CN112903083B - 基于多模光纤的高信噪比声传感器 - Google Patents

基于多模光纤的高信噪比声传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多模光纤的高信噪比声传感器，包括：光源部分、调制部分、模式多路复用/解复用部分、参考光部分、检测部分、数据采集部分、传感部分。光源部分、调制部分、模式多路复用/解复用部分、传感部分依次相连，光源部分通过参考光部分的第一光纤耦合器分出参考光，检测部分将模式多路复用/解复用部分输出的信号与参考光进行拍频，输出信号连接进入数据采集部分。本发明将传感光纤由单模光纤更改为多模光纤，利用多模光纤中的多个模式对外界声波/振动信息进行感知，然后在探测端或信号端进行解复用，并将N个模式探测到的信号进行合并叠加，通过分集后平均，可降低底噪，提高系统信噪比，进而提升系统的灵敏度和应变分辨率。

Description

基于多模光纤的高信噪比声传感器
技术领域
本发明涉及高信噪比的声传感器领域，特别是一种基于多模光纤的高信噪比声传感器。
背景技术
分布式光纤声传感技术是利用作用在传感光纤上的声波信号导致后向瑞利散射光的相位变化来实现声波信号的分布式探测的。近年来，随着分布式光纤传感技术的迅速发展，光纤分布式声波检测也成为光纤传感领域的一个热点研究方向。相位敏感光时域反射计作为其中最具代表性的一类光纤分布式声传感技术，可实现对光纤链路振动与声波的分布式、长距离和实时定量检测。目前基于相位敏感光时域反射计的光纤分布式声传感技术已经应用到很多领域，它在传感探测器距离、事件精确定位、重大基础设施的安防监测、油气资源勘探等方面具有无可替代的优势，是近年来国内外重点发展的战略性高技术。但是，当前声传感技术的灵敏度和信噪比受限，与传统点式或干涉仪型传感器相比还有一定差距，无法满足微弱声信号检测等应用需求。因此，提高光纤传感系统的灵敏度和信噪比是当务之急。
自从1993年H.F.Taylor提出相位敏感光时域反射计(Phase sensitive opticaltime domain reflectometry,以下简称Phase-OTDR)以来，大大提高了光纤传感的灵敏度【美国专利US5194847】。
Robert M.Payton等提出在Phase-OTDR中应用伪随机序列对连续探测光进行相位调制，并在接收端进行相关运算，解调出相位信息，提高了系统的灵敏度和信噪比【美国专利US7268863】。
Bao Xiaoyi等人提出通过非线性光学环型镜或调制器级联的方式，提升了消光比进而提高了系统的信噪比【Ren,M.Q.,et al.(2016)."Influence of finite extinctionratio on performance of phase-sensitive optical time-domain reflectometry."Optics Express 24(12):13325-13333.】
但是，由于Phase-OTDR系统中利用的是瑞利散射光进行传感，受限于光纤中的非线性效应，瑞利散射光的幅度弱，功率受限，导致相位噪声项很大，对于提高系统的信噪比和应变分辨率有很大限制。此外，由于外界温度变化引起光纤链路上折射率的随机分布，导致瑞利噪声的的随机分布无法消除，是系统的本征噪声。
目前提出的有基于频率分集的方法，通过传输许多不同的频率，由于不同脉冲频率的衰落位置不同，将得到的不同频率的背散射信号结合起来，可以减小衰落的影响，降低系统整体噪声并提高信噪比。【Chen,D.A.,et al.(2017)."Phase-detection distributedfiber-optic vibration sensor without fading-noise based on time-gated digitalOFDR."Optics Express 25(7):8315-8325.】，但频率分集的数目受系统带宽限制，难以做到大规模复用。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于多模光纤的高信噪比的声传感器，以期突破目前基于Phase-OTDR的声传感技术，由于单模光纤面临的由瑞利散射幅度过低和瑞利噪声的统计随机分布而导致的灵敏度受限问题，无法满足微弱声信号检测的应用需求。
本发明提出了一种新型的分集方式，将传感光纤由单模光纤更改为多模光纤，利用多模光纤中的多个模式对外界声波/振动信息进行感知，然后在探测端或信号端进行解复用，并将N个模式探测到的信号进行合并，进而提升系统的信噪比。多模光纤中的模式数目巨大，进而可以使得传感系统性能大幅提升。
本发明具体的核心思想是：提出一种基于多模光纤的高信噪比的声传感器。传感部分采用多模传感光纤，通过光纤中各个模式实现分集探测，然后使用模式多路复用/解复用器件将多模光纤中各个模式分开，每个模式进行独立接收后与本地参考光进行拍频。检测部分采用分偏振接收，减弱偏振衰落的影响，提高了系统的信噪比。通过多个模式实现分集探测，然后合并接收，进行叠加使得待测信号强度大幅增加，提高声传感系统的应变分辨率；分集后平均，可以降低瑞利噪声的统计特性对系统灵敏度的影响，从而降低系统的底噪，进一步提高基于Phase-OTDR的声传感器的信噪比和灵敏度。
