CN113008356A - 一种分布式光纤探测光脉冲调制解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子信息技术领域，具体涉及一种分布式光纤探测光脉冲调制解调方法，包括：S1、对泵浦光波形脉冲序列进行整形，对泵浦光信号功率进行放大，并通过斩波技术抑制泵浦光噪声；S2、多次重复地将光脉冲周期性注入光纤，获取经光纤散射的背向散射瑞利光信息，并将光纤中相同测量位置的背向散射瑞利光信息构成一个总序列；S3、按照随机抽样方法将总序列生成子序列，将子序列首尾相连形成循环序列；并微分循环序列，生成待处理瑞利相位敏感序列；S4、按照上确界方法处理瑞利相位敏感序列，得到瑞利相位敏感序列的上确界，并以得到的上确界作为处理后的背向散射光信息。本发明解决了现有技术中信噪比低、后端解调困难的技术问题。

Description

一种分布式光纤探测光脉冲调制解调方法

技术领域

本发明涉及电子信息技术领域，具体涉及一种分布式光纤探测光脉冲调制解调方法。

背景技术

分布式光纤传感系统测量的空间范围大、采集的数据量多，在实际生活中得到了越来越广泛的应用。分布式光纤传感器能够测量光纤周围的任何振动、扰动以及各种声音信号，如何在大量的信息中提取出有用的信号数据是非常关键性的技术。

对此，中国专利CN105371943A公开了一种分布式光纤振动传感系统的解调方法，包括步骤：将光脉冲周期性注入传感光纤，并获取经传感光纤散射的背向散射瑞利光信息；重复上述步骤若干次，对于传感光纤中同一测量位置的背向散射瑞利光信息构成一个序列，按照随机抽样方法生成一个子序列，子序列首尾相连，形成循环序列；微分循环序列，生成待处理瑞利相位敏感序列；按照上确界方法处理瑞利相位敏感序列，得到瑞利相位敏感序列的上确界，并以得到的上确界作为处理后的背向散射光信息；根据设定的阈值对处理后得到的背向散射瑞利光信息的划分，确定测量位置有振动事件，如果有，对由背向散射光信息构成的序列进行快速傅里叶变换，获得振动事件的中心频率。

对于分布式光纤传感技术而言，采用解调仪进行解调是核心步骤，也即通过向光纤两端输入两束光，将光纤中返回的散射信号解算成应变和温度变化。但是，当泵浦光和探测光两束光在光纤中相遇，同时二者的频率差在布里渊频谱内，就会产生布里渊散射效应，由于布里渊散射光信号的信号比泵浦光低，从而会降低散射光信噪比，给后端解调造成困难。也就是说，在上述技术方案中，虽然能够提高分布式光纤传感系统的可靠稳定性及感知事件的灵敏度，但是信噪比低、后端解调困难。

发明内容

本发明提供一种分布式光纤探测光脉冲调制解调方法，解决了现有技术中信噪比低、后端解调困难的技术问题。

本发明提供的基础方案为：一种分布式光纤探测光脉冲调制解调方法，包括：

S1、对泵浦光波形脉冲序列进行整形，对泵浦光信号功率进行放大，并通过斩波技术抑制泵浦光噪声；

S2、多次重复地将光脉冲周期性注入光纤，获取经光纤散射的背向散射瑞利光信息，并将光纤中相同测量位置的背向散射瑞利光信息构成一个总序列；

S3、按照随机抽样方法将总序列生成子序列，将子序列首尾相连形成循环序列；并微分循环序列，生成待处理瑞利相位敏感序列；

S4、按照上确界方法处理瑞利相位敏感序列，得到瑞利相位敏感序列的上确界，并以得到的上确界作为处理后的背向散射光信息。

本发明的工作原理及优点在于：

(1)通过对泵浦光波形脉冲序列进行整形、对泵浦光信号功率进行放大，并通过斩波技术抑制泵浦光噪声，提升了泵浦光功率，抑制了泵浦光噪声，提高了泵浦光的信噪比，降低了后端解调的困难。

(2)能够获得脉冲激光经传感光纤后的背向散射瑞利光信息，并可以基于光信息获得光纤中每个测量点的振动信号，从而实现对敏感事件的监测，极大地提高了监测的效率。

本发明通过对泵浦光波形脉冲序列进行整形、对泵浦光信号功率进行放大，并通过斩波技术抑制泵浦光噪声，解决了现有技术中信噪比低、后端解调困难的技术问题。

进一步，还包括S5，根据预设阈值对处理后得到的背向散射瑞利光信息的划分，判断测量位置是否有振动事件，如果有，对由背向散射光信息构成的序列进行快速傅里叶变换，获得振动事件的中心频率。

