CN114459593B - 一种提高光纤振动系统探测距离的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提高光纤振动系统探测距离的方法，包括时分脉冲序列信号调制、转换为时分脉冲干涉信号、转换为电信号和解析提取振动信息的位置特征、分类特征。本发明将激光源和脉冲信号发生器产生的信号调制成时分脉冲序列信号，并进行滤波和放大后输出至无源传感模块依次转换为时分脉冲干涉信号和电信号，信号处理装置将电信号解析还原取出振动信息的位置特征和分类特征，主要利用部分应用场合振动信号的特性，在满足该类目标客户的需求前提下，进一步提高探测距离，利用本发明，可以很好的兼顾探测距离和精度两个指标，在不降低探测精度的前提下，进一步提高探测距离(相比脉冲光而言)，探测距离可以超过160km，分辨率达到+/‑50m的水平。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种提高光纤振动系统探测距离的方法。
背景技术
随着光纤技术的发展，光纤传感技术广泛应用于各个领域。其中双M-Z(Mach-Zehnder，马赫-曾德尔)干涉仪由于其高灵敏度特性，常用于长距离光纤周界安防，海缆监测等领域。
对于某些应用场合而言，探测距离的长度是最关键的技术指标，尤其是不额外增加有源中继放大器单段M-Z干涉系统能够实现的探测距离。探测距离长度主要取决于(1)激光源的功率，(2)光纤的损耗以及(3)探测板的灵敏度。光纤越长，光纤损耗会越大；探测板的灵敏度大约在-55dbm水平，想提高很困难。由于受激布里渊散射效应，当光纤长度较长(超过几十km)时，光源能够注入的最大功率是有限的，通常最大只有几毫瓦(例如3dbm)。超过该阈值，注入的激光功率大部分能量会被反射回来。由于上面3个因素的限制，如果激光源为连续发射(即直流光)，双M-Z干涉系统的最大探测距离只有90km左右。
为此，人们想出了改进方案，激光源发射的光源为脉冲光，如图1所示，即连续发射等周期的脉冲，例如2MHz周期，占空比为10％-90％不等。这样平均功率保持不变的前提下，最大发射功率能够提高7-10dB。对应的探测距离也能提高20-30km。脉冲光方案最大探测距离可以提高到120km左右。
激光源改成连续发射的脉冲光形式后，可以提高光源的最大峰值发射功率。但是这个方案也有不足，为了让2束光形成干涉，占空比不能无限制减小。光源经过1分2光耦合器分成2束光后，再经过2个传感臂的传播，到达后面的1分2耦合器的时候，需要同时到达才能形成干涉。光缆距离越长，这2个传感臂的长度越不容易严格一致，总会有些偏差，也就是传感臂传播的2束光光程差有差异。如果脉冲光的有光部分持续时间太短，经过第一个1分2光耦合器的2束光的有光部分很难同时到达后面一个1分2光耦合器，这样就不能形成干涉。
由于器件的原因，主要是声光调制器，光的上升和下降时间大约是几十ns的水准。导致光脉冲的有光部分宽度也不能无限制减小。
由于激光源改成发射连续脉冲光，相当于降低了系统采样率。探测精度为光速*光纤折射率/系统采样时钟，探测系统的探测精度也相应降低。为了保证探测精度，脉冲的周期不能太长。
综合考虑，这个方案的峰值发射功率有所提高，探测距离变长，但改善也是一定程度的，同时探测精度会降低，即：现有脉冲光方案探测距离在120km左右，探测精度同时有所降低，不能满足某些工程应用的需要，需要其他的技术手段进一步提高系统的探测距离。
发明内容
本发明是为了解决光纤探测距离和探测精度的问题，提供一种提高光纤振动系统探测距离的方法，将激光源和脉冲信号发生器产生的信号调制成时分脉冲序列信号，并进行滤波和放大后输出至无源传感模块依次转换为时分脉冲干涉信号和电信号，信号处理装置将电信号解析还原取出振动信息的位置特征和分类特征，本发明将激光源输出的信号调制成时分脉冲序列信号后，由于占空比减小，在不提高输出平均功率的前提下，提高激光源放大后的输出峰值功率，利用部分应用场合振动信号的特性，在满足该类目标客户的需求前提下，进一步提高探测距离，利用本发明，可以很好的兼顾探测距离和精度两个指标，在不降低探测精度的前提下，进一步提高探测距离(相比脉冲光而言)，探测距离可以超过160km，分辨率达到+/-50m的水平。
