CN116318403A - 相干瑞利干涉的抑制装置 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供一种相干瑞利干涉的抑制装置，所述装置包括：信号偏移装置，第一滤波器和第二滤波器；所述信号偏移装置用于使通过的信号发生频率偏移；所述第一滤波器和所述第二滤波器用于过滤基于相干瑞利干涉产生的信号噪声。本申请实施例提供的相干瑞利干涉的抑制装置，在双向MZI中加入信号偏移装置，在接收端加入滤波器，通过移频的方式抑制相干瑞利干涉，减小由于相干瑞利散射噪声叠加的强度噪声，增加系统的正确性和鲁棒性，从而可应用于长距离传感。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及相干瑞利干涉的抑制装置。
背景技术
光纤指纹以光纤为传输介质，具有体积小、质量轻、易弯曲、损耗小、抗电磁干扰、抗辐射性能好等优点，可实现基于海底光电复合缆(以下简称海缆)的声学信息感知功能。基于干涉型光纤指纹技术的海缆监测样机，可以大幅提升海缆对周围环境中声学振动的感知灵敏度及频率响应范围，可识别船只发动机、起锚机、起网机及水下勘探作业等危及海缆安全的宽频微弱信号，实现海缆水域大范围危险事件预知和预判。同时，可对海缆附近船只抛锚、渔网拖拽等事件进行精确定位和预警，降低海缆受到外部破坏的风险，提高供电可靠性。
基于干涉型光纤指纹技术的海缆监测器按照原理分类有强度型、偏振型、相位干涉型等，其中相位干涉型因其灵敏度高、测量精度高而得到最广泛的应用。按照测量装置的结构和原理不同，相位干涉型又可以分为迈克尔逊(Michelson)型、马赫-泽德尔(Mach-Zehnder)型、法布里-珀罗(Fabry-Perot)型及塞格纳克(Sagnac)型。但在传统双向对称式马赫-泽德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer，MZI)的干涉中，由于瑞利后向散射信号和传感信号相干，干涉后会叠加强度噪声，导致解调位置不正确。而且瑞利后向散射光随光纤长度累积，当双向对称式MZI应用于长距离传感时，瑞利后向散射光叠加的强度噪声会更强，增加解调的不确定性。
发明内容
本发明提供一种相干瑞利干涉的抑制装置，用以解决现有技术中由于相干瑞利干涉导致位置解调准确度低的技术问题。
为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种相干瑞利干涉的抑制装置，包括：
信号偏移装置，第一滤波器和第二滤波器；
所述信号偏移装置的第一端与第一环行器的第二端相连，所述信号偏移装置的第二端和第二耦合器的第一端相连；
所述第一滤波器的第一端与第一光电探测器的第一端相连，所述第一滤波器的第二端与采集卡的第一端相连；
所述第二滤波器的第一端与第二光电探测器的第一端相连，所述第二滤波器的第二端与采集卡的第二端相连；
所述信号偏移装置用于使通过的信号发生频率偏移；
所述第一滤波器和所述第二滤波器用于过滤基于相干瑞利干涉产生的信号噪声。
在一些实施例中，还包括第一耦合器；
第一耦合器的第一端连接激光发射器，第一耦合器的第二端连接第二环行器的第一端，第一耦合器的第三端连接所述第一环行器的第一端。
在一些实施例中，还包括：
所述第一环行器的第三端与所述第一光电探测器的第二端相连；
所述第二环行器的第三端与所述第二光电探测器的第二端相连。
在一些实施例中，还包括：
布置于所述第二耦合器和第三耦合器之间的第一光纤；
布置于所述第二耦合器和第三耦合器之间的第二光纤。
在一些实施例中，还包括第三光纤：
所述第三光纤布置于所述第三耦合器与第二环行器之间。
在一些实施例中，所述信号偏移装置为声光调制器或IQ调制器。
在一些实施例中，还包括驱动装置；
所述驱动装置与所述信号偏移装置的第三端相连。
在一些实施例中，所述第一滤波器为低通滤波器或数字滤波器；
所述第二滤波器为低通滤波器或数字滤波器。
在一些实施例中，还包括：
所述信号偏移装置的频率偏移范围为20MHz到400MHz。
在一些实施例中，还包括：
所述信号偏移装置的频率偏移为100MHz。
本申请实施例提供的相干瑞利干涉的抑制装置，在双向MZI中加入信号偏移装置，在接收端加入滤波器，通过移频的方式抑制相干瑞利干涉，减小由于相干瑞利散射噪声叠加的强度噪声，增加系统的正确性和鲁棒性，从而可应用于长距离传感。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的传统双向对称式MZI的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的相干瑞利干涉的抑制装置的结构示意图。
