CN110470376A - 一种干涉分布式光纤声传感装置及其传感方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种干涉分布式光纤声传感装置，包括依序连接的光源(1)、偏振控制器(2)、偏振分束器(3)、调制信号产生装置(5)、第一光放大器(7)、第一1×2光纤耦合器(8)、延时光纤(9)、第二1×2光纤耦合器(10)、光纤环行器(11)、传感光纤(12)、第二光放大器13)、微反射光栅阵列(14)、第二光电探测器(15)、采集卡(16)和信号处理装置(17)。与现有技术相比，本发明一方面能够增加声音传感解调的快速性和简便性；另一方面能通过微反射光栅间距的灵活设置满足不同传感空间分辨率需求。
Description
技术领域
本发明涉及相干光时域反射技术领域和信号解调技术领域，特别涉及一种基于微反射光栅和双扫频调制脉冲的干涉分布式光纤声传感装置与传感方法。
背景技术
相位敏感光时域反射(Phase-sensitive Optical Time DomainReflectometer，)传感技术在建筑结构健康监测、矿产探测、海底光缆监测以及水下监听等方面有着广泛的应用和需求。相位敏感光时域反射传感技术通过注入光脉冲，分析沿光纤各处的后向瑞利散射光信号，得到传感光纤各处的光相位信息，从而实时探知外界振动、声波信号导致的光纤各处相位变化，进而实现对振动源、声源的识别和定位。例如，在沿输油输气管道安全监测中，通过沿管道固定的传感光纤，相位敏感光时域反射传感装置可以实时监测管道漏点、异常振动等状况。
目前传统的相位敏感光时域反射传感技术大多是使用光纤的后向瑞利散射光信号进行相位解调。由于光纤内散射点位置的随机分布、后向瑞利散射系数较低，且使用简单的单频脉冲，这使得传统的相位敏感光时域反射传感技术很难对外部声振动实现高精度的包括幅度、频率和相位的全信息波形测量，这限制了相位敏感光时域反射技术在实际工程应用中适用范围。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种干涉分布式光纤声传感装置及其传感方法，通过传感光纤上连续制作等距微反射光栅，使得微反射光栅阵列具有固定的反射率，可以提供比光纤中固有的后向瑞利散射强～30dB的反射光，使微反射光栅阵列返回的光信号相互干涉形成正弦波波形，将声传感信息提取转变为正弦信号的相位提取分析，实现对外部声振动的高精度测量。
本发明的一种干涉分布式光纤声传感装置，该装置包括依序连接的光源1、偏振控制器2、偏振分束器3、调制信号产生装置5、第一光放大器7、第一1×2光纤耦合器8、延时光纤9、第二1×2光纤耦合器10、光纤环行器11、传感光纤12、第二光放大器13、微反射光栅阵列14、第二光电探测器15、采集卡16和信号处理装置17；所述偏振分束器3一路接光电探测器4，另一路接双平行马赫曾德电光调制器6；第一1×2光纤耦合器8用于将光分成两束，其中一路经过延时光纤9；在所述传感光纤12上设置有连续的相邻间距为L的微反射光栅阵列，其中：
所述光源1发出的连续激光经过所述偏振控制器2和所述偏振分束器3后输入双平行马赫曾德电光调制器6，第一光电探测器4反馈控制偏振控制器2，所述调制信号产生装置5控制所述双平行马赫曾德电光调制器6进行光调制，调制后的扫频调制光脉冲经过所述第一光放大器7放大，然后经过所述第一1×2耦合器8分为两路，并利用所述延时光纤9产生两个相同的扫频调制光脉冲；经所述延时光纤9后由所述第二1×2耦合器10合束，两个合束的扫频调制脉冲经所述光纤环行器11进入所述传感光纤12，经所述微反射光栅阵列14的微反射光栅反射后得到的反射光电场，所述传感光纤12发生形变时引起的扫频调制脉冲的干涉信号经所述第二光电探测器15接收，经所述第二光电探测器15用于进行光电转换并放大；再经所述采集卡16用于对光电探测器的电压信号进行采集；直至所述信号处理装置17将采集卡接收的干涉信号进行处理，最终获取振动信息。