实际工程应用中，为保证光纤不被损坏，多采用光缆作为传感或通信的载体，且多采用的是多芯光缆。多芯光缆中实际使用的芯数仅为其中的数芯，其他芯光纤基本处于闲置状态。如果可以充分利用这些闲置的光纤，借鉴空分复用的思想，可以在不需大幅提升硬件成本的基础上，实现N路信号分集，然后在探测端或信号端合并接收，多芯光缆中的纤芯数目可达到数十芯，进而有很大的潜力使传感系统性能大幅提升。并且，多芯光缆中的各个纤芯采用多模光纤，多模光纤中每个模式都会对外界声波/振动信息进行感知，再通过模式解复用将各个模式的信号光分开，分集数目更多，从而可以更进一步提升Phase-OTDR的声传感技术的信噪比和灵敏度。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于多模光纤的高信噪比声传感器，包括：光源部分、调制部分、模式多路复用/解复用部分、参考光部分、检测部分、数据采集部分、传感部分，其中：
所述光源部分包括激光器；
所述调制部分包括声光调制器和第二放大器；
所述模式多路复用/解复用部分包括连接装置和模式多路复用/解复用器件；
所述参考光部分包括第一光纤耦合器；
所述检测部分包括分偏振相干检测单元；
所述传感部分包括多模传感光纤；
所述数据采集部分包括数据采集卡；
所述光源部分、调制部分、模式多路复用/解复用部分、传感部分依次相连，光源部分通过参考光部分的第一光纤耦合器分出参考光，检测部分将模式多路复用/解复用部分输出的信号与参考光进行拍频，输出信号连接进入数据采集部分。
优选地，所述激光器为窄线宽激光器。
进一步地，所述窄线宽激光器的中心波长是1550nm。
进一步地，所述窄线宽激光器的线宽约为2.5kHz。
优选地，所述激光器的输出为连续光。
优选地，所述声光调制器将光源部分输出光斩波成为脉冲光。
优选地，所述声光调制器使得光源部分的输出光产生160MHz上频移。
优选地，所述第二放大器为掺铒光纤放大器。
优选地，所述模式多路复用/解复用器件为光子灯笼，或由模式转换器、相位板/空间光调制器和透镜组成的器件。
优选地，所述模式多路复用/解复用器件为1个用于模式多路复用和解复用的器件，所述连接装置的第一端口与调制部分的输出端口相连，第二端口与用于模式多路复用和解复用的器件的输入端口相连，第三端口与一个分偏振相干检测单元相连。
优选地，所述模式多路复用/解复用器件为1个用于模式多路复用的器件，所述用于模式多路复用的器件与调制部分相连，连接装置的第一端口与用于模式多路复用的器件的输出端通过多模光纤相连，第二端口与传感部分通过多模光纤相连，第三端口与检测部分通过多模光纤相连。
优选地，所述模式多路复用/解复用器件为1个用于模式多路复用的器件与1个用于模式多路解复用的器件，所述用于模式多路复用的器件与调制部分相连，连接装置的第一端口与用于模式多路复用的器件的输出端通过多模光纤相连，第二端口与传感部分相连，第三端口与用于模式多路解复用的器件通过多模光纤相连。
进一步地，所述连接装置为环形器，或其中一个端口连有单向隔离器的2×2光纤耦合器。
优选地，所述的第一光纤耦合器的各端口是普通单模光纤。
进一步地，所述第一光纤耦合器的波段是1550nm。
进一步地，所述第一光纤耦合器具有1×2端口。
更进一步地，所述第一光纤耦合器的分光比是9:1。
优选地，所述分偏振相干检测单元包括：第三光纤耦合器、第四光纤耦合器、第五光纤耦合器、第六光纤耦合器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一双平衡探测器、第二双平衡探测器，所述第三光纤耦合器的第一输出端口与第五光纤耦合器的第一输入端口相连，第三光纤耦合器的第二输出端口与第二偏振控制器的输入端口相连，第二偏振控制器的输出端口与第六光纤耦合器的第一输入端口相连，第四光纤耦合器的第一输出端口与第一偏振控制器的输入端口相连，第一偏振控制器的输出端口与第五光纤耦合器的第二输入端口相连，第四光纤耦合器的第二输出端口与第六光纤耦合器的第二输入端口相连，第五光纤耦合器的两个输出端口与第一双平衡探测器的两个输入端口相连，第六光纤耦合器的两个输出端口与第二双平衡探测器的两个输入端口相连。
进一步地，所述第三光纤耦合器、第四光纤耦合器、第五光纤耦合器、第六光纤耦合器的各端口是普通单模光纤。
更进一步地，所述第三光纤耦合器、第四光纤耦合器、第五光纤耦合器、第六光纤耦合器的波段为1550nm。
更进一步地，所述第三光纤耦合器、第四光纤耦合器、第五光纤耦合器、第六光纤耦合器的端口为2×2。
再进一步地，所述第三光纤耦合器、第四光纤耦合器、第五光纤耦合器、第六光纤耦合器的分光比是1:1。
进一步地，所述双平衡探测器是将光信号转换为电信号的高速探测器，可以很好地消除光电探测器的直流成分和共模噪声，并对差模信号实现有效放大，极大提升了系统的信噪比。
优选地，所述检测部分还包括阵列探测模块。
优选地，所述参考光部分还包括1×N光纤耦合器与第一放大器，所述1×N光纤耦合器将光源部分输出的一部分光分为N路参考光。
进一步地，所述的1×N光纤耦合器的各端口是普通单模光纤，波段为1550nm。
进一步地，所述第一放大器为掺铒光纤放大器。
