CN107560646A - 一种光纤传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤传感系统，包括：激光器，用于发送指定频率的连续光；声光调制器，用于接收连续光，将其调制为一个差分延时脉冲对；环形器，用于接收差分延时脉冲对并输出至传感器；传感器，用于处理环形器输出的差分延迟脉冲，形成光脉冲并通过环形器发送至探测器；探测器，用于接收光脉冲形成干涉光信号，并将干涉光信号转换为干涉电信号发送至模数转换器；模数转换器，用于将干涉电信号转换为干涉数字信号发送至FPGA模块；FPGA模块，用于控制驱动器产生不同频率的射频脉冲信号，以及根据干涉数字信号进行相位算法处理，得到相位信息。本发明通过采用一个声光调制器，有效降低了成本，取消前端的M‑Z干涉仪能有效消除环境噪声的干扰。

Description

一种光纤传感系统

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，具体涉及一种基于单个声光调制器的光纤传感系统。

背景技术

光纤传感器作为一类新型传感器，具备抗电磁干扰，灵敏度高，可大规模复用等优势，在振动检测、周界安防、油田开发、建筑物健康监测等领域有着日益广泛的应用。为了提升光纤传感系统的性价比，需要将多个光纤传感器进行复用，形成阵列或网络，如水声探测领域所采用的海底阵缆(Ocean Bottom Cable，OBC)，石油勘探领域的垂直地震剖面(Vertical Seismic Profiling，VSP)检波器阵列等。这里可以采用的复用方法包括时分复用，空分复用，波分复用，频分复用等。

光纤传感器阵列需要使用适当的信号解调方法将传感器中所包含的外界信息解调出来，以相位生成载波(Phase Generated Carrier，PGC)和差分延时外差(DifferentialDelay Heterodyne，DDH)最为常用，其中因DDH方法动态范围大、对过冲信号响应好因而应用更为广泛。

基于DDH解调方案的光纤传感系统需要产生具备一定频率差的延时脉冲对。传统方案中一般在一个马赫曾得(Mach-Zehnder，M-Z)干涉仪中使用声光调制器(Acoustic-optic Modulator，AOM)搭配一段延时光纤来产生延时脉冲对，如图1所示。但是这种方法需要两个的AOM，而AOM属于较为精密、昂贵的光学器件，因此系统价格较高；同时用于产生延时脉冲对的M-Z干涉仪往往还会引入外界环境噪声，对于提高系统的噪声性能也十分不利。此外，由于脉冲对之间的延时差由M-Z干涉仪中的延时光纤长度决定，针对不同应用环境中所需的延时差，调整也较为繁琐。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种光纤传感系统，克服传统DDH方案所存在的系统价格昂贵，易受环境干扰，调整不够灵活等缺点。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种光纤传感系统，其特征在于，包括：

激光器，用于发送指定频率的连续光；

声光调制器，用于接收连续光，将其调制为一个差分延时脉冲对；

环形器，用于接收差分延时脉冲对并输出至传感器；

传感器，用于处理环形器输出的差分延迟脉冲，形成光脉冲并通过环形器发送至探测器；

探测器，用于接收光脉冲形成干涉光信号，并将干涉光信号转换为干涉电信号发送至模数转换器；

模数转换器，用于将干涉电信号转换为干涉数字信号发送至FPGA模块；

FPGA模块，用于控制驱动器产生不同频率的射频脉冲信号，以及根据干涉数字信号进行相位算法处理，得到相位信息并发送至上位机；

驱动器，用于向声光调制器输出不同频率的射频脉冲信号，以驱动声光调制器工作。

优选的，所述传感器中包括传感臂、参考臂和法拉第旋镜，所述差分延时脉冲对经过传感臂和参考臂，由法拉第旋镜反射形成光脉冲。

优选的，所述传感臂和参考臂的臂长差为ΔL，差分延时脉冲对的脉冲间隔为τ，ΔL与τ之间存在以下关系：其中n_eff为光纤的有效折射率，c为真空中光速。

优选的，所述差分延时脉冲对的重复频率为f_rep，差分延时脉冲对的两个脉冲频率分别为f₁和f₂，f_rep与f₁和f₂存在以下关系：f_rep＝4N(f₁-f₂)，其中N为正整数。

