CN113639847A - 脉冲调制及解调模块及分布式光纤振动传感定位方法 - Google Patents
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Abstract
脉冲调制及解调模块及分布式光纤振动传感定位方法。本发明公开一种脉冲调制及解调模块，包括双马赫曾德光纤干涉仪和解调模块，其中所述双马赫曾德光纤干涉仪包括两个结构相同的脉冲延时装置，所述脉冲延时装置的一端分别连接各自的环形器，另一端通过传感光纤相互连接；脉冲序列在经过两个脉冲延时装置后产生四个脉冲序列，两两干涉，噪声光脉冲序列和信号光脉冲序列时域完全错开，从而分离不能发生干涉的噪声光；所述解调模块直接剪切未发生干涉的脉冲序列，对剩下发生干涉的脉冲信号滤除直流分量后，对两路干涉信号进行互相关以获得其到达各自光电探测器的时间差，从而获得振动事件的位置。本发明还公开了利用所述脉冲调制及解调模块的定位方法。
Description
技术领域
本发明属于传感及检测技术领域，特别涉及一种基于共路干涉的脉冲调制及解调模块及分布式光纤振动传感定位方法。
背景技术
分布式光纤振动传感技术利用单一光纤链路检测光纤沿线振动事件的位置信息和模式类别。相对于传统的电磁传感技术，分布式光纤振动传感技术具有抗电磁干扰、灵敏度高等特点，可以在更为广阔和恶劣的环境发挥显著可靠的作用。在分布式光纤振动传感技术中，传感光纤同时负责感知振动和传递信号，其沿线每一个点都可以作为监测点监测振动。现在分布式光纤振动传感技术已被广泛应用于周界安防检测、油管检测、大坝故障检测等诸多关键领域，节约了大量检测成本，创造了可观的经济利益。分布式光纤振动传感技术主要有定位精度和频率响应两个技术指标。其中定位精度和找出故障位置所需要的成本直接相关，是研究者提升系统性能的重点关注对象。由于分布式光纤振动传感系统的应用环境复杂，通常会受到沿线周边噪声的影响。光纤中光信号的相位、振幅等信息会因此发生对应的漂移，严重影响系统的定位精度等关键性能指标。
分布式光纤振动传感系统依据其传感原理可以分为背向散射型振动传感系统和干涉型振动传感系统。背向散射型光纤振动传感系统通过在传感光纤中注入窄线宽的脉冲光信号获取各种散射信号诸如瑞利散射、布里渊散射等。光纤沿路不同位置的散射情况不同。振动位置可通过观察不同位置散射变化的剧烈程度得知。干涉型振动传感系统通过搭建各种干涉仪如迈克尔逊干涉仪，马赫曾德干涉仪等实现振动传感。施加在光纤上的振动信号会导致光纤内传输光信号的相位变化，进而引起干涉光强发生变化，由此判定是否发生振动传感。在干涉型传感系统中，振动事件的定位信息主要通过搭建正反向两个干涉仪，对探测的振动传感信号进行互相关运算求解。振动相位信息沿传感系统正向和反向传播的时间不同，通过对正反向干涉仪产生的两个干涉信号做互相关求出时间差，就能计算出振动事件作用在传感光纤上的具体位置。互相关算法求时间差的准确性取决于两信号形状的一致性。当正反向干涉仪完全对称时，求出的振动位置信息完全正确。但由于信号干涉过程中，干涉仪两干涉臂之间会因为环境的干扰出现相位漂移的现象，正反向干涉仪将不再保持完全对称。这导致两个干涉信号的波形形状产生较大差异，互相关运算也会出现较大的定位误差。相位漂移由沿路噪声、光纤偏振态变化等诸多因素产生。解决方案包括高通滤波、调偏控制器调偏、法拉第旋光镜抑制偏振衰落，共路光学结构等。共路光学结构成本较低，但由于使用宽谱光源，无法干涉的噪声光和信号光混叠，噪声较大，也会影响定位精度，限制其实际应用。其他上述方法可以一定程度上解决上述问题，但存在不能持续有效抑制相位漂移、硬件成本较高等劣势。上述原因限制了这些方法在实际中的应用。
鉴于以上分析，设计一种结构简单、成本较低、定位精度高且长期有效抗相位漂移且保证低噪声的分布式光纤振动传感系统对提高系统稳定性并拓展其在振动传感领域的应用具有迫切的实际意义和重要价值。
发明内容