进一步地，所述调制部分之后还包括另一个1×N光纤耦合器，所述1×N光纤耦合器将调制后的光信号分为N路，每一路包括一个模式多路复用/解复用部分和传感部分，所述每路传感部分的多模传感光纤为多芯光缆的一个纤芯，各路模式多路复用/解复用部分的输出信号与各路参考光拍频。
当外界待测扰动信号加在本发明声传感器的多模传感光纤时，从多模传感光纤散射回来的后向瑞利散射信号光返回进入模式多路复用/解复用部分的输出端口后分成多路信号光，与参考光一起进入检测部分的分偏振相干检测单元进行拍频。
数据采集卡用来对数据进行采集，然后使用MATLAB程序对探测回来的信号的幅度和相位信息进行解调，重建外加扰动信号。
本发明接收端采用了分偏振接收，通过第一偏振控制器、第二偏振控制器对偏振态进行控制，通过第一双平衡探测器、第二双平衡探测器分别接收两个不同偏振态的光信号，可以消除偏振衰落对系统信噪比的影响。
本发明声传感器可应用于包括相干探测的相位敏感光时域反射计、直接探测的相位敏感光时域反射计、光频域反射计、基于布里渊散射原理的分布式光纤传感器等领域。
本发明的优点在于：
1、采用大规模分集技术，借鉴通信领域的空分复用思想，提出了一种新型的分集方式，将传感光纤由单模光纤更改为多模光纤，通过对多模光纤中的各个模式实现分集探测，然后合并接收，使得待测信号强度大幅增加，进而提升系统的灵敏度和应变分辨率；分集后平均，从而降低系统的底噪，可以实现高信噪比声传感。多模光纤中的模式数目巨大，进而有很大的潜力使传感系统性能大幅提升。
2、将通信中的模式复用应用到基于Phase-OTDR技术的声传感系统，使用多种器件在探测端或信号端实现对多模光纤中各个模式的复用和解复用，易于集成，插入损耗较低。
3、接收端采用分偏振接收，可以大大降低偏振衰落带来的影响。
4、在矿井和隧道等应用场景中存在温度监测用的既有多模光纤，用多模光纤实现高信噪比声传感技术，可以扩展其应用场景，减少了铺设光缆、施工的麻烦。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图中：101-激光器，102-第一光纤耦合器，103-声光调制器，104-第一放大器，105-第二放大器，106-环形器，107-用于模式多路复用和解复用的器件，108-多模传感光纤，109-外界待测扰动信息，110-1×N光纤耦合器，111-分偏振相干检测单元，112-数据采集卡，a、b、c分别为环形器的第一端口、第二端口和第三端口。
图2为本发明实施例1使用的分偏振相干检测单元的结构示意图。
图中：111-分偏振相干检测单元，201-第三光纤耦合器，202-第四光纤耦合器，203-第一偏振控制器，204-第二偏振控制器，205-第五光纤耦合器，206-第六光纤耦合器，207-第一双平衡探测器，208-第二双平衡探测器。
图3为可替代本发明实施例1环形器的2×2光纤耦合器耦合器示意图。
图中：301-2×2光纤耦合器，302-单向隔离器。
图4为本发明实施例1使用的模式多路复用/解复用器——全光纤型光子灯笼的结构示意图。
图中：401-单模光纤，402-掺氟玻璃套管，403-多模光纤。
图5为本发明实施例1另一种形式的模式复用/解复用模块示意图。
图中：501-模式转换器，502-相位板/空间光调制器，503-透镜。
图6为本发明实施例2的结构示意图
图中：601-激光器，602-光纤耦合器，603-声光调制器，604-第二放大器，605-用于模式多路复用的器件，606-多模光纤，607-环形器，608-多模传感光纤，609-外界待测扰动信息，610-分偏振相干检测单元，611-阵列探测模块，612-数据采集卡，a、b、c分别为环形器的第一端口、第二端口和第三端口。
图7为本发明实施例3的结构示意图。
图中：701-激光器，702-第一光纤耦合器，703-声光调制器，704-第一放大器，705-第二放大器，706-用于模式多路复用的器件，707-多模光纤，708-环形器，709-多模传感光纤，710-外界待测扰动信号，711-用于模式多路解复用的器件，712-1×N光纤耦合器713-分偏振相干检测单元，714-数据采集卡，a、b、c分别为环形器的第一端口、第二端口和第三端口。
图8为本发明实施例3使用的分偏振相干检测单元的结构示意图。
图中：713-分偏振相干检测单元，801-第三光纤耦合器，802-第四光纤耦合器，803-第一偏振控制器，804-第二偏振控制器，805-第五光纤耦合器，806-第六光纤耦合器，807-第一双平衡探测器，808-第二双平衡探测器。
图9为本发明实施例4的声传感器结构示意图。
图中：901-激光器，902-光纤耦合器，903-声光调制器，904-第一放大器，905-第二放大器，906-第一1×N光纤耦合器，907-用于模式多路复用的器件，908-多模光纤，909-环形器，910-多芯光缆，911-多模传感光纤，912-外界待测扰动信号，913-第二1×N光纤耦合器，914-分偏振相干检测单元，915-阵列探测模块，916-数据采集卡，a、b、c分别为环形器的第一端口、第二端口和第三端口。
具体实施方式