优选的，所述相位算法处理包括：

将干涉数字信号表达为如下表达式：其中，I₀为信号强度，υ为干涉数字信号的对比度，ω_c为外差角频率，为传感器中所感应得到的外界物理量信号，为传感器中的直流相位差；

干涉数字信号在与载波C(t)以及载波的正交项S(t)相乘后，得到如下的信号表达式：

C(t)和S(t)的表达式为：

将I_cos(t)和I_sin(t)分别经过低通滤波处理，低通滤波处理的截止频率小于ω_c，得到正交信号i(t)和q(t)，正交信号i(t)和q(t)的表达式为：

使用相除反正切算法得到相位信息的表达式为：

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

通过采用一个声光调制器，有效降低了成本，取消前端的M-Z干涉仪能有效消除环境噪声的干扰，同时通过FPGA灵活地控制脉冲对之间的脉冲间隔。

附图说明

图1为传统的光纤传感系统结构图；

图2为本发明的光纤传感系统结构图；

图3为本发明的驱动器产生的不同频率的射频脉冲信号示意图；

图4为本发明的同一频率不同脉冲之间的射频信号示意图；

图5为本发明的干涉数字信号的解调流程图；

图6为基于本发明光纤传感系统的4C-OBC系统结构图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

如图2所示，本发明提供了一种光纤传感系统，包括：

激光器，用于发送指定频率的连续光；

声光调制器，用于接收连续光，将其调制为一个差分延时脉冲对；

环形器，用于接收差分延时脉冲对并输出至传感器；

传感器，用于处理环形器输出的差分延迟脉冲，形成光脉冲并通过环形器发送至探测器；

探测器，用于接收光脉冲形成干涉光信号，并将干涉光信号转换为干涉电信号发送至模数转换器；

模数转换器(A/D)，用于将干涉电信号转换为干涉数字信号发送至FPGA模块；

FPGA模块，用于控制驱动器产生不同频率的射频脉冲信号，以及根据干涉数字信号进行相位算法处理，得到相位信息并发送至上位机；上位机对相位信息进行显示、存储等处理。

驱动器，用于向声光调制器输出不同频率的射频脉冲信号，以驱动声光调制器工作。其中，驱动器向FPGA模块发送参考时钟，保证了整个系统时钟的一致性，FPGA模块向驱动器发送控制信号，用于同步时钟，控制驱动器产生不同频率的射频脉冲信号。

具体的，激光器发出的连续光(光频率f₀)经过声光调制器后被调制为一个差分延时脉冲对，其中脉冲宽度为w，差分延时脉冲对的重复频率为f_rep，脉冲对前后两个脉冲的频率分别为f₁和f₂，脉冲间隔为τ。传感器中包括传感臂、参考臂和法拉第旋镜(FaradayRotator Mirrors，FRM)，差分延时脉冲对经过传感臂和参考臂，由法拉第旋镜反射形成光脉冲。传感臂和参考臂的臂长差为ΔL，ΔL与τ之间存在以下关系：其中n_eff为光纤的有效折射率，c为真空中光速。

通过FPGA模块来控制驱动器，使得驱动器产生具备不同频率(f₁和f₂)的射频脉冲信号，如图3所示，其脉冲宽度w和延时值τ可以通过FPGA模块进行控制，增加了系统的灵活性。差分延时脉冲对的重复频率为f_rep，为了更好地完成信号解调工作，f_rep与f₁和f₂存在以下关系：f_rep＝4N(f₁-f₂)，其中N为正整数。FPGA模块通过控制驱动器产生两种不同频率的射频脉冲信号，用以驱动声光调制器工作，保证同一个频率的射频脉冲信号在不同的脉冲之间相位的连续性，即相当于是由连续波经过斩波作用形成，如图4所示。另外，可以通过采用高精度的温度补偿晶振，使得频率为f₁和f₂的脉冲信号之间的脉冲间隔为τ的抖动降至最低(一般达到100ps左右)，防止其抖动导致干涉信号中出现附加的噪声。

相位算法处理包括：

将干涉数字信号表达为如下表达式：其中，I₀为信号强度，υ为干涉数字信号的对比度，ω_c为外差角频率，为传感器中所感应得到的外界物理量信号，为传感器中的直流相位差。干涉数字信号的解调流程如图5所示，由FPGA模块完成。

