CN115265618A - 一种灵敏度可调的大振幅信号分布式弱光栅阵列解调方法 - Google Patents

一种灵敏度可调的大振幅信号分布式弱光栅阵列解调方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种灵敏度可调的大振幅信号分布式弱光栅阵列解调方法，包括：将生成的双脉冲光融合后导入分布式弱光栅阵列，对扰动信号进行测量；利用IQ解调技术对返回的反射光信号和散射光信号进行相位解调，得到反射光的解调结果和散射光的解调结果；选择其中一个散射光信号点，对散射光信号点和反射光信号点的解调结果进行作差；对该散射光信号点的作差结果与反射光的解调结果进行波形比对，如果两者波形一致，输出反射光的解调结果作为扰动信号测量结果，否则，输出作差结果作为扰动信号测量结果。本发明通过结合反射光和散射光进行传感，突破了采样率对应变测量范围的限制，实现了灵敏度可调的大振幅信号测量。

Description

一种灵敏度可调的大振幅信号分布式弱光栅阵列解调方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种灵敏度可调的大振幅信号分布式弱光栅阵列解调方法和系统。
背景技术
光纤传感技术是一门新兴学科,它的发展起始于20世纪70年代。当光在光纤中传播时，外界环境因素会改变传输光的特征参量，通过检测光参量的变化可以实现对外界扰动的探测或感知。分布式光纤传感技术具有灵敏度高、抗干扰性能强、测量对象广泛等优点，可以被应用于航空航天、国防军事、生物医疗等众多领域。
相位敏感光时域反射技术的传感原理是：瑞利散射源于光纤中折射率的不均匀起伏,这些起伏在光纤中形成一个个位置随机的“散射点”。探测脉冲沿光纤传输时,遇到随机的散射点后会向各个方向产生瑞利散射光，其中只有满足全反射的后向散射光才有可能返回入射端，这些散射光被称为背向瑞利散射光。相位敏感光时域反射技术通过探测传感光纤中背向瑞利散射光的相位变化来感知外界扰动信息。
分布式弱光栅阵列传感技术的传感原理是：把嵌入的极弱反射光栅当作反射镜，产生稳定的、强度可控的反射光信号，代替光纤中的自发瑞利散射，然后利用前后光栅反射光之间的干涉来实现振动测量。
然而，无论是相位敏感光时域反射技术，还是分布式弱光栅阵列传感技术，都是根据相位信息的变化进行传感。而相位解缠绕算法存在限制，在不牺牲频率响应范围的情况下，只有小幅度信号可以被正确传感。但是，在实际应用中，大幅度信号的传感必不可少，所以需要一种大振幅信号传感系统及解调方法。
发明内容
解决的技术问题：基于相位的分布式传感技术，在相位解调的过程中都绕不开相位解缠绕操作。而传统的相位解缠绕算法要求相位的真实跳变值不宜过大，这导致了在不牺牲频率响应范围的情况下，大振幅信号无法被正确传感。
技术方案：
一种灵敏度可调的大振幅信号分布式弱光栅阵列解调方法，所述大振幅信号分布式弱光栅阵列解调方法包括以下步骤：
S1，生成具有不同调制频率、相同脉冲宽度和相同峰值的双脉冲光，将生成的双脉冲光融合后导入分布式弱光栅阵列，对扰动信号进行测量；其中，在各个光栅上，两个脉冲的反射光进行叠加产生干涉，返回反射光信号；同时，双脉冲光沿光纤传输时，随机产生背向瑞利散射光，返回散射光信号；
S2，利用IQ解调技术对返回的反射光信号和散射光信号进行相位解调，得到反射光的解调结果和散射光的解调结果；
S3，选择其中一个散射光信号点，对散射光信号点和反射光信号点的解调结果进行作差，得到该散射光信号点的作差结果；做差结果的相位跳变值在
Figure BDA0003768180340000021
之间；
S4，对该散射光信号点的作差结果与反射光的解调结果进行波形比对，如果两者波形一致，输出反射光的解调结果作为扰动信号测量结果，否则，输出作差结果作为扰动信号测量结果。
进一步地，步骤S1中，两个脉冲光的间距满足：
Figure BDA0003768180340000022
