CN110501062B - 一种分布式光纤声音传感及定位系统 - Google Patents

Abstract

一种分布式光纤声音传感及定位系统，通过马赫泽德干涉与相位敏感光时域反射混合结构进行光纤声音检测，通过将MZI干涉型光纤声传感系统和φ‑OTDR光纤振动定位系统结合在一起，同时实现外界声信号的还原及定位；与现有的分布式光纤测振技术相比，成本低、可靠性高，实时监测能力强，监测距离长、分辨率高，并可以同时实现振动声信号的还原及定位，在长距离的天然气、石油管道等安全检测中具有巨大的应用潜力。此外，在本装置MZI光路中使用的混沌光源具有光谱较宽、携带信息多、自相关性好、低自相关噪声的优点，可以抑制光路中的散射噪声，提高信噪比，从而提高装置的响应灵敏度。

Description

一种分布式光纤声音传感及定位系统

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感技术领域，具体为一种分布式光纤声音传感及定位系统。

背景技术

针对传统电声传感器无法应用于强电磁干扰、潮湿、腐蚀等极端现场的问题，很多类型的光纤声传感器被提出。分布式光纤声传感器具有抗电磁干扰、耐化学腐蚀、传输距离远、实时监测能力强、性价比高等优点，可以用于周界安防和地震监测等范畴，包括长距离的天然气、石油管道、海底管道的健康检测。光纤声传感器的探测范围可达数十公里，声源可能发生在任意一处，因此实现对声源定位是非常有必要的。然而，现有的光纤声传感器难以同时实现声信号的还原以及对声源的精确定位，而且探测到的信号中噪声较大、信噪比低。但是近年来，许多研究表明，以半导体激光器光纤环腔自反馈系统作为混沌光源，所产生的混沌激光具有宽频谱、携带信息多、类噪声和良好的自相关特性，在光纤传感系统中可以很好地解决信噪比低的问题。为此，本发明提出一种基于马赫泽德干涉(MZI)与相位敏感光时域反射(ϕ-OTDR)混合结构的分布式光纤声音传感及定位系统。

其中，马赫泽德干涉(MZI)声音检测系统是光信号通过等臂长的传感光纤和参考光纤后发生干涉，干涉光中携带着由外界声音振动引起的传感光信号的相位变化，通过光电探测器将干涉光相位的变化转换为干涉光强度的变化，再经过信号处理即可根据干涉光强度变化解调出振动信号。MZI光纤声传感器能够容易地解调出声音信号，由于信噪比低，还原的声信号效果不是很好，而且无法进行声源定位。而基于后向瑞利散射的相位敏感型光时域反射仪(ϕ-OTDR)具有灵敏度高、定位精确、数据处理电路相对简单等优点，适用于长距离管道的振动检测。ϕ-OTDR型光纤声传感器可以实现同时监测多处声音振动，并且对声音振动分别定位，但是这种结构的声传感器的后向瑞利散射光信号非常弱，噪声很大，难以顺利解调并还原声信号。

MZI光纤声传感器能够用于探测声音，但信噪比较低，而且对声信号的定位比较困难。ϕ-OTDR型光纤声传感器虽然可以对声信号非常方便的定位，并且能同时对多个声源定位，但是由于系统的频率响应较低而难以保留声音细节，较难用于探测声音信号。针对这样的现象，本发明设计了一种基于马赫泽德干涉与相位敏感光时域反射混合结构的分布式光纤声音传感及定位系统，既可以探测传感光纤沿线声信号，又可以很方便的对声源定位，同时在MZI光纤传感系统中使用混沌光源提高了声信号的信噪比和响应灵敏度。

发明内容

本发明一种分布式光纤声音检测系统，实现了声音的还原和定位。其目的是解决现有的ϕ-OTDR光纤声传感器信号解调比较复杂，受环境影响较大，以及MZI光纤声传感器对声源无法定位的问题。

