CN110058198A - 一种基于分布式光纤传感器的水下定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布式光纤传感器的水下定位方法。本发明采用两波长不同的超辐射发光二极管作为光源信号。当有扰动源时，光源信号会在光纤通路中以不同的光路传输，由于在分布式光纤传感器水下定位系统设计时加入了延时线圈，不同光路的两光信号到达耦合器2存在时间差Δt，时间差的大小和扰动源的位置有关。因此光电探测PD1、PD2探测到的相干信号中包含扰动源的位置信息，通过频谱分析的方法从相干信号的频谱图中获得扰动源的位置信息。本发明在信号的处理上采用在频域里展开，这使得本系统能够探测到的扰动信号的频谱范围更广，对扰动源的灵敏度较其他数据处理方法有所提升。

Description

一种基于分布式光纤传感器的水下定位方法

技术领域

本发明涉及利用分布式光纤传感器结合频谱分析法对水下扰动源实施长距离、高精度的实时定位技术，具体涉及一种基于分布式光纤传感器的水下定位方法。

背景技术

随着经济社会的发展，水下的工程设施数量逐年增加，经济价值也越来越高。如何采取措施实施保护，在破坏行为之前获得感知，是一项急待发明的新技术。目前分布式光纤只能用于水下特定侵入事件的定位，并且其在信号处理上采用在时间域内直接寻找两相干信号的时间延时，由于现实中的扰动信号是一宽频信号，并不是某单一频率信号，因此很难准确计算两相干信号的时间延时，其定位精度也较难的到保证。并且现实中的传感光纤上各点都存在散杂噪音，由于这些散杂噪音的影响使得测量两干涉信号的输出时差准确度降低，严重影响测量精度。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于分布式光纤传感器的水下定位方法。

基于分布式光纤传感器的水下定位方法所基于的装置包括第一超辐射发光二极管、第二超辐射发光二极管、波长锁定器和光消偏器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第一隔离器、法拉第旋转镜、第一相干解调器、第二相干解调器、第一光纤探测器PD1、第二光纤探测器PD2；

所述的第一超辐射发光二极管、第二超辐射发光二极管通过波长锁定单元进行波长锁定，之后通过光消偏器进行消偏通入第一耦合的入射端；第一耦合的输出端通过光电隔离器与第二耦合器的第一入射端相连；第二耦合器的第一输出端通过延时线圈与第三耦合器的第一输入端相连；第二耦合器的第二输出端与第三耦合器的第二输入端相连；第二耦合器的第三、第四输出端分别和光电探测器PD1、PD2相连；第三耦合器的第一输出端通过分布式光纤与法拉第旋转镜相连；

设扰动信号引起的调制信号相位变化为则输入第二耦合器中的两束相干光分别为：

E₁＝e₁₀exp[j(ω_ct+Δρ₁(t)+ρ₀)] (1)

E₂＝e₂₀exp[j(ω_ct+Δρ₂(t)+ρ₁)] (2)

e₁₀、e₂₀分别代表调制信号的振幅，设e₁₀和e₂₀相等；ρ₀和ρ₂为调制信号的初始相位，ω_c为信号角频率；Δρ₁(t)为在扰动作用下波长λ₁信号在两条不同光路下的相位变化之和，即从扰动源到达第一光电探测器PD1的相位变化和经过扰动源到达法拉第旋转镜后反射到第一光电探测器PD1的相位变化之和；同理，Δρ₂(t)为波长λ₂信号从扰动源经过延时线圈到第二光电探测器PD2的相位变化和经过扰动源到达法拉第旋转镜后反射、经延时线圈到第二光电探测器PD2的相位变化之和；两束相干光输出光强信号I为相干光E₁、E₂之和的标量值平方，即：

I＝|E₁+E₂|²

＝2[cos(Δρ₁(t)-Δρ₂(t)+ρ₀-ρ₁)+1] (3)

