CN105092014B - 基于波束形成的分布式光纤声波探测装置及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波束形成的分布式光纤声波探测装置及方法，包括光源、1x2耦合器、控制和信号处理单元、任意波形发生器、双路并行马赫增德尔电光调制器、参考臂光纤、掺铒光纤放大器、光滤波器、环形器、前端部分反射镜、参考长度光纤、后端部分反射镜、传感光纤、90°光混合器、平衡探测器，将调制成下边带固定频率上边带扫频的光脉冲的信号光注入传感光纤中，将返回的携带各探测点光相位和光频谱信息的信号光与本地参考光混合，分别解调光相位信息和光频谱信息，得到传感光纤中各探测点处声波的频率、振幅和相位信息，进而计算声源的位置、强度、频率信息。将光纤的传感和传输功能合二为一，探测点规模相较于相关的传统技术扩大百倍以上。

Description

基于波束形成的分布式光纤声波探测装置及探测方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤声波探测技术领域，特别是涉及一种基于波束形成的分布式光纤声波探测装置及探测方法。

背景技术

声波测量技术是石油、岩土、航空等领域的重要检测手段和重要研究方向，有着广泛的应用和需求。声波波束形成技术利用传声器阵列接收声场信号，通过对各个传声器信号进行相位处理，使对应真实声源的聚焦点位置的信号加强形成“主瓣”，而其他聚焦点位置的信号衰减形成“旁瓣”，从而能高效、高可靠地识别声源特征。如在油田勘探开发方面，通过将多个声接收器排布成阵列接收声波信号的声波测井技术发挥着重要的作用，在勘探阶段声波参数测量用来评价地层孔隙度和岩石力学特性等，在开发阶段可以监测套管、压裂作业等状况。在航空方面，美国NASA、美国波音公司、法国ONERA公司、德国DLR公司等研制了平面传声器阵列实现民机和战斗机气动噪声源的探测。

传统的基于波束形成的声波探测多采用基于电学麦克风构建的传声器阵列采集声场信号。传统电子传感器的分立式结构和严格的同步采集要求导致传声器阵列规模大为受限，如美国哈里伯顿公司在声波测井设备中布置了由32个声接收器组成的传感器阵列，美国波音公司传声器阵列中数量仅约200个。而电磁干扰、高温高湿等恶劣工作环境也为传统电子传感器的可靠工作带来很大困难。

发明内容

为了克服上述现有技术的问题，本发明提出了一种基于波束形成的分布式光纤声波探测装置及探测方法，该分布式光纤声波测量装置及方法可以用于复杂地质的地震分析、结构声发射分析、油井生产监测、边坡稳定性监测和航空噪声分析等领域。

本发明提出了一种基于波束形成的分布式光纤声波探测装置，该装置包括光源1、1x2耦合器2、控制和信号处理单元3、任意波形发生器4、双路并行马赫增德尔电光调制器5、参考臂光纤6、掺铒光纤放大器7、光滤波器8、环形器9、前端部分反射镜10、参考长度光纤11、后端部分反射镜12、传感光纤13、90°光混合器14以及平衡探测器阵列15；

光源1发出频率为ω₀的连续激光经过1x2耦合器2，分为本地参考光和信号光两路光：本地参考光经过参考臂光6，到达90°光混合器14；信号光经过由任意波形发生器4控制的双路并行马赫增德尔电光调制器5，被调制成同时含有频率为ω₀-ω_CW固定频率成分和频率为ω₀+ω(t)线性扫频成分的脉冲信号光，其中ω_CW为固定频率；脉冲信号光先后经过掺铒光纤放大器7放大、光滤波器8滤波和环形器9单向环形传输，然后被注入参考长度光纤发生部分反射，用于标记参考长度光纤的起止位置；脉冲信号在传感光纤13中，脉冲信号光在前端部分反射镜10和后端部分反射镜12传感光纤13中形成后向瑞利散射沿光纤返回，含有不同位置的光相位信息φ(t)和光频谱信息I(ω)，返回光信号经过环形器9返回后到达90°光混合器14，与本地参考光混合；输出光由平衡探测器阵列15接收；经过控制和信号处理单元3处理，得到传感光纤13中的特殊排布传感光纤各位置振动相位、强度、频率信息，然后计算声源的方向、位置、频率、强度参数；所述特殊排布传感光纤包括一维线型传感光纤、二维方型传感光纤或三维圆锥型传感光纤。

