CN110118594A - 一种基于偏振分极接收的光学相位解调方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于偏振分极接收的光学相位解调方法和系统，所述方法包括：对两个传感点采集的光信号进行I/Q解调，并且使用偏振分极接收装置进行信号分极接收，得到对应的信号分量；根据对应的信号分量构建光相位矢量；根据光相位矢量确定双折射相位矢量，并对所述相位差进行归一化；对双折射相位矢量进行补偿后，通过矢量合成得到两个传感点之间的相位变化。本发明通过对双折射相位矢量进行补偿，降低了偏振衰落对信号解调的影响，提高了系统稳定性；本发明通过对I信号和Q信号进行正交分解，将光信号转化为矢量以实现去极化的相位解调，能够精确地估计双折射相位差，提高了信号还原的准确度。
Description
技术领域
本发明属于光纤分布式声波传感技术领域，更具体地，涉及一种基于偏振分极接收的光学相位解调方法和系统。
背景技术
光纤分布式声波传感系统由于每个传感点的成本低，部署方便，而在基础设施健康监测，油藏勘探和水下声音检测等应用中得到了极大的关注。利用反向散射效应，光纤分布式声波传感系统检测反向散射光的强度，相位和频率，以获得沿光纤的声学信息。在各种传感机制中，光学相位传感成为光纤分布式声波传感系统的主流，具有最高的灵敏度。由于分布式光纤传感能够实现大范围测量场中分布信息的提取，可解决测量领域众多难题，因此研究高稳定的光纤分布式声波传感系统有着重要的意义。
本质上，相位解调方法都是基于光干涉，这需要干涉光的偏振匹配。然而，从光纤上的不同位置反向散射的光的偏振态是随机的，这将会导致接受光信号的大幅波动。因此，目前的光纤分布式声波传感系统不同位置的光纤上传感性能的均匀性难以保持。目前的光纤分布式声波传感系统对于偏振衰落引起的相位误差补偿是静态的，并且需要在解调过程开始时对光纤进行扫描，此外，双折射引起的相位变化不能被补偿，这在长期连续测量中存在较大问题，稳定性较差。虽然目前光纤分布式传感系统在众多领域得到了初步的运用，但是偏振衰落引起的相位噪声影响并没有得到解决。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于偏振分极接收的光学相位解调方法和系统，旨在解决现有光纤分布式传感系统由于存在偏振衰落引起的相位噪声，导致系统稳定性低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于偏振分极接收的光学相位解调方法，包括：
(1)采集第一传感点A的第一光信号以及第二传感点B的第二光信号；其中，所述第一传感点A和所述第二传感点B为分布式传感光纤中相邻的两个传感点；
(2)分别对所述第一光信号和所述第二光信号进行I/Q解调，并在解调过程中得到与所述第一光信号和所述第二光信号对应的X偏振方向I信号分量SIx(t)、Q信号分量SQx(t)，以及Y偏振方向I信号分量SIy(t)、Q信号分量SQy(t)；
(3)根据对应的X偏振方向I信号分量SIx(t)与Q信号分量SQx(t)，得到所述第一光信号X偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号X偏振方向的光相位矢量并根据对应的Y偏振方向I信号分量SIy(t)与Q信号分量SQy(t)，得到所述第一光信号Y偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号Y偏振方向的光相位矢量
(4)根据所述第一光信号X偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号X偏振方向的光相位矢量得到所述第一光信号与所述第二光信号X偏振方向的相位差并根据所述第一光信号Y偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号Y偏振方向的光相位矢量得到所述第一光信号与所述第二光信号Y偏振方向的相位差
(5)根据所述X偏振方向的相位差与所述Y偏振方向的相位差得到双折射相位矢量，并对所述双折射相位矢量进行归一化，得到归一化相位差补偿信号；
(6)利用所述归一化相位差补偿信号对所述Y偏振方向的相位差进行补偿；
(7)对所述X偏振方向的相位差与补偿后的Y偏振方向的相位差进行矢量合成，得到所述第一传感点和所述第二传感点之间的相位变化；
其中，所述光信号包括信号光和参考光；所述X偏振方向与Y偏振方向为两个正交的偏振方向。
进一步地，所述步骤(3)具体为：
根据对应的X偏振方向I信号分量SIx(t)与Q信号分量SQx(t)，通过公式
得到所述第一光信号X偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号X偏振方向的光相位矢量
根据对应的Y偏振方向I信号分量SIy(t)与Q信号分量SQy(t)，通过公式
得到所述第一光信号Y偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号Y偏振方向的光相位矢量
进一步地，所述步骤(4)具体为：