本发明提供一种提高光纤振动系统探测距离的方法，包括以下步骤：
S1、脉冲光调制装置将激光源和脉冲信号发生器产生的信号调制成时分脉冲序列信号并输出至滤波放大系统，时分脉冲序列信号包括若干个时分排列的具有时间宽度的脉冲序列信号，每个脉冲序列信号中包括若干个连续光信号；
S2、时分脉冲序列信号经滤波放大系统滤波和放大，保持输出平均功率不变、提高输出峰值功率后输出至无源传感模块，无源传感模块产生两路时分脉冲干涉信号输出至接收探测器，接收探测器接收两路时分脉冲干涉信号并转换为两路电信号输出至信号处理装置，激光源、无源传感模块和接收探测器为双MZ干涉系统；
S3、信号处理装置将电信号解析还原为时分脉冲干涉信号，通过判断每个时分脉冲干涉信号的特征，挑选时分脉冲干涉信号并进行解析后提取出振动信息的位置特征和分类特征，光纤振动系统探测完成。
本发明所述的一种提高光纤振动系统探测距离的方法，作为优选方式，步骤S1中，脉冲光调制装置为以下任意一种：AOM声光调制器、半导体光放大器、电光调制器；
脉冲序列信号的宽度为ms级；脉冲序列信号按规律排列以进行解析还原。
本发明所述的一种提高光纤振动系统探测距离的方法，作为优选方式，连续光信号为连续直流光信号或者连续脉冲光信号；
连续脉冲光信号的周期宽度为百ns级。
本发明所述的一种提高光纤振动系统探测距离的方法，作为优选方式，步骤S2包括：
S21、时分脉冲序列信号经滤波放大系统滤波和放大后输出至无源传感模块；
S22、无源传感模块中的第一分光耦合器接收时分脉冲序列信号并分别输出至第二分光耦合器和第三分光耦合器，第二分光耦合器将时分脉冲序列信号经传感臂转换为时分脉冲干涉信号输出至第三分光耦合器并经过传导臂输出至接收探测器的第一光电探测板生成顺时针电信号，第三分光耦合器将第一分光耦合器经过传导臂输出的时分脉冲序列信号输出至传感臂转换为时分脉冲干涉信号并经过第二分光耦合器输出至接收探测器的第二光电探测板生成逆时针电信号。
本发明所述的一种提高光纤振动系统探测距离的方法，作为优选方式，传感臂为第二分光耦合器和第三分光耦合器之间的光纤，传导臂包括第一分光耦合器、第三分光耦合器之间的光纤和第三分光耦合器、第一光电探测板之间的光纤。
本发明所述的一种提高光纤振动系统探测距离的方法，作为优选方式，第一分光耦合器为一分二光耦合器，第二分光耦合器和第三分光耦合器均为二分二光耦合器。
本发明所述的一种提高光纤振动系统探测距离的方法，作为优选方式，滤波放大系统包括电连接的EFDA和滤波器，EFDA的增益可调。
本发明所述的一种提高光纤振动系统探测距离的方法，作为优选方式，步骤S3中，时分脉冲干涉信号的特征包括：脉冲个数、最小脉冲宽度和脉冲强度。
本发明所述的一种提高光纤振动系统探测距离的方法，作为优选方式，步骤S1中，脉冲光调制装置和脉冲信号发生器均在MCU的控制下产生信号。
双MZ环的工作原理：
说明如下：C1为1分2光耦合器；C2和C3为2分2光耦合器。双MZ环通常包括3根或者4根芯。其中C2和C3之间的2芯简称为传感臂；C3和PD1；C1和C3之间的芯简称为传导臂。
光源经过C1分成2路；顺时针方向：(光源经过C2进入传感臂，然后到C3，然后经过传导臂到PD1)；逆时针方向：(光源先经过传导臂进入C3，经过传感臂到C2，然后进入PD2)。假如在C2和C3之间的传感臂之间有振动事件发生，PD1和PD2接收到的干涉信号会有一相位差。通过该相位差可以推算出具体振动事件的发生位置。
直流光方案，AOM和脉冲信号发生器可以省略。激光源连续发射出来，进入双MZ干涉系统。
脉冲光方案，连续发射的激光信号被调制成周期性的脉冲光，这些脉冲的宽度和周期通常是百ns级别。由于脉冲的产生是受控的，MCU可以通过控制接收探测板的时序，将这些脉冲光干涉信号重新整合还原成一个采样频率降低的直流光干涉信号。
