CN116295778A - 分布式声波传感系统及其解调方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种分布式声波传感系统及其解调方法。分布式声波传感系统包括激光器、光调制器件、光纤、非平衡干涉器件、平衡光电探测器及信号处理器。光调制器件用于接收激光，将激光调制为啁啾频率脉冲光并放大输出。光纤包括多个散射增强点，用于接收放大后的啁啾频率脉冲光，并输出散射增强点的反射光。非平衡干涉器件包括两个具有臂长差的干涉元件，并利用两个所述干涉元件的延时形成两个散射增强点的干涉光谱。平衡光电探测器用于将两个散射增强点的反射光形成的两个散射增强点的干涉光谱转换为相应的电信号。信号处理器用于采集电信号并对电信号进行分析解调，以输出声波信息。实现大动态范围的声波传感。

Description

分布式声波传感系统及其解调方法

技术领域

本申请涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种分布式声波传感系统及其解调方法。

背景技术

分布式光纤声波传感系统因其基元数量多、传感距离长、灵敏度高等优点在结构健康监测、周界安防、水声探测、资源勘探等领域得到了广泛关注。通过分析待测光纤中探测脉冲光的后向散射光信息，可以实现对外界声波的感知与定位。基于相位解调的分布式传感系统解调得到的相位和声波信号的幅值信号之间存在线性对应关系，通过解调相位的变化可以很好的反映声波的变化情况，因而基于相位解调技术的分布式声波传感技术得到了广泛应用。相关技术中，分布式声波传感系统的声波动态范围受限。

发明内容

本申请提供一种实现超大动态范围的分布式声波传感系统及其解调方法。

本申请提供一种分布式声波传感系统，包括：

激光器，用于产生激光；

光调制器件，与所述激光器连接，所述光调制器件用于接收所述激光，将所述激光调制为啁啾频率脉冲光并放大输出；

光纤，包括多个散射增强点，其中每两个所述散射增强点之间具有间隔；所述光纤用于接收放大后的所述啁啾频率脉冲光，并输出散射增强点的反射光；

非平衡干涉器件，包括两个具有臂长差的干涉元件，且均与所述光纤连接，所述两个干涉元件分别用于接收散射增强点的所述反射光，并利用两个所述干涉元件的延时形成两个散射增强点的干涉光谱；

平衡光电探测器，与所述非平衡干涉器件连接；所述平衡光电探测器用于将两个散射增强点的所述反射光形成的两个散射增强点的所述干涉光谱转换为相应的电信号；及

信号处理器，与所述平衡光电探测器连接，所述信号处理器用于采集所述电信号，并对所述电信号进行分析解调，以输出声波信息。

可选的，所述光调制器件至少包括：

声光调制器，与所述激光器连接；所述声光调制器用于接收所述激光并将所述激光调制为脉冲光；

电光调制器，与所述声光调制器连接；所述电光调制器用于接收所述脉冲光并将所述脉冲光调制为啁啾频率脉冲光；

光放大器，与所述电光调制器连接，所述光放大器用于接收所述啁啾频率脉冲光并将所述啁啾频率脉冲光放大并输出。

可选的，所述脉冲光的脉冲宽度小于相邻两个所述散射增强点的间隔。

可选的，所述分布式声波传感系统还包括第一环形器，包括相互隔离的第一传输通道和第二传输通道，所述光调制器件通过所述第一传输通道与所述光纤连接，所述光纤通过所述第二传输通道与所述非平衡干涉器件连接。

可选的，所述第一环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口、所述第二端口连通并形成所述第一传输通道连通，所述第二端口、所述第三端口连通并形成所述第二传输通道。

可选的，所述分布式声波传感系统还包括第二环形器，包括相互隔离的第三传输通道和第四传输通道，所述光纤依次通过所述第二传输通道、所述第三传输通道与所述非平衡干涉器件连接，所述非平衡干涉器件至少通过所述第四传输通道与所述平衡光电探测器连接。

可选的，所述第二环形器包括第四端口、第五端口和第六端口，所述第四端口、所述第五端口连通并形成所述第三传输通道，所述第五端口、所述第六端口连通并形成所述第四传输通道。