具体实施方式
目前，基于对称式马赫-泽德尔干涉仪(MZI)原理，可实现海缆声学信息的监测与预警，基于上路光和下路光到达外部振动位置处的时间不同，采集卡的两个通道采集两个光电探测器的电信号，因此通过计算两个检测单元检测到干扰信号的时间差，可以准确定位出振动发生的位置，从而实现外界振动的定位。但由于瑞利后向散射信号和传感信号相干，干涉后会叠加强度噪声，导致解调位置不正确；瑞利后向散射光随光纤长度累积，当双向对称式MZI应用于长距离传感时，瑞利后向散射光叠加的强度噪声会更强，增加解调的不确定性。
传统双向对称式MZI干涉难以满足对外部振动位置稳定准确的定位需求，基于此，本申请提供一种相干瑞利干涉的抑制装置，用以解决现有技术存在的位置解调准确度低的技术问题。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。
图1是本申请实施例提供的传统双向对称式MZI的结构示意图，如图1所示，该技术的主要原理是：耦合器1把半导体激光器(LD)的输出光束分成两束，分别在两路单模光纤中传输。上路光经过耦合器2分别在光纤1和光纤2中传输，再经过耦合器3合路发生干涉，经过光纤3后在光电探测器2处检测干涉光强的变化；同理，光电探测器1处可检测下路光经过分路又合路后干涉光强的变化，因此通过检测光强变化来监测外部振动。由于上路光和下路光到达外部振动位置处的时间不同，采集卡的两个通道采集两个光电探测器的电信号，因此通过计算两个检测单元检测到干扰信号的时间差，可以准确定位出振动发生的位置，从而实现外界振动的定位。
在传统的对称式MZI干涉仪中，两个干涉仪共享相同的光路，但传播方向相反。光电检测器1会检测逆时针传输的传感信号
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的干涉光强变化，光电检测器2会检测顺时针传输的传感信号/>
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的干涉光强变化。根据图1的光纤干涉结构，2个光电探测器输出的光强的交流分量可以表示为：
其中
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分别是是/>
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的
振幅，
是由于振动引起的相位变化，τ是与振动位置相关的信号时延。将公式(1)和公式(2)中的I上和I下进行互相关，找到互相关函数的峰值点，可映射出信号时延τ，从而可以推算出外部扰动的位置。
但是由于传感信号光在不同光纤位置传输时都会产生瑞利后向散射光(Rayleighbackscattered light)，如顺时针传输的传感信号
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会产生逆时针传输的瑞利后向散射光/>
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反之亦然。因此，逆时针传输的瑞利后向散射光/>
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与逆时针传输的有效传感信号/>
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频率相同，进行相干瑞利干涉，产生明显的强度波动，难以推算外部扰动信号位置。下式以逆时针传输的瑞利后向散射光/>
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与逆时针传输的有效传感信号/>
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干涉为例：
其中R为光纤瑞利散射系数，
是瑞利后向散射信号与有效传感信号的相位差，/>
是两个瑞利散射信号之间的相位差。由公式(3)可知，除了第一项的有效干涉信号之外，瑞利后向散射会引入相干瑞利干涉，在有效干涉信号上叠加强度噪声，使得解调的不确定性增加。
图2是本申请实施例提供的相干瑞利干涉的抑制装置的结构示意图，如图2所示，本申请实施例提供一种相干瑞利干涉的抑制装置，包括：