考虑到实际应用中，大多数振动信号是持续性发生的。例如用户攀爬某段光纤，渔船拖拽某段海底光缆，振动事件的持续事件都是几秒，几十秒，甚至几分钟。只要采集到一小段(几ms)该振动信息，系统就可以完成振动信号的解析。利用该特性，本发明提出了时分法的概念。即激光源不是连续发射直流光或者脉冲光，而是时分发射。光源被调制成一个个较长时间宽度的脉冲序列(即黄色脉冲)。黄色脉冲内可以是连续的直流光，也可以是连续的脉冲光。黄色脉冲的时间比较长，通常是ms级别。一个时分脉冲里面可以包含很多连续的小脉冲(周期宽度为百ns级别)。
由于振动事件是持续性的，理论和工程实践证明，只要一个时分脉冲的信号包含足够多的振动信息，系统就可以解析出振动事件的发生位置和特征信息。相比于连续发射的直流光和脉冲光方案，时分法的调节裕度大很多。在满足系统平均发射功率不变的前提条件下，有光脉冲的占空比可以更小；而且时分脉冲序列相邻脉冲间距不用是等长，宽度也不需要相等。只要遵循某种规律，方便后续系统解析。在大时分脉冲里面还可以包含连续的小脉冲，即叠加时分法和脉冲光两种方法的优势，最大限度的提高激光源的峰值发射功率，从而提高系统的探测距离。
本技术方案工作流程：
(1)MCU控制脉冲发生器定时(例如1秒)产生相应数量(例如上百个)的时分脉冲序列信号，控制AOM声光调节器，让连续激光源变成时分脉冲光序列信号。
(2)为了进一步提高系统探测距离，通常这个时分脉冲序列信号的高电平时间段(有光部分)(毫秒级别)包含了连续发射的小脉冲宽度(百纳秒级别)的光。
(3)由于时分脉冲序列是受控的，系统可以方便的还原出一个个时分脉冲内的干涉信号.
(4)通过判断每个时分脉冲的干涉信号特征(脉冲个数，最小脉冲宽度，脉冲强度。注：此脉冲为振动产生的干涉信号脉冲)，系统挑选出最优的1个或者几个时分脉冲的干涉信号进行解析，提取出振动信息的位置特征和分类特征。
受激布里渊效应主要是介质内由强激光电致伸缩作用产生的强感应声波场对入射光的作用引起的。即光纤介质在外电场作用下介质产生周期性形变或者弹性振动。为了避免产生受激布里渊效应，时分法的光脉冲宽度不能太长，最长也就是ms级别。如果是几十毫秒甚至更长时间级别，在该脉冲时间范围内就可能触发受激布里渊效应，起不到提高峰值发射功率的作用。
为了满足双MZ干涉系统的条件，即探测范围内任意位置发生振动时，有足够多的顺时针和逆时针2个方向的光经过该位置感应到振动信息。时分法脉冲光的有光宽度必须足够宽，这样才能完整覆盖整条探测光缆。假如光纤探测距离为L，光纤折射率为1.5；光速为C。则时分法光脉冲的宽度需要为2*L/(C/1.5)～4*L/(C/1.5)。探测距离为100km时，脉冲宽度为1～2ms之间。以此类推。
由于时分法脉冲序列光脉冲占空比很低，激光源的实际峰值发射功率可以提高，有效提高了系统的探测距离。由于振动事件是连续发生的，而且是同一性质的。虽然光脉冲是时分的离散的，但1秒时间包含足够多数量(例如上百个)的光脉冲，大概率有光脉冲能包含足够多的振动信息，协同系统完成后续信号解析。
(1)应用于长距离周界安防和海缆监测系统。
(2)利用时分法的方法，减小有光脉冲的占空比，提高峰值发射功率，从而起到提高系统探测距离的作用。
(3)该脉冲序列用于控制AOM(声光调节器)或者类似器件，让连续发射的激光源转化成符合要求的脉冲序列光。
(4)这个脉冲序列光的脉冲宽度和周期是可以灵活调整的。
(5)光脉冲(即有光的时间段)内可以是连续的直流光，也可以是连续的更短时间周期和脉冲宽度的脉冲光(百ns级别)
(6)光脉冲脉冲宽度为ms级别。一方面为了避免产生受激布里渊效应，同时满足双MZ干涉系统定位的需要。
(7)光脉冲脉冲宽度较长，一个脉冲内就包含用于解析振动事件特征的完整信息。
时分调制主要和振动信号特性有关(持续时间，发生频率)，和信号解析无关，不影响测试精度(即距离分辨率)。
本发明具有以下优点：
基于本发明的装置和方法，有效的提高了长距离光纤传感振动系统的探测距离。对于某些海缆应用而言，经常会由于渔船拖拽导致海缆扯断。探测距离是最重要的衡量指标之一。如果探测距离不够，检测系统就整个不能使用。本发明是超长距离海缆检测系统的核心技术之一，使得超长距离海缆检测技术上变得可行。
