CN111289089B - 一种基于外差检测技术的分布式光纤传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于外差检测技术的分布式光纤传感系统，属于光纤传感领域。包括：激光光源（1）、第一耦合器（2）、声光移频器（3）、第二耦合器（4）、电光调制器（5）、光隔离器（6）、光纤放大器（7）、环形器（8）、光纤光栅（9）、传感光纤（10）、第三耦合器（11）、90°光学混频器（12）、第四耦合器（13）、第五耦合器（14）、第六耦合器（15）、第一平衡光电探测器（16）、第二平衡光电探测器（17）、第一低通滤波器（18）、第二低通滤波器（19）、数据采集卡（20）、信号处理机（21）、脉冲发生器（22）。优点在于：成本低、可靠性高、实时监测能力强，监测距离长，可以实现振动和声信号的还原与定位，应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域技术领域，特别涉及分布式光纤声音传感及定位系统，尤指一种基于外差检测技术的分布式光纤传感系统。
背景技术
目前，分布式光纤振动传感器主要包括干涉式传感器和后向散射式传感器。干涉式传感器主要包括Sagnac干涉仪，马赫–曾德尔干涉仪(MZI)，和迈克尔逊干涉仪(MI)，它们为光纤振动传感器大范围监测做出了巨大贡献。后向散射式传感器利用背向散射光的偏振、光强、频移和相位等变化来测量外界物理量。主要包括基于相位敏感的光时域反射仪(Φ-OTDR)、偏振光时域反射仪(P-OTDR)和相位敏感的光频域反射仪(Φ-OFDR)。其中，Φ-OTDR适合长距离高空间分辨率的分布式振动或声传感，在周界安全、地震勘探、管道监测等方面有着显著优势。
但是，当外界振动或声音作用于传感光纤某一位置时，该位置处的光纤受到外界应力或应变的作用，会引起光纤长度和折射率的变化，进而引起导致背向瑞利散射光在传输时的相位发生变化，因此可以通过检测相位变化来实现对外界振动或声音的测量。在相干瑞利散射分布式光纤传感技术领域，声光调制器在工作过程中会发生随机的频率漂移，会导致解调过程中引入不确定的干扰项，影响解调精度。另外，为了能有效检测外差信号，需要高速的数据采集设备(GS/s量级的采样率)，因此对于动态信号监测，要求很高的光电响应速率以及高效的数据处理方法，信号的实时快速处理是一个很大的挑战。
因此，为了解决上述面临的技术瓶颈，搭建高性能的光纤传感网络系统，需要一种新型的基于外差检测技术的分布式光纤传感系统是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于外差检测技术的分布式光纤传感系统，解决声光移频器频率漂移对后续信号解调的影响以及大信号实时获取及处理的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于外差检测技术的分布式光纤传感系统，包括：激光光源(1)、第一耦合器(2)、声光移频器(3)、第二耦合器(4)、电光调制器(5)、光隔离器(6)、光纤放大器(7)、环形器(8)、光纤光栅(9)、传感光纤(10)、第三耦合器(11)、90°光学混频器(12)、第四耦合器(13)、第五耦合器(14)、第六耦合器(15)、第一平衡光电探测器(16)、第二平衡光电探测器(17)、第一低通滤波器(18)、第二低通滤波器(19)、数据采集卡(20)、信号处理机(21)、脉冲发生器(22)；其特征在于，其光路结构如下：激光光源(1)发出连续光，经过第一耦合器(2)分为A1/A2两路光信号，A1路经过声光移频器(3)通过第二耦合器(4)分为B1/B2两路，B1路经过电光调制器(5)经光隔离器(6)保障单向传输，减小瑞利散射光对激光光源(1)的影响并传输至光纤放大器(7)放大，经环形器(8)进入光纤光栅(9)用于对所述脉冲光信号进行滤波；
