CN111811549A - 非对称双马赫曾德传感系统的解调方法及定位装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于3×3耦合器的非对称双马赫曾德传感系统的解调方法及定位装置，所述解调方法包括：初步处理，求取初始相位差，和积分与归一化处理。所述定位装置包括：光源，光环行器，DWDM，光电探测器，光纤耦合器，偏振控制器，传感光缆，数据采集卡，和处理单元；所述处理单元进一步包括：初步处理模块，高通滤波器，归一化和去直流处理器，最大值与最小值处理模块以及积分与归一化处理模块。本发明通过两个3×3耦合器进行相位解调，当光路在非对称双马赫曾德传感系统中有人为扰动事件发生时，使用简单的算法就可以在提高运算速度同时能够有效消除两路信号的非对称性对定位结果的影响。
Description
技术领域
本发明属于传感及检测领域，尤其涉及一种基于3×3耦合器的非对称双马赫曾德传感系 统的解调方法及定位装置。
背景技术
分布式光纤传感技术越来越多的应用于电力、水利、石化等关系国计民生的领域。基于 干涉式波长解调的方法主要包括相位跟踪法，相位载波法，3×3耦合器方法等。3×3耦合器 方法具有成本低，算法简单且系统光路的实现相对容易的优点，但是也存在解调算法复杂的 问题。
传统的双马赫曾德传感系统由于接收到的两路干涉信号受到了背向散射噪声的影响而限 制了传感距离，非对称双马赫曾德传感系统通过抑制背向散射噪声从而延长传感距离，然而， 由于非对称系统的两个光源波长不一致，导致了两路接收到的信号不对称，如果直接对这两 路信号做互相关运算，将得到错误的定位结果。因此，需要消除两路信号的非对称性对定位 精度的影响。通常的思路是提取两路信号的相位变化特征，然而传统的方法，比如小波变换、 经验模态分解等方法，其变换过程和分解过程复杂从而影响运算速度。
当光路在非对称双马赫曾德传感系统中有人为扰动事件发生时，存在环境噪声，光源引 入的频率噪声，加性电路噪声等，使信号光和参考光之间产生相位差，造成定位不精确的问 题，而克服这个问题需要引入极为复杂的运算。
为此，需要一种解调方法在提高运算速度同时能够有效消除两路信号的非对称性对定位 结果的影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种基于3×3耦合器的非对称双马 赫曾德传感系统的解调方法及使用该方法的定位装置，该方法利用3×3耦合器直接提取非对 称双马赫曾德传感系统中两路非对称信号的相位差信号，利用该相位差信号进行互相关运算， 有效的消除了非对称双马赫曾德传感系统中两路干涉信号的非对称性对定位结果的影响，从 而提高定位精度，由于不需要复杂的变换和分解过程，该方法大大缩短了运算的时间。
一种非对称双马赫曾德传感系统的解调方法包括：
初步处理：经过3×3耦合器干涉后的原始信号执行归一化和去直流处理，使用高通滤波 器滤除扰动事件引入的噪声项后得到四路原始输出信号，对获得的原始输出信号进行微分交 叉相乘运算，再做差，获得初步处理后的信号；
求取初始相位差：将每路光束的两路原始输出信号做差后分别求其最大值和最小值，利 用获取的最大值和最小值得到初始相位；
积分与归一化处理：将初步处理后的信号进行积分运算和归一化处理，从而消除原始信 号的非对称性，利用互相关算法求取扰动事件引入的相位差的相位变化特征，从而获得时延。
一种非对称双马赫曾德传感系统的定位装置，包括：
光源：两个波长为1550nm附近窄带宽分布式反馈激光器(DFB)，两光源波长差大于本 系统所用密集波分复用器(DWDM)的波长间隔；
光环行器：用来将光源发出的光传输到待检测物体并收集反射信号光，当光源功率较大 时，可采用光纤耦合器替代；
DWDM：工作波长1500nm附近两个商用单通道DWDM，光谱透射范围分别只包含系统所用的一只光源的波长；
光电探测器：铟镓砷光电探测器(PD)，接收光信号，进行光电转换并放大。
光纤耦合器：3×3光纤耦合器，用于相位解调；
偏振控制器：调整两路干涉信号偏振态，保证信号可见度。
传感光缆：G.652D通信光缆，用于感知外界扰动及传导光信号；
数据采集卡：采样率为10MS/s双通道数据采集卡(DAQ)，对两个光电探测器的电压信号进行采集，并送入计算机处理。
处理单元：包括通用计算机和嵌入式计算系统，采集卡接收的干涉信号进行处理，最终 获取扰动信息。
所述处理单元进一步包括：
初步处理模块：用于对经过3×3耦合器干涉后的原始信号执行归一化和去直流处理，使 用高通滤波器滤除扰动事件引入的噪声项后得到四路原始输出信号，对获得的原始输出信号 进行微分交叉相乘运算，再做差，输出给最大值与最小值处理模块：所述初步处理模块包括：
高通滤波器：用于滤除对扰动事件引入的噪声；
归一化和去直流处理器：用于对输入的信号进行归一化和去直流处理；
