CN110864797B - 异构双边带啁啾脉冲的差分cotdr分布式声传感装置及方法 - Google Patents

异构双边带啁啾脉冲的差分cotdr分布式声传感装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种异构双边带啁啾脉冲的差分COTDR分布式声传感装置及方法，包括光源(1)、1×2保偏光纤耦合器(2)、双马赫曾德尔电光调制器(3)、任意波形发生器(4)、第一低噪声微波放大器(5)、第二低噪声微波放大器(6)、电光调制器偏压控制板(7)、1×2光纤耦合器(8)、掺铒光纤放大器(9)、光纤滤波器(10)、光纤环行器(11)、传感光纤(12)、三环偏振控制器(13)、2×2光纤耦合器(14)、平衡光电探测器(15)、数据采集卡(16)以及处理单元(17)。本发明将异构双边带啁啾脉冲调制和相干光时域反射技术相结合，将待测声波信号的灵敏度增加一倍且实现共模噪声的抑制，同时使得信噪比得到较大提升。

Description

异构双边带啁啾脉冲的差分COTDR分布式声传感装置及方法
技术领域
本发明涉及分布式光纤声传感探测领域，特别涉及一种异构双边带啁啾脉冲的差分COTDR分布式声传感装置及方法，可以用于地震波测量、管道检测等。
背景技术
声阵列探测技术因其在地震波测量、海洋声学层析成像、航空噪声分析和油井勘探监测等领域具有广泛的应用而备受关注。传统分立式结构的传声器阵列主要为电子传感器，严格同步采集的要求使其大为受限。高温高湿、电磁干扰等恶劣工作环境也为传统传声器阵列的可靠工作带来巨大挑战。而分布式光纤声传感(DAS)技术采用光纤来感知长达几十乃至上百公里距离的环境中动态应变，是监测环境中定量信号的有效工具。为了定量恢复声音信号的波形，DAS系统除了测量位置、幅度和频率外还需要沿传感光纤提取完整的相位变化信息。基于瑞利后向散射的相敏光时域反射计通常用于DAS。Y.Koyamada等人使用频率可调谐的光源结合相干光时域反射装置通过对后向瑞利散射时域信号进行处理实现了分布式应变和温度的传感测量；然而，频率可调谐的光源每调节一个光频率需要重复一次实验，测量效率大大被削减。J.Pastor-Graells等人利用啁啾脉冲作为探测光脉冲并结合直接探测方案实现了动态应变的测量；然而，其通过改变激光器驱动电流调制的模拟啁啾脉冲使得瞬时频率需要不断校准，并且该方案中直接检测的信噪比较低。
发明内容
为了实现高质量的啁啾脉冲光信号产生以及高灵敏度和高信噪比的声波信号测量，本发明提出一种异构双边带啁啾脉冲的差分COTDR分布式声传感装置及方法，将异构双边带啁啾脉冲调制和相干光时域反射技术相结合，并通过数字差分计算方法在不增加任何功耗的情况下将待测声波信号的灵敏度增加一倍且实现共模噪声的抑制，为地震波测量领域提供一种高效便捷的技术方案，具有广阔的应用前景。
本发明的一种异构双边带啁啾脉冲的差分COTDR分布式声传感装置，包括光源1、1×2保偏光纤耦合器2、双马赫曾德尔电光调制器3、任意波形发生器4、第一低噪声微波放大器5、第二低噪声微波放大器6、电光调制器偏压控制板7、1×2光纤耦合器8、掺铒光纤放大器9、光纤滤波器10、光纤环行器11、传感光纤12、三环偏振控制器13、2×2光纤耦合器14、平衡光电探测器15、数据采集卡16以及处理单元17；