有益效果在于：通过对获取的背向散射瑞利光信息的数据进行处理分析，就能够准确获取振动事件的位置信息和频率信息；仅通过探测的背向散射瑞利光信息，就可以达到检测敏感事件的目的，简化了光纤振动传感解调、检测的方式。

进一步，S2中，由窄线宽连续激光经外调制转换得到光脉冲，背向散射瑞利光信息为多次数字平均后的背向散射瑞利光信息。

有益效果在于：这样仅需背向散射瑞利光信息，避免了使用声光移频器等部件，简化了解调装置的结构，有利于解调装置的小型化于便携设计。

进一步，S1中，采用双端保偏调制器、零点偏压控制器实现波形的整形，采用保偏放大器实现泵浦光的功率提升，采用调制器和零点偏压控制器对泵浦光噪声进行抑制。

有益效果在于：采用两个调制器和放大器实现调制放大、斩波，可以有效提升泵浦光功率，并抑制底噪中的泵浦信号，提升泵浦光的信噪比；采用调制器和零点偏压控制器，可以使调制器的工作点控制在零点，降低泵浦光噪声功率，从而稳定泵浦光的功率漂移。

进一步，S3中，将背向散射瑞利光信息构成的总序列中相邻两个元素求平均生成子序列，将循环序列中相邻两个元素相减生成待处理瑞利相位敏感序列。

有益效果在于：也即，在设定时间段内对接收到的背向散射瑞利光信息进行累加然后求平均得到所需要的背向散射人力光信息，将背向散射瑞利光信息构成的序列中相邻两个元素求平均生成子序列，操作简单、实现相对比较容易。

进一步，S1中，采用两束光功率相同的连续超窄线宽激光分别经过声光调制和电光调制后得到两路脉冲光；S2中，使两路脉冲光相差设定的脉冲宽度输入到光纤；S5中，根据相位差获得振动事件的中心频率。

有益效果在于：采用传感光纤中的两路后向瑞利散射光叠加形成的干涉光场，解调得到振动信号，消除了光源的偏振态变化和频率稳定性的影响，提高了解调精度。

附图说明

图1为本发明一种分布式光纤探测光脉冲调制解调方法实施例的流程图。

图2为本发明一种分布式光纤探测光脉冲调制解调方法实施例3的包覆层的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

说明书附图中的标记包括：光纤1、隔热层2、内铝层3、中铝层4、外铝层5。

实施例1

实施例基本如附图1所示，包括：

S1、对泵浦光波形脉冲序列进行整形，对泵浦光信号功率进行放大，并通过斩波技术抑制泵浦光噪声；

S2、多次重复地将光脉冲周期性注入光纤，获取经光纤散射的背向散射瑞利光信息，并将光纤中相同测量位置的背向散射瑞利光信息构成一个总序列；

S3、按照随机抽样方法将总序列生成子序列，将子序列首尾相连形成循环序列；并微分循环序列，生成待处理瑞利相位敏感序列；

S4、按照上确界方法处理瑞利相位敏感序列，得到瑞利相位敏感序列的上确界，并以得到的上确界作为处理后的背向散射光信息。

具体实施过程如下：

首先，对泵浦光波形脉冲序列进行整形，对泵浦光信号功率进行放大，并通过斩波技术抑制泵浦光噪声。在本实施例中，采用两束光功率相同的连续超窄线宽激光分别经过声光调制和电光调制后得到两路脉冲光；采用双端保偏调制器和零点偏压控制器实现波形的整形，采用保偏放大器实现泵浦光的功率提升，采用调制器和零点偏压控制器对泵浦光噪声进行抑制。这样的话，采用两个调制器和放大器实现调制放大、斩波，可以有效提升泵浦光功率，并抑制底噪中的泵浦信号，提升泵浦光的信噪比；采用调制器和零点偏压控制器，可以使调制器的工作点控制在零点，降低泵浦光噪声功率，从而稳定泵浦光的功率漂移。

然后，多次重复地将光脉冲周期性注入光纤，获取经光纤散射的背向散射瑞利光信息，并将光纤中相同测量位置的背向散射瑞利光信息构成一个总序列。在本实施例中，由窄线宽连续激光经外调制转换得到光脉冲，背向散射瑞利光信息为多次数字平均后的背向散射瑞利光信息，并使两路脉冲光以相差设定的脉冲宽度输入到光纤。这样的话，仅需背向散射瑞利光信息，避免了使用声光移频器等部件，简化了解调装置的结构，有利于解调装置的小型化于便携设计。

接着，按照随机抽样方法将总序列生成子序列，将子序列首尾相连形成循环序列；并微分循环序列，生成待处理瑞利相位敏感序列。在本实施例中，将背向散射瑞利光信息构成的总序列中相邻两个元素求平均生成子序列，将循环序列中相邻两个元素相减生成待处理瑞利相位敏感序列。也即，在设定时间段内对接收到的背向散射瑞利光信息进行累加然后求平均得到所需要的背向散射人力光信息，将背向散射瑞利光信息构成的序列中相邻两个元素求平均生成子序列，这样操作简单、实现相对比较容易。