本发明的一种干涉分布式光纤声传感方法，该方法具体包括以下流程：
步骤一、光源1发出的连续激光经过偏振控制器2和偏振分束器3后输入双平行马赫曾德电光调制器6，第一光电探测器4反馈控制偏振控制器2，使第一光电探测器4接收到的光功率最小，则可以保证输入偏振态与双平行马赫曾德电光调制器的偏振输入要求相同，由调制信号产生装置5控制双平行马赫曾德电光调制器6进行光调制，经调制后扫频调制光脉冲的脉冲宽度为W，频率范围为f1～f2，f1为扫频范围的起始频率，f2为扫频范围的结束频率；
步骤二、扫频调制光脉冲经过第一光放大器7放大，然后经过第一1×2耦合器8分为两路，并利用延时光纤9产生两个相同的扫频调制光脉冲；经延时光纤9后由第二1×2耦合器10合束的两个扫频调制脉冲之间的时间延迟与单个扫频调制脉冲在微反射光栅间的往返时间相近，其中，n为传感光纤纤芯折射率，c为真空中光速；两个扫频调制脉冲经光纤环行器11进入传感光纤12；
对于微反射光栅间距L，则延时光纤长度设为2L-ΔL，其中ΔL为设置的一微小偏置；
步骤三、将扫频调制光脉冲以时延间隔在传感光纤12上任意相邻两个微反射光栅如第n个和第n+1个微反射光栅间的光纤区域为第n个传感区上传送，经微反射光栅反射后，先到达第n个传感区的扫频脉冲经FBG n+1反射后返回到达FBG n处的反射光电场表示为：
其中，T为脉冲宽度，f1为扫频的初始频率，f2为扫频的结束频率，R2为FBG n+1的反射率，Δφ为第n个传感区外界声场所引起的光纤相位改变量；
后到达第n个传感区的扫频调制脉冲经FBG n反射后在FBG n处的反射光电场表示为：
其中，R1为FBG n的反射率，Δt为两个扫频调制脉冲到达FBG n处的时间差；
由于使用的光源为窄线宽光源，两个反射脉冲发生干涉，干涉光强表示为：
P∝|E|2＝|E1|2+|E2|2+2|E1E2| (3)
步骤四、经第二光电探测器15接收第n个传感区引起的两个扫频调制脉冲间干涉信号，两个脉冲信号干涉结果为频率的正弦波，相位为待测信息Δφ；当第n个传感区内传感光纤12发生形变时将引起通过传感光纤12的扫频调制脉冲发生相位改变，即Δφ改变，也即正弦波的相位变化，反映到具体物理图像上即为正弦波的左右平移；通过正弦信号相位解调算法，将采集的数据进行处理得到Δφ的变化，从而得到传感光纤处受振动情况。
与现有技术相比，本发明的干涉分布式光纤声传感装置及其传感方法具有以下积极的技术效果：
1、利用微反射光栅，提高了反射信号光的强度和信噪比，进而提高了分布式光纤声传感的灵敏度；同时，利用双扫频调制脉冲，使微反射光栅阵列返回的光信号相互干涉形成正弦波波形，将声传感信息提取转变为正弦信号的相位提取分析，增加声音传感解调的快速性和简便性；
2、通过数字扫频调制和光纤时延的数模结合的方法，能高质量地产生双扫频调制脉冲，且能灵活设置双扫频调制脉冲的调制深度、脉冲宽度和扫频斜率；
3、能通过微反射光栅间距的灵活设置满足不同传感空间分辨率需求。
附图说明
图1为本发明中一种基于微反射光栅和双扫频调制脉冲的干涉分布式光纤声传感装置示意图；