所述1x2耦合器2还包括单模光纤耦合器、保偏光纤耦合器或偏振分束器。

本发明还提出了一种基于波束形成的分布式光纤声波探测方法，该方法具体包括以下流程：

步骤一、光源发出频率为ω₀的连续激光经过1x2耦合器分为本地参考光和信号光两路光；本地参考光经过参考臂光纤到达90°光混合器；信号光经过由任意波形发生器控制的双路并行马赫增德尔电光调制器，被调制成双边带异构光脉冲，：下边带为固定频率ω₀-ω_CW，其中ω_CW为固定频率，上边带频率为ω₀+ω(t)，在脉冲内具有线性扫频的特点；

步骤二、脉冲信号光先后经过掺铒光纤放大器放大、光滤波器和环形器，然后被注入传感光纤中，脉冲信号光在经过的光纤中发生后向瑞利散射，后向瑞利散射沿光纤返回，含有用于解调相位信息φ(t)的频率为ω₀-ω_CW固定频率光和含有用于解调光频信息I(ω)的频率为ω₀+ω(t)线性扫频光，经过环形器返回后到达90°光混合器，与本地参考光混合干涉；

步骤三、信号光与本地参考光在90°光混合器中混合干涉后，当采用4路输出的90°光混合器时，输出的信号分别为X偏振方向的I信号I_Xcos(ωt+φ)、X偏振方向的Q信号I_Xsin(ωt+φ)、Y偏振方向的I信号I_Ycos(ωt+φ)和Y偏振方向的Q信号I_Ysin(ωt+φ)；当采用2路输出90°光混合器时，输出的信号分别为I信号I₀cos(ωt+φ)和Q信号I₀sin(ωt+φ)，光信号由平衡探测器接收转化成电压信号并由控制和信号处理单元处理，将用于解调相位信息φ(t)的调制在固定频率ω_CW上的信号和用于解调光频信息I(ω)的调制在线性扫频频率ω(t)上的信号分离；

步骤四、处理频率为ω_CW固定频率信号，与任意波形发生器的下边带做数字混频，对每一个光脉冲提取声波引起的光相位变化信息φ(t)；对数字混频后的4路输出的90°光混合器输出信号，对X偏振方向的I、Q信号和Y偏振方向的I、Q信号进行微分、相乘，得到X偏振方向的计算结果和Y偏振方向的计算结果X偏振方向和Y偏振方向的两式各自相减，分别得到和再将X偏振方向和Y偏振方向相加得到φ′(t)I²；再除以4路输入信号的平方和I²，得到φ′(t)；再积分得到所需相位信息φ(t)；对2路输出的90°光混合器输出的信号处理步骤与上述处理步骤中相同，区别在于2路输出的90°光混合器只处理一个偏振方向的I、Q信号；利用脉冲时间宽度为T的光脉冲，提取光纤各处由声波引起的φ(t)，从而相当于在光纤沿线按空间间隔布置成大规模的传声器阵列，通过波束成形算法，实现声源振动频率、幅度的探测和粗定位；

步骤五、将同一个光脉冲内获得的线性扫频信号ω(t)与任意波形发生器的原始线性扫频上边带混频，由于存在时延，因此混频得到一个频率差，根据频率差和线性扫频斜率即可精确地获得距离信息，从而实现φ(t)所在的各点位置精定位，修正波束形成计算。