所述光源1与所述1×2保偏光纤耦合器2的输入端相连，所述1×2保偏光纤耦合器包含两路输出，一路输出端依序连接有双马赫曾德尔电光调制器3、1×2光纤耦合器8、掺铒光纤放大器9、光纤滤波器10、另一路输出端依序连接有三环偏振控制器13、2×2光纤耦合器14、平衡光电探测器15，再以共同的输出端依序连接有光纤环行器11、传感光纤12；
所述1×2光纤耦合器8的输出端一分为二，其中一路输出端连接到电光调制器偏压控制板7上的光电探测器；
所述任意波形发生器4用于产生上边带频率从到/>下边带频率为/>到/>的异构数字啁啾脉冲电信号分为I和Q两路正交输出，输出数据进入处理单元17；
所述电光调制器偏压控制板7用于实现对调制后的异构啁啾脉冲光信号进行抽取反馈，使其长时间稳定保持在预设的工作状态；
所述第一低噪声微波放大器5和第二低噪声微波放大器6分别将I和Q两路正交输出放大后加载到双马赫曾德尔电光调制器3，调制产生上边带为正啁啾、下边带为负啁啾的异构脉冲作为探测光脉冲；
所述平衡光电探测器15与所述数据采集卡16连接，所述数据采集卡16采集的数据进入处理单元17。
本发明的一种异构双边带啁啾脉冲的差分COTDR分布式声传感方法，该传感方法包括以下步骤：
光源1发出光频为f0的连续激光经过1×2保偏光纤耦合器后分为两路，一路光作为信号光，另一路光作为本地参考光；
任意波形发生器产生上边带频率从到/>下边带频率为/>到/>的异构数字啁啾脉冲电信号分为I和Q两路正交输出，分别经过第一低噪声微波放大器和第二低噪声微波放大器放大后，加载到双马赫曾德尔电光调制器，调制产生上边带为正啁啾、下边带为负啁啾的异构脉冲作为探测光脉冲；
经过双马赫曾德尔电光调制器调制产生的异构啁啾脉冲光通过1×2光纤耦合器一分为二，其中一路输出光纤连接到电光调制器偏压控制板上的光电探测器，用于实现对调制后的异构啁啾脉冲光信号进行抽取反馈，使其长时间稳定保持在预设的工作状态；另外一路作为探测光脉冲先后经过掺铒光纤放大器、光纤滤波器和光纤环行器后被注入到传感光纤中，异构啁啾脉冲光信号在途经的光纤沿线产生后向瑞利散射光并沿光纤返回到解调光路。包含用于解调相位信息和用于解调光频信息I(f)的上下边带的后向散射异构啁啾脉冲光与通过三环偏振控制器调节过偏振态的本地参考光进入2×2光纤耦合器发生干涉；
干涉后的光信号进入平衡光电探测器进行光电转换，通过数据采集卡进行数据采集后进入处理单元进行解调处理，具体过程如下：
同一时刻采集到的数据中包含上下边带的干涉信号，使用数字带通滤波器将上下边带的干涉信号进行快速分离；
根据激光光频的变化量Δf和光纤的应变变化量Δε的关系式Δf/f0≈-0.78Δε可知，啁啾光脉冲的频移产生附加相位可用来补偿光纤在声致应变下产生的相位。因此分别对滤出的各边带时域干涉信号进行希尔伯特变换得到相应时域干涉信号的包络，针对时域包络非理想平移使用逐点滑移选取窗口的信号提取算法，逐帧进行互相关运算；
通过整合滑窗计算中相关系数最大值对应的横坐标位置信息，即可获得声致应变的完整相位信息；
对所得相位信息进行傅里叶变换，获得待测声波的频率信息。
与现有技术相比，本发明提出的一种异构双边带啁啾脉冲的差分COTDR分布式声传感装置及方法具有以下积极效果：
1、将异构双边带啁啾脉冲调制和相干光时域反射技术相结合，并通过数字差分计算方法在不增加任何功耗的情况下将待测声波信号的灵敏度增加一倍且实现共模噪声的抑制，同时相干探测技术使得信噪比得到较大提升。
2、使用任意波形发生器和双马赫曾德尔电光调制器产生可灵活控制的异构双边带啁啾脉冲光信号，为适应不同的测量环境提供快捷可靠的脉冲调制方法。
