CN110455400A - 基于弱光栅阵列和空间分辨率可调的分布式振动传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于弱光栅阵列和空间分辨率可调的分布式振动传感系统，脉冲光首先经过声光调制器调制，经过掺铒光纤放大器放大的脉冲探测光通过第一环形器之后进入光纤弱光栅阵列中，光纤弱光栅反射光反馈通过第一环形器，输出至第二环形器；第二环形器输出的光通过3x3耦合器之后到达两个臂长差为d的法拉第旋镜，两个法拉第旋镜将每个光栅的反射光分出一束光程差延迟为d的反射光用于与下一个光栅反射光耦合形成干涉，干涉光由3x3耦合器输出到3个不同的光电探测仪，还包括下位机模块，经过下位机模块处理过的信号传递给上位机PC端，用于解决现有的弱光栅振动解调技术中无法高效解调高低频信号及光栅空间分辨率调节困难的缺陷。

Description

基于弱光栅阵列和空间分辨率可调的分布式振动传感系统

技术领域

本发明属于光纤光栅传感技术领域，尤其涉及一种基于弱光栅阵列和空间分辨率可调的分布式振动传感系统。

背景技术

弱光栅阵列技术相比于传统光纤具有更高的反射光信噪比，同时相对于普通光栅光纤来说其反射率通常可以低至-40dB以下，无焊点、不需熔接，单次复用数量可以超过上万个。基于弱光栅阵列的振动传感技术具有复用距离长，灵敏度高，信噪比强，解调速度快等特点，可应用于周界安防，油气勘探，管道泄漏等领域。

制约弱光栅阵列振动传感技术主要有两个因素，一是解调带宽受限，对于低于1Hz以下的低频信号和高于1kHz的高频信号解调困难。为了兼容采集高频或低频信号，将会产生一系列的数据冗余及噪声干扰，高采样率会导致低频信号数据量过多、高频毛刺噪声的产生，低采样率则会导致高频信号欠采样，进而导致信号失真；二是空间分辨率受限，空间分辨率与探测光脉冲的脉宽相关，窄脉冲能够提高空间分辨率，因此需要对解调系统提出更高的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于弱光栅阵列和空间分辨率可调的分布式振动传感系统，解决现有的弱光栅振动解调技术中无法高效解调高低频信号及光栅空间分辨率调节困难的缺陷。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于弱光栅阵列和空间分辨率可调的分布式振动传感系统，包括声光调制器、掺铒光纤放大器、至少2个环形器，脉冲光首先经过声光调制器调制，经过掺铒光纤放大器放大的脉冲探测光通过第一环形器之后进入光纤弱光栅阵列中，光纤弱光栅反射光反馈通过第一环形器，输出至第二环形器；第二环形器输出的光通过3x3耦合器之后到达两个臂长差为d的法拉第旋镜，两个法拉第旋镜将每个光栅的反射光分出一束光程差延迟为d的反射光用于与下一个光栅反射光耦合形成干涉，干涉光由3x3耦合器输出到3个不同的光电探测仪，还包括下位机模块，经过下位机模块处理过的信号传递给上位机PC端。

按上述技术方案，下位机模块包括FPGA高速采集卡、脉冲调制模块，FPGA高速采集卡用于采集三个光电探测仪接收的光信号、触发脉冲光信号、加速解调算法。

按上述技术方案，上位机PC端主要用于后端数据重排，同时上位机还负责控制FPGA高速采集卡设置。

按上述技术方案，脉冲调制模块包括分频模块、按键控制模块、脉冲产生模块，脉冲调制模块依据用户键入的不同指令输出不同频率、宽度触发脉冲。脉冲的频率影响系统的响应带宽上限和数据处理工作量，脉宽的宽度影响系统的空间分辨率。

按上述技术方案，分频模块中，通过定时器降低ADC时钟的速率，方便后续形成脉冲。

按上述技术方案，按键控制模块中通过定时采样消除按键抖动产生，避免一次按键多次触发有效信号。

按上述技术方案，脉冲产生模块中，通过分频模块输入的时钟与按键控制模块输入的用户指令，自动调整计数器的触发阈值，进而输出指定频率和脉宽的脉冲。

脉冲的频率影响解调带宽上限，脉冲宽度将影响系统空间分辨率；在FPGA中使用3x3耦合器的反正切算法。上位机模块通过控制上传数据量进行数据重排，调整单次解调的波形长度控制解调带宽下限。

