CN114623920A - 一种φ-otdr型分布式光纤声波传感系统及信号解调方法 - Google Patents

一种φ-otdr型分布式光纤声波传感系统及信号解调方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Φ‑OTDR型分布式光纤声波传感系统，该系统实现了带通抽样和频分复用技术的首次融合，首先通过在传统外差探测方案的基础上引入了马赫‑增德尔调制器，实现了脉冲光的频分复用，提升了系统的有效采样率，实现了可探测声波频率的倍频增长；然后采用基于带通抽样定理的降采样方法，降低了系统采样率、硬件成本和计算复杂度，提高了系统信号采集和处理的实时性。同时，基于本发明公开的传感系统，提出了一种采用多频信号时分复用的改进相位解调方法，验证了传感器的可行性。

Description

一种Φ-OTDR型分布式光纤声波传感系统及信号解调方法
技术领域
本发明涉及光纤声波传感器技术领域，更具体的说是涉及一种Φ-OTDR型分布式光纤声波传感系统及信号解调方法。
背景技术
分布式光纤声波传感技术一直是国际和国内的研究热点。Φ-OTDR型分布式声波传感器是分布式光纤传感技术的重要应用，增加了对微弱振动和声波信号的探测能力，光路结构简单、灵敏度高、成本低、隐蔽性好、抗电磁干扰能力强，且能够承受极端环境，可同时检测长距离光纤范围内多点声波事件，在周界安防、油气资源勘探、管线预警、大型结构监测等许多领域具有不能比拟的优势，具有广阔的应用前景。
为了解决Φ-OTDR型分布式声波传感器可探测频率与脉冲重复频率之间的矛盾，提高系统的频率响应范围，可以利用光学外调制法可以将电信号施加到光载波上，使信号光具有电信号的特性进而完成对光载波的调制，实现频分复用。常用的方法是通过施加的电信号来改变电光材料的折射率，由于LiNbO3电光强度调制器具有高带宽、驱动电压更低、体积小、性能稳定等优点，在外调制技术中应用广泛，具有较高的研究价值，其中使用最广的是马赫-增德尔电光强度调制器。
目前，已有相关文献采用马赫-增德尔调制器实现频分复用的技术，但是存在采样率较高的问题。由于在外差探测型分布式声波传感器系统中，经过声光调制器(AOM)频移MHz量级后的连续模拟信号，其中心频率已经完全偏离直流信号，且需要解调的信号频谱是带限单频信号。
因此，提供一种基于Φ-OTDR频分复用技术的降采样率系统和实现多频信号时分复用的相位解调是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，为了降低系统采样率，提高信号采集和解调的实时性，本发明提供了一种Φ-OTDR型分布式光纤声波传感系统及信号解调方法，通过将带通抽样定理应用于外差探测型系统中，对带限单频信号进行降采样，从而达到降低系统的数据采样率和信号处理难度、节约硬件成本的目的。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明公开了一种Φ-OTDR型分布式光纤声波传感系统，包括激光器、光纤耦合器一、马赫-增德尔调制器、声光调制器、掺铒光纤放大器、光纤环形器、传感光纤、光纤耦合器二、平衡光电探测器、数据采集卡和数据处理单元；
所述激光器与所述光纤耦合器一相连；所述光纤耦合器一的第一输出端依次连接所述马赫-增德尔调制器、所述声光调制器、所述掺铒光纤放大器以及所述光纤环形器的第一端口；所述光纤耦合器一的第二输出端与所述光纤环形器的第三端口共同与所述光纤耦合器二相接，所述光纤耦合器二的输出端依次连接所述平衡光电探测器、所述数据采集卡以及所述数据处理单元；
所述马赫-增德尔调制器，用于将经过光纤耦合器一的激光调制成多个频率的连续输出光信号；
所述声光调制器，用于将所述连续光信号调制成一定脉冲间隔和脉冲宽度的脉冲光序列；
所述数据采集卡用于对经平衡光电探测器转换的电信号依据带通抽样定理进行多频信号的抽取；
所述数据处理单元用于对所述数据采集卡采集的信号进行相位解调。
优选的，所述马赫-增德尔调制器为马赫-增德尔干涉仪MZI型的电光强度调制器；
优选的，所述马赫-增德尔调制器采用推挽式结构，通过控制电极电压实现边带调制；
