CN112923959A - 一种提升相位敏感光时域反射计传感距离的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提升相位敏感光时域反射计传感距离的系统,包括光源模块、传感光路模块以及自适应信号处理模块;所述光源模块产生探测光与本征光并传入传感光路模块,探测光传入到传感光纤的后向散射光与本征光在所述传感光路模块相干后传入自适应信号处理模块;所述自适应信号处理模块对传入的相干光依次进行光电转换、预处理以及采样后送入计算机得到检测结果,所述预处理包括分段式放大、幅度解调以及自适应滤波。该系统能够有效克服传感距离加长、信号衰弱带来的传感信号被淹没而难于测量的问题,同时具有结构简单,单端传感距离长的特点。

Description

一种提升相位敏感光时域反射计传感距离的系统
技术领域
本发明属于分布式光纤传感领域,具体涉及一种提升相位敏感光时域反射计传感距离的系统。
背景技术
分布式光纤传感技术具有分布式测量的能力,能够检测被测量在时间和空间上的连续分布。相位敏感光时域反射计通过检测光的相位变化检测待测量,具有分辨率高、抗电磁干扰的优点,有良好的应用前景,适合长距离的分布式测量。
实现长距离相位敏感光时域反射计需要解决由于光纤距离加长,信号衰弱,导致传感信号淹没在噪声中的问题,保证光信号在长距离下仍具有较高功率和信噪比。(见SongM P,Zhu W J,Xia Q L,et al.151-km single end phase sensitive optical timedomain reflectometer assisted by optical repeater[J].optical engineering,2018,57(2):027104)通过在待测光纤中段添加光放大结构的办法已被证明有效,但这样的方法需要添加额外器件,增加了系统成本与复杂度。(见Tian X Z,Dang R,Tan D J,etal.123-km system based on bidirectional erbium doped fiber amplifier[J].Procof SPIE,2016,Vol.10158:101580P)。另一方面,在待测光纤中段添加器件的方式在实际测量环境下通常不可行。因此需要寻找合适的单端相位敏感光时域反射计系统结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种提升相位敏感光时域反射计传感距离的系统,采用光与电信号结合处理,能够对传感信号进行分段式放大、幅度解调与自适应滤波等信号处理方式,来有效克服传感距离加长、信号衰弱带来的传感信号被淹没而难于测量的问题,该系统同时具有结构简单,单端传感距离长的特点。
为实现上述发明目的,本发明提供以下技术方案:
一种提升相位敏感光时域反射计传感距离的系统,包括光源模块、传感光路模块以及自适应信号处理模块;
所述光源模块产生探测光与本征光并传入传感光路模块,探测光传入到传感光纤的后向散射光与本征光在所述传感光路模块相干后传入自适应信号处理模块;
所述自适应信号处理模块对传入的相干光依次进行光电转换、预处理以及采样后送入计算机得到检测结果,所述预处理包括分段式放大、幅度解调以及自适应滤波。
优选地,所述光源模块包括激光器、第一耦合器、光脉冲调制器和光纤放大器;
所述激光器产生的光信号由第一耦合器分束成探测光与本征光两束,所述探测光依次经光脉冲调制器调制和光纤放大器功率放大后注入传感光路模块,本征光直接注入传感光路模块。
优选地,所述传感光路模块包括光分路器、传感光纤、第二耦合器;
所述光分路器将输入的探测光路由到待测传感光纤,并将产生的后向散射光路由到第二耦合器,所述第二耦合器将输入的本征光和后向散射光进行干涉后输出相干光至自适应信号处理模块。
优选地,所述自适应信号处理模块包括平衡光电探测器、自适应信号处理单元、传感信号处理单元;
所述平衡光电探测器将输入的相干光转换为电信号并输入自适应信号处理单元,所述自适应信号处理单元对电信号依次进行分段式放大、幅度解调以及自适应滤波后输入至传感信号处理单元,所述传感信号处理单元对输入信号进行采集后送入计算机得到检测结果。
优选地,分段式放大时,对电信号就西宁高倍数放大;幅度解调时,对放大后的电信号通过幅度解调以补偿原信号,提升信噪比。
优选地,自适应滤波时,通过估计信号互相关矩阵并引入频率旋转向量获得滤波器系数,对信号进行自适应滤波。
优选地,自适应滤波时采用的滤波器系数的获取方式为:将自适应滤波的原信号经转置运算后同时与频率旋转向量和原信号点乘获得中间结果矩阵,中间结果矩阵取逆运算后与频率旋转向量点乘获得滤波器系数。
优选地,所述传感信号处理单元对输入信号进行采集后送入计算机,所述计算机对送入的采样信号中承载的待测物理量进行检测,实现长距离的相位敏感光时域反射计传感,所述待测物理量包括定位数据、振动频率数据。
与现有技术相比,本发明具有的有益效果至少包括:
1、采用光与电信号结合处理的方式,结合信号的放大与幅度解调、自适应滤波等信号处理手段,保证了信号在长距离下的低信噪比状况下可被检测到。
2、与一般的长距离相位敏感光时域反射计相比,光与电信号结合处理的方式无需在待测光纤中段添加光器件,单端传感距离更长。
3、本发明采用的系统结构简单,具有更好的可实现性。
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做简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动前提下,还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明提升相位敏感光时域反射计传感距离的系统的结构框图。