可选的，所述干涉元件包括法拉第旋转镜；所述非平衡干涉器件还包括第一耦合器，与所述第二环形器、两个具有臂长差的所述法拉第旋转镜连接，且与所述平衡光电探测器连接。

可选的，所述干涉元件包括第二耦合器；所述非平衡干涉器件还包括第三耦合器，与所述第二耦合器、所述平衡光电探测器连接。

可选的，所述激光器的线宽满足如下条件：Δv≤c/2n(ΔL₁-ΔL₂)；其中，

2n(ΔL₁-ΔL₂)用于表示所述非平衡干涉器件的光程差；

c用于表示所述激光在真空中的传播速度；

n用于表示光纤纤芯的有效折射率；

ΔL₁用于表示每两个所述散射增强点之间具有间隔；

ΔL₂用于表示两个所述干涉元件的臂长差。

可选的，所述光纤的多个所述散射增强点均匀分布或非均匀分布。

可选的，所述啁啾频率脉冲光为线性调频脉冲光或非线性调频脉冲光。

可选的，所述信号处理器用于：

对所述电信号进行滤波、降噪和归一化处理；

对归一化处理后的电信号进行频率分析，得到该电信号的光程差；

利用所述光程差获取解调后的参考信号，与归一化处理后的所述电信号进行比较，以获取归一化处理后的所述电信号与所述参考信号之间的相位差；

根据所述相位差和所述光程差之间的关系，将所述相位差反馈补偿至所述光程差；

比较不同帧下同一位置的反馈补偿后的所述光程差的变化情况，并通过补偿后的所述光程差的解调结果得到所述声波信息。

本申请还提供一种分布式声波传感系统的解调方法，采用上述实施例中任一项所述的分布式声波传感系统，所述解调方法包括：

提供激光器，用于产生激光；

提供光调制器件，用于接收所述激光，将所述激光调制为啁啾频率脉冲光并放大输出；

提供光纤，用于接收放大后的所述啁啾频率脉冲光，并输出散射增强点的反射光；

提供非平衡干涉器件，分别用于接收散射增强点的所述反射光，并利用两个所述干涉元件的延时形成两个散射增强点的干涉光谱；

提供平衡光电探测器，用于将两个散射增强点的所述反射光形成的两个散射增强点的所述干涉光谱转换为相应的电信号；及

提供信号处理器，用于采集所述电信号，并对所述电信号进行分析解调，以输出声波信息。

可选的，所述提供光调制器件，用于接收所述激光，将所述激光调制为啁啾频率脉冲光并放大输出，包括：

提供声光调制器，用于接收所述激光并将所述激光调制为脉冲光；

提供电光调制器，用于接收所述脉冲光并将所述脉冲光调制为啁啾频率脉冲光；及

提供光放大器，用于接收所述啁啾频率脉冲光并将所述啁啾频率脉冲光放大并输出。

可选的，所述提供信号处理器，用于采集所述电信号，并对所述电信号进行分析解调，以输出声波幅值信息，包括：

对所述电信号进行滤波、降噪和归一化处理；

对归一化处理后的电信号进行频率分析，得到该电信号的光程差；

利用所述光程差获取解调后的参考信号，与归一化处理后的所述电信号进行比较，以获取归一化处理后的所述电信号与所述参考信号之间的相位差；

根据所述相位差和所述光程差之间的关系，将所述相位差反馈补偿至所述光程差；

比较不同帧下同一位置的反馈补偿后的所述光程差的变化情况，并通过补偿后的所述光程差的解调结果得到所述声波信息。

可选的，所述提供声光调制器，用于接收所述激光并将所述激光调制为脉冲光，包括：

所述脉冲光的脉冲宽度小于相邻两个所述散射增强点的间隔。

可选的，所述提供激光器，用于产生激光，包括：

所述激光器的线宽满足如下条件：Δv≤c/2n(ΔL₁-ΔL₂)；其中，

2n(ΔL₁-ΔL₂)用于表示所述非平衡干涉器件的光程差；

c用于表示所述激光在真空中的传播速度；

n用于表示光纤纤芯的有效折射率；

ΔL₁用于表示每两个所述散射增强点之间具有间隔；

ΔL₂用于表示两个所述干涉元件的臂长差。

可选的，所述提供光纤，用于接收放大后的所述啁啾频率脉冲光，并输出散射增强点的反射光，包括：

所述光纤具有多个散射增强点，每两个所述散射增强点之间具有间隔；多个所述散射增强点均匀分布或非均匀分布。

可选的，所述提供声光调制器，用于接收所述激光并将所述激光调制为脉冲光，包括：

所述啁啾频率脉冲光为线性调频脉冲光或非线性调频脉冲光。

本申请实施例的分布式声波传感系统及其解调方法，通过使用具有多个散射增强点的光纤作为传感光纤，配合非平衡干涉器件的两个具有臂长差的干涉元件利用该两个干涉元件的延时形成具有较小的光程差的干涉光谱，并利用光调制器件将激光调制为啁啾频率脉冲光作为探测光，通过平衡光电探测器探测得到不同波长下的光强分布，通过信号处理器采集干涉光谱对应的电信号，并对该电信号的光程差进行解调，实现大动态范围的声波传感。

附图说明

图1所示为本申请的分布式声波传感系统的一个实施例的原理框图。

图2所示为本申请的分布式声波传感系统的解调方法的一个实施例的步骤流程图。

图3所示为图2所示的分布式声波传感系统的解调方法的步骤流程图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示至少两个。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

本申请提供一种分布式声波传感系统及其解调方法。分布式声波传感系统包括激光器、光调制器件、光纤、非平衡干涉器件、平衡光电探测器及信号处理器。激光器用于产生激光。光调制器件与激光器连接，光调制器件用于接收激光，将激光调制为啁啾频率脉冲光并放大输出。光纤包括多个散射增强点，其中每两个散射增强点之间具有间隔；光纤用于接收放大后的啁啾频率脉冲光，并输出散射增强点的反射光。非平衡干涉器件包括两个具有臂长差的干涉元件，且均与光纤连接，两个干涉元件分别用于接收散射增强点的反射光，并利用两个干涉元件的延时形成两个散射增强点的干涉光谱。平衡光电探测器与非平衡干涉器件连接；平衡光电探测器用于将两个散射增强点的反射光形成的两个散射增强点的干涉光谱转换为相应的电信号。信号处理器与平衡光电探测器连接，信号处理器用于采集电信号，并对电信号进行分析解调，以输出声波信息。

本申请实施例的分布式声波传感系统及其解调方法，通过使用具有多个散射增强点的光纤作为传感光纤，配合非平衡干涉器件的两个具有臂长差的干涉元件，利用该两个干涉元件的延时形成具有较小的光程差的干涉光谱，并利用光调制器件将激光调制为啁啾频率脉冲光作为探测光，通过平衡光电探测器探测得到不同波长下的光强分布，通过信号处理器采集干涉光谱对应的电信号，并对该电信号的光程差进行解调，实现大动态范围的声波传感。