图2为本发明中连续制作在光纤上的微反射光栅的光纤内双扫频调制脉冲干涉示意图；
图3为本发明中双扫频调制脉冲干涉时频率关系示意图；
图4为本发明实例光电探测器接收到的原始信号示意图；
图5为本发明实例根据原始信号解调出的相位结果示意图。
图中包括，1、光源，2、偏振控制器，3、偏振分束器，4、第一光电探测器，5、调制信号产生装置，6、双平行马赫曾德电光调制器，7、第一光放大器，8、第一1×2光纤耦合器，9、延时光纤，10、第二1×2光纤耦合器，11、光纤环行器，12、传感光纤，13、第二光放大器，14、微反射光栅阵列，15、第二光电探测器，16、采集卡，17、信号处理装置。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式，进一步详述本发明的技术方案。
如图1所示，为本发明的干涉分布式光纤声传感装置结构示意图。该装置结构包括光源1、偏振控制器2、偏振分束器3、第一光电探测器4、调制信号产生装置5、双平行马赫曾德电光调制器6、第一光放大器7、第一1×2光纤耦合器8、延时光纤9、第二1×2光纤耦合器10、光纤环行器11、传感光纤12、第二光放大器13、微反射光栅阵列14、第二光电探测器15、采集卡16和信号处理装置17；其中：
所述光源1选取波长在C+L波段的窄线宽激光器；
所述偏振控制器2用于改变窄线宽激光器偏振态；
所述偏振分束器3用于反馈控制偏振控制器，一路接光电探测器4，另一路接双平行马赫曾德电光调制器6；当使第一光电探测器4接收到的光功率最小时，则可以保证输入偏振态与双平行马赫曾德电光调制器6的偏振输入要求相同；
所述第一光电探测器4用于接收偏振分束器3的一路光进而实现对偏振控制器2的反馈控制；
所述调制信号产生装置5用于产生扫频脉冲调制信号，其采样率100MS/s～10GS/s；
所述双平行马赫曾德电光调制器6用于将光源发出的连续光调制为扫频脉冲光信号，其调制带宽50MHz～10GHz；
所述第一光放大器7包括掺铒光纤放大器(EDFA)和半导体光放大器(SOA)，用于把进入传感光纤前的光信号进行放大；
所述第一1×2光纤耦合器8用于将光分成两束，其中一路经过延时光纤9；
所述延时光纤9用于产生固定时延，长度为2m～100m；
所述第二1×2光纤耦合器10用于将两束光合成一束；
所述光纤环行器11用于将调制后的脉冲光传输到传感光纤并收集反射信号光；
所述传感光纤12用于感受声波振动信号和传输光信号，单模光纤0.1km～50km，；
所述第二光放大器13，包括掺铒光纤放大器(EDFA)和半导体光放大器(SOA)，用来把传感光纤反射回的光信号进行放大；
所述微反射光栅阵列14是在传感光纤12上连续制作相邻间距为L的微反射光栅阵列，L取值为1m～50m，光纤光栅的反射率为0.05％～0.5％；
所述第二光电探测器15用于进行光电转换并放大；
所述采集卡16用于对光电探测器的电压信号进行采集；
所述信号处理装置17包括通用计算机和嵌入式计算系统，用于将采集卡接收的干涉信号进行处理，最终获取振动信息。
本发明的干涉分布式光纤声传感方法，该方法利用具有固定反射率的微反射光栅提供比光纤中固有的后向瑞利散射强～30dB的反射光，有利于提高原始信号信噪比和系统的灵敏度，利用双扫频调制脉冲干涉的方法可以使微反射光栅返回的光信号相互干涉形成正弦载波，可以高精度地进行相位解调，增加声音传感解调的快速性和简便性，实现对外部声振动的高精度测量。该方法具体包括以下流程：