本发明的目的是解决现有干涉型分布式光纤共路型传感系统噪声引起定位误差的问题，为更好的实现工程化应用，保证系统稳定性，提供了一种基于共路干涉的脉冲调制及解调模块及分布式光纤振动传感低噪声定位方法。利用延时光纤和声光调制器在传感光纤中产生有传输时延的脉冲序列，实现携带不同时间段振动信号信息的脉冲光信号干涉，并在时域上实现了信号光与噪声光的分离。
一种基于共路干涉的脉冲调制及解调模块，包括双马赫曾德光纤干涉仪和解调模块，其中所述双马赫曾德光纤干涉仪包括两个结构相同的脉冲延时装置，所述脉冲延时装置的一端分别连接各自的环形器，另一端通过传感光纤相互连接；脉冲序列在经过两个脉冲延时装置后产生四个脉冲序列，两两干涉，噪声光脉冲序列和信号光脉冲序列时域完全错开，从而分离不能发生干涉的噪声光；
所述解调模块接收第一、第二光电探测器转换后的传感电信号，直接剪切未发生干涉的脉冲序列，对剩下发生干涉的脉冲信号滤除直流分量后，对两路干涉信号进行互相关以获得其到达各自光电探测器的时间差，从而获得振动事件的位置；其中所述第一、第二光电探测器接收经过两个脉冲延时装置后的干涉光并转换为计算机可处理的电信号。
一种利用所述脉冲调制及解调模块的分布式光纤振动传感定位方法，包括：
光源、光隔离器、第一、第二光环形器、信号源、声光调制器、第一光纤耦合器、第一、第二光电探测器和所述脉冲调制及解调模块；
所述脉冲调制及解调模块包括双马赫曾德光纤干涉仪和解调模块；所述解调模块包括和数据采集卡和工控机；
所述声光调制器和双马赫曾德光纤干涉仪在传感光纤中产生有时间差的脉冲序列，当在传感光纤上施加振动信号时，不同脉冲序列携带不同时间段的振动信息；
在进入传感光纤后，在传播光路中位于前端的脉冲延时装置的延时光纤使光延时，使传感光纤中产生两个具有时延差的互补的脉冲，位于后端的脉冲延时装置的延时光纤使两路脉冲序列有光部分对齐保证后续能发生干涉；
脉冲序列在经过两个脉冲延时装置后产生四个脉冲序列，其中，未经过延时光纤的两个脉冲序列无法发生干涉，因此只经过一次延时光纤的另两个脉冲序列在位于后端的延时光纤之后的耦合器处发生干涉，从而分离不能发生干涉的噪声光；
随后两个光电控制器分别接收正反两个方向的只经过一次延时光纤的脉冲序列，并将其转换为计算机可处理的电信号传输至解调模块；其中，所述脉冲序列携带振动信息；
所述解调模块以信号发生器的脉冲信号为触发源，接收光电探测器转换后的传感电信号，由于信号光和噪声光在时域上已被分离，所述解调模块直接剪切未发生干涉的脉冲序列，对剩下发生干涉的脉冲信号滤除直流分量后，对两路干涉信号进行互相关以获得其到达各自光电探测器的时间差，从而获得振动事件的位置。
进一步的，所述脉冲延时装置包括延时光纤，以及分别设置在所述延时光纤两端的光纤耦合器，当光从输入臂进，所述光纤耦合器的作用是分离出两个脉冲序列，当两束光分别从直通臂、耦合臂进，所述光纤耦合器用于将两脉冲序列合并产生干涉。
与现有技术相比，本发明有益效果及显著进步在于：
与传统的分布式光纤振动传感系统在工控机中分离噪声信号不同，本发明所述的方法光路结构简单、定位精确，计算过程简单；利用延时光纤和声光调制器在传感光纤中产生有传输时延的脉冲序列，实现携带不同时间段振动信号信息的脉冲光信号干涉，利用脉冲光干涉剥离干涉光和不干涉光，在时域上实现了信号光与噪声光的分离。
附图说明
图1是本发明所述的基于共路干涉的分布式光纤振动传感定位方法的系统原理图；
图2是本发明所述的定位方法的脉冲序列示意图；其中，图2(a)示出进入延时光纤前的脉冲序列；图2(b)示出第一次进入延时光纤时的脉冲序列A,B；图2(c)示出传感光纤经过扰动后的脉冲序列A,B；以及图2(d)示出第二次进入延时光纤时的脉冲序列AA,AB,BA和BB。
其中：
1：光源 2：隔离器 3：声光调制器
4：信号源 5：第一光纤耦合器 6：第一环形器
7：第二环形器 8：第三光纤耦合器 9：第五光纤耦合器
