和超窄线宽第一光滤波器后形成信号光。信号光进入第一环形器20的C11端、经过第一环形器20的C13端注入长度为Y的传感光纤30。传感光纤30中携带传感信号的背向瑞利散射光返回到第一环形器20的C13端，经第一环形器20的C12端输出，依次经过第二光放大器、超窄线宽第二光滤波器进入光分束器40的E31端。经光分束器40分束为第一光束和第二光束，第一光束由光分束器40的第一分束端E32端输出进入到第一偏振控制器51的Q11端，第二光束由和光分束器40的第二分束端E33输出进入到第二偏振控制器52的Q21端。
第一偏振控制器51的Q12端输出的第一线偏振光进入到第一2×2耦合器的E11端，经第一2×2耦合器分光后，第一2×2耦合器E13端输出的光经过长度为L1的光纤进入到第一法拉第旋转镜。第一2×2耦合器E14端输出的光经过第一相位调制器进入到第二法拉第旋转镜。连接第一相位调制器和第二法拉第旋转镜的是长度为L2的光纤，其中，L1＞L2，且L1-L2＝S。两束光分别经第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜反射返回到第一2×2耦合器处发生干涉形成第一干涉信号，第一干涉信号经第一2×2耦合器E12端进入到第一偏振合束器701的P41端。
第二偏振控制器52的Q22端输出的第二线偏振光进入到第二2×2耦合器的E21端，经第二2×2耦合器分光后，第二2×2耦合器E23端输出的光经过长度为L1的光纤进入到第三法拉第旋转镜，第二2×2耦合器E24端输出的光经过第二相位调制器进入到第四法拉第旋转镜。连接第二相位调制器和第四法拉第旋转镜的是光纤长度为L2的光纤，其中，L1-L2＝S。两束光分别经第三法拉第旋转镜和第四法拉第旋转镜反射返回到第二2×2耦合器处发生干涉形成第二干涉信号。第二干涉信号经第二2×2耦合器E22端进入到第一偏振合束器701的P42端。在此过程中，电压输出装置80相位载波信号F5到第一相位调制器和第二相位调制器进行载波调制。
自第一偏振合束器701的P41端进入的第一干涉信号和自P42端进入第二干涉信号经第一偏振合束器701合束后形成总干涉信号。总干涉信号由第一偏振合束器701的P43端进入到第一光电探测器702。第一光电探测器702将合束后的第一干涉信号和第二干涉信号转换为电信号输出到数据处理器703，进行相位载波解调(Phase Generated Carrier，PGC)，解调出相应的传感信号。其中，相位载波解调可以通过硬件实现，也可以通过软件实现，当通过硬件实现时，数据处理器703可以集成电路模块，当通过软件实现时，数据处理器703可以为计算机或具有数据处理功能的芯片。
根据第一光电探测器702探测到的光强大小，数据处理器703可以控制电压输出装置80发出电信号F1控制第二偏振控制器52的压电陶瓷，发出电信号F3控制第一偏振控制器51的压电陶瓷，以实现第一线偏振光和第二线偏振光的输出。此外，数据处理器703可以控制电压输出装置80发出电信号F2控制第一偏振控制器51的电机505，发出电信号F4控制第二偏振控制器52的电机505，以分别调节第一线偏振光和第二线偏振光的偏振方向，使得第一线偏振光和第二线偏振光的偏振方向相互正交。
图7示出了本实施例中采用的相位载波解调算法的模块框图。如图7所示，探测器信号与基频信号在第一乘法器相乘进入到第一低通滤波器，信号送至第一微分器，与第二低通滤波后的信号相乘，进入到减法器一端，与第四乘法器之后的信号进行减法运算；探测器信号与倍频信号在第二乘法器相乘进入到第二低通滤波器，信号送至第二微分器，与第一低通滤波后的信号相乘，进入到减法器一端，与第三乘法器之后的信号进行减法运算；两路信号同时送入减法器，运算后送入积分器、高通滤波器后，解调出传感信号。
根据光的相干原理，第一光电探测器702接收到的光强I可表示为：
I＝A+BcosΦ(t) (3)
式(3)中，A是上述总干涉信号的平均光功率，B是上述总干涉信号幅值，B＝κA，κ≤1为干涉条纹可见度。Φ(t)是总干涉信号的相位差。设 则式(3)可写为：
式(4)中，Ccosω0t是相位载波，C是幅值，ω0是载波频率；+Ψ(t)。当传感信号为声场信号时，Dcosωst是传感光纤30感应到的声场信号引起的相位变化。其中，D是幅值，ωs是声场信号频率，Ψ(t)是环境扰动等引起的初始相位的缓慢变化。将式(4)用Bessel函数展开得：