在光纤传感技术领域中，分布式光纤声波传感系统因其基元数量多、传感距离长、灵敏度高等优点在结构健康监测、周界安防、水声探测、资源勘探等领域得到了广泛关注。通过分析待测光纤中探测脉冲光的后向散射光信息，可以实现对外界声波的感知与定位。基于相位解调的分布式传感系统解调得到的相位和声波信号的幅值信号之间存在线性对应关系，通过解调相位的变化可以很好的反映声波的变化情况，因而基于相位解调技术的分布式声波传感技术得到了广泛应用。

由于相位卷绕现象的存在，解调相位被限制在较小的范围内。虽然可以通过相位解卷绕算法和改进的解卷绕算法扩大信号的解调范围，但是它对相位的变化率或者高阶变化率仍然有要求，存在幅度带宽积的限制，使得高频强声波作用于光纤上依然可能会造成无法用解卷绕矫正的跳变，表现为信号的严重畸变。此外，基于瑞利散射的分布式声波传感系统在相干衰落点处信号的信噪比较低，更容易出现无法用解卷绕修复的跳变，无法准确测得声波信号信息。

为了解决分布式声波传感系统的声波动态范围受限的问题，目前已经有双波长差分相位法、啁啾脉冲法以及差分展开积分算法等解决办法，但是双波长差分相位法对应变幅值的提升范围有限，啁啾脉冲法的解调范围依赖于扫频带宽，差分展开积分算法在相干衰落点处也会出现跳变的问题，造成解调信号的信噪比变差，进而无法实现准确的测量。

因此，本申请提供一种实现超大动态范围的分布式声波传感系统及其解调方法。下面结合附图，对本申请的分布式声波传感系统及其解调方法进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

图1所示为本申请的分布式声波传感系统1的一个实施例的原理框图。如图1所示，分布式声波传感系统1包括激光器101、光调制器件102、光纤103、非平衡干涉器件104、平衡光电探测器105及信号处理器106。激光器用于产生激光。在本实施例中，该激光可以为连续光。光调制器件102与激光器101连接，光调制器件102用于接收激光，将激光调制为啁啾频率脉冲光并放大输出。在本实施例中，该啁啾频率脉冲光的瞬时频率随时间的变化而变化。光纤103包括多个散射增强点107，其中每两个散射增强点107之间具有间隔。在本实施例中，光纤103的多个散射增强点107均匀或非均匀分布。例如，每两个散射增强点107之间间距为ΔL₁。光纤103用于接收放大后的啁啾频率脉冲光，并输出散射增强点的反射光。非平衡干涉器件104包括两个具有臂长差的干涉元件108，且均与光纤103连接，两个干涉元件108分别用于接收散射增强点的反射光，并利用两个干涉元件108的延时形成两个散射增强点的干涉光谱。在本实施例中，散射增强点的形式可以是弱反射光栅，也可以是弱反射点。平衡光电探测器105与非平衡干涉器件104连接，平衡光电探测器105用于将两个散射增强点的反射光形成的两个散射增强点的干涉光谱转换为相应的电信号。信号处理器106与平衡光电探测器105连接，信号处理器106用于采集电信号，并对电信号进行分析解调，以输出声波信息。信号处理器106采集到的电信号是光强随频率余弦变化的电信号，可以通过光强随时间的变化情况反推得到干涉光谱的光程差。如此采用光程差作为分布式声波传感系统的解调量，建立光程差与声波幅值的一一对应关系，实现大动态范围的声波测量。

在上述方案中，通过使用具有多个散射增强点的光纤103作为传感光纤，配合非平衡干涉器件104的两个具有臂长差的干涉元件108，利用该两个干涉元件的延时形成具有较小的光程差的干涉光谱，并利用光调制器件102将激光调制为啁啾频率脉冲光作为探测光，通过平衡光电探测器105探测得到不同波长下的光强分布，通过信号处理器106采集干涉光谱对应的电信号，并对该电信号的光程差进行解调，实现大动态范围的声波传感。

在图1所示的实施例中，光调制器件102至少包括声光调制器109、电光调制器110和光放大器111。声光调制器109与激光器101连接，声光调制器109用于接收激光并将激光调制为脉冲光。在本实施例中，脉冲光的脉冲宽度Δτ应该满足Δτ≤2nΔL₁/c，c表示光在真空中的传播速度，n表示光纤纤芯的有效折射率，脉冲光的脉冲宽度小于相邻两个散射增强点的间隔，即一个脉冲最多覆盖一个散射增强点。电光调制器110与声光调制器109连接，电光调制器110用于接收脉冲光并将脉冲光调制为啁啾频率脉冲光。在本实施例中，啁啾频率脉冲光为线性调频脉冲光或非线性调频脉冲光，非线性调频光需要在数据处理时进行重采样或者插值操作。在其他一些实施例中，啁啾频率脉冲光也可以为使光频率在一定范围内变化的其他方案。光放大器111与电光调制器110连接，光放大器111用于接收啁啾频率脉冲光并将啁啾频率脉冲光放大并输出。在本实施例中，光放大器111可以是掺铒光纤放大器。在本实施例中，将激光器101发出的光注入到声光调制器109中，通过声光调制器109将连续的激光调制成为脉冲宽度为Δτ，移频为Δf，重频为f_r的脉冲光。脉冲光的重频f_r对应的周期应该大于脉冲在待测光纤中往返传播所需的时间。然后通过电光调制器110将脉冲光调制成为啁啾频率脉冲光。接着将啁啾频率脉冲光接入到光放大器111中进行放大并输出。