经过第一耦合器(2)的A2路经过第三耦合器(11)分为C1/C2两路，C1路经过90°光学混频器(12)用于后续生成与声光移频器(3)移频频率相等的正交信号，并传输至第五耦合器(14)；C2路作为分布式光纤传感系统的参考光传输至第四耦合器(13)；
经第二耦合器(4)分为的B2路经过90°光学混频器(12)产生差频正交信号并传输至第六耦合器(15)；
同时传感光纤(10)感知外界振动信号并返回携带外界振动信号的瑞利背向散射光通过环形器(8)传输至第四耦合器(13)，此时第四耦合器(13)将环形器(8)返回的携带外界振动信息的信号光和第三耦合器(11)分出两路参考光进行拍频，一路传输至第五耦合器(14)将携带外界振动信息的信号与正交信号中的一路拍频分为两路传输至第一平衡光电探测器(16)探测两路外差光信号并将光信号转换为电信号输出至第一低通滤波器(18)滤除第一平衡光电探测器(16)输出电信号中的高频项和直流项并传输至数据采集卡(20)；
经第四耦合器(13)分出的另一路经第六耦合器(15)将携带外界振动信息的信号与正交信号中的一路拍频传输至第二平衡光电探测器(17)将探测两路外差光信号并将光信号转换为电信号输出至第二低通滤波器(19)滤除第二平衡光电探测器(17)输出电信号中的高频项和直流项并传输至数据采集卡(20)；
此时数据采集卡(20)将第一低通滤波器(18)、第二低通滤波器(19)采集到的电信号分为两路一路反馈经脉冲发生器(22)中一路触发信号采集，另一路用于调制电光调制器5产生脉冲光信号；
经数据采集卡(20)的另一路将信号传输至信号处理机(21)中做信号处理分析，得到外界振动信号的相位和幅值信息。
所述电光调制器(5)用于将连续光调制为脉冲光。
所述窄线宽的连续光源是窄线宽外腔半导体。
所述声光移频器(3)用于在原有光频基础上引入一个连续频移。
所述电光调制器(5)用于将连续光调制为脉冲光。
所述光纤放大器(7)为掺铒光纤放大器。
所述脉冲发生器(22)用于产生一定脉冲宽度与重复频率的脉冲信号。
所述脉冲发生器(22)用于产生一定脉冲宽度与重复频率的脉冲信号。
一种基于外差检测技术的分布式光纤传感系统检测方法，其特征在于，使用一种基于外差检测技术的分布式光纤传感系统，包括如下步骤：
步骤1：利用传感光纤(10)感知外界振动信号；
步骤2：激光光源开启，传感光纤(10)传回外界振动信号；
步骤3：通过所述数据采集卡(20)记录所述第一低通滤波器(18)的输出的信号光信息Q(t)和第二低通滤波器(19)的输出参考光信息I(t)。
步骤4：将记录的输出信号光信息Q(t)和输出参考光信息I(t)代入
和Arctan[I(t)/Q(t)]即可得到外界振动信号的幅值信息和相位。
所述输出信号光信息Q(t)表达式Q(t)＝Acos[φs(t)+φ1]，所述输出参考光信息I(t)表达式I(t)＝Asin[φs(t)+φ1]。
将所述输出信息I(t)和所述输出信息Q(t)经
计算即可得到幅值信息A，将所述输出信息I(t)和所述输出信息Q(t)经Arctan[I(t)/Q(t)]计算即可得到相位φs(t)+φ1。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种一种基于外差检测技术的分布式光纤传感系统，采用相干接收和正交解调技术，在光路上实现了正交分量的提取，从而实现分布式光纤振动或声信号的测量，可有效减少正交解调算法的运算量，克服了调制器的频率不稳定性对解调结果的影响，实现大相位信号的动态测量。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，可以实现振动和声信号的还原与定位，在长距离的天然气、石油管道安全监测，资源勘探等领域中具有巨大的应用潜力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的外差干涉式光纤传感时分复用系统结构示意图。