式(5)中，Jn(m)表示m调制深度下的n阶Bessel函数值。如图7所示，相位载波调制示意图利用Bessel函数展开后的信号I作为探测器信号，分别与基频信号(幅值是G)、二倍频信号(幅值是H)相乘。为了克服信号随外部的干扰信号的涨落而出现的消隐和畸变现象，对两路信号进行了微分交叉相乘(DCM)，微分交叉相乘后的信号经过差分放大、积分运算处理后转换为：
将代入式(6)有：
由式(7)可见，积分后得到的信号包含了待测信号Dcosωst和外界的环境信息。后者通常是个慢变信号，且幅度可以很大，可通过高通滤波器加以滤除，系统的最后输出为
B2GHJ1(C)J2(C)Dcosωst (8)
由式(8)可以求解出传感光纤30感应到的声场信号即传感信号引起的相位变化的Dcosωst信号。
作为另一种具体实施方式，如图8所示，第一干涉调制装置61包括第二光耦合器和第一光纤干涉仪，第二干涉调制装置62包括第三光耦合器和第二光纤干涉仪。解调装置70包括第一偏振合束器711、第二偏振合束器712、第三偏振合束器713、第一光电探测器721、第二光电探测器722、第三光电探测器723和数据处理器730。
本实施例中，第一光纤干涉仪包括第一3×3耦合器611、第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜、第三法拉第旋转镜和第四法拉第旋转镜。第二光耦合器可以为第二环形器610，第三光耦合器可以为第三环形器620。
此时，与上述实施方式的不同之处在于，第一偏振控制器51的Q12端输出的第一线偏振光依次经第二环形器610的C21端和C23端，进入到第一3×3耦合器611的B11端，经过第一3×3耦合器611分束，自第一3×3耦合器611的B14端输出的光经过长度为L1的光纤进入到第一法拉第旋转镜，自第一3×3耦合器611的B15端输出的光经过长度为L2的光纤进入到第二法拉第旋转镜，其中，L1-L2＝S。两束光分别经第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜反射返回到第一3×3耦合器611处发生干涉形成第一干涉信号。第一干涉信号分为三束光，第一束光经过第一3×3耦合器611的B11端进入到第二环形器610的C23，经第二环形器610的C22端进入到第一偏振合束器711的P11端，第二束光经第一3×3耦合器611的B12端进入到第二偏振合束器712的P21端，第三束光经第一3×3耦合器611的B13端进入到第三偏振合束器713的P31端。
第二偏振控制器52的Q22端输出的第二线偏振光依次经第三环形器620的C31端和C33端进入到第二3×3耦合器621的B21端，经过第二3×3耦合器621分束，自第二3×3耦合器621的B24端输出的光经过长度为L1的光纤进入到第三法拉第旋转镜，自第二3×3耦合器621的B25端输出的光经过长度为L2的光纤进入到第四法拉第旋转镜，其中，L1-L2＝S，两束光分别经第三法拉第旋转镜和第四法拉第旋转镜反射返回到第二3×3耦合器621处发生干涉形成第二干涉信号。第二干涉信号也分为三束光，第一束光经过第二3×3耦合器621的B21端输出至第三环形器620的C33端，经过第三环形器620的C32端进入到第一偏振合束器711的P12端；第二束光经过第二3×3耦合器621的B22端进入到第二偏振合束器712的P22端；第三束光经过第二3×3耦合器621的B23端进入到第三偏振合束器713的P32端。
输入第一偏振合束器711的P11端和P12端的光在第一偏振合束器711合束后经P13端进入到第一光电探测器721、经第一光电探测器721转换为第一电信号输入至数据处理器730。输入第二偏振合束器712的P21端和P22端的光在第二偏振合束器712合束后经P23端进入到第二光电探测器722、经第二光电探测器722转换为第二电信号输入至数据处理器730。输入第三偏振合束器713的P31端和P32端的光在第三偏振合束器713合束后经P33端进入到第三光电探测器723、经第三光电探测器723转换为第三电信号输入至数据处理器730。第一电信号、第二电信号和第三电信号同时送入数据处理器730进行3×3耦合器算法解调，解调出相应传感信号。