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例做进一步的解释说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
本发明所述的一种基于多模光纤的高信噪比声传感器，以图1为例，包括：光源部分、调制部分、模式多路复用/解复用部分、参考光部分、检测部分、数据采集部分、传感部分。光源部分包括激光器101。调制部分包括声光调制器103和第二放大器105。模式多路复用/解复用部分包括连接装置106和模式多路复用/解复用器件。参考光部分包括第一光纤耦合器102。检测部分包括分偏振相干检测单元111。传感部分包括多模传感光纤108。数据采集部分包括数据采集卡112。
光源部分、调制部分、模式多路复用/解复用部分、传感部分依次相连，光源部分通过第一光纤耦合器分出参考光，检测部分将模式多路复用/解复用部分输出的信号与参考光进行拍频，输出信号连接进入数据采集部分。
模式多路复用/解复用器件可以为图4所示的光子灯笼，光纤簇光子灯笼的基本结构是将单模光纤401嵌入低折射率掺氟玻璃套管402中进行熔融拉锥，在锥区尖端形成类似多模光纤403的波导结构。从单模光纤401输入的基模会以无损的方式转换成多模光纤403中的高阶模。外界待测扰动信息施加在多模光纤上。从多模光纤散射回来的各个模式的后向瑞利散射信号光进入光子灯笼的多模输出端口后也会以无损的方式分成多路进入到多个单模光纤中的基模。模式多路复用/解复用器件也可以为如图5所示的由模式转换器、相位板/空间光调制器和透镜组成的器件。作为模式复用器时，单模光纤中的信号光经过相位板/空间光调制器502转换成高阶模后经过透镜503进入多模传感光纤，激发多模光纤中的其他各个模式。作为模式解复用器时，多模光纤中的散射光经过透镜503后用相位板/空间光调制器502等器件将散射回来的信号光中的各个模式分开，基模a直接进入单模光纤中传输，高阶模b,…m,n再经过模式转换器501如长周期光纤光栅等，将高阶模转换为基模再进入各个单模光纤中传输。采用图5所示的模式多路复用/解复用器件时，需注意：由于在系统接收端，所接收的信号不可避免地存在码间干扰，必须在接收端对信道引起的信号畸变进行矫正，即经探测器和数据采集卡采样量化后，使用MATLAB程序对探测回来的信号的幅度和相位信息进行解调时还需再经由多端输入多点端输出(multiple input multipleoutput，MIMO)，即自适应信道均衡算法，从而实现多模光纤中各个模式完全的解复用。
在一种情况下，模式多路复用/解复用器件部分可为1个用于模式多路复用和解复用的器件107，所述连接装置106的第一端口与调制部分的输出端口相连，第二端口与用于模式多路复用和解复用的器件107的输入端口相连，第三端口与一个分偏振相干检测单元111相连。
在另一种情况下，如图6所示，模式多路复用/解复用器件为1个用于模式多路复用的器件605，所述用于模式多路复用的器件605与调制部分相连，连接装置607的第一端口与用于模式多路复用的器件605的输出端通过多模光纤606相连，第二端口与传感部分相连，第三端口与分偏振相干检测单元610通过多模光纤606相连。
在其他情况下，如图7所示，模式多路复用/解复用器件为1个用于模式多路复用的器件706与1个用于模式多路解复用的器件711，用于模式多路复用的器件706与调制部分相连，连接装置708的第一端口与用于模式多路复用的器件706的输出端通过多模光纤707相连，第二端口与传感部分相连，第三端口与用于模式多路解复用的器件711通过多模光纤707相连。
连接装置106可以为环形器，也可以是一个如图3所示的端口连有单向隔离器的2×2光纤耦合器。
分偏振相干检测单元111包括：第三光纤耦合器201、第四光纤耦合器202、第五光纤耦合器205、第六光纤耦合器206、第一偏振控制器203、第二偏振控制器204、第一双平衡探测器207、第二双平衡探测器208，所述第三光纤耦合器201的第一输出端口与第五光纤耦合器205的第一输入端口相连，第三光纤耦合器201的第二输出端口与第二偏振控制器204的输入端口相连，第二偏振控制器204的输出端口与第六光纤耦合器206的第一输入端口相连，第四光纤耦合器202的第一输出端口与第一偏振控制器203的输入端口相连，第一偏振控制器203的输出端口与第五光纤耦合器205的第二输入端口相连，第四光纤耦合器202的第二输出端口与第六光纤耦合器206的第二输入端口相连，第五光纤耦合器205的两个输出端口与第一双平衡探测器207的两个输入端口相连，第六光纤耦合器206的两个输出端口与第二双平衡探测器208的两个输入端口相连。第三光纤耦合器201、第四光纤耦合器202、第五光纤耦合器205。双平衡探测器207、208是将光信号转换为电信号的高速探测器，可以很好地消除光电探测器的直流成分和共模噪声，并对差模信号实现有效放大，极大提升了系统的信噪比。
检测部分还可以包括图6所示的阵列探测模块611。
参考光部分还可以包括1×N光纤耦合器110与第一放大器104，所述1×N光纤耦合器将光源部分输出的一部分光分为N路参考光。
如图9所示，调制部分之后还可以包括另一个1×N光纤耦合器906，所述1×N光纤耦合器906将调制后的光信号分为N路，每一路包括一个模式多路复用/解复用部分和传感部分，所述每路传感部分的多模传感光纤为多芯光缆的一个纤芯，各路模式多路复用/解复用部分的输出信号与各路参考光拍频。