图2为本发明的正交解调算法原理示意图；
图3为本发明的90°光学混频器的原理示意图。
图中：1、激光光源；2、第一耦合器；3、声光移频器；4、第二耦合器；5、电光调制器；6、光隔离器；7、光纤放大器；8、环形器；9、光纤光栅；10、传感光纤；11、第三耦合器；12、90°光学混频器；13、第四耦合器；14、第五耦合器；15、第六耦合器；16、第一平衡光电探测器；17、第二平衡光电探测器；18、第一低通滤波器；19、第二低通滤波器；20、数据采集卡；21、信号处理机；22、脉冲发生器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例1公开了一种基于外差检测技术的分布式光纤传感系统，包括：激光光源(1)、第一耦合器(2)、声光移频器(3)、第二耦合器(4)、电光调制器(5)、光隔离器(6)、光纤放大器(7)、环形器(8)、光纤光栅(9)、传感光纤(10)、第三耦合器(11)、90°光学混频器(12)、第四耦合器(13)、第五耦合器(14)、第六耦合器(15)、第一平衡光电探测器(16)、第二平衡光电探测器(17)、第一低通滤波器(18)、第二低通滤波器(19)、数据采集卡(20)、信号处理机(21)、脉冲发生器(22)；其特征在于，其光路结构如下：激光光源(1)发出连续光，经过第一耦合器(2)分为A1/A2两路光信号，A1路经过声光移频器(3)通过第二耦合器(4)分为B1/B2两路，B1路经过电光调制器(5)经光隔离器(6)保障单向传输，减小瑞利散射光对激光光源(1)的影响并传输至光纤放大器(7)放大，经环形器(8)进入光纤光栅(9)用于对所述脉冲光信号进行滤波；
经过第一耦合器(2)的A2路经过第三耦合器(11)分为C1/C2两路，C1路经过90°光学混频器(12)用于后续生成与声光移频器(3)移频频率相等的正交信号，并传输至第五耦合器(14)；C2路作为分布式光纤传感系统的参考光传输至第四耦合器(13)；
经第二耦合器(4)分为的B2路经过90°光学混频器(12)产生差频正交信号并传输至第六耦合器(15)；
同时传感光纤(10)感知外界振动信号并返回携带外界振动信号的瑞利背向散射光通过环形器(8)传输至第四耦合器(13)，此时第四耦合器(13)将环形器(8)返回的携带外界振动信息的信号光和第三耦合器(11)分出两路参考光进行拍频，一路传输至第五耦合器(14)将携带外界振动信息的信号与正交信号中的一路拍频分为两路传输至第一平衡光电探测器(16)探测两路外差光信号并将光信号转换为电信号输出至第一低通滤波器(18)滤除第一平衡光电探测器(16)输出电信号中的高频项和直流项并传输至数据采集卡(20)；
经第四耦合器(13)分出的另一路经第六耦合器(15)将携带外界振动信息的信号与正交信号中的一路拍频传输至第二平衡光电探测器(17)将探测两路外差光信号并将光信号转换为电信号输出至第二低通滤波器(19)滤除第二平衡光电探测器(17)输出电信号中的高频项和直流项并传输至数据采集卡(20)；
此时数据采集卡(20)将第一低通滤波器(18)、第二低通滤波器(19)采集到的电信号分为两路一路反馈经脉冲发生器(22)中一路触发信号采集，另一路用于调制电光调制器5产生脉冲光信号；