3、针对时域包络非理想平移使用逐点滑移选取窗口的信号提取算法，可实现待测声音信号细节的提取。该技术不需要扫频光源，大大减少了系统的测量时间和复杂性。该技术允许以kHz速率进行测量，同时保持数小时的可靠性。
附图说明
图1是本发明的一种基于异构双边带啁啾脉冲的数字差分相干OTDR分布式声传感装置示意图；
图2是异构双边带啁啾脉冲光时频曲线示意图；
图3是异构双边带啁啾脉冲数字差分初步实验结果示意图；(a)上边带正啁啾脉冲的相干时域包络，(b)下边带负啁啾脉冲的相干时域包络，(c)上下边带解调结果，(d)是数字差分解调结果。
附图标记：
1、光源，2、1×2保偏光纤耦合器，3、双马赫曾德尔电光调制器，4、任意波形发生器，5、第一低噪声微波放大器，6、第二低噪声微波放大器，7、电光调制器偏压控制板，8、1×2光纤耦合器，9、掺铒光纤放大器，10、光纤滤波器，11、光纤环行器，12、传感光纤，13、三环偏振控制器，14、2×2光纤耦合器，15、平衡光电探测器，16、数据采集卡、17处理单元。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。
如图1所示，是本发明的一种基于异构双边带啁啾脉冲的数字差分相干OTDR分布式声传感装置示意图。该装置包括光源1、1×2保偏光纤耦合器2、双马赫曾德尔电光调制器3、任意波形发生器4、第一低噪声微波放大器5、第二低噪声微波放大器6、电光调制器偏压控制板7、1×2光纤耦合器8、掺铒光纤放大器9、光纤滤波器10、光纤环行器11、传感光纤12、三环偏振控制器13、2×2光纤耦合器14、平衡光电探测器15、数据采集卡16以及处理单元17。其中，光源1发出光频为f0的连续激光经过1×2保偏光纤耦合器2后分为两路，一路光作为信号光，另一路光作为本地参考光。任意波形发生器4产生上边带频率从到/>下边带频率为/>到/>的异构数字啁啾脉冲电信号分为I和Q两路正交输出，分别经过第一低噪声微波放大器5和第二低噪声微波放大器6放大后加载到双马赫曾德尔电光调制器3，调制产生上边带为正啁啾、下边带为负啁啾的异构脉冲作为探测光脉冲。经过双马赫曾德尔电光调制器3调制产生的异构啁啾脉冲光信号通过1×2光纤耦合器8一分为二，其中一路输出光纤连接到电光调制器偏压控制板7上的光电探测器，用于实现对调制后的异构啁啾脉冲光信号进行抽取反馈，使其长时间稳定保持在预设的工作状态。另外一路作为探测光脉冲先后经过掺铒光纤放大器9、光纤滤波器10和光纤环行器11后被注入到传感光纤12中，异构啁啾脉冲光信号在途经的光纤沿线产生后向瑞利散射光并沿光纤返回到解调光路。包含用于解调相位信息/>和用于解调光频信息I(f)的上下边带的后向散射异构啁啾脉冲光与通过三环偏振控制器13调节过偏振态的本地参考光进入2×2光纤耦合器14发生干涉。干涉后的光信号进入平衡光电探测器15进行光电转换，通过数据采集卡16进行数据采集后进入处理单元17进行解调处理。
实施例2：基于异构双边带啁啾脉冲的差分COTDR分布式声传感方法，利用一个双马赫曾德尔电光调制器产生上边带和下边带分别为正啁啾和负啁啾的异构脉冲作为探测光脉冲，经掺铒光纤放大器放大后注入传感光纤，携带传感光纤各位置处的光相位、频率和幅度等信息的后向散射正负啁啾脉冲光信号与参考光信号通过光纤耦合器进行耦合，干涉后的光信号经光电转换后由数据采集卡进行采集。由于正负啁啾脉冲的相干时域包络具有反向移动的特性，使用数字带通滤波器分别滤出上下边带的干涉信号进行解调，均可获得传感光纤受声波作用位置的波形信息。与此同时，在不增加任何功耗的情况下通过数字差分计算方法可将待测声波信号的灵敏度增加一倍且实现抑制共模噪声的效果。
