CN110285843B - 一种大振幅信号分布式弱光栅阵列传感***及解调方法 - Google Patents

一种大振幅信号分布式弱光栅阵列传感***及解调方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大振幅信号分布式弱光栅阵列传感***及解调方法。本发明在弱光栅阵列传感***上结合双脉冲技术，利用IQ解调技术得到幅度信号和相位信号，然后利用幅度信号的局部单调性对相位展开信号的局部单调性进行校正，实现了相位信号的精准恢复。本发明通过利用幅度‑相位融合解调的方法，突破了采样率的限制，降低了数据传输和数据处理的时间，同时也达到了利用相位信息对大振幅信号的准确测量的目的。

Description

一种大振幅信号分布式弱光栅阵列传感***及解调方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及了一种光纤传感***和解调方法。
背景技术
光纤传感技术是从20世纪70年代发展而来的一门崭新的技术，随着光导纤维的实用化和光通信技术的发展，光纤传感技术以多元化的姿态迅猛发展。当光在光纤中传输时，由于光纤受外界扰动、温度、应变、位移等环境因素的影响，光信号的偏振态、功率、波长、相位等参数会发生变化。通过检测光纤中光的这些参数，就可以获得光纤周围环境的变化信息，从而实现传感。
光栅阵列传感原理是：把嵌入光纤的弱光栅阵列当做一组“弱反射镜”，在光纤的指定位置提供稳定的、强度可控的反射光信号，分布式弱光栅阵列传感方法拟使用这些反射光信号取代光纤中的自发瑞利散射，通过解调出干涉光的相位、功率等变化的信息，最终可以得到外部施加扰动的信号。与传统的光纤传感***相比，分布式弱光栅阵列传感***得到的反射光信号更稳定，灵敏度更高。基于弱光栅阵列解调扰动信息的方法有很多种，包括基于相位敏感光时域反射计的单脉冲和双脉冲法，以及干涉仪法等，但是利用相位信号对外界大振幅信号进行恢复解调是有采样率的限制的，应变信号越大、所需要的采样率就越高。当采样率足够高的时候，能够把大振幅分割成大量小段，然后通过相位展开算法进行续接，否则相位展开算法将出现错误展开。但受限于传感原理的限制，当光纤长度较长时，采样率会受到限制，不能无限增加，这限制了可探测的最大振幅。所以关于大振幅信号的相位解调问题是基于弱光栅阵列的相位敏感光时域反射***中一个需要重点解决的难题。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种大振幅信号分布式弱光栅阵列传感***及解调方法。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种大振幅信号分布式弱光栅阵列传感***，包括激光器、第一耦合器、第二耦合器、第一调制器、第二调制器、光纤放大器、环形器、传感光纤、探测器、数据采集卡以及处理器，所述传感光纤上设有弱光栅阵列；激光器输出的连续光信号经第一耦合器分成两路，其中一路光信号经第一调制器调制成第一脉冲光，另一路光信号经第二调制器调制成第二脉冲光，第一脉冲光和第二脉冲光经第二耦合器合为一路脉冲光并经光纤放大器输入环形器的1端口，脉冲光经环形器的2端口进入传感光纤，并在弱光栅阵列上进行反射后干涉，干涉信号经环形器的3端口依次输入探测器、数据采集卡和处理器，探测器将干涉信号转化为电信号，数据采集卡采集该电信号并传送给处理器，处理器完成信号的解调，得到传感光纤沿线的扰动信息；第一调制器和第二调制器的调制频率不同，且第一调制器调制的脉冲宽度与第二调制器调制的脉冲宽度相等；第二耦合器输出的脉冲光中两个脉冲的间距Δt与传感光纤中相邻弱光栅的间距s之间满足如下关系：
Figure BDA0002132996520000021
其中，c为光在真空中的速度，n为传感光纤的等效折射率。
进一步地，采用偏振控制器对第一脉冲光或第二脉冲光进行偏振控制，偏振控制的目标是使两路脉冲光的偏振态差值最小。
进一步地，通过对第一脉冲光和第二脉冲光进行功率控制，使两者脉冲峰值功率相等。
基于大振幅信号分布式弱光栅阵列传感***的信号解调方法，包括以下步骤：
(1)利用IQ解调技术对干涉信号进行幅度解调和相位解调，得到了初始的幅度信号和相位信号；
(2)通过相位展开技术对初始相位信号进行展开，得到相位展开信号；
(3)对初始幅度信号进行预处理，利用预处理后的幅度信号对相位展开信号进行校正：
若相邻两次解调得到的幅度和相位的单调性相同，则在前一点校准相位值的基础上加上相位差得到新的校准相位；若相邻两次解调得到的幅度递增而相位递减，则在前一点校准相位值基础上加上相位差和2π，得到新的校准相位；若相邻两次解调得到的幅度递减而相位递增，则在前一点校准相位值基础上加上相位差后再减去2π，得到新的校准相位；
最终得到的相位信号即为外界大振幅信号的恢复信号。
进一步地，在步骤(2)中，按照下式对初始相位信号进行展开：
Figure BDA0002132996520000031
其中，
Figure BDA0002132996520000032
为相位展开计算后得到的第i条时域信号曲线的相位，
Figure BDA0002132996520000033
