CN108964775A - 基于时分/波分混合复用系统的错位组合解复用方法 - Google Patents

基于时分/波分混合复用系统的错位组合解复用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于时分/波分混合复用系统的错位组合解复用方法，将经过相位调制的光脉冲通过分光器分成多路，然后通过延迟光纤进入多路传感器阵列，返回带有振动信息的光信号经过解复用器分解为多个单波长光信号，将这些单波长光信号几个为一组重新错位组合，耦合成多个多波长光信号，再经过光电探测器将多波长光信号转化为电信号，然后将信号传入数据采集和处理模块，进行信号的解调。本发明通过对波长的错位组合，降低通道间串扰，增强了系统的稳定性，提高了传感器阵列的探测能力。

Description

基于时分/波分混合复用系统的错位组合解复用方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于时分/波分混合复用系统的错位组合解复用方法。
背景技术
光纤传感技术在国际上是七十年代后期迅速发展起来的新技术，与传统检波器相比，光纤传感器具有重量轻、抗电磁干扰、灵敏度高、安全可靠、耐腐蚀，同时复用能力强，可以实现长距离分布式应用的优点。它已经被应用在油井温度与压力测量、输油管道监测、测井技术、地震波监测、桥梁及建筑监测等方面。光纤传感器的分布式应用是近几年研究和工程应用的热点。
分布式传感多采用时分/波分复用等复用技术进行混合复用方式，这也是未来大规模阵列或超大规模阵列的首选方案。发表在《Journal of Lightwave Technology》中的《Large-Scale Multiplexing of Interferometric Fiber-Optic Sensors Using TDMand DWDM》和《Highly Scalable Amplified Hybrid TDM/DWDM Array Architecture forInterferometric Fiber-Optic Sensor Systems》都指出了这一点，在传感器进行时分/波分混合复用时，无论采用哪种复合结构，一般都是采用解波分复用器将返回的光脉冲按照波长进行拆分，然后相同波长的光脉冲进入同一个光电探测器，相邻光脉冲之间有一定的时间延迟。最后利用解调算法，例如PGC解调法，3x3解调法等解时分复用，最终提取有效信号。在时分复用系统中，系统输出的每个脉冲对应一个通道，在任意时刻都只有一个导通，而其他通道关断。实际上由于光开关消光比有限，使得光开关在关断时，有少许光泄露，这些连续泄露光在解调时把某一通道或者多个通道的光接收到的有效信息带入到别的通道，从而对该通道的信号形成串扰，串扰光和信号光之间相互干涉，形成相干叠加，使得解调出的信号严重劣化，严重影响到系统工作的稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于时分/波分混合复用系统的错位组合解复用方法，通过对波长的错位组合，降低通道间串扰，提高传感器阵列的探测能力。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于时分/波分混合复用系统的错位组合解复用方法，步骤如下：
步骤1、打开激光光源，信号发生器分别与光开关和相位调制器连接，由信号发生器产生脉冲信号作用于光开关，产生光脉冲信号，同时作用于相位调制器，产生相位调制信号，激光光源发出的光依次经过隔离器、光开关和相位调制器，形成经相位调制的光脉冲。