在图1所示的实施例中，激光器101可以是分布式反馈激光器。激光器101的线宽满足如下条件：Δv≤c2n(ΔL₁-ΔL₂)；其中，2n(ΔL₁-ΔL₂)用于表示非平衡干涉器件的光程差。c用于表示激光在真空中的传播速度。n用于表示光纤纤芯的有效折射率。ΔL₁用于表示每两个散射增强点之间的间隔。ΔL₂用于表示两个干涉元件的臂长差。如此设置，光程差相对于相关的探测方案大大减小，因此对激光器的线宽要求大大降低。

在图1所示的实施例中，干涉元件108包括法拉第旋转镜。非平衡干涉器件104包括两个臂长差为ΔL₂的法拉第旋转镜。法拉第旋转镜是利用法拉第效应，将输入光的偏振状态旋转后再输出的无光源器件，其将入射光的偏振态以90°的正交偏振方向进行反射。非平衡干涉器件104包含两个具有不同光程的干涉元件，干涉元件尾端连接法拉第旋转镜，用于反射干涉元件中的光。

在图1所示的实施例中，分布式声波传感系统1还包括第一环形器112，包括相互隔离的第一传输通道113和第二传输通道114，光调制器件102通过第一传输通道113与光纤103连接，光纤103通过第二传输通道114与非平衡干涉器件104连接。第一环形器112单向传播，光放大器111与第一环形器112的第一传输通道113与光纤103连接，通过第一传输通道113将放大后的啁啾频率脉冲光注入到光纤103中，光纤103中的散射增强点的反射光从第一环形器112的第二传输通道114注入到非平衡干涉器件104中。

在图1所示的实施例中，第一环形器112包括第一端口115、第二端口116和第三端口117，第一端口115、第二端口116与第一传输通道113连通，第二端口116、第三端口117连通并形成第二传输通道114。在本实施例中，第一端口115可以是输入端口，第二端口116可以是输出端口。光调制器件102将放大后的啁啾频率脉冲光通过第一端口115输入至第一传输通道113内，并通过第二端口116输出至光纤103。在本实施例中，第二端口116可以是输入端口，第三端口117可以是输出端口。放大后的啁啾频率脉冲光进入光纤103后，光纤103将散射增强点的反射光通过第二端口116输入至第二传输通道114内，并通过第三端口117输出至非平衡干涉器件104。在图1所示的实施例中，第一传输通道113和第二传输通道114如箭头所示，相互隔离设置，且均为单向通道。如此通过第一环形器112连接光调制器件102、光纤103和非平衡干涉器件104，使传输信号时不受干扰。

在图1所示的实施例中，分布式声波传感系统1还包括第二环形器118，包括相互隔离的第三传输通道119和第四传输通道120，光纤103依次通过第二传输通道114、第三传输通道119与非平衡干涉器件104连接，非平衡干涉器件104至少通过第四传输通道120与平衡光电探测器105连接。在图1所示的实施例中，第二环形器118包括第四端口121、第五端口122和第六端口123，第四端口121、第五端口122连通并形成第三传输通道119，第五端口122、第六端口123连通并形成第四传输通道120。在本实施例中，第四端口121可以是输入端口，第五端口122可以是输出端口。光纤103将散射增强点的反射光通过第二端口116输入至第三传输通道119，并通过第三端口117输出至第二环形器118的第四端口121，并通过第五端口122传输至第四端口121。在本实施例中，第五端口122可以是输入端口，第六端口123可以是输出端口。非平衡干涉器件104将两个散射增强点的干涉光谱一部分通过第五端口122输入至第四传输通道120内，并通过第六端口123输出至平衡光电探测器105，另一部分直接输出至平衡光电探测器105。在图1所示的实施例中，第三传输通道119和第四传输通道120如箭头所示，相互隔离设置，且均为单向通道。如此通过第二环形器118连接光纤103、非平衡干涉器件104和平衡光电探测器105，使传输信号时不受干扰。

在一些实施例中，非平衡干涉器件104还包括第一耦合器124，与第二环形器118、两个具有臂长差的干涉元件连接，且与平衡光电探测器105连接。在图1所示的实施例中，具有两个臂长差的法拉第旋转镜和第一耦合器124组成形成非平衡干涉器件104。该非平衡干涉器件104可以是Michelson干涉器件。由于两个法拉第旋转镜之间具有臂长差，两个散射增强点的反射光输入至该两个法拉第旋转镜时，由于臂长差而延时相遇，形成光程差较小的干涉光谱。

在其他一些实施例中，干涉元件108包括第二耦合器(未图示)。非平衡干涉器件104还包括第三耦合器(未图示)，与第二耦合器、平衡光电探测器105连接。与图1所示的实施例类似，主要区别是，第二耦合器和第三耦合器通过耦合光纤连通，第二耦合器和第三耦合器形成非平衡干涉器件104。

实际调制过程包括：首先将激光器101发出的光注入到声光调制器109中，通过声光调制器109将连续的激光调制成为脉冲宽度为Δτ，移频为Δf，重频为f_r的脉冲光。然后通过电光调制器110将脉冲光调制成为啁啾频率脉冲光。接着将啁啾频率脉冲光接入到光放大器111中进行放大并输出。将放大后的啁啾频率脉冲光注入第一环形器112的第一端口115，经过第一传输通道113，并通过第一环形器112的第二端口116注入到具有多个散射增强点的光纤103中。其中，光纤是由间距为ΔL₁的多个散射增强点组成。将第一环形器112的第三端口117与第二环形器118的第四端口121连接，通过第二环形器118的第五端口122将具有散射增强的反射光输入到臂长差为ΔL₂的非平衡干涉器件104中，两个散射增强点的反射光因为非平衡干涉器件104的臂长差而延时相遇，形成光程差较小的两个散射增强点的干涉光谱，该干涉光谱一路通过第二环形器118的第六端口123输入平衡光电探测器105中，另一路通过非平衡干涉器件104的另一端口直接注入到平衡光电探测器105中。通过平衡光电探测器105将两个散射增强点的干涉光谱转换为相应的电信号，使用信号处理器106对平衡光电探测器105转换后的电信号进行收集，并对电信号进行分析解调，得到高分辨率大动态范围的声波信息。