具体包括以下步骤：
光源1发出光频为f0的连续激光经过1×2保偏光纤耦合器后分为两路，一路光作为信号光，另一路光作为本地参考光；
任意波形发生器产生上边带频率从到/>下边带频率为/>到的异构数字啁啾脉冲电信号分为I和Q两路正交输出，分别经过第一低噪声微波放大器和第二低噪声微波放大器放大后，加载到双马赫曾德尔电光调制器，调制产生上边带为正啁啾、下边带为负啁啾的异构脉冲作为探测光脉冲；
经过双马赫曾德尔电光调制器调制产生的异构啁啾脉冲光通过1×2光纤耦合器一分为二，其中一路输出光纤连接到电光调制器偏压控制板上的光电探测器，用于实现对调制后的异构啁啾脉冲光信号进行抽取反馈，使其长时间稳定保持在预设的工作状态；另外一路作为探测光脉冲先后经过掺铒光纤放大器、光纤滤波器和光纤环行器后被注入到传感光纤中，异构啁啾脉冲光信号在途经的光纤沿线产生后向瑞利散射光并沿光纤返回到解调光路。包含用于解调相位信息和用于解调光频信息I(f)的上下边带的后向散射异构啁啾脉冲光与通过三环偏振控制器调节过偏振态的本地参考光进入2×2光纤耦合器发生干涉；
干涉后的光信号进入平衡光电探测器进行光电转换，通过数据采集卡进行数据采集后进入处理单元进行解调处理，具体过程如下：
同一时刻采集到的数据中包含上下边带的干涉信号，使用数字带通滤波器将上下边带的干涉信号进行快速分离；
根据激光光频的变化量Δf和光纤的应变变化量Δε的关系式Δf/f0≈-0.78Δε可知，啁啾光脉冲的频移产生附加相位可用来补偿光纤在声致应变下产生的相位。因此分别对滤出的各边带时域干涉信号进行希尔伯特变换得到相应时域干涉信号的包络，针对时域包络非理想平移使用逐点滑移选取窗口的信号提取算法，逐帧进行互相关运算；
通过整合滑窗计算中相关系数最大值对应的横坐标位置信息，即可获得声致应变的完整相位信息；
对所得相位信息进行傅里叶变换，获得待测声波的频率信息。
如图2所示，是异构双边带啁啾脉冲光的时频示意图。上下边带在各自的脉冲内均具有线性扫频的特点，其中脉冲宽度均为T，扫频带宽均为Δf，扫频频率满足且扫频区间无重叠。
如图3所示，是异构双边带啁啾脉冲数字差分初步实验结果示意图。如图3中(a)和(b)所示，利用双马赫曾德尔电光调制器同时调制产生的上下边带啁啾脉冲的斜率相反，因此对应相干时域包络具有反向运动的特征，(a)为上边带正啁啾脉冲的相干时域包络先后在半个周期内t1、t2和t3三个时刻的展示，整体包络呈现向左平移的现象；(b)为下边带负啁啾脉冲的相干时域包络在相同三个时刻的展示，包络呈现向右平移的规律。利用本发明的提解调算法分别对上下边带相干时域包络信号进行处理，均实现待测信号的波形恢复，结果如图3中(c)所示。最后对上下边带的解调结果进行数字差分计算，实现了信号强度的翻倍，如图3中(d)所示。结果表明本发明可在不增加任何功耗的情况下将待测声波信号的灵敏度增加一倍且实现抑制共模噪声。

Claims (2)

1.一种异构双边带啁啾脉冲的差分COTDR分布式声传感装置，其特征在于，该装置包括光源(1)、1×2保偏光纤耦合器(2)、双马赫曾德尔电光调制器(3)、任意波形发生器(4)、第一低噪声微波放大器(5)、第二低噪声微波放大器(6)、电光调制器偏压控制板(7)、1×2光纤耦合器(8)、掺铒光纤放大器(9)、光纤滤波器(10)、光纤环行器(11)、传感光纤(12)、三环偏振控制器(13)、2×2光纤耦合器(14)、平衡光电探测器(15)、数据采集卡(16)以及处理单元(17)；