最后，按照上确界方法处理瑞利相位敏感序列，得到瑞利相位敏感序列的上确界，并以得到的上确界作为处理后的背向散射光信息。也即，最后的是由所有的上确界构成的所有测量点的背向散射瑞利光信息。

实施例2

与实施例1不同之处仅在于，根据预设阈值对处理后得到的背向散射瑞利光信息的划分，判断测量位置是否有振动事件，如果有，对由背向散射光信息构成的序列进行快速傅里叶变换，根据相位差获得振动事件的中心频率。通过对获取的背向散射瑞利光信息的数据进行处理分析，就能够准确获取振动事件的位置信息和频率信息。这样的话，仅通过探测的背向散射瑞利光信息，就可以达到检测敏感事件的目的，简化了光纤振动传感解调、检测的方式。

实施例3

与实施例2不同之处仅在于，在本实施例中，光纤没有被埋没在土壤或者混泥土里面，而是处于露天的状态。在某些地域，由于空气污染严重，空气中存在二氧化硫等气体，使得在下雨天极有可能出现酸雨。通常情况下，光纤由玻璃纤维材料制成，玻璃纤维在酸雨的作用下可能会被腐蚀。光纤被酸雨腐蚀的部位的厚度会变薄，光纤变薄的部位的反射和折射性能都会发生变化，从而会对瑞利光在光纤内部传播产生干扰，最终降低信噪比。故而，在对光脉冲进行调制解调之前，需要采取措施避免酸雨腐蚀光纤造成的不良影响。

在本实施例中，采用包覆层对光纤进行防护，如附图2所示，包覆层包括隔热层2、内铝层3、中铝层4和外铝层5，光纤1被隔热层2进行包覆，内铝层3和外铝层5的横截面为梯形块，中铝层4的横截面为圆环，隔热层2外面由里到外分别为内铝层3、中铝层4和外铝层5；其中，将外铝层5连接外加电源，而且外铝层5连接到外加电源的负极。通过这样的方式，对外铝层5进行阴极保护，在外铝层5的表面通入足够的阴极电流，使外铝层5的电位变负，降低外铝层5的溶解速度，确保在外铝层5遭受酸雨时也能够很好地保护光纤1，避免光纤1被酸雨所腐蚀。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (6)

1.一种分布式光纤探测光脉冲调制解调方法，其特征在于，包括：

S1、对泵浦光波形脉冲序列进行整形，对泵浦光信号功率进行放大，并通过斩波技术抑制泵浦光噪声；

S2、多次重复地将光脉冲周期性注入光纤，获取经光纤散射的背向散射瑞利光信息，并将光纤中相同测量位置的背向散射瑞利光信息构成一个总序列；

S3、按照随机抽样方法将总序列生成子序列，将子序列首尾相连形成循环序列；并微分循环序列，生成待处理瑞利相位敏感序列；

S4、按照上确界方法处理瑞利相位敏感序列，得到瑞利相位敏感序列的上确界，并以得到的上确界作为处理后的背向散射光信息。

2.如权利要求1所述的分布式光纤探测光脉冲调制解调方法，其特征在于，还包括S5，根据预设阈值对处理后得到的背向散射瑞利光信息的划分，判断测量位置是否有振动事件，如果有，对由背向散射光信息构成的序列进行快速傅里叶变换，获得振动事件的中心频率。

3.如权利要求2所述的分布式光纤探测光脉冲调制解调方法，其特征在于，S2中，由窄线宽连续激光经外调制转换得到光脉冲，背向散射瑞利光信息为多次数字平均后的背向散射瑞利光信息。

4.如权利要求3所述的分布式光纤探测光脉冲调制解调方法，其特征在于，采用双端保偏调制器、零点偏压控制器实现波形的整形，采用保偏放大器实现泵浦光的功率提升，采用调制器和零点偏压控制器对泵浦光噪声进行抑制。

5.如权利要求4所述的分布式光纤探测光脉冲调制解调方法，其特征在于，S3中，将背向散射瑞利光信息构成的总序列中相邻两个元素求平均生成子序列，将循环序列中相邻两个元素相减生成待处理瑞利相位敏感序列。

6.如权利要求5所述的分布式光纤探测光脉冲调制解调方法，其特征在于，S1中，采用两束光功率相同的连续超窄线宽激光分别经过声光调制和电光调制后得到两路脉冲光；S2中，使两路脉冲光相差设定的脉冲宽度输入到光纤；S5中，根据相位差获得振动事件的中心频率。

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