在图1所示的实施例中，信号处理器106用于对电信号进行滤波、降噪和归一化处理。在本实施例中，需要截取出接收到的每个干涉光谱对应转换的电信号，然后对每个该对应转换的电信号进行分别解调。例如，获取1帧对应非平衡干涉器件104输出的干涉光谱的电信号，并通过对干涉光谱的电信号分析截取，将其分为M-1个干涉光谱的电信号，并对干涉光谱的电信号进行降噪和归一化处理。降噪主要是通过滤波或平滑的方法实现的。归一化主要包含消除探测脉冲的光强起伏影响以及传感信号的去包络操作，恢复标准的干涉光谱谱形。在图1所示的实施例中，信号处理器106还用于对归一化处理后的电信号进行频率分析，得到该电信号的光程差。在本实施例中，对归一化处理后的电信号进行频率分析，得到该电信号的光程差。在本实施例中，对每个干涉光谱的电信号进行特征频率分析，得到每个干涉器件的光程差L₀，光程差L₀的误差不大于λ/2n。在图1所示的实施例中，信号处理器106还用于利用光程差获取解调后的参考信号，与归一化处理后的电信号进行比较，以获取归一化处理后的电信号与参考信号之间的相位差。在本实施例中，通过非平衡干涉器件104的计算公式结合光程差反推出解调后的参考信号，与归一化处理后的电信号进行比较，以获取归一化处理后的电信号与参考信号之间的相位差。在本实施例中，非平衡干涉器件104的计算公式可以表示为：

其中，A表示干光谱的直流分量，B表示干涉光谱的衬比度，n表示光纤纤芯的有效折射率，l表示干涉仪的有效物理长度，λ表示探测光的波长，光程差可以表示为2nl。在图1所示的实施例中，信号处理器106还用于根据相位差和光程差之间的关系，将相位差反馈补偿至光程差。在本实施例中，通过非平衡干涉器件104的计算公式构建相位差和光程差之间的关系，将相位差通过反馈补偿方法补偿到光程差上。该步骤中，相位差与光程差之间的关系是通过干涉仪光谱计算公式得到的，可以表示为φ＝2π·L/λ，L表示干涉仪的光程差，为光纤折射率与物理长度乘积的2倍。在图1所示的实施例中，信号处理器106还用于比较不同帧下同一位置的反馈补偿后的光程差的变化情况，并通过补偿后的光程差的解调结果得到声波信息。在本实施例中，信号处理器106还用于比较不同帧下同一位置干涉器件的光程差变化情况，通过光程差的解调结果得到声波的信息。该步骤中，解调中使用的光程差计算方法和相位差的具体计算方法也可根据使用情况自由选择。

在上述方案中，每向待测光纤中注入一个啁啾频率脉冲光，就会得到一帧的反射光。一帧反射光信号中包含多个干涉光谱，每个干涉光谱的信号长度都是有限的，且光谱之间存在间隔，第m帧信号的第k个干涉光谱信号提取出来后，首先对提取出的干涉光谱进行降噪和归一化处理，得到实际信号k后，首先判断是否为该干涉仪信号的首次计算，如果是首次计算，先通过特征频率分析的方法计算得到干涉光谱的特征频率，通过特征频率配合干涉器件的计算公式计算得到参考信号，之后再通过比较参考信号和实际信号之间的相位差，利用相位差和光程差之间的线性对应关系实现相位反馈补偿，通过k次解调，可以实现对1帧信号中所有的干涉仪光程差信号的大动态范围高分辨率解调。如此利用信号处理器106对分布式声波传感系统中形成的非平衡干涉器件104(迈克尔逊干涉器件)的光程差进行逐帧解调，计算每个非平衡干涉器件104的光程差随着帧数的变化情况，进而通过声波作用于光纤上的应变情况反推得到声波信息。通过建立干涉光谱对应的电信号相位与光程差之间的关系，通过相位反馈补偿技术将相位差补偿到光程差上，保证系统实现超大动态范围解调，且同时具有高分辨率。

在本实施例中，利用具有多个散射增强点的光纤作为传感光纤，将多个散射增强点的反射光注入至非平衡干涉器件104后，该非平衡干涉器件104的两个干涉元件108的延时形成具有较小的光程差的散射增强点的干涉光谱，使得非平衡干涉器件104的光程差相对于相干光时域反射仪系统大大减小，因而对光源的线宽要求大大降低，可以降低系统成本。由于非平衡干涉器件104的延时，两个散射增强点的反射光在非平衡干涉仪器件104中相遇，形成具有较小光程差的干涉光谱。基于相位解调的相干时域反射仪的声波解调动态范围受限于(-π，π]，扫描阵列干涉仪的干涉光谱光程差的解调可以使系统的声波动态测量范围大大增加。将高分辨力相位解调技术与大动态范围特征频率解调算法相结合，可以实现高分辨力超大动态范围的分布式声波传感。