本发明的基本原理如下：
第一、窄线宽激光器输出连续光，经第一光纤耦合器分为两路：一路作为参考光；一路经声光调制器(AOM)斩波成为脉冲光，并产生160MHz上频移。脉冲光经过掺铒光纤放大器(EDFA)进行光放大。
第二、调制后单模光纤的光信号通过环形器注入所述的模式多路复用/解复用器的单模输入端口。该模式多路复用/解复用器件可以是光子灯笼或其他类似的器件。单模光纤输入的基模发射到光子灯笼中，基模会以无损的方式转换成多模光纤中的高阶模。外界待测扰动信息施加在多模光纤上。从多模光纤散射回来的各个模式的后向瑞利散射信号光进入所述的光子灯笼的多模输出端口后也会以无损的方式分成多路进入到多个单模光纤中的基模。
第三、本振光经过声光调制器移频之后，产生一定的频移。经反射回来的光信号与频移后的光分别经过第一偏振控制器和第二偏振控制器，确保用双平衡探测器进行外差分偏振接收。由于偏振衰落会导致某些时刻反射回来的信号与本振光拍频信号幅度接近零，导致相位解调出现误差，分偏振接收能够大大降低偏振衰落的影响。拍频输出由双平衡探测器(BPD)转换为电信号，利用DAQ进行数据采集。
第四、借鉴HANIEL GABAI等人对信噪比SNR的定义，具体参见【Gabai,H.andA.Eyal(2016)."On the sensitivity of distributed acoustic sensing."OpticsLetters 41(24):5648-5651.】差分相位的信噪比SNR可以表示为：
Figure GDA0004081783450000091
其中，系统噪声方差为
Figure GDA0004081783450000092
待测信号φsignal的方差为
Figure GDA0004081783450000093
分布式声传感系统的平均信噪比可以表示为：
Figure GDA0004081783450000094
采用模式分集技术后，一次测量相当于N次(分集数即模式个数)测量的叠加，从探测信号强度的角度，则：
Figure GDA0004081783450000095
Figure GDA0004081783450000096
Figure DA00040817834540376499
同理，从相位分析的角度，例如，HANIEL GABAI等人提出采用的空间分集的方法，具体参见【Gabai,H.,et al.(2017)."Lumped Rayleigh reflectors."Optics Letters 42(21):4529-4532.】，N次分集后的信噪比表示为：
Figure GDA0004081783450000102
可见，不考虑相位噪声的情况下，SNR随着N呈线性增长的关系。
假设噪声主要是高斯分布的加性噪声的话，通过使用多模光纤的模式分集技术，N次分集后，信噪比可以提升N倍。分集后平均，可降低系统的基底噪声，使得系统的底噪水平提高N倍，从而提高声传感技术的信噪比。因此，通过使用基于多模光纤模式分集技术，可以提高系统的信噪比，实现高信噪比的声传感技术。
第五、基于phase-OTDR的声传感技术能够实现对外界声波扰动信号的定位和定量测量，其中声传感系统的应变分辨率的计算公式可表示为：
γ＝ε/10SNR             (6)
其中，ε为已知施加的某一标准应变信号。应变分辨率即可以理解为，在信噪比一定的情况下，系统能够探测到的外界最小的应变量。当信号的SNR越大时，γ的值越小，系统能够探测到外界更微小的应变量(声波或振动)，即提升了系统的灵敏度。那么通过使用多模光纤的模式分集技术，可以提高基于phase-OTDR的声传感系统的信噪比，进而大幅提高了系统的应变分辨率和灵敏度。
实施例1：
图1为本发明基于多模光纤的高信噪比的声传感器整体结构示意图。由图1可见，本发明基于多模光纤的高信噪比的声传感装置其构成包括一种基于多模光纤的高信噪比声传感器。激光器101的输出端口与第一光纤耦合器102的输入端口相连，第一光纤耦合器102的第一输出端口与声光调制器103光信号输入端相连，第一光纤耦合器102的第二输出端口与第一放大器104的光信号输入端口相连，第一放大器104的输出端口与1×N光纤耦合器110的输入端口相连，声光调制器103的光信号输出端口与第二放大器105的光信号输入端相连，第二放大器105的输出端口与环形器106的第一端口相连，该环形器106的第二端口与用于模式多路复用和解复用的器件107的单模输入端口相连，该用于模式多路复用和解复用的器件107的多模输出端口与多模传感光纤108相连，外界待测扰动信息109施加在所述的多模传感光纤108上。从多模传感光纤108散射回来的后向瑞利散射信号光返回进入模式多路复用/解复用器107的多模输出端口后分成多路信号光，一路从用于模式多路复用和解复用的器件107的单模输入端口返回，经过环形器106的第二端口从环形器106的第三端口输出，其它几路从用于模式多路复用和解复用的器件107的其他单模输出端口输出后，与1×N光纤耦合器110多个输出端的参考光进入多个分偏振相干检测单元111进行拍频。