所述光源(1)与所述1×2保偏光纤耦合器(2)的输入端相连，所述1×2保偏光纤耦合器(2)包含两路输出，一路输出端依序连接有双马赫曾德尔电光调制器(3)、1×2光纤耦合器(8)、掺铒光纤放大器(9)、光纤滤波器(10)、另一路输出端依序连接有三环偏振控制器(13)、2×2光纤耦合器(14)、平衡光电探测器(15)，再以共同的输出端依序连接有光纤环行器(11)、传感光纤(12)；
所述1×2光纤耦合器(8)的输出端一分为二，其中一路输出端连接到电光调制器偏压控制板(7)上的光电探测器；
所述任意波形发生器(4)用于产生上边带频率从到/>下边带频率为/>到的异构数字啁啾脉冲电信号分为I和Q两路正交输出，输出数据进入处理单元(17)；
所述电光调制器偏压控制板(7)用于实现对调制后的异构啁啾脉冲光信号进行抽取反馈，使其长时间稳定保持在预设的工作状态；
所述第一低噪声微波放大器(5)和第二低噪声微波放大器(6)分别将I和Q两路正交输出放大后加载到双马赫曾德尔电光调制器(3)，调制产生上边带为正啁啾、下边带为负啁啾的异构脉冲作为探测光脉冲；
所述平衡光电探测器(15)与所述数据采集卡(16)连接，所述数据采集卡(16)采集的数据进入处理单元(17)。
2.一种基于权利要求1所述的异构双边带啁啾脉冲的差分COTDR分布式声传感装置的传感方法，其特征在于，该传感方法包括以下步骤：
光源发出光频为f0的连续激光经过1×2保偏光纤耦合器后分为两路，一路光作为信号光，另一路光作为本地参考光；
任意波形发生器产生上边带频率从到/>下边带频率为/>到/>的异构数字啁啾脉冲电信号分为I和Q两路正交输出，分别经过第一低噪声微波放大器和第二低噪声微波放大器放大后，加载到双马赫曾德尔电光调制器，调制产生上边带为正啁啾、下边带为负啁啾的异构脉冲作为探测光脉冲；
经过双马赫曾德尔电光调制器调制产生的异构啁啾脉冲光通过1×2光纤耦合器一分为二，其中一路输出光纤连接到电光调制器偏压控制板上的光电探测器，用于实现对调制后的异构啁啾脉冲光信号进行抽取反馈，使其长时间稳定保持在预设的工作状态；另外一路作为探测光脉冲先后经过掺铒光纤放大器、光纤滤波器和光纤环行器后被注入到传感光纤中，异构啁啾脉冲光信号在途经的光纤沿线产生后向瑞利散射光并沿光纤返回到解调光路；包含用于解调相位信息和用于解调光频信息I(f)的上、下边带的后向散射异构啁啾脉冲光与通过三环偏振控制器调节过偏振态的本地参考光进入2×2光纤耦合器发生干涉；
干涉后的光信号进入平衡光电探测器进行光电转换，通过数据采集卡进行数据采集后进入处理单元进行解调处理，具体过程如下：
同一时刻采集到的数据中包含上、下边带的干涉信号，使用数字带通滤波器将上、下边带的干涉信号进行快速分离；
分别对滤出的各边带时域干涉信号进行希尔伯特变换得到相应时域干涉信号的包络，针对时域包络非理想平移使用逐点滑移选取窗口的信号提取算法，逐帧进行互相关运算；
通过整合滑窗计算中相关系数最大值对应的横坐标位置信息，即可获得声致应变的完整相位信息；
对所得相位信息进行傅里叶变换，获得待测声波的频率信息。
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