在相干解调器中完成两束相干光解调，由信号频谱特性可知，任何振动信号可分解为若干不同频率的简谐振动的叠加；因此，设由扰动引起的相位变化为单一频率的简谐振动，即ρ(t)＝A₀sin(ωt)，则：

Δρ₁(t)＝A₀sin[ω(t-τ₁)]+A₀sin[ω(t-τ₂)] (4)

Δρ₂(t)＝A₀sin[ω(t-τ₃)]+A₀sin[ω(t-τ₄)] (5)

其中：

其中L为传输光纤总长,x为扰动信号距离耦合器c2端的距离，l₀为延时线圈的长度，n为传感光纤的折射率，c为光速；A₀和ω₀分别为信号的振幅和角频率；

由公式(6)和(7)可知，令其差值为δ；令η₁＝τ₂+τ₁，η₂＝τ₃+τ₄；因此，两信号总的相移:

根据公式(6)和公式(7)可知，δ中含振动的位置信息，η₁-η₂中只含有延时线圈长度值₀有关的一个参量，η₁+η₂含有传感光线的总长度L和延时线圈的长度₀，其具体函数关系如下：

从公式(9)中可知，总相移的振幅由两部分的乘积构成，其一为其二为前者参数δ中含有振动源的位置信息；后者中当时，也会在频谱上出现极值点，但该分量中只含有延时线圈的长度信息，因此通过改变延时线圈的长度使得其对应的极值点频率与分量出现的极值点频率之间距离相差10KHz以上；以屏蔽其对分量极值点频率的影响；

当此时Δρ_t的振幅为零，即在频率为ω的扰动作用下，频谱上的光强出现极值点；由于扰动信号是一宽频信号，并不是某单一频率的频谱输出，扰动源的频率越高，对应的k取值越大；此时对应的频率和振动源位置分别为：

从频谱图中找出极值点所对应的频率值f，根据公式(11)算出扰动源的位置信息。

本发明相对现有技术所具有的效果：

本发明提供基于分布式光纤的水下定位方法，首先对超辐射发光二极管PD1和PD2所激发的光源信号通过波长锁定单元进行波长锁定，再通入光消偏器进行消偏处理，将处理得到的信号通入基于分布式光纤的水下定位系统，当有扰动信号时，两光源信号将在第二耦合器中发生干涉，在相干解调器中将对相干信号进行解调，因此光电探测器PD1、PD2接收到的信号含有扰动源的位置信息，对其进行傅里叶分解得到信号的频谱图，在频域中获取扰动源的位置信息。本发明在信号的处理上采用在频域里展开，这使得本系统能够探测到的扰动信号的频谱范围更广，对扰动源的灵敏度较其他数据处理方法有所提升。由于本发明的使用领域为水下，因水下对扰动的传输更有利，故本发明能够探测分布式光纤周边10m以内的扰动信号，并且能够探测的距离也将达到40km左右。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍：

图1为基于分布式扰动传感器的水下定位系统结构原理图；

图2为相位解调信号的频谱图。

具体实施方法

以下结合说明书附图，对基于分布式光纤的水下定位系统具体实施方法作以说明。

如图1所示，一种基于分布式光纤传感器的水下定位方法，该方法所基于的装置包括第一超辐射发光二极管、第二超辐射发光二极管、波长锁定器和光消偏器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第一隔离器、法拉第旋转镜、第一相干解调器、第二相干解调器、第一光纤探测器PD1、第二光纤探测器PD2；

所述的第一超辐射发光二极管、第二超辐射发光二极管通过波长锁定单元进行波长锁定，之后通过光消偏器进行消偏通入第一耦合的入射端；第一耦合的输出端通过光电隔离器与第二耦合器的第一入射端相连；第二耦合器的第一输出端通过延时线圈与第三耦合器的第一输入端相连；第二耦合器的第二输出端与第三耦合器的第二输入端相连；第二耦合器的第三、第四输出端分别和光电探测器PD1、PD2相连；第三耦合器的第一输出端通过分布式光纤与法拉第旋转镜相连；