步骤六、通过将光纤按不同特殊排布传感光纤布置形成探测波束，利用数据采样稀疏化和时移控制实现探测波束的灵活配置，完成对声源的位置、频率、幅度和相位信息的提取；所述特殊排布传感光纤包括一维线型传感光纤、二维方型传感光纤或三维圆锥型传感光纤。

与现有技术相比，本发明具有以下积极效果：

1、将光纤的传感和传输功能合二为一，具有不受电磁干扰、电无源、体积小以及耐受高温高湿恶劣工作环境的优点；

2、布置单根光纤，构成光纤声传感采样点阵列，探测点规模达到数十万个测量点，相较于传统电子传声器阵列，规模扩大百倍以上，很大程度扩展了传感监测点规模。

3、采用单根光纤构成光纤声传感采样点阵列，阵列信号具有光纤脉冲探测的天然同步性，能利用数据采样稀疏化和时移控制实现声传感采样点阵列排布间隔动态调整，提高声波波束形成灵活度。

附图说明

图1是本发明中一种基于波束形成的分布式光纤声波探测装置结构示意图；

图2是本发明中经过调制的信号光频率成分示意图；

图3是本发明中提取相位信息的流程框图；

图4是本发明中声波波束形成探测示意图和三种排布传感光纤示意图；

图中，1、光源，2、1x2耦合器，3、控制和信号处理单元，4、任意波形发生器，5、双路并行马赫增德尔电光调制器，6、参考臂光纤，7、掺铒光纤放大器，8、光滤波器，9、环形器，10、前端部分反射镜，11、参考长度光纤，12、后端部分反射镜，13、传感光纤，14、90°光混合器，15、平衡探测器阵列，16、声源，17、主瓣方向，18、旁瓣方向，19、声传感采样点，20、一维线型传感光纤，21、二维方型传感光纤，22、三维圆锥型传感光纤。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式，进一步详述本发明的技术方案。

实施例1：基于波束形成的分布式光纤声波探测装置

如图1所示，光源1发出频率为ω₀的连续激光经过1x2耦合器2，分为本地参考光和信号光两路光：本地参考光经过参考臂光6，到达90°光混合器14；信号光经过由任意波形发生器4控制的双路并行马赫增德尔电光调制器5，被调制成同时含有频率为ω₀-ω_CW固定频率成分和频率为ω₀+ω(t)线性扫频成分的脉冲信号光(如图2所示)；脉冲信号光先后经过掺铒光纤放大器7放大、光滤波器8滤波和环形器9单向环形传输，然后被注入参考长度光纤11和特殊排布的传感光纤13，中，脉冲信号光在传感光纤13中形成后向瑞利散射沿光纤返回，含有不同位置的光相位信息φ(t)和光频谱信息I(ω)，经过环形器9返回后到达90°光混合器14，与本地参考光混合；输出光由平衡探测器阵列15接收；经过控制和信号处理单元3处理，得到传感光纤13中的特殊排布传感光纤各位置振动相位、强度、频率信息，然后计算声源16的方向、位置、频率、强度参数；特殊排布传感光纤的形式包括：一维线型传感光纤20，二维方型传感光纤21和三维圆锥型传感光纤22。其中：

光源1，采用窄线宽(100Hz～1MHz)连续激光器，用于提供***所需长相干长度的激光输出；

1x2耦合器2，用于将连续激光器发出的激光分成两路，一路经过双路并行马赫增德尔电光调制器作为信号光，一路经过参考臂光纤作为本地参考光，其包括单模光纤耦合器、保偏光纤耦合器、偏振分束器；

控制和信号处理单元3，包括通用计算机和嵌入式计算***，用于控制信号发生和信号接收，以及对光电探测器和数据采集卡接收到的信号进行接收和解调；任意波形发生器；用于产生双边带异构脉冲波形，即上边带为扫频信号，下边带为单频信号，输出的I和Q两路信号驱动双路并行马赫增德尔电光调制器；