如图2所示，每个分偏振相干检测单元111中，用于模式多路复用和解复用的器件107的单模输出端口与第三光纤耦合器201的输入端口相连，图1的1×N光纤耦合器110的输出端口与图2的第四光纤耦合器202的输入端口相连，第三光纤耦合器201的第一输出端口与第五光纤耦合器205的第一输入端口相连，第三光纤耦合器201的第二输出端口与第二偏振控制器204的输入端口相连，第二偏振控制器204的输出端口与第六光纤耦合器206的第一输入端口相连，第四光纤耦合器202的第一输出端口与第一偏振控制器203的输入端口相连，第一偏振控制器203的输出端口与第五光纤耦合器205的第二输入端口相连，第四光纤耦合器202的第二输出端口与第六光纤耦合器206的第二输入端口相连，第五光纤耦合器205的两个输出端口与第一双平衡探测器207的两个输入端口相连，第六光纤耦合器206的两个输出端口与第二双平衡探测器208的两个输入端口相连。第一双平衡探测器207和第二双平衡探测器208的输出端口，即每个分偏振相干检测111的输出端口，与数据采集卡112的输入端口相连。该数据采集卡112进行采集，对信号的幅度和相位信息进行解调。
本实施例的环形器也可用2×2光纤耦合器来代替，如图3所示。脉冲光从a口输入，进入2×2光纤耦合器，从b口输出进入探测光纤，从探测光纤中散射回来的信号光从b口进入，经过2×2光纤耦合器后从a口和c口输出，a口连接一个单向隔离器将散射回来的光隔离，在c口连接分偏振检测单元即可探测到信号。
本实施例激光器101可为窄线宽激光器。窄线宽激光器的中心波长是1550nm，线宽约为2.5kHz。声光调制器103的上频移为160MHz，即使本振光与探测光产生160MHz的频率差，探测光经过AOM斩波生成脉冲光。第一光纤耦合器102的各端口是普通单模光纤，波段是1550nm，具有1×2端口，分光比是9:1，也可以采用分光比略有差别的光纤耦合器。第一、二放大器均为掺铒光纤放大器。本实施例用于模式多路复用和解复用的器件107为图4所示的光子灯笼，或图5所示的由模式转换器、相位板/空间光调制器和透镜组成的器件。1×N光纤耦合器110的各端口是普通单模光纤，波段为1550nm。第三光纤耦合器、第四光纤耦合器、第五光纤耦合器、第六光纤耦合器206的各端口是普通单模光纤，波段为1550nm，端口2×2，分光比是1:1。
实施例2：
本发明传感器的检测部分也可以包括阵列探测模块，该实施例的系统结构示意图如图6所示。激光器601的输出端口与光纤耦合器602的输入端相连，光纤耦合器602的第一输出端与声光调制器603光信号输入端相连，声光调制器603的光信号输出端口与第二放大器604的光信号输入端相连，第二放大器604的输出端口与用于模式多路复用的器件605的一个单模输入端口相连，以基模LP01模发射到用于多路复用的器件605中，可以激发出多模光纤中的高阶模。用于模式多路复用的器件605的多模输出端口与多模光纤606相连，多模光纤606与环形器607的第一端口相连，脉冲光通过环形器607注入到多模传感光纤608中，外界待测扰动信息609施加在多模传感光纤608上，脉冲光在光纤中发生瑞利散射，散射回来的信号光进入环形器607的第二端口，从环形器607的第三端口输出，环形器607的第三端口与多模光纤606相连，多模光纤606与分偏振相干检测单元610相连。从多模传感光纤608散射回来的后向瑞利散射信号光进入环形器607的第二端口，从环形器607的第三端口输出，环形器607的第三端口通过多模光纤606，与光纤耦合器602的第二输出端口分出的参考光进入分偏振相干检测单元610进行拍频，得到的信号输入到阵列探测模块611，阵列探测模块611与数字信号解调模块612相连。本方法的优点是不需要多个探测器，阵列探测模块采集到信号之后在数字域对多个模式的散射光进行解复用，将其分开，最后再对信号的幅度和相位信息进行解调。
本实施例激光器601可为窄线宽激光器。窄线宽激光器的中心波长是1550nm，线宽约为2.5kHz。声光调制器603的上频移为160MHz，即使本振光与探测光产生160MHz的频率差，探测光经过AOM斩波生成脉冲光。第二放大器为掺铒光纤放大器。第一光纤耦合器602的各端口是普通单模光纤，波段是1550nm，具有1×2端口，分光比是9:1，也可以采用分光比略有差别的光纤耦合器。本实施例用于模式多路复用的器件605为图4所示的光子灯笼，或图5所示的由模式转换器、相位板/空间光调制器和透镜组成的器件。
实施例3：