其中，c为光在真空中的传播速度，n为光纤的等效折射率，L为分布式弱光栅阵列中相邻光栅的间距。
进一步地，步骤S3中，根据下述公式计算得到散射光信号点的作差结果：
Figure BDA0003768180340000023
其中，
Figure BDA0003768180340000024
是散射点的解调结果，k1是散射点对外界振动信号的灵敏度系数，
Figure BDA0003768180340000025
是反射点的解调结果，k2是反射点对外界振动信号的灵敏度系数，Δε是外界振动信号；k1值与选择的散射光信号点的位置相关。
进一步地，步骤S3中，设所选的散射光信号点与反射光信号点的解调作差结果是A，所选散射光信号点之后的诸多散射光信号点与反射光信号点的解调作差结果分别是N1、N2、N3、……、Nn；N1、N2、N3、……、Nn和A的波形误差均小于预设误差阈值。
进一步地，所述大振幅信号分布式弱光栅阵列解调方法还包括以下步骤：
通过选择不同灵敏度系数的散射光信号点，对扰动信号的测量灵敏度进行调节。
本发明还提及一种灵敏度可调的大振幅信号分布式弱光栅阵列解调系统，所述大振幅信号分布式弱光栅阵列解调系统包括窄线宽激光器、第一耦合器、第二耦合器、第一声光调制器、第二声光调制器、掺铒光纤放大器、环形器、融合弱光栅阵列的传感光纤、光电探测器、数据采集卡和计算机；
所述窄线宽激光器发出的连续光经第一耦合器分成两路，其中一路光信号经第一声光调制器调制成第一脉冲光，另一路光信号经第二声光调制器制成第二脉冲光，第一脉冲光和第二脉冲光经第二耦合器合成一路脉冲光，合成后的脉冲光经掺铒光纤放大器放大后通过环形器进入融合弱光栅阵列的传感光纤，使双脉冲的反射光在光栅中叠加干涉，返回相应的反射光信号和散射光信号；所述光电探测器探测得到返回的反射光信号和散射光信号，由数据采集卡同步采集后，送入计算机；
所述计算机利用如前所述的大振幅信号分布式弱光栅阵列解调方法对扰动信号进行测量。
进一步地，所述第一耦合器和第二耦合器的耦合比为50：50。
有益效果：
第一，本发明的灵敏度可调的大振幅信号分布式弱光栅阵列解调方法，在弱光栅阵列传感系统中使用双脉冲技术，利用IQ解调从反射光信号和背向瑞利散射光信号中分别解调得到相位信号，通过对反射光的解调结果和散射光的解调结果进行作差，实现了大应变的精确恢复。
第二，本发明的灵敏度可调的大振幅信号分布式弱光栅阵列解调方法，利用反射光信号全跨过振动区域，而散射光信号逐步跨过振动区域的性质，通过选择合适的散射光信号点，实现了灵敏度的可调节。
第三，本发明的灵敏度可调的大振幅信号分布式弱光栅阵列解调方法，通过结合反射光和散射光进行传感，突破了采样率对应变测量范围的限制，实现了灵敏度可调的大振幅信号测量。
附图说明
图1为本发明实施例的灵敏度可调的大振幅信号分布式弱光栅阵列解调系统的结构图。
图2是本发明实施例的大振幅信号分布式弱光栅阵列系统的传感原理示意图。
图3是本发明实施例的大振幅信号分布式弱光栅阵列系统的解调原理示意图。
图4是本发明实施例的解调流程图。
图5是光栅阵列产生的脉冲反射信号和光纤产生的散射信号图。
图6是传统解缠绕方法的解调结果示意图。
图7是本发明实施例的灵敏度可调的大振幅信号分布式弱光栅阵列解调方法的解调结果示意图。
图8是灵敏度调节后的拟合结果示意图；图8中的(a)部分图是选择最右侧的散射点信号与反射点信号作差，拟合得到的相位峰峰值和激振器电流之间曲线示意图；图8中的(b)部分图是选择最左侧的散射点信号与反射点信号作差，拟合得到的相位峰峰值和激振器电流之间曲线示意图。
具体实施方式
下面的实施例可使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
本实施例公开了一种灵敏度可调的大振幅信号分布式弱光栅阵列解调方法，所述大振幅信号分布式弱光栅阵列解调方法包括以下步骤：