图2所示为本申请的分布式声波传感系统1的解调方法的一个实施例的步骤流程图。结合图1和图2所示，该解调方法采用上述实施例所示的分布式声波传感系统1。解调方法包括步骤S1至S6。其中，

步骤S1、提供激光器101，用于产生激光。该激光可以为连续光。

步骤S2、提供光调制器件102，用于接收激光，将激光调制为啁啾频率脉冲光并放大输出。该啁啾频率脉冲光的瞬时频率随时间的变化而变化。

步骤S3、提供光纤103，用于接收放大后的啁啾频率脉冲光，光纤103中散射增强点将对入射的啁啾频率脉冲光进行反射。光纤103包括多个散射增强点107，其中每两个散射增强点107之间具有间隔。光纤103的多个散射增强点107均匀或非均匀分布。例如，每两个散射增强点107之间间距为ΔL₁。

步骤S4、提供非平衡干涉器件104，分别用于接收散射增强点的反射光，并利用两个干涉元件108的延时形成两个散射增强点的干涉光谱。该非平衡干涉器件104包括两个具有臂长差的干涉元件108，且均与光纤103连接。该散射增强点的形式可以是弱反射光栅，也可以是弱反射点。

步骤S5、提供平衡光电探测器105，用于将两个散射增强点的反射光形成的两个散射增强点的干涉光谱转换为相应的电信号。该非平衡干涉器件104将散射增强点的干涉光谱分两路传输至平衡光电探测器105。

步骤S6、提供信号处理器，用于采集电信号，并对电信号进行分析解调，以输出声波信息。信号处理器106采集到的电信号是光强随频率余弦变化的电信号，可以通过光强随时间的变化情况反推得到干涉光谱的光程差。如此利用光程差作为分布式声波传感系统的解调量，建立光程差与声波幅值的一一对应关系，实现大动态范围的声波测量。

在上述方案中，通过使用具有多个散射增强点的光纤103作为传感光纤，配合非平衡干涉器件104的两个具有臂长差的干涉元件108利用该两个干涉元件的延时形成具有较小的光程差的干涉光谱，并利用光调制器件102将激光调制为啁啾频率脉冲光作为探测光，通过平衡光电探测器105探测得到不同波长下的光强分布，通过信号处理器106采集干涉光谱对应的电信号，并对该电信号的光程差进行解调，实现大动态范围的声波传感。

图3所示为图2所示的分布式声波传感系统1的解调方法的步骤流程图。结合图1至图3所示，步骤S2、提供光调制器件102，用于接收激光，将激光调制为啁啾频率脉冲光并放大输出，包括步骤S21至步骤S23。其中，

步骤S21、提供声光调制器109，用于接收激光并将激光调制为脉冲光。脉冲光的脉冲宽度Δτ应该满足Δτ≤2nΔL₁/c，c表示光在真空中的传播速度，n表示光纤纤芯的有效折射率，脉冲光的脉冲宽度小于相邻两个散射增强点的间隔，即一个脉冲最多覆盖一个散射增强点。

步骤S22、提供电光调制器110，用于接收脉冲光并将脉冲光调制为啁啾频率脉冲光。啁啾频率脉冲光为线性调频脉冲光或非线性调频脉冲光，非线性调频光需要在数据处理时进行重采样或者插值操作。在其他一些实施例中，啁啾频率脉冲光也可以为使光频率在一定范围内变化的其他方案。

步骤S23、提供光放大器111，用于接收啁啾频率脉冲光并将啁啾频率脉冲光放大并输出。该光放大器111可以是掺铒光纤放大器。

在上述步骤中，将激光器101发出的光注入到声光调制器109中，通过声光调制器109将连续的激光调制成为脉冲宽度为Δτ，移频为Δf，重频为f_r的脉冲光。脉冲光的重频f_r对应的周期应该大于脉冲在待测光纤中往返传播所需的时间。然后通过电光调制器110将脉冲光调制成为啁啾频率脉冲光。接着将啁啾频率脉冲光接入到光放大器111中进行放大并输出。

在图3所示的实施例中，步骤S6、提供信号处理器106，用于采集电信号，并对电信号进行分析解调，以输出声波幅值信息。具体解调过程包括步骤S61至步骤S65。其中，

步骤S61、对电信号进行滤波、降噪和归一化处理。在本实施例中，需要截取出接收到的每个干涉光谱对应转换的电信号，然后对每个该对应转换的电信号进行分别解调。例如，获取1帧对应非平衡干涉器件104输出的干涉光谱的电信号，并通过对干涉光谱的电信号分析截取，将其分为M-1个干涉光谱的电信号，并对干涉光谱的电信号进行降噪和归一化处理。降噪主要是通过滤波或平滑的方法实现的。归一化主要包含消除探测脉冲的光强起伏影响以及传感信号的去包络操作，恢复标准的干涉光谱谱形。

步骤S62、对归一化处理后的电信号进行频率分析，得到该电信号的光程差。在本实施例中，对归一化处理后的电信号进行频率分析，得到该电信号的光程差。在本实施例中，对每个干涉光谱的电信号进行特征频率分析，得到每个干涉器件的光程差L₀，光程差L₀的误差不大于λ/2n。

步骤S63、利用光程差获取解调后的参考信号，与归一化处理后的电信号进行比较，以获取归一化处理后的电信号与参考信号之间的相位差。在本实施例中，通过非平衡干涉器件104的计算公式结合光程差反推出解调后的参考信号，与归一化处理后的电信号进行比较，以获取归一化处理后的电信号与参考信号之间的相位差。在本实施例中，非平衡干涉器件104的计算公式可以表示为：