本发明产生的有益效果是：1)频率、宽度可调的触发脉冲能有效改变系统的带宽上限、空间分辨率，使系统的解调方式更加灵活。

2)上位机可自由控制单次解调波形时长，可有效改变系统的带宽下限和响应时间，对于地震波中的低频长波检测具有巨大应用意义。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例整体系统图；

图2为本发明实施例中脉冲控制模块示意图；

图3为本发明实施例中脉冲产生流程图；

图4为本发明实施例中脉冲仿真效果图；

图5为本发明实施例中低频信号时域解调波形图；

图6为本发明实施例中高频信号时域解调波形图。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，本发明实施例中，如图1所示，系统整体的流程包括：上位机对FPGA写入控制，FPGA根据编译的程序生成对应电脉冲用于调制AOM声光调制器，AOM将连续激光光源调制为对应的光脉冲，经过掺铒光纤放大器EDFA前置放大后进入弱光栅阵列，经过弱光栅阵列依次得到的反射光通过环形器进入3x3耦合器，通过臂长不同的法拉第旋镜形成干涉，干涉信号再回馈到3x3耦合器，通过3个PD光电探测器(PD1c、PD2c、PD3c)转换成电信号，由FPGA采集卡采集、加速解调算法、打包至上位机PC，上位机通过数据重排解调出对应波形。

系统整体的具体运行流程为：如图1所示,系统通过FPGA生成AOM调制所需的脉冲；如图2所示，在FPGA中，因为ADC采集时钟基础频率太高会导致生成的脉冲顶部毛刺增多，脉冲不稳定，分频模块能通过ADC高频采集时钟产生较低频的时钟用于脉冲产生模块；用户则通过按键控制模块输入控制信号用于改动脉冲频率和宽度参数；脉冲产生模块主要通过计数器进行宽度和频率的调制。模块具体内容包括：

分频模块：以本发明所用的200MHz采样率采集卡为例，需要将ADC时钟做一次分频得到100MHz的时钟，对应于产生10ns宽度的脉冲长度。不同采样率采集卡的分频次数不同。设需要分频的次数为2N(N为整数)，则设置计数的上限为N-1，即计数器每次达到N-1时令输出时钟翻转一次，同时将计数器置位为0。据此即可得到分频后的时钟clk。

按键控制模块：用户按键S1、S2、RESET，分别用于控制脉冲频率、脉冲宽度、寄存器复位。当用户通过物理接触按下按键时，由于按键的抖动可能会产生多次的有效信号，因此按键控制模块需要进行一定的处理将抖动毛刺消除。去毛刺的方法为每50ms检测一次按键值，转换为频率则为20Hz，检测到两次的按键值为下降沿变化则代表有效按键，令按键指令生效。按键模块同样由计数器构成。因为clk为100MHz，所需计数次数则为：

据此可以预设计数寄存器的大小为23位，每当计数达到4999999时，将按键输入值放入寄存器Keydata1，并将Keydata1的前一个值转移到寄存器Keydata2中。令第三个寄存器：

Keyflag＝(～Keydata1)&Keydata2

当按键输入有下降沿变化时则Keyflag的值为1，并持续一个clk的周期。这样就可以避免一次按键多次生效。

脉冲产生模块：如图3所示为脉冲控制模块的流程图，以本系统产生频率为1kHz、10kHz、20kHz、40kHz、50kHz可调，脉宽为10ns、20ns、30ns、40ns、50ns可调为例。该模块包括：用户输入按键值consize、confre，输入时钟clk，宽度标志寄存器sizeflag，频率标志寄存器freflag；频率计数次数选择器由case语句组成，里面预存了五个变量对应生成不同的系统频率，依次为99999、9999、4999、2499、1999；同样的，宽度计数次数选择器里预存的变量为1、2、3、4、5；宽度计数器寄存器sizecount，频率计数器寄存器frecount；两个判断分支用于控制输出值和计数器的累加与重置。

具体的运行流程为：

初始系统通过reset按键重置，sizeflag和freflag都为0，宽度计数器sizecount和频率计数器frecount都为0。

根据按键的次数会令sizeflag和freflag的值自增+1，事先设定上限为4，每次做自增的时候做条件判断，当值大于等于4的时候自动重置为0。

根据sizeflag和freflag的值分别用case分支选择器选择计数器的值size和fre；以所需的脉冲频率为10KHz，脉宽为30ns为例，按一次频率按键confre，则频率标志freflag会由0变成1，从而case选择器使频率计数值寄存器置为9999；按两次脉宽按键consize，则脉宽标志sizeflag变成2，从而case选择器输出值3，与频率计数值相加为10002，传递给宽度计数值寄存器size。