最大值与最小值处理模块：用于将初步处理模块获得的每路光束的两路原始输出信号做 差后分别求其最大值和最小值，利用获取的最大值和最小值得到初始相位，并输出给积分与 归一化处理模块；
积分与归一化处理模块：用于对最大值与最小值处理模块输入的信号进行积分运算和归 一化处理，从而消除原始信号的非对称性，利用互相关算法求取扰动事件引入的相位差的相 位变化特征，从而获得时延。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.本发明是在传统的非对称双马赫曾德传感系统基础上使用3×3耦合器，通过两个3× 3耦合器进行相位解调，当光路在非对称双马赫曾德传感系统中有人为扰动事件发生时，使 用简单的算法就可以在提高运算速度同时能够有效消除两路信号的非对称性对定位结果的影 响。
2.本发明的解调算法中使用正弦和余弦公式求取扰动事件引入的相位差的互相关性，解 调步骤简单，可操作性强。
附图说明
图1是非对称双马赫曾德传感系统的定位原理图；
图2是提取探测器PD1和PD2所接收到的信号扰动起始点的部分信号，再对提取的信号进 行归一化和去直流操作的信号图；
图3是提取探测器PD3和PD4所接收到的信号扰动起始点的部分信号，再对提取的信号 进行归一化和去直流操作的信号图；
图4示出采用本发明所述的解调方法后得到的相位差信号；
图5示出采用本发明所述的解调方法的进行200组定位实验得出的处理时间统计图；
图6是本发明所述的解调方法中初始处理步骤的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述，所描述的具体的实 施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
如图2-6所示，一种基于3×3耦合器的非对称双马赫曾德传感系统的解调方法包括：
S1：初步处理
经过3×3耦合器干涉后的四路探测器接收到的信号分别为IO1(t)，IO2(t)，IO3(t)和IO4(t)：
其中，A1，A2，A3和A4为直流部分，B1，B2，B3和B4为幅度系数，k1和k2为波数， k1＝2π/λ2，k2＝2π/λ1，λ1和λ2分别为光源1和光源2的中心波长，d为携带有扰动信息的光信 号从点P达到耦合器1和耦合器的时间差，σ1和σ2为3×3耦合器的非对称性引入的初始相位， e1(t)和e2(t)为环境轻微扰动引入的环境噪声，ns1(t)和ns2(t)为光源引入的频率噪声，nc1(t),nc2(t), nc3(t),和nc4(t)为加性电路噪声；
对原始信号进行归一化和去直流处理，并滤除噪声项，所述噪声例如环境噪声，频率噪 声和加性电路噪声，得到输出信号IO1(t)，IO2(t)，IO3(t)和IO4(t)：
本实施例以IO1(t)，IO2(t)的解调为例进行解调说明，IO3(t)和IO4(t)的解调方法与IO1(t)，IO2(t) 相同。
如图6所示，对由3×3耦合器干涉后的输出信号进行微分交叉相乘运算，再做差，获得：
S2：积分处理
对初步处理步骤获得的信号进行计算，计算由3×3耦合器的非对称性引入的初始相位 σ1，对获得的参考光与对应的信号光的输出信号的余弦公式进行积化和差运算，令ξ＝2π/3-σ1， 得到：
S3：求取输出信号的最大值和最小值
将两路输出信号做差后分别求其最大值和最小值，利用获取的最大值和最小值得到初始相 位σ1，同理可以得到σ2；
根据公式(4)，可以得到
根据公式(5)，可以得到
根据公式(6)，可以得到
很显然，sin[2π/3-σ1]＝2sin[(2π/3-σ1)/2]cos[(2π/3-σ1)/2]。
S4：积分与归一化处理
对公式(3)进行积分可以得到
归一化处理获得解调的两路相位差信号的相位变化特征
对特征曲线E1(t)和E2(t)进行归一化处理后，除了时延d， 两特征曲线的分布将保持一致，即原始信号的非对称性被消除，最终利用互相关算法即可求 得时延d。
如图1所示，用某次定位实例来进一步说明一种基于3×3耦合器的非对称双马赫曾德传 感系统的定位装置及解调原理：
所述定位装置包括：两个光源，光环行器，两个商用单通道DWDM，光电探测器pd，2个3×3光纤耦合器，偏振控制器，G.652D通信光缆，双通道数据采集卡和处理单元。
光源1和光源2分别采用中心波长分别为1549.95nm和1550.74nm，功率为10mW的窄线宽分布式反馈激光器(DFB)；DWDM1和DWDM2通过带宽分别为：1549.9-1550.34nm和1550.7-1551.14nm；PD1，PD2，PD3和PD4，铟镓砷光电探测器(PD)；采集卡1和采集卡2，NIPCI-5122，采样率设置为采样率为10MS/s，采样时间0.3s；传感光纤，G.652D通信光纤用 于感知外界扰动及传导光信号，传感光纤总长度为121km，其中1km为铠装光缆，其余120km 为裸纤。两块数据采集卡同步采集四路信号并将信号送入计算机进行处理。