S1，生成具有不同调制频率、相同脉冲宽度和相同峰值的双脉冲光，将生成的双脉冲光融合后导入分布式弱光栅阵列，对扰动信号进行测量；其中，在各个光栅上，两个脉冲的反射光进行叠加产生干涉，返回反射光信号；同时，双脉冲光沿光纤传输时，随机产生背向瑞利散射光，返回散射光信号。
S2，利用IQ解调技术对返回的反射光信号和散射光信号进行相位解调，得到反射光的解调结果和散射光的解调结果。
S3，选择其中一个散射光信号点，对散射光信号点和反射光信号点的解调结果进行作差，得到该散射光信号点的作差结果；做差结果的相位跳变值在
Figure BDA0003768180340000041
之间。
S4，对该散射光信号点的作差结果与反射光的解调结果进行波形比对，如果两者波形一致，输出反射光的解调结果作为扰动信号测量结果，否则，输出作差结果作为扰动信号测量结果。
本实施例还提及了一种与前述解调方法相适配的大振幅信号分布式弱光栅阵列解调系统，参见图1，该大振幅信号分布式弱光栅阵列解调系统包括窄线宽激光器、第一耦合器、第二耦合器、第一声光调制器AOM1、第二声光调制器AOM2、掺铒光纤放大器EDFA、环形器、融合弱光栅阵列的传感光纤、光电探测器、数据采集卡和计算机。下面是各个器件的功能说明：
激光器：本实施例选取窄线宽激光器，产生的连续光。
第一耦合器：将激光器产生的连续光分成两路后输出至声光调制器。
声光调制器：通过对激光器发出的连续光进行调制，产生具有特定周期、特定宽度的脉冲光。示例性地，第一声光调制器AOM1和第二声光调制器AOM2的调制频率差异大于50MHz，AOM1调制的脉冲宽度和AOM2调制的脉冲宽度相等，从而产生不同频率相同脉冲宽度的双脉冲光。通过对第一脉冲光和第二脉冲光进行功率控制，使两个脉冲的峰值保持一致。
第二耦合器：将第一声光调制器AOM1和第二声光调制器AOM2产生的两束脉冲光合成一束后导入掺铒光纤放大器。第二耦合器输出的脉冲光中两个脉冲的间距满足
Figure BDA0003768180340000051
其中c为光在真空中的传播速度，n为光纤的等效折射率，L为光栅阵列中相邻光栅的间距。
掺铒光纤放大器：对调幅后的双脉冲光进行功率放大。
环形器：用于将经过功率放大后的脉冲光导入融合弱光栅阵列的传感光纤，并且将各个光栅上的干涉光传入到光电探测器。
融合弱光栅阵列的传感光纤(分布式弱光栅阵列)：在各个光栅上两个脉冲的反射光进行叠加产生干涉，感测传感系统中的扰动事件。
光电探测器：用于将光信号转换为电信号输出至采集卡。
采集卡：用于将采集到的模拟信号数字化，并输出至处理器。
计算机：对采集到的数据进行分析处理，从而实现对融合弱光栅阵列的传感光纤沿线的扰动定位和测量。
窄线宽激光器发出的连续光经第一耦合器分成两路，其中一路光信号经第一声光调制器AOM1调制成第一脉冲光，另一路光信号经第二声光调制器AOM2调制成第二脉冲光，第一脉冲光和第二脉冲光经第二耦合器合成一路脉冲光，经掺铒光纤放大器EDFA放大后通过环形器进入光栅阵列，双脉冲的反射光在光栅中叠加干涉，反射光和散射光返回后由光电探测器探测，数据采集卡进行同步采集，最后送入计算机进行处理。
在本实施例中，如图1所示，激光器输出的窄线宽连续光经分光比为50：50的耦合器分成两路，其中一路光信号经200M的AOM1调制成300ns的第一脉冲光，另一路光信号经150M的AOM2调制成300ns的第二脉冲光，两个脉冲光的脉冲间距为500ns。通过对第一脉冲光和第二脉冲光进行功率控制，使两个脉冲的峰值保持一致。第一脉冲光和第二脉冲光经第二耦合器合成一路脉冲光，经EDFA放大后通过环形器进入光栅间隔50m的光栅阵列，双脉冲的反射光在光栅中叠加干涉，反射光和散射光返回后由光电探测器探测，数据采集卡进行同步采集，最后送入计算机进行处理。
如图2所示，是灵敏度可调的大振幅信号分布式弱光栅阵列系统的传感原理。t1时刻前脉冲的半个脉冲宽度叠加的背向瑞利散射光ERay1向后传输，在
Figure BDA0003768180340000052
时刻，与后脉冲的半个脉冲宽度叠加的背向瑞利散射光ERay2发生叠加干涉，形成拍频。同时t2时刻前脉冲在前光栅处的反射光ERef1向后传输，在