对所述第一光信号X偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号X偏振方向的光相位矢量进行差分运算，得到所述第一光信号与所述第二光信号X偏振方向的相位差
对所述第一光信号Y偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号Y偏振方向的光相位矢量进行差分运算，得到所述第一光信号与所述第二光信号Y偏振方向的相位差
进一步地，所述步骤(5)具体为：
对所述X偏振方向的相位差与所述Y偏振方向的相位差进行差分运算，得到双折射相位矢量
通过求取补偿时间ΔT内双折射相位矢量平均值；
通过对所述平均值进行归一化，得到归一化相位差补偿信号
其中abs表示求绝对值运算。
进一步地，所述补偿时间ΔT越长，所述归一化相位差补偿信号的准确度越高。
进一步地，所述步骤(6)具体为：
根据所述归一化相位差补偿信号通过公式对所述Y偏振方向的相位差进行补偿；
其中，为补偿后的Y偏振方向的相位差。
本发明另一方面提供了一种基于偏振分极接收的光学相位解调系统，包括：采集模块、I/Q解调模块、光相位矢量构建模块、待补偿的相位差获取模块、相位差补偿信号获取模块、相位差补偿模块和相位变化获取模块；
所述采集模块，用于采集第一传感点A的第一光信号以及第二传感点B的第二光信号；
所述I/Q解调模块，用于分别对所述第一光信号和所述第二光信号进行I/Q解调，并在解调过程中得到与所述第一光信号和所述第二光信号对应的X偏振方向I信号分量SIx(t)、Q信号分量SQx(t)，以及Y偏振方向I信号分量SIy(t)、Q信号分量SQy(t)；
所述光相位矢量构建模块，用于根据对应的X偏振方向I信号分量SIx(t)与Q信号分量SQx(t)，得到所述第一光信号X偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号X偏振方向的光相位矢量并根据对应的Y偏振方向I信号分量SIy(t)与Q信号分量SQy(t)，得到所述第一光信号Y偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号Y偏振方向的光相位矢量
所述待补偿的相位差获取模块，用于根据所述第一光信号X偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号X偏振方向的光相位矢量得到所述第一光信号与所述第二光信号X偏振方向的相位差并根据所述第一光信号Y偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号Y偏振方向的光相位矢量得到所述第一光信号与所述第二光信号Y偏振方向的相位差
所述相位差补偿信号获取模块，用于根据所述X偏振方向的相位差与所述Y偏振方向的相位差得到双折射相位矢量，并对所述双折射相位矢量进行归一化，得到归一化相位差补偿信号；
所述相位差补偿模块，用于根据所述归一化相位差补偿信号对所述Y偏振方向的相位差进行补偿；
所述相位变化获取模块，用于对所述X偏振方向的相位差与补偿后的Y偏振方向的相位差进行矢量合成，得到所述第一传感点和所述第二传感点之间的相位变化。
进一步地，所述待补偿的相位差获取模块包括第一差分单元与第二差分单元；
所述第一差分单元，用于对所述第一光信号X偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号X偏振方向的光相位矢量进行差分运算，得到所述第一光信号与所述第二光信号X偏振方向的相位差
所述第二差分单元，用于对所述第一光信号Y偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号Y偏振方向的光相位矢量进行差分运算，得到所述第一光信号与所述第二光信号Y偏振方向的相位差
进一步地，所述相位差补偿信号获取模块包括差分单元与归一化单元；
所述差分单元，用于对所述X偏振方向的相位差与所述Y偏振方向的相位差进行差分运算，得到双折射相位矢量
所述归一化单元，用于通过求取补偿时间ΔT内双折射相位矢量平均值，并通过对所述平均值进行归一化，得到归一化相位差补偿信号
其中abs表示求绝对值运算。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)本发明通过对双折射相位矢量进行补偿，消除传统光纤分布式传感系统中由于偏振衰落引起的相位噪声，降低了偏振衰落对信号解调的影响，提高了系统稳定性。
(2)本发明通过对I信号和Q信号进行正交分解，将光信号转化矢量以实现去极化的相位解调，能够精确地估计双折射相位差，提高了信号还原的准确度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于偏振分极接收的光学相位解调方法流程示意图；
图2为基于偏振分极接收的光纤传感系统结构示意图；
图3为二维坐标系中光相位矢量的表征图；
其中，1为窄线宽激光器，2为第一光耦合器，3为声光调制器，4为掺铒光纤放大器，5为光环形器，6为传感光缆，7为偏振控制器，8为偏振分束器，9为第二光耦合器，10为第三光耦合器，11为第四光耦合器，12为第一平衡光电探测器，13为第二平衡光电探测器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参考图1，本发明实施例提供了一种基于偏振分极接收的光学相位解调方法，包括以下步骤：
