发明内容
本发明提供了一种分布式光纤声波传感装置、高分辨率探测信号处理装置及分布式光纤声波传感系统,解决相关技术中存在的无法满足高空间分辨率探测需求的问题。
作为本发明的第一个方面,提供一种分布式光纤声波传感装置,其中,包括:
光源,用于发射光;
第一级耦合器模块,与所述光源连接,用于将所述光进行分光后获得四路光;
第二级耦合器模块,与所述第一级耦合器模块连接,用于将四路光中的每一路光分光成两路光;
调制放大模块,与所述第二级耦合器模块连接,用于将第二级耦合器模块分光后的四路光分别进行调制放大;
环形器模块,用于将调制放大后的四路光进行耦合以获得四路耦合光,以及用于接收四芯光缆的探测信号;
绕线器模块,用于连接四芯光缆,且分别缠绕所述四芯光缆中四种不同长度的光纤,并将四路耦合光分别输送至四芯光缆中;
第三级耦合器模块,分别与所述环形器模块和所述第二级耦合器模块连接,用于将第二级耦合器模块分光后的另外四路光和四芯光缆的探测信号进行耦合,获得四路探测耦合信号;
探测模块,与所述第三级耦合器模块连接,用于对所述四路探测耦合信号分别进行光电转换处理,获得四路探测电信号。
进一步地,所述四芯光缆包括四根光纤,所述绕线器模块包括四个绕线器,每个所述绕线器均与所述四芯光缆连接,且每个所述绕线器上均缠绕不同长度的光纤。
进一步地,四个绕线器上缠绕的光纤长度分别为1米、2米、3米和4米。
进一步地,所述第一级耦合器模块包括一个1分4耦合器,所述第二级耦合器模块包括4个1分2耦合器,所述第三级耦合器模块包括4个2分2耦合器,
所述1分4耦合器能够将所述光源发射的光分成四路光;
每个所述1分2耦合器均能够将四路光中的一路光分成两路光;
每个所述2分2耦合器均能够将所述1分2耦合器后的一路光与一路探测信号进行耦合后分成一路探测耦合信号。
进一步地,所述调制放大模块包括四个声光调制器和四个脉冲放大器,每个所述声光调制器的输入端均连接一个1分2耦合器,每个声光调制器的输出端均连接一个脉冲放大器,
每个所述声光调制器均能够对所述1分2耦合器的一路光进行调制以获得调制信号;
每个所述脉冲放大器均能够对所述调制信号进行放大。
进一步地,所述探测模块包括四个探测器,每个探测器均连接一个2分2耦合器的输出端,每个探测器均用于对所述2分2耦合器输出的光信号进行探测,并获得探测电信号。
作为本发明的另一个方面,提供一种高分辨率探测信号处理装置,其中,用于对前文所述的分布式光纤声波传感装置所获得的探测电信号进行处理,以获得空间分辨率的计算结果。
进一步地,所述高分辨率探测信号处理装置包括:
相位解调模块,用于对所述探测电信号进行相位解调以获得解调信号;
空间分辨率计算模块,用于根据所述解调信号计算空间分辨率。
进一步地,所述空间分辨率计算模块包括:
相位信号差分值计算单元,用于根据所述解调信号计算待测光纤上任意两点间的相位信号差分值;
空间分辨率计算单元,用于根据所述相位信号差分值和光纤传输速度计算空间分辨率。
作为本发明的另一个方面,提供一种分布式光纤声波传感系统,其中,包括:脉冲信号发生器、数据采集卡、服务器和前文所述的分布式光纤声波传感装置,所述服务器包括前文所述的高分辨率探测信号处理装置,所述高分辨率探测信号处理装置与所述分布式光纤声波传感装置通过所述数据采集卡通信连接,所述脉冲信号发生器与所述数据采集卡通信连接,
所述脉冲信号发生器用于向所述数据采集卡提供触发信号;
所述分布式光纤声波传感装置用于根据光源发出的光对四芯光缆中的信号进行探测并获得探测电信号;
所述数据采集卡能够将模拟探测电信号转换为数字探测电信号;
所述高分辨率探测信号处理装置能够根据所述数据探测电信号进行计算处理获得高空间分辨率的计算结果。