本发明一种分布式光纤声音检测系统，通过马赫泽德干涉与相位敏感光时域反射混合结构进行光纤声音检测，包括：窄线宽激光器、光调制器、光纤放大器、第一滤波器、第一光环行器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、传感光纤、参考光纤、第三光纤耦合器、波分复用器、第二滤波器、第一光电探测器、第一数据采集装置、第一信号处理装置、光纤尾端快速衰减结构、第三滤波器、第二光电探测器、第二数据采集装置、第二信号处理装置、显示装置和混沌激光器。其中混沌激光器由半导体激光器、偏振控制器、第二光环形器、第四光纤耦合器、可调光衰减器和光隔离器构成。窄线宽激光器的输出端连接到光调制器的输入端；光调制器的输出端连接到光纤放大器的输入端；光纤放大器的输出端连接到第一滤波器的输入端；第一滤波器的输出端连接到第一光环行器的入射端a；第一光环行器的反射端b连接到第一光纤耦合器的输入端a；第一光环行器的出射端c连接到第三滤波器的输入端；第三滤波器的输出端连接到第二光电探测器的入射端；第二光电探测器的输出端连接到第二数据采集装置的输入端；第二数据采集装置的输出端连接到第二信号处理装置的输入端；第二信号处理装置的输出端连接到显示装置的输入端；半导体激光器的输出端连接到偏振控制器的输入端；偏振控制器的输出端连接到第二光环行器的入射端a；第二光环行器的反射端b连接到第四光纤耦合器；第四光纤耦合器的a输出端连接到可调光衰减器；所述可调光衰减器输出端连接到第二光环形器的出射端c；所述第四光纤耦合器的b输出端连接到光隔离器的输入端；光隔离器的输出端为混沌激光器的信号输出端，连接到第二光纤耦合器的输入端；第二光纤耦合器的输出端a连接到参考光纤；参考光纤连接到第三光纤耦合器的输入端b；第二光纤耦合器的输出端b连接到第一光纤耦合器的输入端b；第一光纤耦合器的输出端连接到传感光纤；传感光纤连接到第三光纤耦合器的输入端a；第三光纤耦合器的输出端连接到波分复用器；波分复用器的输出端a连接到第二滤波器的输入端；第二滤波器的输出端连接到第一光电探测器的输入端；第一光电探测器的输出端连接到第一数据采集装置的输入端；第一数据采集装置的输出端连接到第一信号处理装置的输入端；第一信号处理装置的输出端连接到显示装置的输入端；波分复用器的输出端b连接到光纤尾端快速衰减结构。

本发明提供的一种分布式光纤声音检测系统，与现有的分布式光纤测振技术相比，成本低、可靠性高，实时监测能力强，监测距离长、分辨率高，并可以同时实现声信号的还原及定位，在长距离的天然气、石油管道等安全检测中具有巨大的应用潜力。而且为了优化MZI声传感系统中存在的噪声大、信噪比低的问题，本发明所述的混沌光源具有光谱较宽、携带信息多、自相关性好、低自相关噪声的优点。当受到外界声信号扰动时，混沌光源可以抑制光路中的散射噪声，提高信噪比，从而提高装置的响应灵敏度。

附图说明

图1是本发明一种分布式光纤声音检测系统的示意图。

在附图1中，1、窄线宽激光器 2、光调制器 3、光纤放大器 4、第一滤波器 5、第一光环行器 6、第一光纤耦合器 7、第二光纤耦合器 8、传感光纤 9、参考光纤 10、第三光纤耦合器 11、波分复用器 12、第二滤波器 13、第一光电探测器 14、第一数据采集装置 15、第一信号处理装置 16、光纤尾端快速衰减结构 17、第三滤波器 18、第二光电探测器 19、第二数据采集装置 20、第二信号处理装置 21、显示装置 22、混沌激光器 23、半导体激光器 24、偏振控制器 25、第二光环形器 26、第四光纤耦合器 27、可调光衰减器 28、光隔离器。

具体实施方式

一种分布式光纤声音检测系统，通过马赫泽德干涉与相位敏感光时域反射混合结构进行光纤声音检测，包括窄线宽激光器1、光调制器2、光纤放大器3、第一滤波器4、第一光环行器5、第一光纤耦合器6、第二光纤耦合器7、传感光纤8、参考光纤9、第三光纤耦合器10、波分复用器11、第二滤波器12、第一光电探测器13、第一数据采集装置14、第一信号处理装置15、光纤尾端快速衰减结构16、第三滤波器17、第二光电探测器18、第二数据采集装置19、第二信号处理装置20、显示装置21以及由半导体激光器23、偏振控制器24、第二光环形器25、第四光纤耦合器26、可调光衰减器27、光隔离器28构成的混沌激光器22。图1是本发明一种基于马赫泽德干涉与相位敏感光时域反射混合结构的分布式光纤声音检测系统的结构示意图，下面结合图1说明本发明的具体实施方式：