经数据采集卡(20)的另一路将信号传输至信号处理机(21)中做信号处理分析，得到外界振动信号的相位和幅值信息。
所述电光调制器(5)用于将连续光调制为脉冲光。
所述窄线宽的连续光源是窄线宽外腔半导体。
所述声光移频器(3)用于在原有光频基础上引入一个连续频移。
所述电光调制器(5)用于将连续光调制为脉冲光。
所述光纤放大器(7)为掺铒光纤放大器。
所述脉冲发生器(22)用于产生一定脉冲宽度与重复频率的脉冲信号。
所述脉冲发生器(22)用于产生一定脉冲宽度与重复频率的脉冲信号。
本发明实施例2公开了一种基于外差检测技术的分布式光纤传感系统，包括：
激光光源(1)，其输出激光分为三部分，一部分用于向电光调制器(5)提供连续激光，经过电光调制器(5)后产生脉冲激光，经过环形器(8)进入传感光纤携带外界振动信息。一路用于分布式光纤传感系统的参考光；另一路用于生成与电光调制器(5)移频频率相同的一对正交信号。
第一耦合器(2)，其输入端口a与激光光源(1)的输入端口连接，其输出端口b与声光移频器(3)连接，在原有光频基础上引入一个连续频移；输出端口c与第三耦合器(11)的输入端a连接，用于生成与电光调制器5移频频率相同的一对正交信号和分布式光纤传感系统的参考光。
声光移频器(3)，其输入端口与第一耦合器(2)的输出端口b连接，用于在原有光频基础上引入一个连续频移。
第二耦合器(4)，其输入端口a与声光移频器(3)的输出端口连接，其输出端口b和c分别与电光调制器(5)输入端口a和第四耦合器(13)输入端口b连接。
电光调制器(5)，其输入端口a与第二耦合器(4)的输出端口b连接，其输入端口b与脉冲发生器(22)的输出端口a连接，用于将激光光源(1)输出的连续激光调制为脉冲激光。
光隔离器(6)，其输入端口与电光调制器(5)的输出端口连接，用于对所述周期性重复脉冲光进行单向传输，减小光纤中后向瑞利散射光对激光光源(1)的影响。
掺铒光纤放大器(7)，其输入端口与光隔离器(6)的输出端口连接，用于对所述周期性重复脉冲光进行光功率放大，放大后的脉冲光信号经过环形器(8)输出至光纤光栅(9)。
环形器(8)，其输入端口a与掺铒光纤放大器(7)的输出端口连接，用于将掺铒光纤放大器(7)放大后的脉冲光信号输出至光纤光栅(9)。
光纤光栅(9)，其输入端口与环形器(8)的输出端口b连接，用于对所述脉冲光信号进行滤波。
传感光纤(10)，其输入端口与环形器(8)的输出端口c连接，用于感知外界振动信号，返回携带外界振动信号的瑞利背向散射光。
第三耦合器(11)，其输入端口a与第一耦合器(2)的输出端口c连接，用于将第一耦合器(2)输出的连续光分成两部分，一部分用于后续生成与声光移频器3移频频率相等的正交信号；另一部分作为分布式光纤传感系统的参考光。
90°光学混频器(12)，其输入端a和b分别与第三耦合器(11)和第二耦合器(4)的输出端b和c连接，用于生成与声光移频器3移频频率相等的正交信号。90°光学混频器(12)的实际输出四路信号，一对和频正交信号和一对差频正交信号。本专利中取其中的两路差频正交信号作为90°光学混频器(12)的输出端c和d。
第四耦合器(13)，其输入端a和b分别与环形器(8)和第三耦合器(11)的输出端d和c连接，用于将环形器(8)返回的携带外界振动信息的信号光和第三耦合器分出的参考光进行拍频。
第五耦合器(14)，其输入端a和b分别与90°光学混频器(12)和第四耦合器(13)的输出端c和c连接，用于将携带外界振动信息的信号与正交信号中的一路拍频。
第六耦合器(15)，其输入端a和b分别与第四耦合器(13)和90°光学混频器(12)输出端d和d连接，用于将携带外界振动信息的信号与正交信号中的一路拍频。