其中，A表示干光谱的直流分量，B表示干涉光谱的衬比度，n表示光纤纤芯的有效折射率，l表示干涉仪的有效物理长度，λ表示探测光的波长，光程差可以表示为2nl。

步骤S64、根据相位差和光程差之间的关系，将相位差反馈补偿至光程差。在本实施例中，通过非平衡干涉器件104的计算公式构建相位差和光程差之间的关系，将相位差通过反馈补偿方法补偿到光程差上。该步骤中，相位差与光程差之间的关系是通过干涉仪光谱计算公式得到的，可以表示为φ＝2π·L/λ，L表示干涉仪的光程差，为光纤折射率与物理长度乘积的2倍。

步骤S65、比较不同帧下同一位置的反馈补偿后的光程差的变化情况，并通过补偿后的光程差的解调结果得到声波信息。在本实施例中，信号处理器106还用于比较不同帧下同一位置干涉器件的光程差变化情况，通过光程差的解调结果得到声波的信息。该步骤中，解调中使用的光程差计算方法和相位差的具体计算方法也可根据使用情况自由选择。

在上述方案中，每向待测光纤中注入一个啁啾频率脉冲光，就会得到一帧的反射光。一帧反射光信号中包含多个干涉光谱，每个干涉光谱的长度都是有限的，且光谱之间存在间隔，第m帧信号的第k个干涉光谱信号提取出来后，首先对提取出的干涉光谱进行降噪和归一化处理，得到实际信号k后，首先判断是否为该干涉仪信号的首次计算，如果是首次计算，先通过特征频率分析的方法计算得到干涉光谱的特征频率，通过特征频率配合干涉器件的计算公式计算得到参考信号，之后再通过比较参考信号和实际信号之间的相位差，利用相位差和光程差之间的线性对应关系实现相位反馈补偿，通过k次解调，可以实现对1帧信号中所有的干涉仪光程差信号的大动态范围高分辨率解调。如此利用信号处理器106对分布式声波传感系统中形成的非平衡干涉器件104(迈克尔逊干涉器件)的光程差进行逐帧解调，计算每个非平衡干涉器件104的光程差随着帧数的变化情况，进而通过声波作用于光纤上的应变情况反推得到声波信息。通过建立干涉光谱对应的电信号相位与光程差之间的关系，通过相位反馈补偿技术将相位差补偿到光程差上，保证系统实现超大动态范围解调，且同时具有高分辨率。

在本实施例中，该非平衡干涉器件104可以是扫描阵列干涉器件。具有多个散射增强点的反射光注入至非平衡干涉器件104后，形成具有较小的光程差的散射增强点的干涉光谱，使得非平衡干涉器件104的光程差相对于相干光时域反射仪系统大大减小，因而对光源的线宽要求大大降低，可以降低系统成本；基于相位解调的相干时域反射仪的声波解调动态范围受限于(-π，π]，扫描阵列干涉仪的干涉光谱光程差的解调可以使系统的声波动态测量范围大大增加。将高分辨力相位解调技术与大动态范围特征频率解调算法相结合，可以实现高分辨力超大动态范围的分布式声波传感。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (19)

1.一种分布式声波传感系统，其特征在于，包括：

激光器，用于产生激光；

光调制器件，与所述激光器连接，所述光调制器件用于接收所述激光，将所述激光调制为啁啾频率脉冲光并放大输出；

光纤，包括多个散射增强点，其中每两个所述散射增强点之间具有间隔；所述光纤用于接收放大后的所述啁啾频率脉冲光，并输出散射增强点的反射光；

非平衡干涉器件，包括两个具有臂长差的干涉元件，且均与所述光纤连接，所述两个干涉元件分别用于接收散射增强点的所述反射光，并利用两个所述干涉元件的延时形成两个散射增强点的干涉光谱；

平衡光电探测器，与所述非平衡干涉器件连接；所述平衡光电探测器用于将两个散射增强点的所述反射光形成的两个散射增强点的所述干涉光谱转换为相应的电信号；及

信号处理器，与所述平衡光电探测器连接，所述信号处理器用于采集所述电信号，并对所述电信号进行分析解调，以输出声波信息。

2.根据权利要求1所述的分布式声波传感系统，其特征在于，所述光调制器件至少包括：

声光调制器，与所述激光器连接；所述声光调制器用于接收所述激光并将所述激光调制为脉冲光；

电光调制器，与所述声光调制器连接；所述电光调制器用于接收所述脉冲光并将所述脉冲光调制为啁啾频率脉冲光；

光放大器，与所述电光调制器连接，所述光放大器用于接收所述啁啾频率脉冲光并将所述啁啾频率脉冲光放大并输出。

3.根据权利要求2所述的分布式声波传感系统，其特征在于，所述脉冲光的脉冲宽度小于相邻两个所述散射增强点的间隔。

4.根据权利要求1所述的分布式声波传感系统，其特征在于，所述分布式声波传感系统还包括第一环形器，包括相互隔离的第一传输通道和第二传输通道，所述光调制器件通过所述第一传输通道与所述光纤连接，所述光纤通过所述第二传输通道与所述非平衡干涉器件连接。

5.根据权利要求4所述的分布式声波传感系统，其特征在于，所述第一环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口、所述第二端口连通并形成所述第一传输通道，所述第二端口、所述第三端口连通并形成所述第二传输通道。

6.根据权利要求4所述的分布式声波传感系统，其特征在于，所述分布式声波传感系统还包括第二环形器，包括相互隔离的第三传输通道和第四传输通道，所述光纤依次通过所述第二传输通道、所述第三传输通道与所述非平衡干涉器件连接，所述非平衡干涉器件至少通过所述第四传输通道与所述平衡光电探测器连接。