双路并行马赫增德尔电光调制器5，用于根据输入的I和Q两路信号对激光进行调制，输出上边带扫频，下边带固定频率的双边带异构的脉冲信号光，调制频率50MHz-20GHz，脉冲宽度10ns-1000ns；

参考臂光纤6，用于连接在1x2光纤耦合器之后，用于传输本地参考光，光纤类型包括保偏光纤和普通单模光纤；

掺铒光纤放大器7，用于放大经过调制产生的信号光，增益10～30dB，满足长距离探测的要求；

光滤波器8：用于对经过掺铒光纤放大器放大的信号光进行带通滤波，消除ASE噪声；

环形器9，用于将信号光输入传感光纤并将反射回的信号光输入到解调光路中。

前端部分反射镜10，用于标记参考长度光纤的起始位置，包括FC/PC接头端面反射和专用部分反射镜两种类型；

参考长度光纤11，选用长度为50米至500米已知精确长度的标准单模光纤或保偏光纤，置于前端部分反射镜和后端部分反射镜之间，用于标定长度；

后端部分反射镜12，用于标记参考长度光纤的终止位置，包括FC/PC接头端面反射和专用部分反射镜两种类型；

传感光纤13，用于感受声波振动信号和传输光信号，包括特殊排布光纤类型，如一维线型、二维方型和三维圆锥型等形状；

90°光混合器14，用于实现相干探测，输入为反射的瑞利散射信号光和本地参考光。包括4路输出和2路输出两种规格的90°光混合器。4路输出型90°光混合器的输出信号分别为X偏振方向的I信号、X偏振方向的Q信号、Y偏振方向的I信号和Y偏振方向的Q信号；2路输出型90°光混合器的输出信号分别为I信号和Q信号；

平衡探测器阵列15，用于接收90°光混合器输出光信号，带宽50MHz-20GHz。

如图所示，通过数据采样稀疏化和时移控制动态调整声传感采样点19排布间隔，调整波束形成主瓣方向17和旁瓣方向18，完成对声源16的位置、频率、幅度和相位信息的提取。

实施例2：基于波束形成的分布式光纤声波探测方法

如图1所示，光源1发出频率为ω₀的连续激光经过1x2耦合器2，分为本地参考光和信号光两路光；本地参考光经过参考臂6，到达90°光混合器14；信号光经过由任意波形发生器控制的双路并行马赫增德尔电光调制器5，被调制成如图2所示的双边带异构光脉冲，下边带为固定频率ω₀-ω_CW，上边带频率为ω₀+ω(t)；脉冲信号光先后经过掺铒光纤放大器7放大、光滤波器8和环形器9，然后被注入传感光纤中，脉冲信号光在经过的光纤13中的后向瑞利散射沿光纤返回，含有不同位置的光相位信息φ(t)和光频信息I(ω)。其中，光相位信息φ(t)对应声传感采样点处的声波频率、相位、振幅信息，光频信息I(ω)对应声传感采样点处的位置信息。后向瑞利散射光经过环形器9返回后到达90°光混合器14，与本地参考光混合。输出光由平衡探测器15接收转化成电压信号并由控制和信号处理单元处理。将用于解调相位信息φ(t)的调制在固定频率ω_CW上的信号和用于解调光频信息I(ω)的调制在线性扫频频率ω(t)上的信号分离；将频率为ω_CW固定频率信号，与任意波形发生器的下边带做数字混频，对每一个光脉冲提取声波引起的光相位变化信息φ(t)。