两路光源1和光源2产生相干光束；
每路光束分别经过隔离器后到达一个3×3耦合器，之后光束被3×3耦合器分为三路(第 三路忽略，本发明不考虑)，一路做为参考光被送入参考臂沿顺时针方向传播，另一路作为信 号光到达另一3×3耦合器后发生干涉。
在光缆的61km处(图1所示的P点)敲击光缆，信号光和参考光之间会产生相位差；提取的含有扰动信息的四路扰动信号如图2和图3所示。信号经采集卡1和采集卡2采集后进入计算机进行信息处理和相位解调。
将待处理信号进入初步处理模块，对经过3×3耦合器干涉后的含有扰动信息的原始信号 进入归一化和去直流处理器进行归一化和去直流处理，使用高通滤波器滤除扰动事件引入的 噪声项后得到四路原始输出信号，对获得的原始输出信号进行微分交叉相乘运算，再做差， 输出给
最大值与最小值处理模块。
信号随后进入最大值与最小值处理模块，将初步处理模块获得的每路光束的两路原始输 出信号做差后分别求其最大值和最小值，利用获取的最大值和最小值得到初始相位，并输出 给积分与归一化处理模块。
信号随后进入积分与归一化处理模块，对最大值与最小值处理模块输入的信号进行积分 运算和归一化处理，从而消除原始信号的非对称性，利用互相关算法求取扰动事件引入的相 位差的相位变化特征，从而获得时延。
进行相位解调后得到的相位差信号如图4所示，从图4可以看出，两路信号具有很好的 相关性。因此可以利用互相关求得时延。
为了说明该方法的有效性，在61km处以敲击方式进行200组定位实验，定位误差分布 如下表所示。
在121km的传感距离下，定位误差在100m以内的概率达到96％，具有较高的定位精度。从 图5可看出，运行时间小于0.115s，具有较快的运算速度。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式， 上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的 启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之 内。
Claims (2)
1.一种非对称双马赫曾德传感系统的解调方法，其特征在于，所述解调方法包括：
初步处理：经过3×3耦合器干涉后的原始信号执行归一化和去直流处理，使用高通滤波器滤除扰动事件引入的噪声项后得到四路原始输出信号，对获得的原始输出信号进行微分交叉相乘运算，再做差，获得初步处理后的信号；
求取初始相位差：将每路光束的两路原始输出信号做差后分别求其最大值和最小值，利用获取的最大值和最小值得到初始相位；
积分与归一化处理：将初步处理后的信号进行积分运算和归一化处理，从而消除原始信号的非对称性，利用互相关算法求取扰动事件引入的相位差的相位变化特征，从而获得时延。
2.一种非对称双马赫曾德传感系统的定位装置，包括：
光源：两个波长为1550nm附近窄带宽分布式反馈激光器，两光源波长差大于本系统所用密集波分复用器的波长间隔；
光环行器：用来将光源发出的光传输到待检测物体并收集反射信号光，当光源功率较大时，可采用光纤耦合器替代；
DWDM：工作波长1500nm附近两个商用单通道DWDM，光谱透射范围分别只包含系统所用的一只光源的波长；
光电探测器：铟镓砷光电探测器(PD)，接收光信号，进行光电转换并放大；
光纤耦合器：3×3光纤耦合器，用于相位解调；
偏振控制器：调整两路干涉信号偏振态，保证信号可见度；
传感光缆：G.652D通信光缆，用于感知外界扰动及传导光信号；
数据采集卡：采样率为10MS/s双通道数据采集卡(DAQ)，对两个光电探测器的电压信号进行采集，并送入计算机处理；
处理单元：包括通用计算机和嵌入式计算系统，对采集卡接收的干涉信号进行处理，最终获取扰动信息；
其特征在于，所述处理单元进一步包括：
初步处理模块：用于对经过3×3耦合器干涉后的原始信号执行归一化和去直流处理，使用高通滤波器滤除扰动事件引入的噪声项后得到四路原始输出信号，对获得的原始输出信号进行微分交叉相乘运算，再做差，输出给最大值与最小值处理模块；所述初步处理模块包括：
高通滤波器：用于滤除对扰动事件引入的噪声；
归一化和去直流处理器：用于对输入的信号进行归一化和去直流处理；
最大值与最小值处理模块：用于将初步处理模块获得的每路光束的两路原始输出信号做差后分别求其最大值和最小值，利用获取的最大值和最小值得到初始相位，并输出给积分与归一化处理模块；
积分与归一化处理模块：用于对最大值与最小值处理模块输入的信号进行积分运算和归一化处理，从而消除原始信号的非对称性，利用互相关算法求取扰动事件引入的相位差的相位变化特征，从而获得时延。
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