第一平衡光电探测器(16)，其输入端a和b分别与第五耦合器(14)的输出端c和d连接，用于探测两路外差光信号并将光信号转换为电信号输出。
第二平衡光电探测器(17)，其输入端a和b分别与第六耦合器(15)的输出端c和d连接，用于探测两路外差光信号并将光信号转换为电信号输出。
第一低通滤波器(18)，其输入端与第一平衡光电探测器(16)的输出端连接，用于滤除第一平衡光电探测器(16)输出电信号中的高频项和直流项。
第二低通滤波器(19)，其输入端与第二平衡光电探测器(17)的输出端连接，用于滤除第二平衡光电探测器(17)输出电信号中的高频项和直流项。
数据采集卡(20)，其输入端a和b分别与第一低通滤波器(18)和第二低通滤波器(19)连接，用于采集第一低通滤波器(18)、第二低通滤波器(19)输出的电信号，其触发输入端c与脉冲发生器(22)的输出端b连接，用于接收脉冲发生器(22)输出的触发脉冲，从而触发数据采集卡(20)采集数据，供信号处理机(21)处理。
信号处理机(21)，其输入端与数据采集卡(20)的输出端d连接，用于将采集到的相互正交的时间序列电信号进行重组并经过反正切相位解调算法和滤波算法得到传感光纤(10)中背向瑞利散射光信号的相位信息。
脉冲发生器(22)，其两个输出端a和b分别与电光调制器5的输入端b和采集卡(20)的触发输入端c连接，用于产生一定脉冲宽度与重复频率的脉冲信号，其中一路用于调制电光调制器5产生脉冲光信号，另一路用于触发数据采集卡(20)采集数据。
本发明实施例3公开了使用一种基于外差检测技术的分布式光纤传感系统检测方法，包括如下步骤：
首先将激光光源开启，按照实施例1和如图1所示装置传输光信号，其次利用传感光纤(10)感知外界振动信号，此时传感光纤(10)返回携带外界振动信号的瑞利背向散射光，如图1进行传输至第四耦合器(13)，第四耦合器(13)携带外界振动信号进行拍频并将信号传输至光电探测器将光信号转换为电信号经低通滤波器输出至数据采集卡(20)记录，第一低通滤波器(18)信号光信息Q(t)＝Acos[φs(t)+φ1]，第二低通滤波器(19)参考光信息I(t)＝Asin[φs(t)+φ1]，将I(t)和Q(t)经
计算即可得到幅值信息A，将I(t)和Q(t)经Arctan[I(t)/Q(t)]计算即可得到相位φs(t)+φ1。
本发明实施例4公开了一种基于外差检测技术的分布式光纤传感系统检测方法，第一低通滤波器18和第二低通滤波器19的的两个输出端信号光和参光分别为Q(t)和I(t)，表达式如下：
Q(t)＝Acos[φs(t)+φ1]
I(t)＝Asin[φs(t)+φ1]
对上述得到的Q(t)和I(t)进行如图2所示的运算即可得到外界振动信号的相位φs(t)+φ1和幅值信息A。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种基于外差检测技术的分布式光纤传感系统，包括：激光光源(1)、第一耦合器(2)、声光移频器(3)、第二耦合器(4)、电光调制器(5)、光隔离器(6)、光纤放大器(7)、环形器(8)、光纤光栅(9)、传感光纤(10)、第三耦合器(11)、90°光学混频器(12)、第四耦合器(13)、第五耦合器(14)、第六耦合器(15)、第一平衡光电探测器(16)、第二平衡光电探测器(17)、第一低通滤波器(18)、第二低通滤波器(19)、数据采集卡(20)、信号处理机(21)、脉冲发生器(22)；其特征在于，其光路结构如下：激光光源(1)发出连续光，经过第一耦合器(2)分为A1/A2两路光信号，A1路经过声光移频器(3)通过第二耦合器(4)分为B1/B2两路，B1路经过电光调制器(5)经光隔离器(6)保障单向传输，减小瑞利散射光对激光光源(1)的影响并传输至光纤放大器(7)放大，经环形器(8)进入光纤光栅(9)用于对脉冲光信号进行滤波；