信号偏移装置，第一滤波器和第二滤波器；
所述信号偏移装置的第一端与第一环行器的第二端相连，所述信号偏移装置的第二端和第二耦合器的第一端相连；
所述第一滤波器的第一端与第一光电探测器的第一端相连，所述第一滤波器的第二端与采集卡的第一端相连；
所述第二滤波器的第一端与第二光电探测器的第一端相连，所述第二滤波器的第二端与采集卡的第二端相连；
所述信号偏移装置用于使通过的信号发生频率偏移；
所述第一滤波器和所述第二滤波器用于过滤基于相干瑞利干涉产生的信号噪声。
具体地，在双向MZI的结构中加入信号偏移装置，在接收端加入第一滤波器和第二滤波器。顺时针传输的传感信号
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经过信号偏移装置移频，其产生逆时针传输的瑞利后向散射光/>
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的频率也会发生偏移，而逆时针传输的有效传感信号/>
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的频率偏移为0MHz，两者的频率偏移不同。在这种情况下，可以通过接收端的滤波器，将瑞利后向散射信号与有效传感信号的拍频分量滤除。其中，第一耦合器为耦合器1，第一环行器为环行器1，第二环行器为环行器2，第一光电探测器为光电探测器1，第二光电探测器为光电探测器2。
例如，在双向MZI的结构中加入声光调制器(AOM)及其配套驱动，在接收端加入低通滤波器。
再例如，在双向MZI的结构中加入IO调制器及其配套驱动，在接收端加入数字滤波器。
本申请实施例提供的相干瑞利干涉的抑制装置，在双向MZI中加入信号偏移装置，在接收端加入滤波器，通过移频的方式抑制相干瑞利干涉，减小由于相干瑞利散射噪声叠加的强度噪声，增加系统的正确性和鲁棒性，从而可应用于长距离传感。
在一些实施例中，还包括第一耦合器；
第一耦合器的第一端连接激光发射器，第一耦合器的第二端连接第二环行器的第一端，第一耦合器的第三端连接所述第一环行器的第一端。
具体地，耦合器1与半导体激光器相连，耦合器1把半导体激光器的输出光束分成两束，分别在上路和下路单模光纤中传输。由于上路光和下路光到达外部振动位置处的时间不同，采集卡的两个通道采集两个光电探测器的电信号，因此通过计算两个检测单元检测到干扰信号的时间差，可以准确定位出振动发生的位置，从而实现外界振动的定位。
本申请实施例提供的相干瑞利干涉的抑制装置，在双向MZI中加入信号偏移装置，在接收端加入滤波器，通过移频的方式抑制相干瑞利干涉，减小由于相干瑞利散射噪声叠加的强度噪声，增加系统的正确性和鲁棒性，从而可应用于长距离传感。
在一些实施例中，还包括：
所述第一环行器的第三端与所述第一光电探测器的第二端相连；
所述第二环行器的第三端与所述第二光电探测器的第二端相连。
具体地，环行器1的第一端与耦合器1的第三端相连，环行器1的第二端与信号偏移装置的第一端相连，环行器1的第三端与光电探测器1的第二端相连。环行器2的第一端与耦合器1的第二端相连，环行器2的第二端与光纤3的第一端相连，环行器2的第三端与光电探测器2的第二端相连。
进一步地，通过环行器1和环行器2使被耦合器1分成两束的输出光束分别在两路单模光纤中传输。
本申请实施例提供的相干瑞利干涉的抑制装置，在双向MZI中加入信号偏移装置，在接收端加入滤波器，通过移频的方式抑制相干瑞利干涉，减小由于相干瑞利散射噪声叠加的强度噪声，增加系统的正确性和鲁棒性，从而可应用于长距离传感。
在一些实施例中，还包括：
布置于所述第二耦合器和第三耦合器之间的第一光纤；
布置于所述第二耦合器和第三耦合器之间的第二光纤。
具体地，光纤1的第一端与耦合器2的第二端相连，光纤1的第二端与耦合器3的第二端相连。光纤2的第一端与耦合器2的第三端相连，光纤2的第二端与耦合器3的第三端相连。其中，第一光纤为光纤1，第二光纤为光纤2。
进一步地，上路光经过耦合器2分别在光纤1和光纤2中传输，再经过耦合器3合路发生干涉，经过光纤3后在光电探测器2处检测干涉光强的变化；同理，光电探测器1处可检测下路光经过分路又合路后干涉光强的变化，因此通过检测光强变化来监测外部振动。
本申请实施例提供的相干瑞利干涉的抑制装置，在双向MZI中加入信号偏移装置，在接收端加入滤波器，通过移频的方式抑制相干瑞利干涉，减小由于相干瑞利散射噪声叠加的强度噪声，增加系统的正确性和鲁棒性，从而可应用于长距离传感。