(1)采集第一传感点A的第一光信号以及第二传感点B的第二光信号；
具体地，所述光信号包括信号光和参考光；
(2)分别对所述第一光信号和所述第二光信号进行I/Q解调，并在解调过程中得到与所述第一光信号和所述第二光信号对应的X偏振方向I信号分量SIx(t)、Q信号分量SQx(t)，以及Y偏振方向I信号分量SIy(t)、Q信号分量SQy(t)；
具体地，如图2所示，窄线宽激光器1发出激光，通过第一光耦合器2分为本振光和输出光，本振光和输出光信号强度比值为1：9，本振光经过偏振控制器8控制后，由第二光耦合器10分为信号强度1：1的X方向偏振参考光和Y方向偏振参考光；输出光经过声光调制器3调制，再经过掺铒光纤放大器4后进入环形器5一端口，通过环形器5二端口进入光纤，光纤产生后向散射光从环形器5二端口进入，环形器5三端口输出，再经过偏振分束器9得到X方向偏振信号光和Y方向偏振信号光；X方向参考光和X方向信号光经过第三光耦合器11后，由第一平衡探测器13接收，处理得到I信号X偏振方向信号分量SIx(t)，Q信号X偏振方向信号分量SQx(t)；Y方向参考光和Y方向信号光经过第三光耦合器12后，由第一平衡探测器14接收，处理得到I信号Y偏振方向信号分量SIy(t)，Q信号Y偏振方向信号分量SQy(t)，其中X偏振方向与Y偏振方向为两个正交的偏振方向。
(3)根据对应的X偏振方向I信号分量SIx(t)与Q信号分量SQx(t)，得到所述第一光信号X偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号X偏振方向的光相位矢量并根据对应的Y偏振方向I信号分量SIy(t)与Q信号分量SQy(t)，得到所述第一光信号Y偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号Y偏振方向的光相位矢量
具体地，如果以光信号的强度作为幅度，相位作为角度，则光信号可以表示为如图3所示的光相位矢量，相应地，根据对应的X偏振方向I信号分量SIx(t)与Q信号分量SQx(t)，通过公式
得到所述第一光信号X偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号X偏振方向的光相位矢量
根据对应的Y偏振方向I信号分量SIy(t)与Q信号分量SQy(t)，通过公式
得到所述第一光信号Y偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号Y偏振方向的光相位矢量
(4)根据所述第一光信号X偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号X偏振方向的光相位矢量得到所述第一光信号与所述第二光信号X偏振方向的相位差并根据所述第一光信号Y偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号Y偏振方向的光相位矢量得到所述第一光信号与所述第二光信号Y偏振方向的相位差
具体地，对所述第一光信号X偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号X偏振方向的光相位矢量进行差分运算，得到第一光信号与第二光信号X偏振方向的相位差即
对所述第一光信号Y偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号Y偏振方向的光相位矢量进行差分运算，得到第一光信号与第二光信号Y偏振方向的相位差即
其中，conj表示求复数共轭。
(5)根据所述X偏振方向的相位差与所述Y偏振方向的相位差得到双折射相位矢量，并对所述双折射相位矢量进行归一化，得到归一化相位差补偿信号；
具体地，对所述X偏振方向的相位差与所述Y偏振方向的相位差进行差分运算，得到双折射相位矢量
通过求取补偿时间ΔT内双折射相位矢量平均值；
通过对所述平均值进行归一化，得到归一化相位差补偿信号其中abs表示求绝对值运算。
由于随着时间的累积，对随机噪声的抑制作用更强，因此补偿时间ΔT越长，归一化相位差补偿信号的准确度越高。
(6)利用所述归一化相位差补偿信号对所述Y偏振方向的相位差进行补偿；
具体地，根据所述归一化相位差补偿信号通过公式
对所述Y偏振方向的相位差进行补偿；其中，为补偿后的Y偏振方向的相位差。
(7)对所述X偏振方向的相位差与补偿后的Y偏振方向的相位差进行矢量合成，得到所述第一传感点和所述第二传感点之间的相位变化
本发明实施例另一方面提供了一种基于偏振分极接收的光学相位解调系统，包括：采集模块、I/Q解调模块、光相位矢量构建模块、待补偿的相位差获取模块、相位差补偿信号获取模块、相位差补偿模块和相位变化获取模块；
所述采集模块，用于采集第一传感点A的第一光信号以及第二传感点B的第二光信号；
所述I/Q解调模块，用于分别对所述第一光信号和所述第二光信号进行I/Q解调，并在解调过程中得到与所述第一光信号和所述第二光信号对应的X偏振方向I信号分量SIx(t)、Q信号分量SQx(t)，以及Y偏振方向I信号分量SIy(t)、Q信号分量SQy(t)；