所述窄线宽激光器1发出中心波长1550nm的强相干的连续光信号，其输出端连接到第一光调制器2，将连续光信号调制成脉冲信号；所述第一光调制器2的输出端连接到光纤放大器3的输入端，将脉冲光信号放大；所述光纤放大器3的输出端连接到第一滤波 器4的输入端，过滤掉中心波长为1550nm的光信号中所掺杂的噪声信号；所述第一滤波器4的输出端连接到第一光环行器5的入射端a；所述第一光环行器5的反射端b连接到第一光纤耦合器6的输入端a，将中心波长为1550nm的光信号入射到传感光纤中；所述第一光环行器5的出射端c连接到中心波长为1550nm的第三滤波器17的输入端，只通过中心波长为1550nm的后向瑞利散射光；所述第三滤波器17的输出端连接到第二光电探测器18的入射端；所述第二光电探测器18的输出端通过高频电缆连接到第二数据采集装置19的输入端；所述第二数据采集装置19的输出端连接到第二信号处理装置20的输入端，对采集到的数据进行相关运算，本发明采用FPGA对信号进行高速处理，提高运算速度；所述第二信号处理装置20的输出端连接到显示装置21的输入端，由显示装置21实时显示声音发生的位置；所述半导体激光器23发射出中心波长为1310nm的光信号，经偏振控制 器24连接到第二光环行器25的入射端a；所述第二光环行器25的反射端b连接到第四光纤耦合器26，将光信号分为20:80两部分，分别从a、b两个端口输出；所述第四光纤耦合器26的a输出端连接到可调光衰减器27来调节光功率；所述可调光衰减器27的输出端连接到第二光环形器25的出射端c构成反馈腔；所述偏振控制器24用来调节反馈到半导体激光器23的光偏振态；所述第四光纤耦合器26的b输出端连接到光隔离器28的输入端；所述光隔离器28的输出端即为混沌激光器22的信号输出端；混沌激光器22发出的经混沌调制的探测光连接到第二光纤耦合器7, 将光信号分为1:99两部分，分别从a、b两个端口输出；所述第二光纤耦合器7的输出端b连接到第一光纤耦合器6的输入端b；所述第一光纤耦合器6的输出端连接到传感光纤8，中心波长为1310nm的光信号入射到传感光纤8；所述传感光纤8连接到第三光纤耦合器10的输入端a；所述第二光纤耦合器7的输出端a连接到参考光纤9；所述参考光纤9连接到第三光纤耦合器10的输入端b，中心波长为1310nm的光信号入射到参考光纤中；传感光信号和参考光信号在第三耦合器10处发生干涉；所述第三光纤耦合器10的输出端连接到中心波长分别为1310nm和1550nm波分复用器11的输入端；所述波分复用器11的输出端a输出中心波长为1310nm的光，连接到中心波长为1310nm的第二滤波器12的输入端；所述波分复用器11的输出端b输出中心波长为1550nm的光信号，连接到光纤尾端快速衰减结构16，减少中心波长为1550nm的后向瑞利散射光的能量损耗；所述第二滤波器12的输出端连接到第一光电探测器13的输入端，探测中心波长为1310nm的干涉光信号；所述第一光电探测器13的输出端通过两根高频电缆分别连接到第一数据采集装置14的输入端；所述第一数据采集装置14的输出端连接到第一信号处理装置15的输入端，对采集到的数据进行相关运算，同样采用FPGA对信号进行高速处理；所述第一信号处理装置15的输出端连接到显示装置21的输入端，同时由显示装置21实时还原探测到的声信号。

本发明的工作原理：

本发明是将混沌光源发出的光信号，经1*2耦合器分别入射到传感光纤和参考光纤中。探测光信号在传感光纤中受到外界声信号的扰动时产生相应的相位变化，并和参考光信号在2*1耦合器中发生干涉；干涉光信号入射到光电探测器中，经由解调系统解调出外界声信号。同时，将窄线宽激光器发出的光信号经脉冲调制后，入射到传感光纤；在传感光纤中产生后向瑞利散射光信号；通过后向瑞利散射光信号与参考光信号之间的相关运算，获得声信号的位置信息，从而实现长距离、高分辨率的声音定位检测。

Claims (1)