对数字混频后的4路输出的90°光混合器输出信号，按照如图3所示的流程处理。首先，对X偏振方向的I、Q信号和Y偏振方向的I、Q信号进行微分、相乘，得到X偏振方向的计算结果和Y偏振方向的计算结果X偏振方向和Y偏振方向的两式各自相减，分别得到和再将X偏振方向和Y偏振方向相加得到φ′(t)I²；再除以4路输入信号的平方和I²，得到φ′(t)；再积分得到所需相位信息φ(t)。对2路输出的90°光混合器输出的信号处理步骤与上述处理步骤中相同，区别在于2路输出的90°光混合器只处理一个偏振方向的I、Q信号。利用脉冲时间宽度为T的光脉冲，提取光纤各处由声波引起的φ(t)，从而相当于在光纤沿线按空间间隔布置成大规模的传声器阵列，通过波束成形算法，实现声源振动频率、幅度的探测和粗定位。将同一个光脉冲内获得的线性扫频信号ω(t)与任意波形发生器的原始线性扫频上边带混频，由于存在时延，因此混频得到一个频率差，根据频率差和线性扫频斜率即可精确地获得距离信息，从而实现φ(t)所在的各点位置精定位，修正波束形成计算。通过将光纤按不同形状布置形成探测波束，包括一维线型、二维方型、三维圆锥型等形状，利用数据采样稀疏化和时移控制实现探测波束的灵活配置，完成对声源的位置、频率、幅度和相位信息的提取。

实施例3：应用举例

在需要进行边坡稳定监测的施工现场和山区公路地区，采用本发明的基于波束形成的分布式光纤声波探测装置监测特征低频声波并对其声源进行定位，提前对声源附近即将发生的事故进行预测和报警。将传感光纤13埋设在需要监测的地区，排布形式包括一维线型传感光纤20，二维方型传感光纤21，三维圆锥型传感光纤22，然后通过基于波束形成的分布式光纤声波探测方法进行声信号的提取。

Claims (5)

1.一种基于波束形成的分布式光纤声波探测装置，其特征在于，该装置包括光源(1)、1x2耦合器(2)、控制和信号处理单元(3)、任意波形发生器(4)、双路并行马赫增德尔电光调制器(5)、参考臂光纤(6)、掺铒光纤放大器(7)、光滤波器(8)、环形器(9)、前端部分反射镜(10)、参考长度光纤(11)、后端部分反射镜(12)、传感光纤(13)、90°光混合器(14)以及平衡探测器阵列(15)；

光源(1)发出频率为ω₀的连续激光经过1x2耦合器(2)，分为本地参考光和信号光两路光：本地参考光经过参考臂光(6)，到达90°光混合器(14)；信号光经过由任意波形发生器(4)控制的双路并行马赫增德尔电光调制器(5)，被调制成同时含有频率为ω₀-ω_CW固定频率成分和频率为ω₀+ω(t)线性扫频成分的脉冲信号光，其中ω_CW为固定频率；脉冲信号光先后经过掺铒光纤放大器(7)放大、光滤波器(8)滤波和环形器(9)单向环形传输，然后被注入参考长度光纤(11)和传感光纤(13)中，脉冲信号光在前端部分反射镜(10)和后端部分反射镜(12)发生部分反射，用于标记参考长度光纤的起止位置；脉冲信号在传感光纤(13)中形成后向瑞利散射沿光纤返回，含有不同位置的光相位信息φ(t)和光频谱信息I(ω)，返回的光信号经过环形器(9)返回后到达90°光混合器(14)，与本地参考光混合；输出光由平衡探测器阵列(15)接收；经过控制和信号处理单元(3)处理，得到传感光纤(13)中的特殊排布传感光纤各位置振动相位、强度、频率信息，然后计算声源的方向、位置、频率、强度参数；所述特殊排布传感光纤包括一维线型传感光纤、二维方型传感光纤或三维圆锥型传感光纤。

2.如权利要求1所述的基于波束形成的分布式光纤声波探测装置，其特征在于，采用双路并行马赫增德尔电光调制器(5)和任意波形发生器(4)调制光，产生用于探测的同时含有固定频率和线性扫频成分的光脉冲信号。