在一些实施例中，还包括第三光纤：
所述第三光纤布置于所述第三耦合器与第二环行器之间。
具体地，光纤3的第一端与耦合器3的第一端相连，光纤3的第二端与环行器2的第二端相连。其中，第三光纤为光纤3。
进一步地，上路光经过耦合器2分别在光纤1和光纤2中传输，再经过耦合器3合路发生干涉，经过光纤3后在光电探测器2处检测干涉光强的变化；同理，光电探测器1处可检测下路光经过分路又合路后干涉光强的变化，因此通过检测光强变化来监测外部振动。
本申请实施例提供的相干瑞利干涉的抑制装置，在双向MZI中加入信号偏移装置，在接收端加入滤波器，通过移频的方式抑制相干瑞利干涉，减小由于相干瑞利散射噪声叠加的强度噪声，增加系统的正确性和鲁棒性，从而可应用于长距离传感。
在一些实施例中，所述信号偏移装置为声光调制器或IQ调制器。
具体地，信号偏移装置是用于使通过的信号发生频率偏移，可以是声光调制器，也可以是IQ调制器，或是其他可以起到相同作用的装置。
例如，在双向MZI的结构中加入声光调制器及其配套驱动，在接收端加入低通滤波器。
再例如，在双向MZI的结构中加入IO调制器及其配套驱动，在接收端加入数字滤波器。
本申请实施例提供的相干瑞利干涉的抑制装置，在双向MZI中加入信号偏移装置，在接收端加入滤波器，通过移频的方式抑制相干瑞利干涉，减小由于相干瑞利散射噪声叠加的强度噪声，增加系统的正确性和鲁棒性，从而可应用于长距离传感。
在一些实施例中，还包括驱动装置；
所述驱动装置与所述信号偏移装置的第三端相连。
具体地，在使用声光调制器的情况下，对声光调制器配置相对应的驱动装置。
例如，在双向MZI的结构中加入声光调制器及其配套驱动，在接收端加入低通滤波器。
本申请实施例提供的相干瑞利干涉的抑制装置，在双向MZI中加入信号偏移装置，在接收端加入滤波器，通过移频的方式抑制相干瑞利干涉，减小由于相干瑞利散射噪声叠加的强度噪声，增加系统的正确性和鲁棒性，从而可应用于长距离传感。
在一些实施例中，所述第一滤波器为低通滤波器或数字滤波器；
所述第二滤波器为低通滤波器或数字滤波器。
具体地，在接收端加入的滤波器是用于过滤基于相干瑞利干涉产生的信号噪声，可以是低通滤波器，也可以是数字滤波器，或者是其他可以起到相同作用的装置。
例如，在双向MZI的结构中加入声光调制器及其配套驱动，在接收端加入低通滤波器。
再例如，在双向MZI的结构中加入IO调制器及其配套驱动，在接收端加入数字滤波器。
本申请实施例提供的相干瑞利干涉的抑制装置，在双向MZI中加入信号偏移装置，在接收端加入滤波器，通过移频的方式抑制相干瑞利干涉，减小由于相干瑞利散射噪声叠加的强度噪声，增加系统的正确性和鲁棒性，从而可应用于长距离传感。
在一些实施例中，还包括：
所述信号偏移装置的频率偏移范围为20MHz到400MHz。
具体地，考虑到一般声光调制器的移频范围都在0MHz到100MHz以上，本申请实施例中有效信号的带宽是10MHz以下。信号偏移装置的频率偏移范围可以选择为20MHz到400MHz。
本申请实施例提供的相干瑞利干涉的抑制装置，在双向MZI中加入信号偏移装置，在接收端加入滤波器，通过移频的方式抑制相干瑞利干涉，减小由于相干瑞利散射噪声叠加的强度噪声，增加系统的正确性和鲁棒性，从而可应用于长距离传感。
在一些实施例中，还包括：
所述信号偏移装置的频率偏移为100MHz。
具体地，考虑到一般声光调制器的移频范围都在0MHz到100MHz以上，本申请实施例中有效信号的带宽是10MHz以下。信号偏移装置的频率偏移范围可以选择为100MHz。
本申请实施例提供的相干瑞利干涉的抑制装置，在双向MZI中加入信号偏移装置，在接收端加入滤波器，通过移频的方式抑制相干瑞利干涉，减小由于相干瑞利散射噪声叠加的强度噪声，增加系统的正确性和鲁棒性，从而可应用于长距离传感。
下面以具体的例子，对上述实施例中的方法进行进一步说明。
以声光调制器的频率偏移为100MHz为例。
加入声光调制器及其配套驱动后，顺时针传输的传感信号
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经过AOM移频，在双向MZI中传输时频率偏移为100MHz，其产生逆时针传输的瑞利后向散射光/>
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的频率偏移也为100MHz，而逆时针传输的有效传感信号/>