Figure BDA0003768180340000061
时刻，与后脉冲在后光栅处的反射光ERef2发生叠加干涉，形成拍频。可以看到，由于光栅的位置固定，所以反射光会受到完整振动的调制；而散射光是在光纤上每处都存在的，所以散射光是逐步跨过振动区域的，受振动调制的区域由小变大再变小。因为这个性质，反射光对振动的灵敏度是固定的，而散射光对振动的灵敏度是先变大再变小的。
如图3所示，是灵敏度可调的大振幅信号分布式弱光栅阵列系统的解调原理。由于反射光信号对振动的灵敏度是固定的，而散射光对振动的灵敏度是变化的，所以通过选择合适的散射光信号点，可以保证两者对振动的灵敏度不同。如图3中的(a)部分所示，当小幅度振动作用在光纤上时，由于没有超过相位解缠绕算法的限制，反射光信号和散射光信号都能对振动进行传感，而由于它们的灵敏度差异，作差后仍然可对振动传感。如图3中的(b)部分所示，当大幅度振动作用在光纤上时，由于超过相位解缠绕算法的限制，反射光信号和散射光信号都不能对振动进行传感，而由于它们的灵敏度差异，选择合适的散射光信号点，作差后可以压缩相位跳变，实现对大幅度振动的传感。
图4是信号的解调流程图。如图4中的(a)部分所示，当小幅度振动作用在光纤上时，由于反射光信号的信噪比比散射光信号的信噪比高，所以我们直接选择反射光信号的解调结果作为最终结果输出。如图4中的(b)部分所示，当大幅度振动作用在光纤上时，反射光信号的解调结果和散射光的解调结果都会出错，但通过选择合适散射光信号点，对两个解调结果作差，作为最终结果输出。
上述解调原理可以通过下式表达：
Figure BDA0003768180340000062
其中，
Figure BDA0003768180340000063
是散射点的解调结果，k1是散射点对振动的灵敏度，
Figure BDA0003768180340000064
是反射点的解调结果，k2是反射点对振动的灵敏度，Δε是外界振动。由于k1值可选，通过选择合适的k1值，就可以保证相减后的相位跳变值在
Figure BDA0003768180340000065
之间，实现对大幅度振动的传感。
设所选的散射光信号点与反射光信号点的解调作差结果是A，所选点之后的诸多散射光信号点与反射光信号点的解调作差结果是N1，N2，N3，……，Nn。散射光信号的选择需要保证N1，N2，N3，……，Nn和A的波形基本一致，从而保证作差结果足够的相位压缩程度。在所选的散射光信号点之后，选择不同的散射光信号点N1，N2，N3，……，Nn与反射光信号点的解调结果作差，可以实现灵敏度的可调节。
如图5所示，是光栅阵列产生的脉冲反射信号和光纤产生的散射信号图，右上角的小图是振动区域的放大图。在2500-2600之间选择一个反射点信号，输出如图6实线所示的解调结果，可以看到解缠绕出错；在2360-2420之间选择一个合适的散射点信号，输出如图6虚线所示的解调结果，可以看到解缠绕出错；随后，对两个解调结果作差，如图7所示，可以正确恢复大幅度信号。图8是灵敏度调节的拟合结果，选择最右侧的散射点信号与反射点信号作差，拟合得到的相位峰峰值和激振器电流之间曲线(如图8中的(a)部分图片所示)，此时灵敏度为1.593。选择最左侧的散射点信号与反射点信号作差，拟合得到的相位峰峰值和激振器电流之间曲线，此时灵敏度为1.955(如图8中的(b)部分图片所示)；即本系统的灵敏度调节范围为1.593～1.955。
因此，本方案的系统和方法，与传统的方案相比，具有以下优势：
第一，利用IQ解调从反射光信号和背向瑞利散射光信号中分别解调得到相位信号，通过对反射光的解调结果和散射光的解调结果进行作差，突破了采样率对应变测量范围的限制，实现了大应变的精确恢复。第二，利用反射光信号全跨过振动区域，而散射光信号逐步跨过振动区域的性质，通过选择合适的散射光信号点，实现了灵敏度的可调节。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所作的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种灵敏度可调的大振幅信号分布式弱光栅阵列解调方法，其特征在于，所述大振幅信号分布式弱光栅阵列解调方法包括以下步骤：