步骤2、经过相位调制的光脉冲经过分光器后经不同长度的延时光纤进入多路传感器阵列，每个传感器阵列返回带有振动信号的光信号进入解复用器，分离出不同波长的光信号，将多路传感器阵列分离出的单波长光信号按照波长进行重新错位组合，重新组合后的多组单波长光脉冲分别进入多个复用器，耦合成多波长光信号，每个复用器接收来自不同传感器阵列的某一波长的信号，且来自不同传感阵列的光信号波长互不相同。来自不同阵列的不同波长的光信号因为延迟光纤长度的不同在时间上分隔开。复用器的输出光进入光电探测器转换为电信号，电信号进入数据采集和处理系统，利用对应的解调方法，解调出有效振动信号，最后传输到计算机。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：利用对不同波长的错位组合，避免串扰光和信号光的相互干涉，降低通道间的串扰，增强了系统的稳定性，提高传感器阵列的探测能力。
附图说明
图1为本发明基于时分/波分混合复用系统的解复用错位组合的方法的装置结构示意图。
图2为本发明传感器阵列的结构示意图。
图3为本发明实施例中，单个光电探测器接收的光脉冲信号示意图。
图4为本发明实施例中，单个光电探测器解调的四个传感器解调出的振动相位信号及其对应的频谱信号。
具体实施方式
本发明基于时分/波分混合复用系统的解复用的错位组合方法的实现装置，包括激光光源、隔离器、光开关、相位调制器、分光器、延迟光纤、传感器阵列、解复用器、复用器、光电探测器、信号发生器、数据采集和处理模块和计算机；信号发生器分别与光开关和相位调制器连接，传感器阵列包括若干个通过连接光纤并联的传感模块，传感模块包括光分插复用器和传感器，传感器的输入端和输出端分别设有一个光分插复用器；相邻两个传感模块中输出端的光分插复用器通过连接光纤依次连接，输入端的光分插复用器通过连接光纤依次连接，第一个输入端与延时光纤相连接，最后一个输出端的光分插复用器再与解复用器通过光纤相连接。
信号发生器产生两组高速脉冲信号，一组提供给光开关产生光脉冲，一组提供给相位调制器，产生相位调制，所述的激光光源发出的光依次经过隔离器、光开关、相位调制器后，形成经相位调制的激光脉冲，然后通过分光器和延迟光纤进入传感器阵列。第一个传感模块输入端的光分插复用器选择激光脉冲中对应波长的光脉冲进入与其连接的传感器，其余的光脉冲进入连接光纤，再通过其余传感模块输入端的光分插复用器选择对应波长的光脉冲依次分别进入对应的传感器，直至传输至整个传感器阵列，传感器感应振动，产生带有振动信息的光信号，并由输出端的光分插复用器依次向后合并；由最后一个传感器模块输出端的光分插复用器输出合并的多波长光信号并传入解复用器，分离出不同波长对应的光信号，将多路传感器阵列分离出的光信号按照波长进行重新错位组合，经重新组合的多组光信号分别进入多个复用器，每个复用器接收来自不同传感器阵列的一种波长的信号，且来自不同传感阵列的光信号波长互不相同，不同传感阵列中不同波长的光信号因为延迟光纤长度的不同在时间上分隔开来。复用器输出的多波长光信号进入光电探测器转换为电信号，电信号进入数据采集和处理系统，利用对应的解调方法，解调出有效振动信号，最后传输到计算机。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，一种基于时分/波分混合复用系统的解复用错位组合的方法，步骤如下：
步骤1：打开激光光源1，信号发生器11分别与光开关3和相位调制器4连接，由信号发生器11产生脉冲信号作用于光开关3，产生光脉冲，作用于相位调制器4，产生相位调制信号，激光光源1发出的光依次经过隔离器2、光开关3和相位调制器4，形成经相位调制的光脉冲；
步骤2、经过相位调制的激光脉冲经过分光器5后经由不同长度的延时光纤6进入多路传感器阵列7，每个传感器阵列7返回带有振动信号的光信号进入解复用器8，分离出不同波长对应的光信号，将多路传感器阵列分离出的光信号按照波长进行重新错位组合，经重新组合的多组光信号分别进入多个复用器9，每个复用器9接收来自不同传感器阵列7的单波长光信号，且来自不同传感器阵列7的光信号的波长互不相同，来自不同传感阵列的不同波长的光信号因为延迟光纤6长度的不同在时间上分隔开来。复用器9输出多波长光信号进入光电探测器10转换为电信号，电信号进入数据采集和处理系统12，利用对应的解调方法，解调出有效振动信号，最后传输到计算机13。