图2为本发明中自适应信号处理单元的处理过程示意图。
图3为本发明自适应信号处理单元中自适应滤波的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明,并不限定本发明的保护范围。
为有效克服传感距离加长、信号衰弱带来的传感信号被淹没而难于测量的问题。实施例提供了一种提升相位敏感光时域反射计传感距离的系统。图1本发明提升相位敏感光时域反射计传感距离的系统的结构框图,如图1所示,实施例提供的系统包括激光器1、耦合器2、光脉冲调制器3、光纤放大器4、光分路器5、传感光纤6、耦合器7、平衡光电探测器8、自适应信号处理单元9、传感信号处理单元10。
其中,激光器1、耦合器2、光脉冲调制器3、光纤放大器4组成光源模块,用于产生探测光与本征光。激光器1作为光源发出原始光信号;耦合器2对原始光信号进行分束形成本征光与探测光;光脉冲调制器3对探测光进行调制产生光脉冲并由高频正弦信号驱动产生频移;光纤放大器4对声光调制后的光信号进行功率放大后输入至光分路器5。
光分路器5、传感光纤6、耦合器7组成传感光路模块,用于对输入探测光和本征光进行路由,光源模块输出的经调制、放大后的探测光信号由光分路器5进入传感光纤6,产生的后向散射光与光源模块输出的本征光在耦合器7中发生干涉,输出相干光。
平衡光电探测器8、自适应信号处理单元9、传感信号处理单元10组成自适应信号处理模块,用于对传入的相干光依次进行光电转换、预处理以及采样后送入计算机得到检测结果。传感光路模块输出的相干光由平衡光电探测器8进行光电转换,输出的电信号进入自适应信号处理单元9进行预处理。自适应信号处理单元的的处理流程如图2所示,包括分段式放大、幅度解调与自适应滤波。分段式放大对光纤后段的信号进行高倍数放大,放大后的信号通过幅度解调补偿原信号,提升信噪比,解调后的信号进行自适应滤波后进入传感信号处理单元10。自适应滤波的过程如图3所示,通过估计信号互相关矩阵并引入频率旋转向量获得滤波器系数,对信号进行自适应滤波。传感信号处理单元10对预处理后的信号进行高速数据采集,并将采集数据送入计算机得到检测结果。
实施例提供的提升相位敏感光时域反射计传感距离的系统结构简单,通过光与电信号的结合处理,保证了信号在长距离的低信噪比状况下可被检测到。系统无需在传感光纤中段接入光器件,拥有较好的可实现性,单端传感距离长。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明,应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例,并不用于限制本发明,凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种提升相位敏感光时域反射计传感距离的系统,其特征在于,包括光源模块、传感光路模块以及自适应信号处理模块;
所述光源模块产生探测光与本征光并传入传感光路模块,探测光传入到传感光纤的后向散射光与本征光在所述传感光路模块相干后传入自适应信号处理模块;
所述自适应信号处理模块对传入的相干光依次进行光电转换、预处理以及采样后送入计算机得到检测结果,所述预处理包括分段式放大、幅度解调以及自适应滤波。
2.如权利要求1所述的提升相位敏感光时域反射计传感距离的系统,其特征在于,所述光源模块包括激光器、第一耦合器、光脉冲调制器和光纤放大器;
所述激光器产生的光信号由第一耦合器分束成探测光与本征光两束,所述探测光依次经光脉冲调制器调制和光纤放大器功率放大后注入传感光路模块,本征光直接注入传感光路模块。
3.如权利要求1或2所述的提升相位敏感光时域反射计传感距离的系统,其特征在于,所述传感光路模块包括光分路器、传感光纤、第二耦合器;
所述光分路器将输入的探测光路由到待测传感光纤,并将产生的后向散射光路由到第二耦合器,所述第二耦合器将输入的本征光和后向散射光进行干涉后输出相干光至自适应信号处理模块。
4.如权利要求1或3所述的提升相位敏感光时域反射计传感距离的系统,其特征在于,所述自适应信号处理模块包括平衡光电探测器、自适应信号处理单元、传感信号处理单元;
所述平衡光电探测器将输入的相干光转换为电信号并输入自适应信号处理单元,所述自适应信号处理单元对电信号依次进行分段式放大、幅度解调以及自适应滤波后输入至传感信号处理单元,所述传感信号处理单元对输入信号进行采集后送入计算机得到检测结果。
5.如权利要求4所述的提升相位敏感光时域反射计传感距离的系统,其特征在于,分段式放大时,对电信号就西宁高倍数放大;幅度解调时,对放大后的电信号通过幅度解调以补偿原信号,提升信噪比。
6.如权利要求4所述的提升相位敏感光时域反射计传感距离的系统,其特征在于,自适应滤波时,通过估计信号互相关矩阵并引入频率旋转向量获得滤波器系数,对信号进行自适应滤波。
7.如权利要求6所述的提升相位敏感光时域反射计传感距离的系统,其特征在于,自适应滤波时采用的滤波器系数的获取方式为:将自适应滤波的原信号经转置运算后同时与频率旋转向量和原信号点乘获得中间结果矩阵,中间结果矩阵取逆运算后与频率旋转向量点乘获得滤波器系数。
8.如权利要求4所述的提升相位敏感光时域反射计传感距离的系统,其特征在于,所述传感信号处理单元对输入信号进行采集后送入计算机,所述计算机对送入的采样信号中承载的待测物理量进行检测,实现长距离的相位敏感光时域反射计传感,所述待测物理量包括定位数据、振动频率数据。
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