本发明提供的分布式光纤声波传感装置,通过设置第一级耦合器模块将光分成四路,进而通过第二级耦合器模块对四路光中的每一路再次分成两路,第二级耦合器模块输出的其中四路通过调制放大处理进入到四芯光缆中并获得探测信号,该探测信号与第二级耦合器模块输出的另外四路进行耦合后,获得四路探测电信号,该四路探测电信号经过后续的计算处理等能够获得四芯光缆的探测结果,并且由于绕线器模块能够缠绕不同长度的光纤,以改变前端光纤的探测长度,进而使得四根光纤的探测数据出现差异,通过差分实现探测结果具有高空间分辨率的效果。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案,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的实施例,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,都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是,本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的本发明的实施例。此外,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包括,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本实施例中提供了一种分布式光纤声波传感装置,图1是根据本发明实施例提供的分布式光纤声波传感装置的结构框图,如图1所示,包括:
光源10,用于发射光;
第一级耦合器模块20,与所述光源10连接,用于将所述光进行分光后获得四路光;
第二级耦合器模块30,与所述第一级耦合器模块20连接,用于将四路光中的每一路光分光成两路光;
调制放大模块40,与所述第二级耦合器模块30连接,用于将第二级耦合器模块30分光后的四路光分别进行调制放大;
环形器模块50,用于将调制放大后的四路光进行耦合,获得四路耦合光;
绕线器模块60,用于连接四芯光缆90,且分别缠绕所述四芯光缆90中四种不同长度的光纤,并将四路耦合光分别输送至四芯光缆90中;
第三级耦合器模块70,分别与所述环形器模块50和所述第二级耦合器模块30连接,用于将第二级耦合器模块30分光后的另外四路光和四芯光缆90的探测信号进行耦合,获得四路探测耦合信号;
探测模块80,与所述第三级耦合器模块70连接,用于对所述四路探测耦合信号分别进行光电转换处理,获得四路探测电信号。
在本发明实施例中,为了实现高空间分辨率,通过设置第一级耦合器模块将光分成四路,进而通过第二级耦合器模块对四路光中的每一路再次分成两路,第二级耦合器模块输出的其中四路通过调制放大处理进入到四芯光缆中并获得探测信号,该探测信号与第二级耦合器模块输出的另外四路进行耦合后,获得四路探测电信号,该四路探测电信号经过后续的计算处理等能够获得四芯光缆的探测结果,并且由于绕线器模块能够缠绕不同长度的光纤,以改变前端光纤的探测长度,进而使得四根光纤的探测数据出现差异,通过差分实现探测结果具有高空间分辨率的效果。
在本发明实施例中,所述四芯光缆90包括四根光纤,所述绕线器模块60包括四个绕线器,每个所述绕线器均与所述四芯光缆连接,且每个所述绕线器上均缠绕不同长度的光纤。
具体地,四个绕线器上缠绕的光纤长度分别为1米、2米、3米和4米。
应当理解的是,如图1所示,绕线器1缠绕4米的光纤,绕线器2缠绕3米的光纤,绕线器3缠绕2米的光纤,绕线器4缠绕1米的光纤。
在本发明实施例中,所述第一级耦合器模块20包括一个1分4耦合器,所述第二级耦合器模块包括4个1分2耦合器,所述第三级耦合器模块70包括4个2分2耦合器,
所述1分4耦合器能够将所述光源发射的光分成四路光;
每个所述1分2耦合器均能够将四路光中的一路光分成两路光;
每个所述2分2耦合器均能够将所述1分2耦合器后的一路光与一路探测信号进行耦合后分成一路探测耦合信号。
在本发明实施例中,通过1分4耦合器将光分成四路,进而每路光通过1分2耦合器继续分成两路,两路中的其中一路进入到调制放大模块,另一路进入到2分2耦合器,由于有4个1分2耦合器,因此有4路光纤进入到调制放大模块,另外4路分别进入到4个2分2耦合器中。
具体地,如图1所示,所述调制放大模块40包括四个声光调制器AOM和四个脉冲放大器EDFA,每个所述声光调制器AOM的输入端均连接一个1分2耦合器,每个声光调制器AOM的输出端均连接一个脉冲放大器EDFA,
每个所述声光调制器AOM均能够对所述1分2耦合器的一路光进行调制以获得调制信号;
每个所述脉冲放大器EDFA均能够对所述调制信号进行放大。
在本发明实施例中,所述环形器模块50包括四个环形器,每个环形器均分别与所述脉冲放大器、绕线器以及2分2耦合器连接。
具体地,所述探测模块80包括四个探测器,每个探测器均连接一个2分2耦合器的输出端,每个探测器均用于对所述2分2耦合器输出的光信号进行探测,并获得探测电信号。