第一步：超辐射发光二极管(SLD1)选择波长1557.32nm的激光光源，SLD2选择波长1558.52nm的激光光源。通过波长锁定器选择满足系统工作要求的光源信号，即实现光源信号的波长锁定。

第二步：将经过波长锁定器处理的光源信号通入附图1所示的基于分布式扰动传感器的水下定位系统，波长γ₁的相干信号存在两条传输光路。其一，通过扰动源、耦合器c1′端、耦合器b2′端、到达光电探测器PD1；其二，经过扰动源到达法拉第旋转镜后反射到耦合器c1′端、经耦合器b2′端、最后到达光电探测器PD1。同理，波长γ₂的相干信号也存在两条传输光路。其一，通过扰动源、耦合器c1端、延时线圈、耦合器b2端、

到达光电探测器PD2；其二，经过扰动源到达法拉第旋转镜后反射到耦合器c1端、经延时线圈、耦合器b2端、最后到达光电探测器PD2。当有扰动信号时，两光源信号将在第二耦合器中发生干涉，干涉信号最终被光电探测器PD1和PD2接收。

将两不同波长的信号光源通过波长锁定单元、光消偏器处理后注入传感光纤，由系统结构原理图可知光源信号有以下两条传输光路。

R₁：a1→a2→a2′→b1→b2→c1→c2→d→c2→c1′→b2′→PD1

R₂：a1′→a2→a2′→b1→b2′→c1′→c2→d→c2→c1→b2→PD2

当外界扰动信号ψ(t)传递到传感光纤时，光波信号的相位将发生改变。假设在t时刻，扰动信号传递到传感光纤，由于光弹效应，两束相干光分别通过不同的光路将调制信息传递到光电探测器。

在相干解调器中完成两束相干光解调，由信号频谱分析原理可知，任何振动信号可分解为若干不同频率的简谐振动的叠加。因此，可设由扰动引起的相位变化为单一频率的简谐振动，即ρ(t)＝A₀sin(ωt)，则两信号总的相移:

根据公式(6)和公式(7)可知，δ中含振动的位置信息x，η₁-η₂中只含有与延时线圈长度值l₀有关的一个参量，η₁+η₂含有传感光线的总长度L和延时线圈的长度l₀，其具体函数关系如下：

从公式(8)中可知，总相移的振幅由两部分的乘积构成，其一为其二为前者参数δ中含有振动源的位置信息，后者参数中包含延时线圈长度l₀。因此，可以通过改变延时线圈的长度来使得对应的极值点频率距离分量极值点频率之间的距离相差10KHz以上，即增加二者极值点之间的距离，以减少其对分量极值点频率的影响。

当此时Δρ_t的振幅为零，即在频率为ω的扰动作用下，频谱上的光强出现极值点。由于扰动信号是一宽频信号，并不是某单一频率的频谱输出，扰动源的频率越高，对应的k取值越大。此时对应的频率f和振动源位置x分别为：

附图2相位解调信号的频谱图。相干信号的频谱图如附图2所示。

第三步：对光电探测器PD1和PD2接受到的信号进行A/D采样处理，在此需要采样器件的采样频率达到GHz的数量级。因为只有采样频率足够高的情况下才能完整保留相位解调信号中的信息，即对相位差的估算越准确。这也直接影响对扰动源位置计算的精确度。对采样得到的相位解调信号进行傅里叶变化，得到相位解调信号的频谱图。理论的相位解调信号频谱图如附图2所示，从中寻找极值点处对应的频率值，此频率点对应相干信号幅值的极小值点，利用公式(11)对扰动源的位置进行计算。

Claims (1)

1.一种基于分布式光纤传感器的水下定位方法，其特征在于：该方法所基于的装置包括第一超辐射发光二极管、第二超辐射发光二极管、波长锁定器和光消偏器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第一隔离器、法拉第旋转镜、第一相干解调器、第二相干解调器、第一光纤探测器PD1、第二光纤探测器PD2；