结合图1，基于时分/波分混合复用系统的解复用错位组合的装置，其特征在于：包括激光光源1、隔离器2、光开关3、相位调制器4、分光器5、延迟光纤6、传感器阵列7、解复用器8、复用器9、光电探测器10、信号发生器11、数据采集和处理模块12和计算机13。信号发生器11分别与光开关3和相位调制器4连接，传感器阵列7包括若干个通过连接光纤14并联的传感模块，传感模块包括光分插复用器15和传感器16，传感器16的输入端和输出端分别设有一个光分插复用器15；相邻两个传感模块中的光分插复用器15通过连接光纤14依次连接，第一个传感模块的光分插复用器15与延迟光纤连接6，最后一个输出端的光分插复用器15再与解复用器8通过光纤相连。
信号发生器11产生两组信号，一组提供给光开关3产生光脉冲，另一组提供给相位调制器4，所述激光光源1发出的光依次经过隔离器2、光开关3、相位调制器4后，形成经相位调制的激光脉冲，然后经过分光器5和延时光纤6进入传感器阵列，通过第一个传感模块输入端的光分插复用器15选择对应波长的光脉冲进入其对应的传感器16，其余的光脉冲进入连接光纤14，再通过其余传感模块输入端的光分插复用器15选择对应波长的光脉冲依次分别进入对应的传感器16，直至传输到整个传感器阵列，传感器16感应振动信号，产生带有振动相位信息的干涉光强信号，干涉光信号由输出端的光分插复用器15依次向后合并；最终由最后一个传感模块输出端的光分插复用器15合并后传入光电探测器8，利用数据采集和处理模块12进行数据处理和相位信息的提取，然后传输至计算机13。
实施例1
实验对四路传感器阵列进行了实验，每路传感器阵列包含16个传感器，即N＝4，M＝16，传感器分布如图2所示，接收不同波长的光脉冲，光脉冲的消光比为22dB。光源产生的光脉冲宽度为200ns，周期为2000ns，延迟光纤产生的延迟分别为0ns，250ns，500ns，750ns。测量装置如图1所示，其步骤如下：
步骤1：打开由16个波长组合的激光光源1，信号发生器11分别与光开关3和相位调制器4连接，由信号发生器11产生脉冲宽度为200ns，周期为2000ns的光脉冲信号1作用于光开关3，产生相位调制信号，同时产生调制信号作用于相位调制器4，产生相位调制信号，激光光源1发出的光依次经过隔离器2、光开关3和相位调制器4，形成经相位调制的光脉冲。
步骤2：经过相位调制的激光脉冲经过分光器5后经由不同长度的延时光纤6进入多路传感器阵列7，延迟光纤产生的延迟分别为0ns，250ns，500ns，750ns。每个传感器阵列7返回带有振动信号的干涉光强信号进入解复用器8，分离出不同波长对应的光信号，将多路传感器阵列分离出的光信号按照波长进行重新错位组合，经重新组合的多组光信号分别进入多个复用器9，每个复用器9接收来自不同传感器阵列7的一种波长的信号，且来自不同传感阵列的光信号的波长互不相同，来自不同传感阵列的不同波长的光信号因为延迟光纤6长度的不同在时间上分隔开来。复用器9输出的多波长光信号进入光电探测器10转换为电信号，电信号进入数据采集和处理系统12，利用对应的解调方法，解调出有效振动信号，最后传输到计算机13。以光电探测器1为例，其接收的不同波长的光脉冲信号如图3所示，分别为λ1，λ2，λ3，λ4。将λ1，λ2，λ3对应的传感器分别放置在微型振动台上，振动台产生0.02g@100Hz的正弦波振动，将λ4对应的传感器放置在封闭的沙箱里，最终解调出的对应四组振动信号及其频谱信号如图4所示，可以看出，λ1，λ2，λ3处于正常工作状态，其幅值分别为13.82rad，13.80rad，13.79rad，频率在100Hz有良好的响应，λ4对应的传感器串扰振动幅值为0.002043rad，0.002112rad，0.002074rad，频率在100Hz处没有明显频率响应。其串扰在50dB以下，降低了通道间串扰，增强了系统的稳定性。

Claims (6)