附图说明
图1为现有技术脉冲信号示意图；
图2为一种提高光纤振动系统探测距离的方法流程图；
图3为一种提高光纤振动系统探测距离的方法光纤振动系统结构示意图；
图4为一种提高光纤振动系统探测距离的方法时分脉冲序列信号示意图。
附图标记：
1、脉冲光调制装置；2、激光源；3、脉冲信号发生器；4、滤波放大系统；5、无源传感模块；51、第一分光耦合器；52、第二分光耦合器；53、第三分光耦合器；6、接收探测器；61、的第一光电探测板；62、第二光电探测板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
如图2-3所示，一种提高光纤振动系统探测距离的方法，包括以下步骤：
S1、MCU控制脉冲光调制装置1将激光源2和脉冲信号发生器3产生的信号调制成时分脉冲序列信号并输出至滤波放大系统4，时分脉冲序列信号包括若干个时分排列的具有时间宽度的脉冲序列信号，每个脉冲序列信号中包括若干个连续光信号；
脉冲光调制装置1为以下任意一种：AOM声光调制器、半导体光放大器、电光调制器；
脉冲序列信号的宽度为ms级；脉冲序列信号按规律排列以进行解析还原；
连续光信号为连续直流光信号或者连续脉冲光信号；连续脉冲光信号的周期宽度为百ns级；
S2、时分脉冲序列信号经滤波放大系统4滤波和放大，保持输出平均功率不变、提高输出峰值功率后输出至无源传感模块5，无源传感模块5产生两路时分脉冲干涉信号输出至接收探测器6，接收探测器6接收两路时分脉冲干涉信号并转换为两路电信号输出至信号处理装置，激光源2、无源传感模块5和接收探测器6为双MZ干涉系统；
S21、时分脉冲序列信号经滤波放大系统4滤波和放大后输出至无源传感模块5；
S22、无源传感模块5中的第一分光耦合器51接收时分脉冲序列信号并分别输出至第二分光耦合器52和第三分光耦合器53，第二分光耦合器52将时分脉冲序列信号经传感臂转换为时分脉冲干涉信号输出至第三分光耦合器53并经过传导臂输出至接收探测器6的第一光电探测板61生成顺时针电信号，第三分光耦合器53将第一分光耦合器51经过传导臂输出的时分脉冲序列信号输出至传感臂转换为时分脉冲干涉信号并经过第二分光耦合器52输出至接收探测器6的第二光电探测板62生成逆时针电信号；
传感臂为第二分光耦合器52和第三分光耦合器53之间的光纤，传导臂包括第一分光耦合器51、第三分光耦合器53之间的光纤和第三分光耦合器53、第一光电探测板61之间的光纤；
第一分光耦合器51为一分二光耦合器，第二分光耦合器52和第三分光耦合器53均为二分二光耦合器；
S3、信号处理装置将电信号解析还原为时分脉冲干涉信号，通过判断每个时分脉冲干涉信号的特征，挑选时分脉冲干涉信号并进行解析后提取出振动信息的位置特征和分类特征，光纤振动系统探测完成；
时分脉冲干涉信号的特征包括：脉冲个数、最小脉冲宽度和脉冲强度；
滤波放大系统4包括电连接的EFDA和滤波器，EFDA的增益可调。
光纤距离为80km时，光纤损耗为80*2*0.2＝32dB；MZ干涉仪其他器件(1分2耦合器)损耗为4dB，所以链路总共损耗为36dB。注入的平均功率在mW级别。例如4mW，6dbm。
光纤平均损耗为0.2dB/km，双MZ干涉仪的光纤长度为测试距离*2。
如果采用采集卡采样频率为20MHz、对应距离分辨率为5米的连续光模式，注入功率为6dbm；探测板接收到的信号为6-36＝-30dbm。如果探测板的灵敏度为-40dbm。则接收到的信号信噪比有10db，可以满足系统解析要求。
相比于调制频率为2MHz，对应距离分辨率为50米的脉冲光，占空比为10％，注入峰值功率可以提高10dB，探测距离可以提高10/2/0.2＝25km，即探测距离从80km提高到105km；
如图4所示，如果再叠加10ms一个周期、5ms高电平、1s有100个类似的大信号帧时分调制，时分调制的占空比为10％，注入峰值功率可以在脉冲光的基础上再提高10dB，探测距离可以再提高25km，即探测距离进一步提高成130km。