优选的，基于所述声光调制器的工作频率，使所述声光调制器与所述马赫-增德尔调制器共同作用，以形成不同频率的探测光脉冲序列；
优选的，所述光纤环形器的第二端口连接所述传感光纤；
优选的，所述数据采集卡为高速数据采集卡，实际采样率依据探测光的频率和带通抽样定理选取；
优选的，所述光纤耦合器一为1×2单模光纤耦合器，分光比为99:1；所述光纤耦合器二为2×2单模光纤耦合器，分光比为50:50；
优选的，所述数据处理单元将所述采集卡采集的多频信号进行时域分离得到后向瑞利散射曲线，通过带通滤波得到单频信号、然后进行单频信号数字正交I/Q相位解调、多点定位和迹线重组得到各个位置的幅值和频率信息；
另一方面，本发明公开了一种基于所述的Φ-OTDR型分布式光纤声波传感系统的相位解调方法，具体包括如下步骤：
S1：时域分离，将数据采集卡采集到的包含f1，f2，f3，…，fn的多频信号进行时域分离，得到相同起点的n条后向瑞利散射曲线；
S2：带通滤波，对所述n条后向瑞利散射曲线进行带通滤波，得到n个f1，f2，f3，…，fn的单频信号；
S3：相位解调，对所述每个单频信号进行数字正交I/Q相位解调，得到n个频率信号下的相位信息，依据相位信息的幅值完成声波事件的多点定位；
S4：迹线重组，将所述n个频率信号下的相位信息曲线同一位置的点进行迹线重组，得到每个位置处的幅值和频率信息。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开的Φ-OTDR型分布式光纤声波传感系统，实现了带通抽样方法和频分复用技术的融合，具体优点如下：
1、本发明在基于马赫-增德尔调制器MZM实现脉冲光频分复用基础上，采用基于带通抽样定理的降采样方法，降低了系统采样率、硬件成本和计算复杂度，提高了系统信号采集和处理的实时性；
2、本发明未破坏Φ-OTDR原有结构，只是增加了MZM，更换了较低采样率的采集卡，不影响系统的完整性，不影响待测信号的采集，实现了多点高频声波事件的定位和幅值、频率相位信息的定量测量。
3、本发明还提出了一种采用多频信号时分复用的改进相位解调方法，验证了传感器的可行性。
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作简单地介绍，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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的光纤声波传感系统的结构示意图；
图2附图为本发明提供的相位解调方法流程图。
附图标记说明：
激光器(NLL)-1，光纤耦合器一(OC 1)-2，马赫-增德尔调制器(MZM)-3，声光调制器(AOM)-4，掺铒光纤放大器(EDFA)-5，光纤环形器-6，传感光纤-7，光纤耦合器二(OC 2)-8，平衡光电探测器(BPD)-9，数据采集单元(DAQ)-10，数据处理单元(DP)-11
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。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。
本发明实施例第一方面公开了一种Φ-OTDR型分布式光纤声波传感系统，包括激光器、光纤耦合器一、马赫-增德尔调制器、声光调制器、掺铒光纤放大器、光纤环形器、传感光纤、光纤耦合器二、平衡光电探测器、数据采集卡和数据处理单元；
其位置关系如下，如图1：
所述激光器的输出端接所述光纤耦合器一的输入端；所述光纤耦合器一的第一输出端接所述马赫-增德尔调制器的输入端；所述马赫-增德尔调制器的输出端接所述声光调制器的输入端；所述声光调制器的输出端接所述掺铒光纤放大器的输入端，所述掺铒光纤放大器的输出端接所述光纤环形器的第一端口；所述光纤环形器的第二端口接所述传感光纤；所述光纤环形器的第三端口和所述光纤耦合器一的第二输出端分别接所述光纤耦合器二的两个输入端；所述光纤耦合器二的输出端接所述平衡光电探测器的输入端；所述平衡光电探测器的输出端接所述数据采集卡的输入端；所述数据采集卡的输出端接所述数据采集单元的输入端。