S1，生成具有不同调制频率、相同脉冲宽度和相同峰值的双脉冲光，将生成的双脉冲光融合后导入分布式弱光栅阵列，对扰动信号进行测量；其中，在各个光栅上，两个脉冲的反射光进行叠加产生干涉，返回反射光信号；同时，双脉冲光沿光纤传输时，随机产生背向瑞利散射光，返回散射光信号；
S2，利用IQ解调技术对返回的反射光信号和散射光信号进行相位解调，得到反射光的解调结果和散射光的解调结果；
S3，选择其中一个散射光信号点，对散射光信号点和反射光信号点的解调结果进行作差，得到该散射光信号点的作差结果；做差结果的相位跳变值在
Figure FDA0003768180330000011
之间；
S4，对该散射光信号点的作差结果与反射光的解调结果进行波形比对，如果两者波形一致，输出反射光的解调结果作为扰动信号测量结果，否则，输出作差结果作为扰动信号测量结果。
2.根据权利要求1所述的灵敏度可调的大振幅信号分布式弱光栅阵列解调方法，其特征在于，步骤S1中，两个脉冲光的间距满足：
Figure FDA0003768180330000012
其中，c为光在真空中的传播速度，n为光纤的等效折射率，L为分布式弱光栅阵列中相邻光栅的间距。
3.根据权利要求1所述的灵敏度可调的大振幅信号分布式弱光栅阵列解调方法，其特征在于，步骤S3中，根据下述公式计算得到散射光信号点的作差结果：
Figure FDA0003768180330000013
其中，
Figure FDA0003768180330000014
是散射点的解调结果，k1是散射点对外界振动信号的灵敏度系数，
Figure FDA0003768180330000015
是反射点的解调结果，k2是反射点对外界振动信号的灵敏度系数，Δε是外界振动信号；k1值与选择的散射光信号点的位置相关。
4.根据权利要求1所述的灵敏度可调的大振幅信号分布式弱光栅阵列解调方法，其特征在于，步骤S3中，设所选的散射光信号点与反射光信号点的解调作差结果是A，所选散射光信号点之后的诸多散射光信号点与反射光信号点的解调作差结果分别是N1、N2、N3、……、Nn；N1、N2、N3、……、Nn和A的波形误差均小于预设误差阈值。
5.根据权利要求1所述的灵敏度可调的大振幅信号分布式弱光栅阵列解调方法，其特征在于，所述大振幅信号分布式弱光栅阵列解调方法还包括以下步骤：
通过选择不同灵敏度系数的散射光信号点，对扰动信号的测量灵敏度进行调节。
6.一种灵敏度可调的大振幅信号分布式弱光栅阵列解调系统，其特征在于，所述大振幅信号分布式弱光栅阵列解调系统包括窄线宽激光器、第一耦合器、第二耦合器、第一声光调制器、第二声光调制器、掺铒光纤放大器、环形器、融合弱光栅阵列的传感光纤、光电探测器、数据采集卡和计算机；
所述窄线宽激光器发出的连续光经第一耦合器分成两路，其中一路光信号经第一声光调制器调制成第一脉冲光，另一路光信号经第二声光调制器制成第二脉冲光，第一脉冲光和第二脉冲光经第二耦合器合成一路脉冲光，合成后的脉冲光经掺铒光纤放大器放大后通过环形器进入融合弱光栅阵列的传感光纤，使双脉冲的反射光在光栅中叠加干涉，返回相应的反射光信号和散射光信号；所述光电探测器探测得到返回的反射光信号和散射光信号，由数据采集卡同步采集后，送入计算机；
所述计算机利用如权利要求1-5任一项中所述的大振幅信号分布式弱光栅阵列解调方法对扰动信号进行测量。
7.根据权利要求6所述的灵敏度可调的大振幅信号分布式弱光栅阵列解调系统，其特征在于，所述第一耦合器和第二耦合器的耦合比为50：50。
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