实际应用时脉冲调制的占空比为10％，时分调制的占空比为10％。叠加后的占空比为1％。由于光的占空比很小，实际注入光的峰值功率能够提高很多(20dB)。能够提高的光缆测试距离为20/2/0.2＝50km。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种提高光纤振动系统探测距离的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、脉冲光调制装置(1)将激光源(2)和脉冲信号发生器(3)产生的信号调制成时分脉冲序列信号并输出至滤波放大系统(4)，所述时分脉冲序列信号包括若干个时分排列的具有时间宽度的脉冲序列信号，每个所述脉冲序列信号中包括若干个连续光信号；
S2、所述时分脉冲序列信号经所述滤波放大系统(4)滤波和放大，保持输出平均功率不变、提高输出峰值功率后输出至无源传感模块(5)，所述无源传感模块(5)产生两路时分脉冲干涉信号输出至接收探测器(6)，所述接收探测器(6)接收两路所述时分脉冲干涉信号并转换为两路电信号输出至信号处理装置，所述激光源(2)、所述无源传感模块(5)和所述接收探测器(6)为双MZ干涉系统；
S3、所述信号处理装置将电信号解析还原为所述时分脉冲干涉信号，通过判断每个所述时分脉冲干涉信号的特征，挑选所述时分脉冲干涉信号并进行解析后提取出振动信息的位置特征和分类特征，光纤振动系统探测完成。
2.根据权利要求1所述的一种提高光纤振动系统探测距离的方法，其特征在于：步骤S1中，所述脉冲光调制装置(1)为以下任意一种：AOM声光调制器、半导体光放大器、电光调制器；
所述脉冲序列信号的宽度为ms级；所述脉冲序列信号按规律排列以进行解析还原。
3.根据权利要求1所述的一种提高光纤振动系统探测距离的方法，其特征在于：所述连续光信号为连续直流光信号或者连续脉冲光信号；
所述连续脉冲光信号的周期宽度为百ns级。
4.根据权利要求1所述的一种提高光纤振动系统探测距离的方法，其特征在于：步骤S2包括：
S21、所述时分脉冲序列信号经所述滤波放大系统(4)滤波和放大后输出至所述无源传感模块(5)；
S22、所述无源传感模块(5)中的第一分光耦合器(51)接收所述时分脉冲序列信号并分别输出至第二分光耦合器(52)和第三分光耦合器(53)，所述第二分光耦合器(52)将所述时分脉冲序列信号经传感臂转换为所述时分脉冲干涉信号输出至所述第三分光耦合器(53)并经过传导臂输出至所述接收探测器(6)的第一光电探测板(61)生成顺时针电信号，所述第三分光耦合器(53)将所述第一分光耦合器(51)经过所述传导臂输出的所述时分脉冲序列信号输出至所述传感臂转换为所述时分脉冲干涉信号并经过所述第二分光耦合器(52)输出至所述接收探测器(6)的第二光电探测板(62)生成逆时针电信号。
5.根据权利要求4所述的一种提高光纤振动系统探测距离的方法，其特征在于：所述传感臂为所述第二分光耦合器(52)和所述第三分光耦合器(53)之间的光纤，所述传导臂包括所述第一分光耦合器(51)、所述第三分光耦合器(53)之间的光纤和所述第三分光耦合器(53)、所述第一光电探测板(61)之间的光纤。
6.根据权利要求4所述的一种提高光纤振动系统探测距离的方法，其特征在于：所述第一分光耦合器(51)为一分二光耦合器，所述第二分光耦合器(52)和所述第三分光耦合器(53)均为二分二光耦合器。
7.根据权利要求1所述的一种提高光纤振动系统探测距离的方法，其特征在于：所述滤波放大系统(4)包括电连接的EFDA和滤波器，所述EFDA的增益可调。
8.根据权利要求1所述的一种提高光纤振动系统探测距离的方法，其特征在于：步骤S3中，所述时分脉冲干涉信号的特征包括：脉冲个数、最小脉冲宽度和脉冲强度。
9.根据权利要求1所述的一种提高光纤振动系统探测距离的方法，其特征在于：步骤S1中，所述脉冲光调制装置(1)和所述脉冲信号发生器(3)均在MCU的控制下产生信号。
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