所述马赫-增德尔调制器，用于将经过光纤耦合器一的激光调制成多个频率的连续输出光信号；
所述声光调制器，用于将所述连续光信号调制成一定脉冲间隔和脉冲宽度的脉冲光序列；
所述数据采集卡用于对经平衡光电探测器转换的电信号依据带通抽样定理进行多频信号的抽取；
所述数据处理单元用于对所述数据采集卡采集的信号进行相位解调。
其中，所述激光器为窄线宽激光器，所述光纤耦合器一为1×2单模光纤耦合器，分光比为99:1；所述光纤耦合器二为2×2单模光纤耦合器，分光比为50:50。
具体传感过程为：
窄线宽激光器1发射的连续激光经光纤耦合器一2后一分为二，99％的光注入马赫-增德尔调制器3，被调制成多个频率的连续输出的光信号，再经声光调制器4将激光器发出的连续光调制成一定脉冲间隔和脉冲宽度的脉冲光序列，掺铒光纤放大器5将脉冲光放大后通过光纤环形器6的端口6-1注入光纤环形器6，并通过其端口6-2注入传感光纤7中，在传感光纤7传播返回的携带待测声波信息的自干涉的后向瑞利散射光通过光纤环形器6的端口6-3注入到光纤耦合器二8中，光纤耦合器一2输出的1％的光信号作为本振光与其在光纤耦合器二8处发生相干混频，由平衡光电探测器9探测后，进入数据采集卡10，经数据处理单元11处理后得到待测声波信号的频率和幅值。
在本实施例中，窄线宽激光器1的中心波长为1550nm，线宽小于3kHz，输出光功率20～30mW，波长稳定性±0.5ppm，频率漂移小于10MHz/min，无跳模现象，性能稳定。在其他实施例中也可以采用其它类型的窄线宽激光器，但要求满足线宽小于10kHz，功率达10mW以上。光纤耦合器一2为1×2单模光纤耦合器，分光比为99:1。马赫-增德尔调制器3工作波长1550nm，插入损耗3dB，消光比大于26.5dB，半波电压Vπ-RF@1kHz为3.3V，半波电压Vπ-Bias@1kHz为3.9V，输入和输出尾纤为Φ125μm熊猫保偏光纤。声光调制器4工作波长范围为1550nm，中心频率200MHz，上升时间10ns，消光比大于50dB，插入损耗小于6dB。掺铒光纤放大器5工作波长1550nm，可对脉冲宽度5～200ns，重复频率0～20kHz的光脉冲进行放大，放大倍数由驱动电流调节。光纤环形器6为三端口无源器件且单向导通。传感光纤7采用普通的单模光纤，纤芯直径8～10μm，包层直径125μm。光纤耦合器二8为2×2单模光纤耦合器，分光比为50:50。平衡光电探测器9工作波长1550nm，响应度为0.95A/W@1550nm，带宽DC～200MHz，跨阻增益30kV/A。数据采集卡10与数据处理单元11用于整个系统的数据信号采集和处理，从而实现分布式实时声波信号的监测和还原。
具体的，所述马赫-增德尔调制器为马赫-增德尔干涉仪MZI型的电光强度调制器，采用推挽式结构，通过控制电极电压实现边带调制，其后的声光调制器工作频率为Δf，且基于该频率Δf，使声光调制器与马赫-增德尔调制器共同作用，以形成不同频率的探测光脉冲序列。
特别地，由于MZM有直流偏置端口和射频端口，需要提供合适的RF射频信号和Bias端直流偏置电压使其工作在适当的工作点，使调制光产生相应的边带，具体参数通过MZM的测试数据可得，才能实现Φ-OTDR的频分复用技术来有效提高系统的频响范围。
所述数据采集卡为高速数据采集卡，针对数据采集卡的采样率的要求，实际采样率需依据探测光的频率和带通抽样定理选取，若选用的AOM工作频率为Δf，带通模拟信号频谱的最低频率为fL，最高频率为fH，则信号带宽：
B＝fH-fL，
依据带通抽样定理，选择的抽样频率fs应满足：
Figure BDA0003548162670000061
Figure BDA0003548162670000062
式中，1≤n≤[fH/B]，[fH/B]为(fH/B)商的整数部分(n＝1，2，3，...)。以上便构成了基于带通抽样和频分复用技术的Φ-OTDR型分布式光纤声波传感器装置。
本发明另一方面结合信号特征，提出了一种基于第一方面的Φ-OTDR型分布式光纤声波传感系统的相位解调方法，包括如下步骤，如图2：