3.如权利要求1所述的基于波束形成的分布式光纤声波探测装置，其特征在于，采用90°光混频器(14)作为信号光与参考光的混频器件，输出相位相差90°的拍频信号，用于信号相位解调。

4.如权利要求1所述的基于波束形成的分布式光纤声波探测装置，其特征在于，所述1x2耦合器(2)包括单模光纤耦合器、保偏光纤耦合器或偏振分束器。

5.一种基于波束形成的分布式光纤声波探测方法，其特征在于，该方法具体包括以下流程：

步骤一、光源发出频率为ω₀的连续激光经过1x2耦合器分为本地参考光和信号光两路光；本地参考光经过参考臂光纤到达90°光混合器；信号光经过由任意波形发生器控制的双路并行马赫增德尔电光调制器，被调制成双边带异构光脉冲：下边带为固定频率ω₀-ω_CW，其中ω_CW为固定频率，上边带频率为ω₀+ω(t)，在脉冲内具有线性扫频的特点；

步骤二、脉冲信号光先后经过掺铒光纤放大器放大、光滤波器和环形器，然后被注入传感光纤中，脉冲信号光在经过的光纤中发生后向瑞利散射，后向瑞利散射沿光纤返回，含有用于解调相位信息φ(t)的频率为ω₀-ω_CW固定频率光和含有用于解调光频信息I(ω)的频率为ω₀+ω(t)线性扫频光，经过环形器返回后到达90°光混合器，与本地参考光混合干涉；

步骤三、信号光与本地参考光在90°光混合器中混合干涉后，当采用4路输出的90°光混合器时，输出的信号分别为X偏振方向的I信号I_Xcos(ωt+φ)、X偏振方向的Q信号I_X sin(ωt+φ)、Y偏振方向的I信号I_Ycos(ωt+φ)和Y偏振方向的Q信号I_Ysin(ωt+φ)；当采用2路输出90°光混合器时，输出的信号分别为I信号I₀cos(ωt+φ)和Q信号I₀sin(ωt+φ)，光信号由平衡探测器接收转化成电压信号并由控制和信号处理单元处理，将用于解调相位信息φ(t)的调制在固定频率ω_CW上的信号和用于解调光频信息I(ω)的调制在线性扫频频率ω(t)上的信号分离；

步骤四、处理频率为ω_CW固定频率信号，与任意波形发生器的下边带做数字混频，对每一个光脉冲提取声波引起的光相位变化信息φ(t)；对数字混频后的4路输出的90°光混合器输出信号，对X偏振方向的I、Q信号和Y偏振方向的I、Q信号进行微分、相乘，得到X偏振方向的计算结果和Y偏振方向的计算结果X偏振方向和Y偏振方向的两式各自相减，分别得到和再将X偏振方向和Y偏振方向相加得到φ′(t)I²；再除以4路输入信号的平方和I²，得到φ′(t)；再积分得到所需相位信息φ(t)；对2路输出的90°光混合器输出的信号处理步骤与上述处理步骤中相同，区别在于2路输出的90°光混合器只处理一个偏振方向的I、Q信号；利用脉冲时间宽度为T的光脉冲，提取光纤各处由声波引起的φ(t)，从而相当于在光纤沿线按空间间隔布置成大规模的传声器阵列，通过波束成形算法，实现声源振动频率、幅度的探测和粗定位；

步骤五、将同一个光脉冲内获得的线性扫频信号ω(t)与任意波形发生器的原始线性扫频上边带混频，由于存在时延，因此混频得到一个频率差，根据频率差和线性扫频斜率即可精确地获得距离信息，从而实现φ(t)所在的各点位置精定位，修正波束形成计算；

步骤六、通过将光纤按不同特殊排布传感光纤布置形成探测波束，利用数据采样稀疏化和时移控制实现探测波束的灵活配置，完成对声源的位置、频率、幅度和相位信息的提取；所述特殊排布传感光纤包括一维线型传感光纤、二维方型传感光纤或三维圆锥型传感光纤。