10：第一延时光纤 11：第二延时光纤 12：第四光纤耦合器
13：第六光纤耦合器 14：传感光纤 15：第一光电探测器
16：第二光电探测器 17：数据采集卡 18：工控机
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案、有益效果及显著进步更加清楚，下面，将结合本发明实施例中所提供的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所有描述的这些实施例仅是本发明的部分实施例，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。
如图1所示，一种基于共路干涉的分布式光纤振动传感单臂低噪声定位方法的定位系统原理图，该定位系统基于双Mach-Zehnder光纤干涉仪和脉冲光序列，使用了延时光纤和AOM在传感光纤中产生有时间差的脉冲序列，实现携带振动信号不同时间段信息的脉冲光干涉。由于发生两脉冲干涉的部分在传感光纤中传播时，时域相邻，当干涉发生时，传感光纤处的相位漂移相减得到消除。同时由于脉冲序列的使用，信号光和噪声光在光路结构中到达时间不同。该系统利用脉冲光序列使信号光和噪声光在时域上分离，由此消除噪声光，提高信噪比。
所述定位系统包括：
光源1、光隔离器2、声光调制器3、信号源4、第一光纤耦合器5、第一环形器6、第二环形器7、第一光电探测器15、第二光电探测器16、和基于共路干涉的脉冲调制及解调模块，所述脉冲调制及解调模块包括双马赫曾德光纤干涉仪和解调模块，所述解调模块包括数据采集卡17和工控机18。
所述光源1射入所述光隔离器2的一端，所述光隔离器2的另一端连接所述声光调制器3，用于将连续光信号调制为脉冲激光信号；所述声光调制器3的另一端连接一第一光纤耦合器5用于分成两束光，分别进入第一环形器6和第二环形器7，随后光分别进入双马赫曾德光纤干涉仪进行干涉。其中所述双马赫曾德光纤干涉仪包括两个结构相同的脉冲延时装置，其中一个脉冲延时装置包括第三光纤耦合器8、第一延时光纤10和第四光纤耦合器12，脉冲光从所述第三光纤耦合器8分离为两个脉冲光信号，一路有第一延时光纤10，另一路为普通光纤，两路光纤汇合进入第四光纤耦合器12；另一个脉冲延时装置包括第五光纤耦合器9、第二延时光纤11和第六光纤耦合器13，脉冲光从所述第五光纤耦合器9分离为两个脉冲光信号，一路有第二延时光纤11，另一路为普通光纤，两路光纤汇合进入第六光纤耦合器13；两个脉冲延时装置之间连接有传感光纤。
其中：光源1为中心波长在1550nm附近的宽带连续光激光器，用于实现整个系统光纤振动传感；
光隔离器2，用于隔绝反射光进入激光器；
信号源4，用于产生脉冲信号控制声光调制器；
声光调制器3，用于将激光器发出的连续激光信号调制成为具有一定占空比的周期性脉冲光信号；所述声光调制器调制的脉冲光信号周期与脉冲延时装置时延匹配；
第一、第二光环形器6,7，用来将光源发出的光通过传感光纤传输到待检测物体并收集反射信号光，并且隔绝对向光进入到激光器；
光纤耦合器5,8,9,12,13：窗口波长为1550nm波段的1*2分光耦合器，分光比50:50，正向进入用于使光进入不同光路，反向进入使两束光汇合并发生干涉；
第一、第二光电探测器15,16，用来接收正反两个方向的干涉光，并将干涉光转换为计算机可处理的电信号；
传感光纤11：采用G.652D通信光缆，用于接受外界振动信息和传导光信号；
数据采集卡17，两路10MSPS带硬件累加功能的采集卡，以信号发生器的脉冲信号为触发源，,用于接收光电探测器转换后的传感电信号，将数据以交流耦合的方式输出至工控机；
工控机18，由于信号光和噪声光在时域上已被分离，所述工控机用于直接剪切未发生干涉的脉冲部分对剩下发生干涉的脉冲信号滤除直流分量后，对两路干涉信号进行互相关以获得其到达各自光电探测器的时间差，从而获得振动事件的位置。