7.根据权利要求6所述的分布式声波传感系统，其特征在于，所述第二环形器包括第四端口、第五端口和第六端口，所述第四端口、所述第五端口连通并形成所述第三传输通道，所述第五端口、所述第六端口连通并形成所述第四传输通道。

8.根据权利要求6所述的分布式声波传感系统，其特征在于，所述干涉元件包括法拉第旋转镜；所述非平衡干涉器件还包括第一耦合器，与所述第二环形器、两个具有臂长差的所述法拉第旋转镜连接，且与所述平衡光电探测器连接。

9.根据权利要求4所述的分布式声波传感系统，其特征在于，所述干涉元件包括第二耦合器；所述非平衡干涉器件还包括第三耦合器，与所述第二耦合器、所述平衡光电探测器连接。

10.根据权利要求1所述的分布式声波传感系统，其特征在于，所述激光器的线宽满足如下条件：Δv≤c/2n(ΔL₁-ΔL₂)；其中，

2n(ΔL₁-ΔL₂)用于表示所述非平衡干涉器件的光程差；

c用于表示所述激光在真空中的传播速度；

n用于表示光纤纤芯的有效折射率；

ΔL₁用于表示每两个所述散射增强点之间具有间隔；

ΔL₂用于表示两个所述干涉元件的臂长差。

11.根据权利要求1所述的分布式声波传感系统，其特征在于，所述光纤的多个所述散射增强点均匀分布或非均匀分布；和/或

所述啁啾频率脉冲光为线性调频脉冲光或非线性调频脉冲光。

12.根据权利要求1所述的分布式声波传感系统，其特征在于，所述信号处理器用于：

对所述电信号进行滤波、降噪和归一化处理；

对归一化处理后的电信号进行频率分析，得到该电信号的光程差；

利用所述光程差获取解调后的参考信号，与归一化处理后的所述电信号进行比较，以获取归一化处理后的所述电信号与所述参考信号之间的相位差；

根据所述相位差和所述光程差之间的关系，将所述相位差反馈补偿至所述光程差；

比较不同帧下同一位置的反馈补偿后的所述光程差的变化情况，并通过补偿后的所述光程差的解调结果得到所述声波信息。

13.一种分布式声波传感系统的解调方法，其特征在于，采用权利要求1至12中任一项所述的分布式声波传感系统，所述解调方法包括：

提供激光器，用于产生激光；

提供光调制器件，用于接收所述激光，将所述激光调制为啁啾频率脉冲光并放大输出；

提供光纤，用于接收放大后的所述啁啾频率脉冲光，并输出散射增强点的反射光；

提供非平衡干涉器件，分别用于接收散射增强点的所述反射光，并利用两个所述干涉元件的延时形成两个散射增强点的干涉光谱；

提供平衡光电探测器，用于将两个散射增强点的所述反射光形成的两个散射增强点的所述干涉光谱转换为相应的电信号；及

提供信号处理器，用于采集所述电信号，并对所述电信号进行分析解调，以输出声波信息。

14.根据权利要求13所述的解调方法，其特征在于，所述提供光调制器件，用于接收所述激光，将所述激光调制为啁啾频率脉冲光并放大输出，包括：

提供声光调制器，用于接收所述激光并将所述激光调制为脉冲光；

提供电光调制器，用于接收所述脉冲光并将所述脉冲光调制为啁啾频率脉冲光；及

提供光放大器，用于接收所述啁啾频率脉冲光并将所述啁啾频率脉冲光放大并输出。

15.根据权利要求13所述的解调方法，其特征在于，所述提供信号处理器，用于采集所述电信号，并对所述电信号进行分析解调，以输出声波幅值信息，包括：

对所述电信号进行滤波、降噪和归一化处理；

对归一化处理后的电信号进行频率分析，得到该电信号的光程差；

利用所述光程差获取解调后的参考信号，与归一化处理后的所述电信号进行比较，以获取归一化处理后的所述电信号与所述参考信号之间的相位差；

根据所述相位差和所述光程差之间的关系，将所述相位差反馈补偿至所述光程差；

比较不同帧下同一位置的反馈补偿后的所述光程差的变化情况，并通过补偿后的所述光程差的解调结果得到所述声波信息。

16.根据权利要求13所述的解调方法，其特征在于，所述提供声光调制器，用于接收所述激光并将所述激光调制为脉冲光，包括：

所述脉冲光的脉冲宽度小于相邻两个所述散射增强点的间隔。

17.根据权利要求13所述的解调方法，其特征在于，所述提供激光器，用于产生激光，包括：

所述激光器的线宽满足如下条件：Δv≤c/2n(ΔL₁-ΔL₂)；其中，

2n(ΔL₁-ΔL₂)用于表示所述非平衡干涉器件的光程差；

c用于表示所述激光在真空中的传播速度；

n用于表示光纤纤芯的有效折射率；

ΔL₁用于表示每两个所述散射增强点之间具有间隔；

ΔL₂用于表示两个所述干涉元件的臂长差。

18.根据权利要求13所述的解调方法，其特征在于，所述提供光纤，用于接收放大后的所述啁啾频率脉冲光，并输出散射增强点的反射光，包括：

所述光纤具有多个散射增强点，每两个所述散射增强点之间具有间隔；多个所述散射增强点均匀分布或非均匀分布。

19.根据权利要求13所述的解调方法，其特征在于，所述提供声光调制器，用于接收所述激光并将所述激光调制为脉冲光，包括：

所述啁啾频率脉冲光为线性调频脉冲光或非线性调频脉冲光。

Images