本发明传感器也可采用两个光子灯笼分别对模式进行复用和解复用，如图7所示。激光器701的输出端口与第一光纤耦合器702的输入端口相连，第一光纤耦合器702的第一输出端口与声光调制器703光信号输入端相连，第一光纤耦合器702的第二输出端口与第一放大器704的光信号输入端口相连，该第一放大器704的输出端口与1×N光纤耦合器712的输入端口相连，声光调制器703的光信号输出端口与第二放大器705的光信号输入端相连，第二放大器705的输出端口与所述的用于模式多路复用的器件706的其中一个单模输入端口相连，用于模式多路复用的器件706的多模输出端口通过多模光纤707与环形器708的第一端口相连，脉冲光通过该环形器708注入到多模传感光纤709中，外界待测扰动信息710施加在多模传感光纤709上，脉冲光在光纤中发生瑞利散射，散射回来的信号光进入环形器708的第二端口，从环形器708的第三端口输出，环形器708的第三端口通过多模光纤707与用于模式多路解复用的器件711的多模输入端口相连，用于模式多路解复用的器件711的各单模输出端口与1×N光纤耦合器712各输出端口分别与各分偏振相干检测单元713的两个输入端口相连，各个模式散射回来的信号光与每一路参考光分别进入多个分偏振相干检测单元713进行拍频。如图8所示，每个分偏振相干检测单元713中，图7用于模式多路解复用的器件711的单模输出端口与图8第三光纤耦合器801的输入端口相连，图7中1×N光纤耦合器712的输出端口与图8第四光纤耦合器802的输入端口相连，第三光纤耦合器801的第一输出端口与第五光纤耦合器805的第一输入端口相连，第三光纤耦合器801的第二输出端口与第二偏振控制器804的输入端口相连，第二偏振控制器804的输出端口与第六光纤耦合器806的第一输入端口相连，第四光纤耦合器802的第一输出端口与第一偏振控制器803的输入端口相连，第一偏振控制器803的输出端口与第五光纤耦合器805的第二输入端口相连，第四光纤耦合器802的第二输出端口与第六光纤耦合器806的第二输入端口相连，第五光纤耦合器805的两个输出端口与第一双平衡探测器807的两个输入端口相连，第六光纤耦合器806的两个输出端口与第二双平衡探测器804的两个输入端口相连。第一双平衡探测器807和第二双平衡探测器808的输出端口，即图7每个分偏振相干检测713的输出端口与数据采集卡714的输入端口相连。该数据采集卡714进行采集，对信号的幅度和相位信息进行解调。
本实施例激光器701可为窄线宽激光器。窄线宽激光器的中心波长是1550nm，线宽约为2.5kHz。声光调制器703的上频移为160MHz，即使本振光与探测光产生160MHz的频率差，探测光经过AOM斩波生成脉冲光。第一光纤耦合器702的各端口是普通单模光纤，波段是1550nm，具有1×2端口，分光比是9:1，也可以采用分光比略有差别的光纤耦合器。第一、二放大器均为掺铒光纤放大器。本实施例用于模式多路复用的器件706和用于模式多路解复用的器件711为图4所示的光子灯笼，或图5所示的由模式转换器、相位板/空间光调制器和透镜组成的器件。1×N光纤耦合器712的各端口是普通单模光纤，波段为1550nm。第三光纤耦合器、第四光纤耦合器、第五光纤耦合器、第六光纤耦合器806的各端口是普通单模光纤，波段为1550nm，端口2×2，分光比是1:1。
实施例4：
本发明传感器也可采用多芯光缆的结构，结构示意图如图9所示。激光器901的输出端口与第一光纤耦合器902的输入端端相连，光纤耦合器902的第一输出端与声光调制器603光信号输入端相连，第一光纤耦合器902的第一输出端与声光调制器903光信号输入端相连，声光调制器903的光信号输出端口与放大器905的光信号输入端相连，放大器905的输出端口与1×N光纤耦合器906输入端口相连，1×N光纤耦合器906的具有多个输出端，每个输出端口分别与用于模式多路复用的器件907的其中一个单模输入端口相连，以基模LP01模发射到用于模式多路复用的器件907中，可以激发出多模光纤中的高阶模。用于模式多路复用的器件907的多模输出端口通过多模光纤908与环形器909的第一端口相连，脉冲光通过环形器909注入到多芯光缆910中的每一个纤芯，即多模传感光纤911中，外界待测扰动信息施加在多芯光缆910上，脉冲光在光纤中发生瑞利散射，散射回来的信号光进入环形器909的第二端口，从环形器909的第三端口输出，每一个环形器909的第三端口与多模光纤908相连，第一光纤耦合器902的第二输出端口与第一放大器904的光信号输入端口相连，第一放大器904的输出端口与1×N光纤耦合器913的输入端口相连，从多模传感光纤911散射回来的后向瑞利散射信号光进入环形器909的第二端口，从环形器909的第三端口输出，环形器909的第三端口通过多模光纤908与1×N光纤耦合器913各输出端的参考光进入各分偏振相干检测单元914进行拍频。分偏振相干检测单元914的输出端口与阵列探测模块915相连，所有的阵列探测模块915的输出端口都与数字信号解调模块916相连，数字信号解调模块916对多芯光缆中每个纤芯的每个模式的光信号的幅度和相位信息进行解调。
本实施例激光器901可为窄线宽激光器。窄线宽激光器的中心波长是1550nm，线宽约为2.5kHz。声光调制器903的上频移为160MHz，即使本振光与探测光产生160MHz的频率差，探测光经过AOM斩波生成脉冲光。第一光纤耦合器902的各端口是普通单模光纤，波段是1550nm，具有1×2端口，分光比是9:1，也可以采用分光比略有差别的光纤耦合器。第一、二放大器均为掺铒光纤放大器。1×N光纤耦合器906、913的各端口是普通单模光纤，波段为1550nm。本实施例用于模式多路复用的器件907可为图4所示的光子灯笼，或图5所示的由模式转换器、相位板/空间光调制器和透镜组成的器件。