步骤一、光源1发出的连续激光经过偏振控制器2和偏振分束器3后输入双平行马赫曾德电光调制器6，第一光电探测器4反馈控制偏振控制器2，使第一光电探测器4接收到的光功率最小，则可以保证输入偏振态与双平行马赫曾德电光调制器的偏振输入要求相同，由调制信号产生装置5控制双平行马赫曾德电光调制器6进行光调制，经调制后扫频调制光脉冲的脉冲宽度为W，频率范围为f1～f2，f1为扫频范围的起始频率，f2为扫频范围的结束频率；
步骤二、扫频调制光脉冲经过第一光放大器7放大，然后经过第一1×2耦合器8分为两路，并利用延时光纤9产生两个相同的扫频调制光脉冲；经延时光纤9后由第二1×2耦合器10合束的两个扫频调制脉冲之间的时间延迟与单个扫频调制脉冲在微反射光栅间的往返时间相近，其中，n为传感光纤纤芯折射率，c为真空中光速；两个扫频调制脉冲经光纤环行器11进入传感光纤12；
对于微反射光栅间距L，则延时光纤长度设为双脉冲间距2L-ΔL，其中ΔL为设置的一微小偏置；
步骤三、将扫频调制光脉冲以时延间隔在传感光纤12上任意相邻两个微反射光栅如第n个和第n+1个微反射光栅间的光纤区域为第n个传感区(如图2所示FBG n和FBGn+1)上传送，经微反射光栅反射后，先到达第n个传感区的扫频脉冲经FBG n+1反射后返回到达FBG n处的反射光电场表示为：
其中，T为脉冲宽度，f1为扫频的初始频率，f2为扫频的结束频率，R2为FBG n+1的反射率，Δφ为第n个传感区外界声场所引起的光纤相位改变量；
后到达第n个传感区的扫频调制脉冲经FBG n反射后在FBG n处的反射光电场表示为：
其中，R1为FBG n的反射率，Δt为两个扫频调制脉冲到达FBG n处的时间差。由于使用的光源为窄线宽光源，两个反射脉冲发生干涉，干涉光强表示为：
P∝|E2＝|E1|2+|E2|2+2|E1E2| (3)
步骤四、经第二光电探测器15接收第n个传感区引起的两个扫频调制脉冲间干涉信号，由公式(3)和(4)看出，两个脉冲信号干涉结果为频率的正弦波，相位为待测信息Δφ；当第n个传感区内传感光纤12发生形变时将引起通过传感光纤12的扫频调制脉冲发生相位改变，即Δφ改变，也即正弦波的相位变化，反映到具体物理图像上即为正弦波的左右平移。通过正弦信号相位解调算法，包括互相关分析、傅里叶变换法、希尔伯特变换法、三参数法、数字锁相法、基于互相关的最小二乘、以及正交延迟估计算法等，将采集的数据进行处理得到Δφ的变化，从而得到传感光纤处受振动情况。
如图4和图5所示，为本发明实施例采用两个微反射光栅的测试结果，所用参数为脉冲宽度T＝100ns，扫频的初始频率f1＝100MHz，扫频的结束频率f2＝230MHz，反射率分别为R1≈R2≈0.05％，微反射光栅间距为10.738m，延时光纤长度为20.068m，采用压电陶瓷模拟振动，其上加载的信号为电压1Vpp、频率1kHz的正弦信号。
Claims (2)
1.一种干涉分布式光纤声传感装置，其特征在于，该装置包括依序连接的光源(1)、偏振控制器(2)、偏振分束器(3)、调制信号产生装置(5)、第一光放大器(7)、第一1×2光纤耦合器(8)、延时光纤(9)、第二1×2光纤耦合器(10)、光纤环行器(11)、传感光纤(12)、第二光放大器13)、微反射光栅阵列(14)、第二光电探测器(15)、采集卡(16)和信号处理装置(17)；所述偏振分束器(3)一路接光电探测器(4)，另一路接双平行马赫曾德电光调制器(6)；第一1×2光纤耦合器(8)用于将光分成两束，其中一路经过延时光纤(9)；在所述传感光纤(12)上设置有连续的相邻间距为L的微反射光栅阵列，其中：