1.一种分布式光纤声音传感及定位系统，通过马赫泽德干涉与相位敏感光时域反射混合结构进行光纤声音检测，其特征在于，包括：窄线宽激光器(1)、光调制器(2)、光纤放大器(3)、第一滤波器(4)、第一光环行器(5)、第一光纤耦合器(6)、第二光纤耦合器(7)、传感光纤(8)、参考光纤(9)、第三光纤耦合器(10)、波分复用器(11)、第二滤波器(12)、第一光电探测器(13)、第一数据采集装置(14)、第一信号处理装置(15)、光纤尾端快速衰减结构(16)、第三滤波器(17)、第二光电探测器(18)、第二数据采集装置(19)、第二信号处理装置(20)、显示装置(21)和混沌激光器(22)；其中，所述混沌激光器(22)由半导体激光器(23)、偏振控制器(24)、第二光环形器(25)、第四光纤耦合器(26)、可调光衰减器(27)和光隔离器(28)组成，用于发出混沌光；所述窄线宽激光器(1)发出中心波长1550nm的高度相干的连续光信号，其输出端连接到第一光调制器(2)，以将连续光信号调制成脉冲信号；所述第一光调制器(2)的输出端连接到光纤放大器(3)的输入端，将脉冲光信号放大；所述光纤放大器(3)的输出端连接到第一滤波器(4)的输入端，过滤掉中心波长1550nm的光信号中所掺杂的噪声信号；所述第一滤波器(4)的输出端连接到第一光环行器(5)的入射端a；所述第一光环行器(5)的反射端b连接到第一光纤耦合器(6)的输入端a，将中心波长1550nm的光信号入射到传感光纤中；所述第一光环行器(5)的出射端c连接到中心波长为1550nm的第三滤波器(17)的输入端，通过第三滤波器(17)的作用，使中心波长为1550nm的后向瑞利散射光通过；所述第三滤波器(17)的输出端连接第二光电探测器(18)的入射端；所述第二光电探测器(18)的输出端连接到第二数据采集装置(19)的输入端；所述第二数据采集装置(19)的输出端连接到第二信号处理装置(20)的输入端，对采集到的数据进行相关运算，其中，第二信号处理装置(20)采用FPGA对信号进行高速处理；所述第二信号处理装置(20)的输出端连接到显示装置(21)的输入端，由显示装置(21)实时显示振动发生的位置；所述半导体激光器(23)发射出中心波长为1310nm的光信号，经偏振控制器(24)射入第二光环行器(25)的入射端a；所述第二光环行器(25)的反射端b连接到第四光纤耦合器(26)，将光信号分为20:80两部分，分别从a、b两个端口输出；所述第四光纤耦合器(26)的a输出端连接到可调光衰减器(27)来调节光功率；所述可调光衰减器(27)的输出端连接到第二光环形器(25)的出射端c构成反馈腔；所述偏振控制器(24)用来调节反馈到半导体激光器(23)的光偏振态；所述第四光纤耦合器(23)的b输出端连接到光隔离器(28)的输入端；所述光隔离器(28)的输出端即为混沌激光器(22)的信号输出端；经混沌调制的探测光连接到第二光纤耦合器(7),将信号分为1:99两部分，分别从a、b两个端口输出；所述第二光纤耦合器(7)的输出端b连接到第一光纤耦合器(6)的输入端b；所述第一光纤耦合器(6)的输出端连接到传感光纤(8)，中心波长为1310nm的光信号入射到传感光纤(8)；所述传感光纤(8)连接到第三光纤耦合器(10)的输入端a；所述第二光纤耦合器(7)的输出端a连接到参考光纤(9)，中心波长为1310nm的光信号入射到参考光纤(9)；所述参考光纤(9)连接到第三光纤耦合器(10)的输入端b；传感光信号和参考光信号在第三耦合器(10)发生干涉；所述第三光纤耦合器(10)的输出端连接到中心波长分别为1310nm和1550nm的波分复用器(11)；所述波分复用器(11)的输出端a输出中心波长为1310nm的光信号，连接到中心波长为1310nm的第二滤波器(12)的输入端；所述波分复用器(11)的输出端b输出中心波长为1550nm的光信号，连接到光纤尾端快速衰减结构(16)，减少中心波长为1550nm的后向瑞利散射光的能量损耗；所述第二滤波器(12)的输出端连接到第一光电探测器(13)的输入端，探测中心波长为1310nm的干涉光信号；所述第一光电探测器(13)的输出端通过连接到第一数据采集装置(14)的输入端；所述第一数据采集装置(14)的输出端连接到第一信号处理装置(15)的输入端，对采集到的数据进行相关运算；所述第一信号处理装置(15)的输出端连接到显示装置(21)的输入端，同时由显示装置(21)实时还原探测到的声信号。

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