1.一种基于时分/波分混合复用系统的错位组合解复用方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、打开激光光源(1)，信号发生器(11)分别与光开关(3)和相位调制器(4)连接，信号发生器(11)产生脉冲信号作用于光开关(3)，信号发生器(11)产生相位调制信号作用于相位调制器(4)，激光光源(1)发出的光依次经过隔离器(2)、光开关(3)和相位调制器(4)，形成经相位调制的光脉冲；
步骤2、经过相位调制的光脉冲通过分光器(5)经过不同长度的延时光纤(6)进入多路传感器阵列(7)，每个传感器阵列(7)返回带有振动信号的光脉冲信号进入对应的解复用器(8)，分离出不同波长对应的光脉冲信号，将该多路光脉冲信号按照波长进行重新错位组合，经重新组合的光脉冲信号分别进入多个复用器(9)，每个复用器(9)接收来自不同传感器阵列(7)的单个波长对应的光脉冲信号，且同一个复用器(9)接收到的光脉冲信号对应的波长互不相同，每个复用器(9)的输出光进入与其相连的光电探测器(10)，再进入数据采集和处理系统(12)，利用相位解调方法解调出有效振动信号，最后传输到计算机(13)。
2.根据权利要求1所述的基于时分/波分混合复用系统的错位组合解复用方法，其特征在于：所述步骤1中，激光光源(1)是由不同波长激光组成的多波长激光光源，激光光源包含的波长数为M，波长依次为λ1，λ2…..λm。
3.根据权利要求1所述的基于时分/波分混合复用系统的错位组合解复用方法，其特征在于：所述步骤1中，传感器阵列(7)包括若干个通过连接光纤(14)连接的传感器模块；传感器模块由光分插复用器(15)和传感器(16)组成；传感器(16)的输入端和输出端分别设有一个光分插复用器(15)，通过第一个传感模块输入端的光分插复用器(15)选择对应波长的光脉冲信号进入传感器(16)；其余波长的光脉冲通过连接光纤(14)，分别进入其余传感模块输入端的光分插复用器(15)，通过输入端的光分插复用器(15)选择对应波长的光脉冲信号进入对应的传感器(16)，每个传感器(16)携带振动相位信息后的干涉信号由输出端的光分插复用器(15)依次向后合并，由最后一个传感模块输出端的光分插复用器(15)耦合成一束多波长光信号送入解复用器(8)；传感器(16)由光纤迈克尔逊干涉仪构成。
4.根据权利要求1所述的基于时分/波分混合复用系统的错位组合解复用方法，其特征在于：所述步骤1中，由信号发生器(11)产生脉冲信号作用于光开关(3)，产生连续光脉冲，一个周期内光脉冲宽度为τ1ns，光脉冲的周期为T1，传感器阵列数为N，记为阵列1，2，3，…，N，其对应的延迟光纤(6)引起的光纤延迟分别为0ns，τ2ns，2τ2ns，…，(N-1)τ2ns，满足τ2≥τ1，解复用器(8)的个数为N。
5.根据权利要求1或3所述的基于时分/波分混合复用系统的错位组合解复用方法，其特征在于：所述传感器阵列(7)包含的传感模块个数为M，复用器(9)和光电转换器(10)的个数为M，同时满足M≥N。
6.根据权利要求1所述的基于时分/波分混合复用系统的错位组合解复用方法，其特征在于：所述步骤2中，将第j个复用器(9)记为Muxj，其接收来自第i路传感器阵列的波长λj个波长的光脉冲信号记为Sij，1≤i≤N，1≤j≤M，具体的组合方式如下，
(S1jS2(j+1)S3(j+2)...SN(j+3))→Muxj(j＝1,2...,M-N+1),
(S1jS2(j+1)...S(M+1-j)MS(M-j+2)1...SN(N+j-M-1))→Muxj(j＝M-N+2,M-N+2,...M),然后将对应的光脉冲传输至光电探测器(10)，将第j个光电探测器记为OEj，满足Muxj→OEj，即第一个光电探测器(10)接收波长λ1，λ2，…，λn对应的光信号，第二个光电探测器(10)接收波长λ2，λ3，…，λ(n+1)对应的光信号，以此类推，第(M-1)个光电探测器(10)接收波长λ(m-1)，λm，λ1，…，λ(n-2)对应的光信号，第M个光电探测器(10)接收波长λm，λ1，…，λ(n-1)对应的光信号。
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