将本发明所述的定位方法用于上述定位系统中用于消除宽频光源带来的噪声光干扰。使用特定脉冲序列匹配延时光纤的方法，可以定量地对信号光进行差分处理用以消除缓变相位漂移同时匹配的脉冲序列在光路结构中使得信号光和噪声光恰好错开，由此分离出信号光以此提高系统信噪比，如图2所示。
假设两段延时光纤长度皆为Ld，传感光纤长度为Ls，光在光纤中传播的速度为v，则产生脉冲光的周期T＝2Ls/v，占空比为50％。以信号光沿以下传播路径为例进行说明。为方便讨论，脉冲的相位初始值为0，如图2(a)所示。
光源1经过光隔离器2后进入声光调制器3，所述声光调制器3将连接激光信号调制为脉冲光信号，随后进入第一光纤耦合器5将脉冲光信号分为两路相同的脉冲光信号，两路光信号传播路径包括：第一环形器6-第二光纤耦合器8-第一延时光纤10(位于前端)-第四光纤耦合器12-传感光纤14-第五光纤耦合器13-第二延时光纤(位于后端)-第三光纤耦合器9，随后经第二环形器7和与其连接的第二光电探测器16将干涉光转换为计算机可处理的电信号后输入数据采集器17用于工控机18处理信号；另一路路径为：第二环形器7-第三光纤耦合器9-第二延时光纤(位于前端)-第五光纤耦合器13-传感光纤14-第四光纤耦合器12-第一延时光纤(位于后端)-第二光纤耦合器8，随后经第一环形器6和与其连接的第一光电探测器15将干涉光转换为计算机可处理的电信号后输入数据采集器17用于工控机18处理信号。
具体的实现方法如下：
当光沿第一光纤耦合器5-第二光纤耦合器8-第四光纤耦合器12-第五光纤耦合器13-第三光纤耦合器9传播时，当在传感光纤11上施加振动产生振动信号时，所述声光调制器3和双马赫曾德光纤干涉仪在传感光纤11中产生有时间差的脉冲序列。在进入传感光纤11后，在传播光路中位于前端的脉冲延时装置的延时光纤使光延时，使传感光纤中产生两个具有时延差的互补的脉冲，位于后端的脉冲延时装置的延时光纤使两路脉冲序列有光部分对齐保证后续能发生干涉。
脉冲光经过第二光纤耦合器8后分出两个完全一致的脉冲序列，一路经过第一延时光纤10，标记为脉冲序列B，一路不经过第一延时光纤10，标记为脉冲序列A。两个脉冲序列A和B之间存在一定的传输时延，如图2(b)所示。
延时光纤使两脉冲序列在时域上完全互补。进入传感光纤后，脉冲按照a1-b1-a2-b2…的顺序按时间先后依次接收振动信号引起的相位变化，相邻脉冲间接收的环境总体影响带来的偏振漂移和其他相位漂移记为
高频振动信号为
为施加在第i个时间段上的相位信号，每个时间段的长度为脉宽长度T/2。如图2(c)所示，按时间先后顺序脉冲依次接收到的相位信号为
由于振动为高频信号，可认为相邻相位变化如
和
总不相等。
脉冲序列A进入第五光纤耦合器13后分出两个脉冲序列，未经过第二延时光纤11的记为脉冲序列AA，经过第二延时光纤11的记为脉冲序列AB；同理，脉冲序列B进入第五光纤耦合器13后也分出两个脉冲序列，未经过第二延时光纤11的记为脉冲序列AA，经过第二延时光纤11的记为脉冲序列AB。时域上脉冲序列AA，AB，BA，BB如图2(d)所示。四个脉冲序列在第三光纤耦合器9处发生干涉。由图可知，脉冲序列AB，BA发生干涉，脉冲序列AA和脉冲序列BB发生干涉。由于激光器为宽频激光器，脉冲序列AA和脉冲序列BB经过的光程差为2Ld，远超过激光器相干长度，无法发生干涉。脉冲序列AB和BA都只经过一次延时光纤，故光程差相同，可发生干涉。最终干涉时，两脉冲序列的相位差Δψ可表示为：
干涉光强可表示为：
其中，k是脉冲序号；T是脉冲光周期；
此时可看出携带有效信号信息的干涉光和不能发生干涉的噪声光在时域上已被完全分离。同理，当光沿第一光纤耦合器5-第三光纤耦合器9-第五光纤耦合器13-第四光纤耦合器12-第二光纤耦合器8-第一光纤耦合器5传播时，干涉信号形式与上式相同。由上述分析可知，只有只经过一次延时光纤的脉冲序列间会发生干涉。当振动发生时，携带振动事件信息且可发生干涉的脉冲序列到达第一、第二光电探测器15，16的时间分别为t1，t2，Δt＝t1-t2。时延差由正反向干涉仪获得的干涉信号互相关求得。去除发生干涉的脉冲部分直流分量，剪切未发生干涉的脉冲部分以保证互相关的可靠性。扰动点到第五光纤耦合器13的距离为x，其定位公式为：