从INPUT端输入，干涉数字信号在与载波C(t)以及载波的正交项S(t)相乘后，得到如下的信号表达式：

C(t)和S(t)的表达式为：

将I_cos(t)和I_sin(t)分别经过低通滤波处理(LPF)，低通滤波处理的截止频率小于ω_c，得到正交信号i(t)和q(t)，正交信号i(t)和q(t)的表达式为：

使用相除反正切算法得到相位信息从OUTPUT端输出，的表达式为：

其中，图5中的Uwrap是算法中的相位拓展模块，用来将解调得到的相位信息由结果的[-π，+π]扩展至(-∞，+∞)，在实际数字系统中会受到最终解调结果的位宽限制。

本发明的光纤传感系统可以用于4C-OBC(4分量海底阵缆)系统的结构设计，如图6所示。采用本发明光纤传感系统构建的系统产生具有一定延时差的差分脉冲对后，通过环形器将其注入OBC系统中的一个传感器节点(station)中，该节点中包含主轴位于相互正交方向上的3个加速度传感器(Ax，Ay和Az)以及一个用于水声信号探测的水听器H，共计4个传感器。每个传感器由一个耦合器，一段传感光纤以及用于反射光的法拉第旋镜构成。其中传感光纤的长度ΔL为:当station中的传感光纤长度满足的条件后，从station中返回的光脉冲序列中就包含了该station中4个传感器所探测到的振动或是声压信号，通过前述的信号解调方法就可以将这些信息恢复出来，为进一步了解海淀环境及地层样貌提供数据。图6中仅给出了应用本发明光纤传感系统的单个station系统结构图，进一步使用波分复用，空分复用等方案，可以有效扩大OBC阵列的规模。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光纤传感系统，其特征在于，包括：

激光器，用于发送指定频率的连续光；

声光调制器，用于接收连续光，将其调制为一个差分延时脉冲对；

环形器，用于接收差分延时脉冲对并输出至传感器；

传感器，用于处理环形器输出的差分延迟脉冲，形成光脉冲并通过环形器发送至探测器；

探测器，用于接收光脉冲形成干涉光信号，并将干涉光信号转换为干涉电信号发送至模数转换器；

模数转换器，用于将干涉电信号转换为干涉数字信号发送至FPGA模块；

FPGA模块，用于控制驱动器产生不同频率的射频脉冲信号，以及根据干涉数字信号进行相位算法处理，得到相位信息并发送至上位机；

驱动器，用于向声光调制器输出不同频率的射频脉冲信号，以驱动声光调制器工作。

2.根据权利要求1所述的光纤传感系统，其特征在于，所述传感器中包括传感臂、参考臂和法拉第旋镜，所述差分延时脉冲对经过传感臂和参考臂，由法拉第旋镜反射形成光脉冲。

3.根据权利要求2所述的光纤传感系统，其特征在于，所述传感臂和参考臂的臂长差为ΔL，差分延时脉冲对的脉冲间隔为τ，ΔL与τ之间存在以下关系：其中n_eff为光纤的有效折射率，c为真空中光速。

4.根据权利要求1-3任一所述的光纤传感系统，其特征在于，所述差分延时脉冲对的重复频率为f_rep，差分延时脉冲对的两个脉冲频率分别为f₁和f₂，f_rep与f₁和f₂存在以下关系：f_rep＝4N(f₁-f₂)，其中N为正整数。

5.根据权利要求1-3任一所述的光纤传感系统，其特征在于，所述相位算法处理包括：

将干涉数字信号表达为如下表达式：其中，I₀为信号强度，υ为干涉数字信号的对比度，ω_c为外差角频率，为传感器中所感应得到的外界物理量信号，为传感器中的直流相位差；

干涉数字信号在与载波C(t)以及载波的正交项S(t)相乘后，得到如下的信号表达式：

C(t)和S(t)的表达式为：

将I_cos(t)和I_sin(t)分别经过低通滤波处理，低通滤波处理的截止频率小于ω_c，得到正交信号i(t)和q(t)，正交信号i(t)和q(t)的表达式为：

使用相除反正切算法得到相位信息的表达式为：