经过第一耦合器(2)的A2路经过第三耦合器(11)分为C1/C2两路，C1路经过90°光学混频器(12)用于后续生成与声光移频器(3)移频频率相等的正交信号，并传输至第五耦合器(14)；C2路作为分布式光纤传感系统的参考光传输至第四耦合器(13)；
经第二耦合器(4)分为的B2路经过90°光学混频器(12)产生差频正交信号并传输至第六耦合器(15)；
同时传感光纤(10)感知外界振动信号并返回携带外界振动信号的瑞利背向散射光通过环形器(8)传输至第四耦合器(13)，此时第四耦合器(13)将环形器(8)返回的携带外界振动信息的信号光和第三耦合器(11)分出两路参考光进行拍频，一路传输至第五耦合器(14)将携带外界振动信息的信号与正交信号中的一路拍频分为两路传输至第一平衡光电探测器(16)探测两路外差光信号并将光信号转换为电信号输出至第一低通滤波器(18)滤除第一平衡光电探测器(16)输出电信号中的高频项和直流项并传输至数据采集卡(20)；
经第四耦合器(13)分出的另一路经第六耦合器(15)将携带外界振动信息的信号与正交信号中的一路拍频传输至第二平衡光电探测器(17)将探测两路外差光信号并将光信号转换为电信号输出至第二低通滤波器(19)滤除第二平衡光电探测器(17)输出电信号中的高频项和直流项并传输至数据采集卡(20)；
此时数据采集卡(20)将第一低通滤波器(18)、第二低通滤波器(19)采集到的电信号分为两路一路反馈经脉冲发生器(22)中一路触发信号采集，另一路用于调制电光调制器5产生脉冲光信号；
经数据采集卡(20)的另一路将信号传输至信号处理机(21)中做信号处理分析，得到外界振动信号的相位和幅值信息。
2.如权利要求1所述的一种基于外差检测技术的分布式光纤传感系统，其特征在于：所述激光光源(1)为窄线宽的连续光源。
3.如权利要求2所述的一种基于外差检测技术的分布式光纤传感系统，其特征在于：所述窄线宽的连续光源是窄线宽外腔半导体。
4.如权利要求1所述的一种基于外差检测技术的分布式光纤传感系统，其特征在于：所述声光移频器(3)用于在原有光频基础上引入一个连续频移。
5.如权利要求1所述的一种基于外差检测技术的分布式光纤传感系统，其特征在于：所述电光调制器(5)用于将连续光调制为脉冲光。
6.如权利要求1所述的一种基于外差检测技术的分布式光纤传感系统，其特征在于：所述光纤放大器(7)为掺铒光纤放大器。
7.如权利要求1所述的一种基于外差检测技术的分布式光纤传感系统，其特征在于：所述脉冲发生器(22)用于产生一定脉冲宽度与重复频率的脉冲信号。
8.一种基于外差检测技术的分布式光纤传感系统检测方法，其特征在于，使用一种如权利要求1-7任意一项所述的基于外差检测技术的分布式光纤传感系统，包括如下步骤：
步骤1：利用传感光纤(10)感知外界振动信号；
步骤2：激光光源开启，传感光纤(10)传回外界振动信号；
步骤3：通过所述数据采集卡(20)记录所述第一低通滤波器(18)的输出的信号光信息Q(t)和第二低通滤波器(19)的输出参考光信息I(t)；
步骤4：将记录的输出信号光信息
和输出参考光信息
代入
和
即可得到外界振动信号的幅值信息和相位；
所述输出信号光信息
表达式
，所述输出参考光信息
表达式
；
将所述输出信息
和所述输出信息
经计算即可得到幅值信息A，将所述输出信息I(t)和所述输出信息Q(t)经
计算即可得到相位
。
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