S1：时域分离，将数据采集卡采集到的包含f1，f2，f3，…，fn的多频信号进行时域分离，得到相同起点的n条后向瑞利散射曲线；
S2：带通滤波，对所述n条后向瑞利散射曲线进行带通滤波，得到n个f1，f2，f3，…，fn的单频信号；
S3：相位解调，对所述每个单频信号进行数字正交I/Q相位解调，得到n个频率信号下的相位信息，依据相位信息的幅值完成声波事件的多点定位；
S4：迹线重组，将所述n个频率信号下的相位信息曲线同一位置的点进行迹线重组，得到每个位置处的幅值和频率信息。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种Φ-OTDR型分布式光纤声波传感系统，其特征在于，包括激光器、光纤耦合器一、马赫-增德尔调制器、声光调制器、掺铒光纤放大器、光纤环形器、传感光纤、光纤耦合器二、平衡光电探测器、数据采集卡和数据处理单元；
所述激光器与所述光纤耦合器一相连；所述光纤耦合器一的第一输出端依次连接所述马赫-增德尔调制器、所述声光调制器、所述掺铒光纤放大器以及所述光纤环形器的第一端口；所述光纤耦合器一的第二输出端与所述光纤环形器的第三端口共同与所述光纤耦合器二相接，所述光纤耦合器二的输出端依次连接所述平衡光电探测器、所述数据采集卡以及所述数据处理单元；
所述马赫-增德尔调制器，用于将经过光纤耦合器一的激光调制成多个频率的连续输出光信号；
所述声光调制器，用于将所述连续光信号调制成一定脉冲间隔和脉冲宽度的脉冲光序列；
所述数据采集卡用于对经平衡光电探测器转换的电信号依据带通抽样定理进行多频信号的抽取；
所述数据处理单元用于对所述数据采集卡采集的信号进行相位解调。
2.根据权利要求1所述的一种Φ-OTDR型分布式光纤声波传感系统，其特征在于：所述马赫-增德尔调制器为马赫-增德尔干涉仪MZI型的电光强度调制器。
3.根据权利要求2所述的一种Φ-OTDR型分布式光纤声波传感系统，其特征在于：所述马赫-增德尔调制器采用推挽式结构，通过控制电极电压实现边带调制。
4.根据权利要求3所述的一种Φ-OTDR型分布式光纤声波传感系统，其特征在于：基于所述声光调制器的工作频率，使所述声光调制器与所述马赫-增德尔调制器共同作用，以形成不同频率的探测光脉冲序列。
5.根据权利要求1所述的一种Φ-OTDR型分布式光纤声波传感系统，其特征在于：所述光纤环形器的第二端口连接所述传感光纤。
6.根据权利要求1所述的一种Φ-OTDR型分布式光纤声波传感系统，其特征在于：所述数据采集卡为高速数据采集卡，实际采样率依据所述声光调制器的频率和带通抽样定理选取。
7.根据权利要求1所述的一种Φ-OTDR型分布式光纤声波传感系统，其特征在于：所述光纤耦合器一为1×2单模光纤耦合器，分光比为99:1；所述光纤耦合器二为2×2单模光纤耦合器，分光比为50:50。
8.根据权利要求1所述的一种Φ-OTDR型分布式光纤声波传感系统，其特征在于：所述数据处理单元将所述采集卡采集的多频信号进行时域分离得到后向瑞利散射曲线，通过带通滤波得到单频信号、然后进行单频信号数字正交I/Q相位解调、多点定位和迹线重组得到各个位置的幅值和频率信息。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述的Φ-OTDR型分布式光纤声波传感系统的相位解调方法，其特征在于，对采集卡采集的多频信号进行相位解调的步骤包括：包括如下步骤：
S1：时域分离，将所述数据采集卡采集到的包含f1，f2，f3，…，fn的多频信号进行时域分离，得到相同起点的n条后向瑞利散射曲线；
S2：带通滤波，对所述n条后向瑞利散射曲线进行带通滤波，得到n个f1，f2，f3，…，fn的单频信号；
S3：相位解调，对所述每个单频信号进行数字正交I/Q相位解调，得到n个频率信号下的相位信息，依据相位信息的幅值完成声波事件的多点定位；
S4：迹线重组，将所述n个频率信号下的相位信息曲线同一位置的点进行迹线重组，得到每个位置处的幅值和频率信息。
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