所述的第一超辐射发光二极管、第二超辐射发光二极管通过波长锁定单元进行波长锁定，之后通过光消偏器进行消偏通入第一耦合的入射端；第一耦合的输出端通过光电隔离器与第二耦合器的第一入射端相连；第二耦合器的第一输出端通过延时线圈与第三耦合器的第一输入端相连；第二耦合器的第二输出端与第三耦合器的第二输入端相连；第二耦合器的第三、第四输出端分别和光电探测器PD1、PD2相连；第三耦合器的第一输出端通过分布式光纤与法拉第旋转镜相连；

设扰动信号引起的调制信号相位变化为则输入第二耦合器中的两束相干光分别为：

E₁＝e₁₀exp[j(ω_ct+Δρ₁(t)+ρ₀)] (1)

E₂＝e₂₀exp[j(ω_ct+Δρ₂(t)+ρ₁)] (2)

e₁₀、e₂₀分别代表调制信号的振幅，设e₁₀和e₂₀相等；ρ₀和ρ₂为调制信号的初始相位，ω_c为信号角频率；Δρ₁(t)为在扰动作用下波长λ₁信号在两条不同光路下的相位变化之和，即从扰动源到达第一光电探测器PD1的相位变化和经过扰动源到达法拉第旋转镜后反射到第一光电探测器PD1的相位变化之和；同理，Δρ₂(t)为波长λ₂信号从扰动源经过延时线圈到第二光电探测器PD2的相位变化和经过扰动源到达法拉第旋转镜后反射、经延时线圈到第二光电探测器PD2的相位变化之和；两束相干光输出光强信号I为相干光E₁、E₂之和的标量值平方，即：

I＝|E₁+E₂|²

＝2[cos(Δρ₁(t)-Δρ₂(t)+ρ₀-ρ₁)+1] (3)

在相干解调器中完成两束相干光解调，由信号频谱特性可知，任何振动信号可分解为若干不同频率的简谐振动的叠加；因此，设由扰动引起的相位变化为单一频率的简谐振动，即ρ(t)＝A₀sin(ωt)，则：

Δρ₁(t)＝A₀sin[ω(t-τ₁)]+A₀sin[ω(t-τ₂)] (4)

Δρ₂(t)＝A₀sin[ω(t-τ₃)]+A₀sin[ω(t-τ₄)] (5)

其中：

L为传输光纤总长，x为扰动信号距离耦合器c2端的距离，l₀为延时线圈的长度，n为传感光纤的折射率，c为光速；A₀和ω₀分别为信号的振幅和角频率；

由公式(6)和(7)可知，令其差值为δ；令η₁＝τ₂+τ₁，η₂＝τ₃+τ₄；因此，两信号总的相移：

根据公式(6)和公式(7)可知，δ中含振动的位置信息x，η₁-η₂中只含有与延时线圈长度值l₀有关的一个参量，η₁+η₂含有传感光线的总长度L和延时线圈的长度l₀，其具体函数关系如下：

从公式(9)中可知，总相移的振幅由两部分的乘积构成，其一为其二为前者参数δ中含有振动源的位置信息；后者中当 时，也会在频谱上出现极值点，但该分量中只含有延时线圈的长度信息，因此通过改变延时线圈的长度使得其对应的极值点频率与分量出现的极值点频率之间距离相差10KHz以上，以屏蔽其对分量极值点频率的影响；

当此时Δρ_t的振幅为零，即在频率为ω的扰动作用下，频谱上的光强出现极值点；由于扰动信号是一宽频信号，并不是某单一频率的频谱输出，扰动源的频率越高，对应的k取值越大；此时对应的频率f和振动源位置x分别为：

从频谱图中找出极值点所对应的频率值f，根据公式(11)算出扰动源的位置信息。