本实施例的关键在于将传统的单模光纤换成多芯光缆，其中多芯光缆的多个纤芯由多模光纤组成。实际工程应用中，为保证光纤不被损坏，多采用光缆作为传感或通信的载体，且多采用的是多芯光缆。多芯光缆中实际使用的芯数仅为其中的数芯，其他芯光纤基本处于闲置状态。充分利用多芯光缆中闲置的光纤，使用大规模分集技术，借鉴通信领域的空分复用思想，利用其中的多根多模光纤的多个模式分别对外界声波/振动信息进行感知。可以在不需大幅提升硬件成本的基础上，实现多路信号分集。分集的次数为多芯光缆的纤芯数N×多模光纤的模式个数M，通过上述分析可知，N×M次分集后，信噪比可以提升N×M倍。如果用标准差来表征信噪比的话，则可以认为通过N×M次分集，信噪比提升
Figure GDA0004081783450000141
倍。根据声传感系统的应变分辨率的计算公式，信噪比大幅提升，应变分辨率也大大提升，可实现高信噪比和高应变分辨率的声传感技术。此外，在工程应用上，还减少了光纤的浪费，降低了成本。
所应理解的是，虽然参照上述具体实施例详细地描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施方式和实施例，对于本专业领域技术人员来说，可对其形式和细节进行各种改变。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于多模光纤的高信噪比声传感器，其特征在于，包括：光源部分、调制部分、模式多路复用/解复用部分、参考光部分、检测部分、数据采集部分、传感部分；
所述光源部分包括激光器；
所述调制部分包括声光调制器和第二放大器；
所述模式多路复用/解复用部分包括连接装置和模式多路复用/解复用器件；
所述参考光部分包括第一光纤耦合器；
所述检测部分包括分偏振相干检测单元；
所述传感部分包括多模传感光纤；
所述数据采集部分包括数据采集卡；
所述光源部分、调制部分、模式多路复用/解复用部分、传感部分依次相连，光源部分通过参考光部分的第一光纤耦合器分出参考光，检测部分将模式多路复用/解复用部分输出的信号与参考光进行拍频，输出信号连接进入数据采集部分。
2.根据权利要求1所述的基于多模光纤的高信噪比声传感器，其特征在于，所述模式多路复用/解复用器件为光子灯笼，或由模式转换器、相位板/空间光调制器和透镜组成的器件。
3.根据权利要求1所述的基于多模光纤的高信噪比声传感器，其特征在于，所述模式多路复用/解复用器件为1个用于模式多路复用和解复用的器件，所述连接装置的第一端口与调制部分的输出端口相连，第二端口与用于模式多路复用和解复用的器件的输入端口相连，第三端口与一个分偏振相干检测单元相连。
4.根据权利要求1所述的基于多模光纤的高信噪比声传感器，其特征在于，所述模式多路复用/解复用器件为1个用于模式多路复用的器件，所述用于模式多路复用的器件与调制部分相连，连接装置的第一端口与用于模式多路复用的器件的输出端通过多模光纤相连，第二端口与传感部分通过多模光纤相连，第三端口与检测部分通过多模光纤相连。
5.根据权利要求1所述的基于多模光纤的高信噪比声传感器，其特征在于，所述模式多路复用/解复用器件为1个用于模式多路复用的器件与1个用于模式多路解复用的器件，所述用于模式多路复用的器件与调制部分相连，连接装置的第一端口与用于模式多路复用的器件的输出端通过多模光纤相连，第二端口与传感部分相连，第三端口与用于模式多路解复用的器件通过多模光纤相连。
6.根据权利要求3-5中任一项所述的基于多模光纤的高信噪比声传感器，其特征在于，所述连接装置为环形器，或其中一个端口连有单向隔离器的2×2光纤耦合器。
7.根据权利要求1所述的基于多模光纤的高信噪比声传感器，其特征在于，所述分偏振相干检测单元包括：第三光纤耦合器、第四光纤耦合器、第五光纤耦合器、第六光纤耦合器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一双平衡探测器、第二双平衡探测器，所述第三光纤耦合器的第一输出端口与第五光纤耦合器的第一输入端口相连，第三光纤耦合器的第二输出端口与第二偏振控制器的输入端口相连，第二偏振控制器的输出端口与第六光纤耦合器的第一输入端口相连，第四光纤耦合器的第一输出端口与第一偏振控制器的输入端口相连，第一偏振控制器的输出端口与第五光纤耦合器的第二输入端口相连，第四光纤耦合器的第二输出端口与第六光纤耦合器的第二输入端口相连，第五光纤耦合器的两个输出端口与第一双平衡探测器的两个输入端口相连，第六光纤耦合器的两个输出端口与第二双平衡探测器的两个输入端口相连。
8.根据权利要求1所述的基于多模光纤的高信噪比声传感器，其特征在于，所述检测部分还包括阵列探测模块。
9.根据权利要求1所述的基于多模光纤的高信噪比声传感器，其特征在于，所述参考光部分还包括1×N光纤耦合器与第一放大器，所述1×N光纤耦合器将光源部分输出的一部分光分为N路参考光。
10.根据权利要求9所述的基于多模光纤的高信噪比声传感器，其特征在于，所述调制部分之后还包括另一个1×N光纤耦合器，所述1×N光纤耦合器将调制后的光信号分为N路，每一路包括一个模式多路复用/解复用部分和传感部分，所述每路传感部分的多模传感光纤为多芯光缆的一个纤芯，各路模式多路复用/解复用部分的输出信号与各路参考光拍频。
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