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的频率偏移为0MHz，两者的频率偏移不同，因此公式(3)改写为：
其中Δf为AOM的频率偏移，在图2中以100MHz为例。在此之后，加入一个低通滤波器，即可将Δf处的高频分量滤除，公式(4)在加入低通滤波器后可改写为：
如式(5)所示，可将瑞利后向散射信号与有效传感信号的拍频分量滤除。由公式(5)和公式(1)的对比可知，虽然仍有瑞利后向散射信号之间的干涉，但由于光纤瑞利散射系数R较小，因此可忽略不计。
本申请实施例提供的相干瑞利干涉的抑制装置，在双向MZI中加入信号偏移装置，在接收端加入滤波器，通过移频的方式抑制相干瑞利干涉，减小由于相干瑞利散射噪声叠加的强度噪声，增加系统的正确性和鲁棒性，从而可应用于长距离传感。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种相干瑞利干涉的抑制装置，其特征在于，包括：
信号偏移装置，第一滤波器和第二滤波器；
所述信号偏移装置的第一端与第一环行器的第二端相连，所述信号偏移装置的第二端和第二耦合器的第一端相连；
所述第一滤波器的第一端与第一光电探测器的第一端相连，所述第一滤波器的第二端与采集卡的第一端相连；
所述第二滤波器的第一端与第二光电探测器的第一端相连，所述第二滤波器的第二端与采集卡的第二端相连；
所述信号偏移装置用于使通过的信号发生频率偏移；
所述第一滤波器和所述第二滤波器用于过滤基于相干瑞利干涉产生的信号噪声。
2.根据权利要求1所述的相干瑞利干涉的抑制装置，其特征在于，还包括第一耦合器；
所述第一耦合器的第一端连接激光发射器，所述第一耦合器的第二端连接第二环行器的第一端，所述第一耦合器的第三端连接所述第一环行器的第一端。
3.根据权利要求2所述的相干瑞利干涉的抑制装置，其特征在于，还包括：
所述第一环行器的第三端与所述第一光电探测器的第二端相连；
所述第二环行器的第三端与所述第二光电探测器的第二端相连。
4.根据权利要求1所述的相干瑞利干涉的抑制装置，其特征在于，还包括：
布置于所述第二耦合器和第三耦合器之间的第一光纤；
布置于所述第二耦合器和第三耦合器之间的第二光纤。
5.根据权利要求4所述的相干瑞利干涉的抑制装置，其特征在于，还包括第三光纤；
所述第三光纤布置于所述第三耦合器与第二环行器之间。
6.根据权利要求1所述的相干瑞利干涉的抑制装置，其特征在于，所述信号偏移装置为声光调制器或IQ调制器。
7.根据权利要求6所述的相干瑞利干涉的抑制装置，其特征在于，还包括驱动装置；
所述驱动装置与所述信号偏移装置的第三端相连。
8.根据权利要求1所述的相干瑞利干涉的抑制装置，其特征在于，所述第一滤波器为低通滤波器或数字滤波器；
所述第二滤波器为低通滤波器或数字滤波器。
9.根据权利要求1所述的相干瑞利干涉的抑制装置，其特征在于，还包括：
所述信号偏移装置的频率偏移范围为20MHz到400MHz。
10.根据权利要求1所述的相干瑞利干涉的抑制装置，其特征在于，还包括：
所述信号偏移装置的频率偏移为100MHz。
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| CN202310045980.6A CN116318403A (zh) | 2023-01-30 | 2023-01-30 | 相干瑞利干涉的抑制装置 |
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| CN116318403A true CN116318403A (zh) | 2023-06-23 |
Family
ID=86824810
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202310045980.6A Pending CN116318403A (zh) | 2023-01-30 | 2023-01-30 | 相干瑞利干涉的抑制装置 |
Country Status (1)
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2023
- 2023-01-30 CN CN202310045980.6A patent/CN116318403A/zh active Pending
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