所述光相位矢量构建模块，用于根据对应的X偏振方向I信号分量SIx(t)与Q信号分量SQx(t)，得到所述第一光信号X偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号X偏振方向的光相位矢量并根据对应的Y偏振方向I信号分量SIy(t)与Q信号分量SQy(t)，得到所述第一光信号Y偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号Y偏振方向的光相位矢量
所述待补偿的相位差获取模块，用于根据所述第一光信号X偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号X偏振方向的光相位矢量得到所述第一光信号与所述第二光信号X偏振方向的相位差并根据所述第一光信号Y偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号Y偏振方向的光相位矢量得到所述第一光信号与所述第二光信号Y偏振方向的相位差
所述相位差补偿信号获取模块，用于根据所述X偏振方向的相位差与所述Y偏振方向的相位差得到双折射相位矢量，并对所述双折射相位矢量进行归一化，得到归一化相位差补偿信号；
所述相位差补偿模块，用于根据所述归一化相位差补偿信号对所述Y偏振方向的相位差进行补偿；
所述相位变化获取模块，用于对所述X偏振方向的相位差与补偿后的Y偏振方向的相位差进行矢量合成，得到所述第一传感点和所述第二传感点之间的相位变化。
进一步地，所述待补偿的相位差获取模块包括第一差分单元与第二差分单元；
所述第一差分单元，用于对所述第一光信号X偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号X偏振方向的光相位矢量进行差分运算，得到所述第一光信号与所述第二光信号X偏振方向的相位差
所述第二差分单元，用于对所述第一光信号Y偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号Y偏振方向的光相位矢量进行差分运算，得到所述第一光信号与所述第二光信号Y偏振方向的相位差
进一步地，所述相位差补偿信号获取模块包括差分单元与归一化单元；
所述差分单元，用于对所述X偏振方向的相位差与所述Y偏振方向的相位差进行差分运算，得到双折射相位矢量
所述归一化单元，用于通过求取补偿时间ΔT内双折射相位矢量平均值，并通过对所述平均值进行归一化，得到归一化相位差补偿信号
其中abs表示求绝对值运算。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于偏振分极接收的光学相位解调方法，其特征在于，包括
(1)采集第一传感点A的第一光信号以及第二传感点B的第二光信号；其中，所述第一传感点A和所述第二传感点B为分布式传感光纤中相邻的两个传感点；
(2)分别对所述第一光信号和所述第二光信号进行I/Q解调，并在解调过程中得到与所述第一光信号和所述第二光信号对应的X偏振方向I信号分量SIx(t)、Q信号分量SQx(t)，以及Y偏振方向I信号分量SIy(t)、Q信号分量SQy(t)；
(3)根据对应的X偏振方向I信号分量SIx(t)与Q信号分量SQx(t)，得到所述第一光信号X偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号X偏振方向的光相位矢量并根据对应的Y偏振方向I信号分量SIy(t)与Q信号分量SQy(t)，得到所述第一光信号Y偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号Y偏振方向的光相位矢量
(4)根据所述第一光信号X偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号X偏振方向的光相位矢量得到所述第一光信号与所述第二光信号X偏振方向的相位差并根据所述第一光信号Y偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号Y偏振方向的光相位矢量得到所述第一光信号与所述第二光信号Y偏振方向的相位差
(5)根据所述X偏振方向的相位差与所述Y偏振方向的相位差得到双折射相位矢量，并对所述双折射相位矢量进行归一化，得到归一化相位差补偿信号；
(6)利用所述归一化相位差补偿信号对所述Y偏振方向的相位差进行补偿；
(7)对所述X偏振方向的相位差与补偿后的Y偏振方向的相位差进行矢量合成，得到所述第一传感点和所述第二传感点之间的相位变化；
其中，所述光信号包括信号光和参考光；所述X偏振方向与Y偏振方向为两个正交的偏振方向。
2.根据权利要求1所述的一种基于偏振分极接收的光学相位解调方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：
根据对应的X偏振方向I信号分量SIx(t)与Q信号分量SQx(t)，通过公式
得到所述第一光信号X偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号X偏振方向的光相位矢量