输入时钟clk驱动宽度计数器sizecount和频率计数器frecount工作，每次clk上升沿到来的时候与提前置位的计数值进行比较，根据结果自增+1或者触发控制脉冲；以所需的脉冲频率为10KHz，脉宽为30ns为例，则fre＝9999，size＝10002。当clk上升沿到来时，若frecount的值还未达到9999，则脉冲输出不变，依然为0，计数器自增+1；当达到9999时，下一个时刻脉冲输出置位为1，frecount置位为0重新开始计数；若sizecount的值还未达到10002，则脉冲输出不变，计数器自增+1；当达到10002时，将下一个时刻脉冲输出置位为0，sizecount置位为sizeflag+1；最终脉冲的生成情况就是，经过9999个clk之后输出变为1，再经过3个clk之后输出变为0，两个计数器的计数周期都是10000个clk，对应频率为10kHz，脉宽为3个clk，对应30ns。

如图4所示为脉冲仿真效果图。输出信号随着时钟clk，每隔一段时间输出一次脉冲。当consize按键生效时，后续的脉冲宽度会增加；当confre按键生效时，后续的脉冲间隔会增加。

如图1图1所示，生成的脉冲光进入AOM声光调制器后，通过EDFA放大增加信号强度后再通过环形器1a进入弱光栅阵列。弱光栅的反射光返回到环形器1a中，然后再通过环形器2a进入3x3耦合器；耦合器后端接了两个臂长差与光栅间距d相同的法拉第旋镜1b、2b，可以有效地使不同光栅之间的反射光进行干涉。

当脉冲光通过臂长差为d的两个法拉第旋镜之后，每个光栅都分成前后两束反射光，分光之后相邻光栅的反射光能消除光程差进行干涉。需要注意的是，为了确保相邻光栅之间的分光干涉，除了保证一定的强度的脉宽长度之外，还需要保证脉冲宽度不能过长而导致影响到第三个及以外的光栅反射信号干涉。即后一个光栅的反射信号经过前一个光栅的时刻，必须保证光脉冲的尾端已经完全脱离了前一个光栅，否则两个反射光会提前发生部分干涉。设脉冲光宽度为Tp，光在光纤中的传播速度V＝2×10⁸m/s，光柵间距为d，对应的公式条件如下所示：

可以对应为，5m间距的光栅需要保证脉冲宽度小于50ns，4m间距的光栅需要保证脉冲宽度小于40ns，以此类推。

干涉光通过3x3耦合器的反正切算法可以解调出振动波形，但是单次脉冲采集得到的信号为不同位置对应的瞬时振动相位值。为了解调出每个干涉点的时域信号，需要不断发射脉冲，不断采集信号，将空间分布的单次反射信号串联成不同位置的时域信号。发射脉冲的频率将影响单点的可测频率最高值和整齐分布式传感系统的传感距离，设脉冲发射频率为F_p，光栅光纤整体长度为S，所需测得最高频率为F_max,则根据奈奎斯特采样定律可得限制条件为：

F_p≥2F_max (2)

为保证后一个脉冲反射光触发时前一脉冲光已经不再有反射信号反馈到光电探测仪，则有限制条件：

同时，系统的带宽下限，即低频分辨力F_recongnize(下面皆写作F_r)，也是由脉冲发射频率及响应波形长度共同决定的，设一次构建波形的响应采样点数为N，则具体限制条件为：

由于N＝t×F_p，t表示为发生脉冲的时间长度，也是系统运行的时间长度，上述限制条件可以进一步化简为：

基于公式(1)可知，脉冲的宽度影响光栅阵列的空间分辨率d的设定，脉宽过宽会对非相邻的光栅产生干扰，因此本发明在脉冲产生模块可以设置对应的计数上限；以分频产生的时钟周期10ns为例，该方法可以通过调整脉宽计数阈值，在输出一段时间高电平之后达到阈值，将输出拉低，使脉宽拓展至10ns的整数倍，若需要更窄的脉宽则可以通过倍频产生周期更短的时钟，但是响应的对AOM的性能要求也会增加，必要时可以将AOM更换为性能更为优越的EOM。