下面结合图1对本发明实施例提供的分布式光纤声波传感装置的工作原理进行详细描述。
光源具体可以采用超窄线宽激光器,能够提高相干性,输出功率为40毫瓦。光源发射出的光经过1分4耦合器,1分4耦合器输出的其中一路光再进入1分2耦合器,1分2耦合器输出的两路光中的其中一路进入声光调制器AOM,声光调制器将连续光调制成脉冲光并产生80MHz频移,再经过脉冲放大器EDFA放大后由环形器耦合进入绕线器,该绕线器严格缠绕4m长光纤,然后进入四芯待测光缆;1分2耦合器输出的两路光中的另一路与通过环形器输出的探测信号一同进入到2分2耦合器,然后经过探测器探测,实现光转电,探测器出来的是模拟信号,再经过250MHz/s采集卡实现A/D转换,进入服务器进行算法处理。
1分4耦合器输出的二路光进入1分2耦合器,其一进入声光调制器AOM,声光调制器将连续光调制成脉冲光并产生80MHz频移,再经过EDFA放大后由环形器耦合进入绕线器,绕线器严格缠绕3m长光纤,然后进入四芯待测光缆,其二进入2分2耦合器,然后经过探测器探测,实现光转电,探测器出来的是模拟信号,再经过250MHz/s采集卡实现A/D转换,进入服务器。
1分4耦合器输出的三路光进入1分2耦合器,其一进入声光调制器AOM,声光调制器将连续光调制成脉冲光并产生80MHz频移,再经过EDFA放大后由环形器耦合进入绕线器,绕线器严格缠绕2m长光纤,然后进入四芯待测光缆,其二进入2分2耦合器,然后经过探测器探测,实现光转电,探测器出来的是模拟信号,再经过250MHz/s采集卡实现A/D转换,进入服务器。
1分4耦合器输出的四路光进入1分2耦合器,其一进入声光调制器AOM,声光调制器将连续光调制成脉冲光并产生80MHz频移,再经过EDFA放大后由环形器耦合进入绕线器,绕线器严格缠绕1m长光纤,然后进入四芯待测光缆,其二进入2分2耦合器,然后经过探测器探测,实现光转电,探测器出来的是模拟信号,再经过250MHz/s采集卡实现A/D转换,进入服务器。
最终服务器汇合四路信号,进行算法处理。这里的四芯光缆是同一根光缆,里面加入4根纤芯,比如通信工程使用的GYTA-4B型号,甚至16芯、48芯、96芯等多芯光缆,只需拿出4芯既可满足要求。脉冲信号发生器给数字采集卡和AOM驱动提供触发信号,触发2KHz、40ns脉冲。
综上,本发明实施例提供的分布式光纤声波传感装置,通过1分4耦合器将光分成四路,实现对四芯光缆的探测,且四芯光缆分别通过四个绕线器缠绕光纤长度分别为1米、2米、3米和4米,这样针对四芯光缆中的四个光纤分别多采集1米的数据、2米的数据、3米的数据和4米的数据,由于在绕线器上缠绕的光纤是多出来的,因此能够形成数据错位,通过差分计算,得到每一米的数据,进而有效实现1米空间分辨率的探测。
作为本发明的另一实施例,提供一种高分辨率探测信号处理装置,其中,用于对前文所述的分布式光纤声波传感装置所获得的探测电信号进行处理,以获得空间分辨率的计算结果。
应当理解的是,本发明提供的高分辨率探测信号处理装置,前文所述的分布式光纤声波传感装置的探测信号的处理,由于分布式光纤声波传感装置中的绕线器模块改变光纤前端的探测长度,在实现对四芯光缆进行探测的同时,由于光纤前端探测长度的改变则获得不同采集数据,通过差分计算能够实现高空间分辨率。
在本发明实施例中,如图2所示,所述高分辨率探测信号处理装置100包括:
相位解调模块110,用于对所述探测电信号进行相位解调以获得解调信号;
具体地,如图1所示的任意一路输出的探测电信号均可以表示如下:
I(t)=E0R(t)cos(2πfbt+θfut(t)+θ(t0)-θ(t)),
其中,E0表示激光器出射光的场强幅度,t0表示初始时间,R(t)表示光纤的瑞利散射系数,fb为拍频频率,θ(t)为激光器输出的激光相位信号,θfut(t)表示外界信号振动导致的被测光纤相位改变量,θ(t0)-θ(t)表示激光器的相位噪声。
上述公式经希尔伯特变换后,拍频信号会加上90°的相移,可以表示如下式:
H(t)=E0R(t)sin(2πfbt+θfut(t)+θ(t0)-θ(t)),
根据上面两个公式,可以求得相位信号和强度信号分别如下:
φ(t)=arctan(H(t)/I(t)),