所述光源(1)发出的连续激光经过所述偏振控制器(2)和所述偏振分束器(3)后输入双平行马赫曾德电光调制器(6)，第一光电探测器(4)反馈控制偏振控制器(2)，所述调制信号产生装置(5)控制所述双平行马赫曾德电光调制器(6)进行光调制，调制后的扫频调制光脉冲经过所述第一光放大器(7)放大，然后经过所述第一1×2耦合器(8)分为两路，并利用所述延时光纤(9)产生两个相同的扫频调制光脉冲；经所述延时光纤(9)后由所述第二1×2耦合器(10)合束，两个合束的扫频调制脉冲经所述光纤环行器(11)进入所述传感光纤(12)，经所述微反射光栅阵列(14)的微反射光栅反射后得到的反射光电场，所述传感光纤(12)发生形变时引起的扫频调制脉冲的干涉信号经所述第二光电探测器(15)接收，经所述第二光电探测器(15)用于进行光电转换并放大；再经所述采集卡(16)用于对光电探测器的电压信号进行采集；直至所述信号处理装置(17)将采集卡接收的干涉信号进行处理。
2.一种干涉分布式光纤声传感方法，其特征在于，该方法具体包括以下流程：
步骤一、光源(1)发出的连续激光经过偏振控制器(2)和偏振分束器(3)后输入双平行马赫曾德电光调制器(6)，第一光电探测器4)反馈控制偏振控制器(2)，使第一光电探测器(4)接收到的光功率最小，以保证输入偏振态与双平行马赫曾德电光调制器的偏振输入要求相同，由调制信号产生装置(5)控制双平行马赫曾德电光调制器(6)进行光调制，经调制后扫频调制光脉冲的脉冲宽度为W，频率范围为f1～f2，f1为扫频范围的起始频率，f2为扫频范围的结束频率；
步骤二、扫频调制光脉冲经过第一光放大器(7)放大，然后经过第一1×2耦合器(8)分为两路，并利用延时光纤(9)产生两个相同的扫频调制光脉冲；经延时光纤(9)后由第二1×2耦合器(10)合束的两个扫频调制脉冲之间的时间延迟与单个扫频调制脉冲在微反射光栅间的往返时间相近，其中，n为传感光纤纤芯折射率，c为真空中光速；两个扫频调制脉冲经光纤环行器(11)进入传感光纤(12)；
对于微反射光栅间距L，则延时光纤长度设为双脉冲间距2L-ΔL，其中ΔL为设置的一微小偏置；
步骤三、将扫频调制光脉冲以时延间隔在传感光纤(12)上任意相邻两个微反射光栅如第n个和第n+1个微反射光栅间的光纤区域为第n个传感区上传送，经微反射光栅反射后，先到达第n个传感区的扫频脉冲经FBG n+1反射后返回到达FBG n处的反射光电场表示为：
其中，T为脉冲宽度，f1为扫频的初始频率，f2为扫频的结束频率，R2为FBG n+1的反射率，Δφ为第n个传感区外界声场所引起的光纤相位改变量；
后到达第n个传感区的扫频调制脉冲经FBG n反射后在FBG n处的反射光电场表示为：
其中，R1为FBG n的反射率，Δt为两个扫频调制脉冲到达FBG n处的时间差；
两个反射脉冲发生干涉，干涉光强表示为：
P∝|E|2＝|E1|2+|E2|2+2|E1E2| (3)
步骤四、经第二光电探测器(15)接收第n个传感区引起的两个扫频调制脉冲间干涉信号，两个脉冲信号干涉结果为频率的正弦波，相位为待测信息Δφ；当第n个传感区内传感光纤(12)发生形变时将引起通过传感光纤(12)的扫频调制脉冲发生相位改变，即Δφ改变，也即正弦波的相位变化，反映到具体物理图像上即为正弦波的左右平移；通过正弦信号相位解调算法，将采集的数据进行处理得到Δφ的变化，从而得到传感光纤处受振动情况。
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