基于公式(2)，脉冲的频率影响系统的解调带宽上限，脉冲频率越高则可测得的带宽上限也越高。但是根据公式(3)可知，频率过高也会导致解调光纤长度受到限制，并且在实际应用中，若是没有针对高频信号的特别要求，脉冲频率过高也会导致解调出现高频噪声，并且单位时间内需要处理的数据量也会变多，大大增加了后续处理的数据量；本发明通过设置频率计数器的阈值，当时钟运行至对应计数器到达阈值时，将输出电平拉高，高电平运行几个时钟之后会通过脉宽计数器拉低。

基于公式(5)，上位机单次构建解调波形的响应时长将影响系统的解调带宽下限，在上位机的中时长t的条件限制体现为采样点数N与脉冲频率F_p的关系，如公式(4)所示；以10kHz的F_p为例，若要系统可以辨别出0.3Hz的频率分量，则必须满足：

即单次构建某点的振动波形所需的数据点数必须大于33333个点，一般设置为2的整数次幂，取65536个点数做频谱分析；本发明通过更改构建波形长度来实现低频信号的解调，同时对于高频的信号，同样可以通过调节构建波形长度，降低系统响应时间间隔，实现更好的实时性。

如图5、图6所示为高频信号和低频信号的解调结果。

以一般的光纤光栅分布式振动解调系统为例，使用频率10kHz的脉冲探测光进行信号传输，最高可测得的带宽仅能达到5kHz，使用本系统下位机模块对脉冲进行调控则可以将带宽上限提高至25kHz。

以一般的光纤光栅分布式振动解调系统为例，时域解调响应时间为0.2048秒，最低可测得频率仅能达到5Hz左右，使用本系统上位机模块对响应时间进行调控则可以将可测带宽下限降低至0.3Hz以下，具体下限视传感器的性能而异。

以一般的光纤光栅分布式振动解调系统为例，使用50ns脉宽的脉冲进行5m分辨率的振动解调，利用本系统可以将脉冲宽度调低至1m，实现空间上1m的分辨率；此外若需更精确的分辨率可以将AOM更换为EOM并使用更高基础频率的时钟进行调制。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于弱光栅阵列和空间分辨率可调的分布式振动传感系统，其特征在于，包括声光调制器、掺铒光纤放大器、至少2个环形器，脉冲光首先经过声光调制器调制，经过掺铒光纤放大器放大的脉冲探测光通过第一环形器之后进入光纤弱光栅阵列中，光纤弱光栅反射光反馈通过第一环形器，输出至第二环形器；第二环形器输出的光通过3x3耦合器之后到达两个臂长差为d的法拉第旋镜，两个法拉第旋镜将每个光栅的反射光分出一束光程差延迟为d的反射光用于与下一个光栅反射光耦合形成干涉，干涉光由3x3耦合器输出到3个不同的光电探测仪，还包括下位机模块，经过下位机模块处理过的信号传递给上位机PC端。

2.根据权利要求1所述的基于弱光栅阵列和空间分辨率可调的分布式振动传感系统，其特征在于，下位机模块包括FPGA高速采集卡、脉冲调制模块，FPGA高速采集卡用于采集三个光电探测仪接收的光信号、触发脉冲光信号、加速解调算法。

3.根据权利要求1或2所述的基于弱光栅阵列和空间分辨率可调的分布式振动传感系统，其特征在于，上位机PC端主要用于后端数据重排，同时上位机还负责控制FPGA高速采集卡设置。

4.根据权利要求1或2所述的基于弱光栅阵列和空间分辨率可调的分布式振动传感系统，其特征在于，脉冲调制模块包括分频模块、按键控制模块、脉冲产生模块，脉冲调制模块依据用户键入的不同指令输出不同频率、宽度触发脉冲。

5.根据权利要求4所述的基于弱光栅阵列和空间分辨率可调的分布式振动传感系统，其特征在于，分频模块中，通过定时器降低ADC时钟的速率。

6.根据权利要求4所述的基于弱光栅阵列和空间分辨率可调的分布式振动传感系统，其特征在于，按键控制模块中通过定时采样消除按键抖动产生。

7.根据权利要求4所述的基于弱光栅阵列和空间分辨率可调的分布式振动传感系统，其特征在于，脉冲产生模块中，通过分频模块输入的时钟与按键控制模块输入的用户指令，自动调整计数器的触发阈值，进而输出指定频率和脉宽的脉冲。