另外,探测器噪声也会对相位的提取产生影响,对相位提取的信号可以写成如下的表达式:
S(f)=A(t)cos(wt+φ)+N(t),
其中,A(t)表示幅度,表示提取出来的相位,N(t)表示探测器的电噪声。
空间分辨率计算模块120,用于根据所述解调信号计算空间分辨率。
具体地,所述空间分辨率计算模块包括:
相位信号差分值计算单元,用于根据所述解调信号计算待测光纤上任意两点间的相位信号差分值;
经过相位提取后,可以计算待测光纤上任意两点(t1,t2)间的相位信号差分值:
Δφ(t1,t2)=θfut(t1)-θfut(t2)-(θ(t1)-θ(t2))。
空间分辨率计算单元,用于根据所述相位信号差分值和光纤传输速度计算空间分辨率。
两点探测距离,系统中数据采集卡采样率是250MHz/S,系统脉冲宽度是40ns,则将10个采样点(采样一个点时间为4ns,对应脉冲宽度40ns需要10个采样点时间)为一组,求其相位和,表达式如下:
φ(t1)=φ(t1)+φ(t2)+φ(t3)+......+φ(t10),
φ(tn)=φ(tn+1)+φ(tn+2)+φ(tn+3)+......+φ(tn+10);
再根据光在光纤中传输速度计算空间分辨率:
其中c表示光速,T表示脉冲宽度,n表示光纤的折射率,如图3所示。
如图4所示,为了实现1m空间分辨率,得到4m中每1m数据,需要对4组光缆数据进行差分,光缆长度表述(j为以4m为间隔的第j个位置):
d11+d12+d13+…d1j=dataj+4,
d21+d22+d23+…d2j=dataj+3,
d31+d32+d33+…d3j=dataj+2,
d41+d42+d43+…d4j=dataj+1。
差分后得到每4m内每1m的数据,从而实现空间分辨率1m要求。
d1j-d2j=data1m,
d2j-d3j=data2m,
d3j-d4j=data3m,
d4j=data4m。
由于d1j、d2j、d3j、d4j表示4m数据,需要对每一米进行表述:
d1j=data1j1+data1j2+data1j3+data1j4,
d2j=data2j1+data2j2+data2j3+data2j4,
d3j=data3j1+data3j2+data3j3+data3j4,
d4j=data4j1+data4j2+data4j3+data4j4,
其中,data1j1表示第一条光缆第j个4m里面的第1米数据,datalj2表示第一条光缆第j个4m里面的第2米数据,datalj3表示第一条光缆第j个4m里面的第3米数据,其他表示依次类推。
已知dlj、d2j、d3j、d4j、datalm、data2m、data3m、data4m,依次相减,可以得到:
上述每组数据都可以表示光缆每一米的空间数据。
这样就得到了每1m的数据,然后对这些数据先后距离进行拼接,最终得到整条光缆每1m数据,实现1m的空间分辨率。
作为本发明的另一实施例,提供一种分布式光纤声波传感系统,其中,包括:脉冲信号发生器、数据采集卡、服务器和前文所述的分布式光纤声波传感装置,所述服务器包括前文所述的高分辨率探测信号处理装置,所述高分辨率探测信号处理装置与所述分布式光纤声波传感装置通过所述数据采集卡通信连接,所述脉冲信号发生器与所述数据采集卡通信连接,
所述脉冲信号发生器用于向所述数据采集卡提供触发信号;
所述分布式光纤声波传感装置用于根据光源发出的光对四芯光缆中的信号进行探测并获得探测电信号;
所述数据采集卡能够将模拟探测电信号转换为数字探测电信号;
所述高分辨率探测信号处理装置能够根据所述数据探测电信号进行计算处理获得高空间分辨率的计算结果。
综上,本发明实施例提供的分布式光纤声波传感系统,由于采用前文所述的分布式光纤声波传感装置实现四芯光缆的探测,以及通过高分辨率探测信号处理装置对探测信号的处理分析,获得高空间分辨率的计算结果,从而能够满足高空间分辨率的探测需求,为用户提供更加精准的探测结果,适用范围更加广泛。
可以理解的是,以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式,然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言,在不脱离本发明的精神和实质的情况下,可以做出各种变型和改进,这些变型和改进也视为本发明的保护范围。