根据第一光电探测器721、第二光电探测器722、第三光电探测器723接收到的光强大小，数据处理器730可以控制电压输出装置80发出电信号F6、F8分别控制第一偏振控制器51和第二偏振控制器52的压电陶瓷，以实现第一线偏振光和第二线偏振光的输出。此外，数据处理器730可以控制电压输出装置80发出电信号F7和F9控制第一偏振控制器51和第二偏振控制器52的电机505，以分别调节第一线偏振光和第二线偏振光的偏振方向，使得第一线偏振光和第二线偏振光的偏振方向相互正交。
需要说明的是，本实施例优选采用改进后的3×3耦合器解调算法。改进后的3×3耦合器解调算法能够有效地改善因为3×3耦合器夹角存在误差导致相位解调的失真的问题，其解调原理如下：
其中，A，B，C分别表示3×3耦合器的三路输出，其中，D为直流信号，I0为信号幅值，是传感信号，θ是3×3耦合器的夹角。
式(9)(10)(11)可以写为：
根据式(12)可以进一步求解得到式(13)：
式(13)中，T为关于耦合器的夹角的矩阵，由式(13)可以看出，的求取已经不依赖于普通3×3耦合器的120度。
进一步，如图9所示，将信号A和信号B经过微分器进行如式(14)和式(15)所示的微分处理。
然后，再将经过微分处理后的信号经过减法器，进行式(16)所示的减法处理：
同时，将信号A和信号B依次经过平方器、加法器处理得到：
进一步，将式(16)除以式(17)后，再经过积分器的积分处理就可以得出
综上所述，本发明实施例提供的光纤分布式传感监测系统1，通过光分束器40将携带传感信号的背向瑞利散射光进行分束为第一光束和第二光束，通过第一偏振控制器51和第二偏振控制器52分别将第一光束和第二光束处理为偏振方向满足预设关系的第一线偏振光和第二线偏振光。分别通过第一干涉调制装置61和第二干涉调制装置62对第一线偏振光和第二线偏振光进行干涉调制，再经解调装置70解调第一干涉调制装置61输出的第一干涉信号和第二干涉调制装置62输出的第二干涉信号得到相应的传感信号，能够尽可能地保证传感信号不丢失，有效地提高了光纤分布式传感监测系统1的信噪比。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种光纤分布式传感监测系统，其特征在于，包括信号光产生装置、第一光耦合器、传感光纤、光分束器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一干涉调制装置、第二干涉调制装置及解调装置，所述传感光纤用于感应传感信号；
所述信号光产生装置产生的信号光经过所述第一光耦合器输入所述传感光纤；
所述传感光纤中的携带所述传感信号的背向瑞利散射光返回所述第一光耦合器，经所述第一光耦合器输入所述光分束器，经所述光分束器分为第一光束和第二光束，所述第一光束经所述第一偏振控制器处理为第一线偏振光后入射到所述第一干涉调制装置，所述第二光束经所述第二偏振控制器处理为第二线偏振光后也入射到所述第二干涉调制装置，其中，所述第一线偏振光和所述第二线偏振光的偏振方向满足预设关系；
所述解调装置用于对所述第一干涉调制装置输出的第一干涉信号和所述第二干涉调制装置输出的第二干涉信号进行解调以得到所述传感信号；
所述第一偏振控制器和所述第二偏振控制器均为光纤线圈偏振控制器，所述光纤线圈偏振控制器包括绕制于筒状压电陶瓷的外壁的光纤线圈；
所述第一偏振控制器的光纤线圈的输入端与所述光分束器的第一分束端耦合，所述第一偏振控制器的光纤线圈的输出端与所述解调装置耦合，所述第二偏振控制器的光纤线圈的输入端与所述光分束器的第二分束端耦合，所述第二偏振控制器的光纤线圈的输出端与所述解调装置耦合；
所述系统还包括电压输出装置，所述第一偏振控制器的筒状压电陶瓷、所述第二偏振控制器的筒状压电陶瓷及所述解调装置均与所述电压输出装置电连接。
2.根据权利要求1所述的光纤分布式传感监测系统，其特征在于，所述光纤线圈为λ/4光纤线圈。
3.根据权利要求2所述的光纤分布式传感监测系统，其特征在于，所述光纤线圈偏振控制器还包括第一壳体，所述绕制于筒状压电陶瓷的外壁的光纤线圈封装于所述第一壳体内。
4.根据权利要求3所述的光纤分布式传感监测系统，其特征在于，所述光纤线圈偏振控制器还包括电机及传动轴，所述电机的转轴与所述传动轴连接，所述电机通过所述传动轴与设置于所述第一壳体底部的转动连接口连接，所述第一偏振控制器的电机与所述第二偏振控制器的电机均与所述电压输出装置电连接；