根据对应的Y偏振方向I信号分量SIy(t)与Q信号分量SQy(t)，通过公式
得到所述第一光信号Y偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号Y偏振方向的光相位矢量
3.根据权利要求1或2所述的一种基于偏振分极接收的光学相位解调方法，其特征在于，所述步骤(4)具体为：
对所述第一光信号X偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号X偏振方向的光相位矢量进行差分运算，得到所述第一光信号与所述第二光信号X偏振方向的相位差
对所述第一光信号Y偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号Y偏振方向的光相位矢量进行差分运算，得到所述第一光信号与所述第二光信号Y偏振方向的相位差
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于偏振分极接收的光学相位解调方法，其特征在于，所述步骤(5)具体为：
对所述X偏振方向的相位差与所述Y偏振方向的相位差进行差分运算，得到双折射相位矢量
通过求取补偿时间ΔT内双折射相位矢量平均值；
通过对所述平均值进行归一化，得到归一化相位差补偿信号
其中abs表示求绝对值运算。
5.根据权利要求4所述的一种基于偏振分极接收的光学相位解调方法，其特征在于，所述补偿时间ΔT越长，所述归一化相位差补偿信号的准确度越高。
6.根据权利要求4所述的一种基于偏振分极接收的光学相位解调方法，其特征在于，所述步骤(6)具体为：
根据所述归一化相位差补偿信号通过公式对所述Y偏振方向的相位差进行补偿；
其中，为补偿后的Y偏振方向的相位差。
7.一种基于偏振分极接收的光学相位解调系统，其特征在于，包括：采集模块、I/Q解调模块、光相位矢量构建模块、待补偿的相位差获取模块、相位差补偿信号获取模块、相位差补偿模块和相位变化获取模块；
所述采集模块，用于采集第一传感点A的第一光信号以及第二传感点B的第二光信号；
所述I/Q解调模块，用于分别对所述第一光信号和所述第二光信号进行I/Q解调，并在解调过程中得到与所述第一光信号和所述第二光信号对应的X偏振方向I信号分量SIx(t)、Q信号分量SQx(t)，以及Y偏振方向I信号分量SIy(t)、Q信号分量SQy(t)；
所述光相位矢量构建模块，用于根据对应的X偏振方向I信号分量SIx(t)与Q信号分量SQx(t)，得到所述第一光信号X偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号X偏振方向的光相位矢量并根据对应的Y偏振方向I信号分量SIy(t)与Q信号分量SQy(t)，得到所述第一光信号Y偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号Y偏振方向的光相位矢量
所述待补偿的相位差获取模块，用于根据所述第一光信号X偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号X偏振方向的光相位矢量得到所述第一光信号与所述第二光信号X偏振方向的相位差并根据所述第一光信号Y偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号Y偏振方向的光相位矢量得到所述第一光信号与所述第二光信号Y偏振方向的相位差
所述相位差补偿信号获取模块，用于根据所述X偏振方向的相位差与所述Y偏振方向的相位差得到双折射相位矢量，并对所述双折射相位矢量进行归一化，得到归一化相位差补偿信号；
所述相位差补偿模块，用于根据所述归一化相位差补偿信号对所述Y偏振方向的相位差进行补偿；
所述相位变化获取模块，用于对所述X偏振方向的相位差与补偿后的Y偏振方向的相位差进行矢量合成，得到所述第一传感点和所述第二传感点之间的相位变化。
8.根据权利要求7所述的一种基于偏振分极接收的光学相位解调系统，其特征在于，所述待补偿的相位差获取模块包括第一差分单元与第二差分单元；
所述第一差分单元，用于对所述第一光信号X偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号X偏振方向的光相位矢量进行差分运算，得到所述第一光信号与所述第二光信号X偏振方向的相位差
所述第二差分单元，用于对所述第一光信号Y偏振方向的光相位矢量与所述第二光信号Y偏振方向的光相位矢量进行差分运算，得到所述第一光信号与所述第二光信号Y偏振方向的相位差
9.根据权利要求7或8所述的一种基于偏振分极接收的光学相位解调系统，其特征在于，所述相位差补偿信号获取模块包括差分单元与归一化单元；
所述差分单元，用于对所述X偏振方向的相位差与所述Y偏振方向的相位差进行差分运算，得到双折射相位矢量
所述归一化单元，用于通过求取补偿时间ΔT内双折射相位矢量平均值，并通过对所述平均值进行归一化，得到归一化相位差补偿信号
其中abs表示求绝对值运算。
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