其中，Ld为时延光纤长度，v为光纤中的光速，t1和t2分别为携带振动事件信息且可发生干涉的脉冲序列到达第一、第二光电探测器15，16的时间。
以上各实施例和具体案例仅用以说明本发明的技术方案，而非是对其的限制，尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，本领域技术人员根据本说明书内容所做出的非本质改进和调整或者替换，均属本发明所要求保护的范围。
Claims (4)
1.一种脉冲调制及解调模块，其特征在于，包括双马赫曾德光纤干涉仪和解调模块，其中所述双马赫曾德光纤干涉仪包括两个结构相同的脉冲延时装置，所述脉冲延时装置的一端分别连接各自的环形器，另一端通过传感光纤相互连接；脉冲序列在经过两个脉冲延时装置后产生四个脉冲序列，两两干涉，噪声光脉冲序列和信号光脉冲序列时域完全错开，从而分离不能发生干涉的噪声光；
所述解调模块接收第一、第二光电探测器(15,16)转换后的传感电信号，直接剪切未发生干涉的脉冲序列，对剩下发生干涉的脉冲信号滤除直流分量后，对两路干涉信号进行互相关以获得其到达各自光电探测器的时间差，从而获得振动事件的位置；其中所述第一、第二光电探测器接收经过两个脉冲延时装置后的干涉光并转换为计算机可处理的电信号。
2.根据权利要求1所述的脉冲调制及解调模块，其特征在于，所述脉冲延时装置包括延时光纤，以及分别设置在所述延时光纤两端的光纤耦合器(8,9,12,13)，当光从输入臂进，所述光纤耦合器的作用是分离出两个脉冲序列，当两束光分别从直通臂、耦合臂进，所述光纤耦合器用于将两脉冲序列合并产生干涉。
3.根据权利要求2所述的脉冲调制及解调模块，其特征在于，所述光纤耦合器(8,9,12,13)为窗口波长为1550nm波段的1*2分光耦合器，分光比50:50。
4.一种利用权利要求2或3所述的脉冲调制及解调模块的分布式光纤振动传感定位方法，其特征在于，
包括光源(1)、光隔离器(2)、第一、第二光环形器(6,7)、信号源(4)、声光调制器(3)、第一光纤耦合器(5)、第一、第二光电探测器(15,16)和所述脉冲调制及解调模块；
所述脉冲调制及解调模块包括双马赫曾德光纤干涉仪和解调模块；所述解调模块包括数据采集卡(17)和工控机(18)；
所述声光调制器(3)和双马赫曾德光纤干涉仪在传感光纤中产生有时间差的脉冲序列，当在传感光纤(14)上施加振动信号时，不同脉冲序列携带不同时间段的振动信息；
在进入传感光纤后，在传播光路中位于前端的脉冲延时装置的延时光纤使光延时，使传感光纤中产生两个具有时延差的互补的脉冲，位于后端的脉冲延时装置的延时光纤使两路脉冲序列有光部分对齐保证后续能发生干涉；
脉冲序列在经过两个脉冲延时装置后产生四个脉冲序列，其中，未经过延时光纤的两个脉冲序列无法发生干涉，因此只经过一次延时光纤的另两个脉冲序列在位于后端的延时光纤之后的光纤耦合器处发生干涉，从而分离不能发生干涉的噪声光；
随后两个光电控制器分别接收正反两个方向的只经过一次延时光纤的脉冲序列，并将其转换为计算机可处理的电信号传输至所述解调模块；其中，所述脉冲序列携带振动信息；
所述解调模块以信号发生器的脉冲信号为触发源，接收光电探测器转换后的传感电信号，由于信号光和噪声光在时域上已被分离，所述解调模块直接剪切未发生干涉的脉冲序列，对剩下发生干涉的脉冲信号滤除直流分量后，对两路干涉信号进行互相关以获得其到达各自光电探测器的时间差，从而获得振动事件的位置。
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