所述第一偏振控制器的电机用于带动所述第一偏振控制器的光纤线圈转动以使得该光纤线圈输出所述第一线偏振光；
所述第二偏振控制器的电机用于带动所述第二偏振控制器的光纤线圈转动以使得该光纤线圈输出所述第二线偏振光。
5.根据权利要求4所述的光纤分布式传感监测系统，其特征在于，所述光纤线圈偏振控制器还包括第二壳体，封装有所述绕制于筒状压电陶瓷的外壁的光纤线圈的所述第一壳体设置在所述第二壳体内，所述第二壳体设置有第一开口、第二开口和第三开口，所述第一开口用于穿入所述传动轴，所述第二开口用于穿出所述光纤线圈的线圈入线，所述第三开口用于穿出所述光纤线圈的线圈出线。
6.根据权利要求1所述的光纤分布式传感监测系统，其特征在于，所述第一线偏振光和所述第二线偏振光的偏振方向相互正交。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的光纤分布式传感监测系统，其特征在于，所述第一干涉调制装置包括第一光纤干涉仪，所述第二干涉调制装置包括第二光纤干涉仪，所述解调装置包括第一偏振合束器、第一光电探测器和数据处理器，所述第一光纤干涉仪的输入端与所述第一偏振控制器的输出端耦合，所述第二光纤干涉仪的输入端与所述第二偏振控制器的输出端耦合，所述第一光纤干涉仪的输出端与所述第二光纤干涉仪的输出端均与所述第一偏振合束器的输入端耦合，所述第一偏振合束器的输出端与所述第一光电探测器的输入端耦合，所述第一光电探测器的输出端与所述数据处理器电连接；
所述第一线偏振光进入经所述第一光纤干涉仪的干涉处理后形成第一干涉信号，所述第二线偏振光经所述第二光纤干涉仪的干涉处理后形成第二干涉信号，所述第一干涉信号与所述第二干涉信号均进入所述第一偏振合束器，经所述第一偏振合束器的合束处理后经所述第一光电探测器转换为电信号进入所述数据处理器，所述数据处理器用于处理所述电信号得到所述传感信号。
8.根据权利要求7所述的光纤分布式传感监测系统，其特征在于，所述第一干涉调制装置还包括第二光耦合器，所述第二干涉调制装置还包括第三光耦合器，所述解调装置还包括第二偏振合束器、第三偏振合束器、第二光电探测器及第三光电探测器，所述第一光纤干涉仪包括第一3×3耦合器，所述第二光纤干涉仪包括第二3×3耦合器；
所述第一偏振控制器的输出端与所述第二光耦合器的第一端口耦合，所述第二光耦合器的第二端口与所述第一3×3耦合器的第一端口耦合，所述第二光耦合器的第三端口与所述第一偏振合束器的输入端耦合，所述第一3×3耦合器的第二端口与所述第二偏振合束器的输入端耦合，所述第一3×3耦合器的第三端口与所述第三偏振合束器的输入端耦合；
所述第二偏振控制器的输出端与所述第三光耦合器的第一端口耦合，所述第三光耦合器的第二端口与所述第二3×3耦合器的第一端口耦合，所述第三光耦合器的第三端口与所述第一偏振合束器的输入端耦合，所述第二3×3耦合器的第二端口与所述第二偏振合束器的输入端耦合，所述第二3×3耦合器的第三端口与所述第三偏振合束器的输入端耦合；
所述第二偏振合束器的输出端与所述第二光电探测器的输入端耦合，所述第三偏振合束器的输出端与所述第三光电探测器的输入端耦合，所述第二光电探测器的输出端与所述第三光电探测器的输出端均与所述数据处理器电连接。
9.根据权利要求8所述的光纤分布式传感监测系统，其特征在于，所述第一光纤干涉仪和所述第二光纤干涉仪均为迈克尔逊光纤干涉仪。
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Assignee: Shandong feibosis Photoelectric Technology Co., Ltd

Assignor: LASER INSTITUTE,SHANDONG ACADEMY OF SCIENCES

Contract record no.: X2021110000042

Denomination of invention: Optical fiber distributed sensing monitoring system

Granted publication date: 20190726

License type: Common License

Record date: 20211014

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