表示相邻两次解调得到的相位差，即
Figure BDA0002132996520000034
φi为数据采集卡采集的第i条时域信号曲线中解调得到的相位，且
Figure BDA0002132996520000035
进一步地，在步骤(3)中，所述预处理为滑动平均处理，消除幅度信号上的毛刺噪声。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明在弱光栅阵列传感***上结合双脉冲技术，利用IQ解调技术得到的幅度信号和相位信号，然后利用幅度信号的局部单调性对相位展开信号的局部单调性进行校正，最后实现了相位信号的精准恢复。本发明通过利用幅度信号的局部单调性对相位展开信号的校正，使得相位展开信号的局部单调性与幅度信号保持了一致，可以准确得到外加大振幅信号的相位信息。本发明通过利用幅度-相位融合解调的算法，突破了采样率的限制，降低了数据传输和数据处理的时间，同时也达到了利用相位信息对大振幅信号的准确测量的目的。
附图说明
图1是本发明***结构图；
图2是光栅阵列产生的脉冲反射信号图。
图3是IQ解调得到的幅度信号图；
图4是相位展开信号图；
图5是对幅度信号进行滑动平均后的信号图；
图6是幅度-相位信号融合解调算法对相位展开信号恢复的信号图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明设计了一种大振幅信号分布式弱光栅阵列传感***，如图1所示，包括如下器件：
激光器：选取窄线宽激光器，用于产生连续光；
耦合器：用于对输入光进行分束/耦合；
调制器：通过对激光器发出的连续光进行调制，产生具有特定周期和特定宽度的脉冲光；
光纤放大器：对各路脉冲光耦合后的光进行功率放大；
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：在各个光栅上两个脉冲的反射光进行叠加产生干涉，感测***中的扰动事件；
探测器：用于将光信号转换为电信号输出至数据采集卡；
数据采集卡：用于将采集到的模拟信号数字化，并输出至处理器；
处理器：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传感信息测量。
如图1所示，激光器输出的连续光信号经第一耦合器分成两路，其中一路光信号经第一调制器调制成第一脉冲光，另一路光信号经第二调制器调制成第二脉冲光，第一脉冲光和第二脉冲光经第二耦合器合为一路脉冲光并经光纤放大器输入环形器的1端口，脉冲光经环形器的2端口进入传感光纤，并在弱光栅阵列上进行反射后干涉，干涉信号经环形器的3端口依次输入探测器、数据采集卡和处理器，探测器将干涉信号转化为电信号，数据采集卡采集该电信号并传送给处理器，处理器完成信号的解调，得到传感光纤沿线的扰动信息；第一调制器和第二调制器的调制频率不同，且第一调制器调制的脉冲宽度与第二调制器调制的脉冲宽度相等；第二耦合器输出的脉冲光中两个脉冲的间距Δt与传感光纤中相邻弱光栅的间距s之间满足如下关系：
Figure BDA0002132996520000051
其中，c为光在真空中的速度，n为传感光纤的等效折射率。
本实施例的一种优选技术方案，采用偏振控制器对第一脉冲光或第二脉冲光进行偏振控制，偏振控制的目标是使两路脉冲光的偏振态差值最小。
本实施例的一种优选技术方案，通过对第一脉冲光和第二脉冲光进行功率控制，使两者脉冲峰值功率相等。
本发明还设计了一种基于大振幅信号分布式弱光栅阵列传感***的信号解调方法，包括以下步骤：
步骤1、利用IQ解调技术对干涉信号进行幅度解调和相位解调，得到了初始的幅度信号和相位信号。
步骤2、通过相位展开技术对初始相位信号进行展开，得到相位展开信号。
在本实施例中，优选采用下式对相位信号进行展开：
Figure BDA0002132996520000061
假设数据采集卡一共采集了N条干涉信号的时域信号曲线，而每一条干涉信号的时域信号曲线上共采集了M个点，通过上述相位解调过程可以解调出N*M个相位值。以光纤上第m个点所在的位置进行相位展开分析，在整个数据采集的过程中，m点位置处一共采集了N个相位值，从第i条时域信号曲线中解调得到的相位为φi。
Figure BDA0002132996520000062
为相位展开计算后得到的第i条时域信号曲线的相位，且
Figure BDA0002132996520000063
Figure BDA0002132996520000064
表示相邻两次解调得到的相位差，即
Figure BDA0002132996520000065
在上式中，从第二个相位值开始，若相邻两次解调得到的相位差大于π，那么在该点的相位值上减去2π，即对相位进行向下展开；若相邻两次解调得到的相位差小于-π，那么在该点的相位值上加上2π，即对相位进行向上展开；若相邻两次解调得到的相位差介于-π和π之间，则相位不做调整。通过上述相位展开过程，可以将全部折叠在[-π，π]范围内的相位完全展开，然后得到了第m个点位置处的实际相位信息，最终实现了外界扰动信号的初步恢复。
步骤3、对初始幅度信号进行预处理，利用预处理后的幅度信号对相位展开信号进行校正：
若相邻两次解调得到的幅度和相位的单调性相同，则在前一点校准相位值的基础上加上相位差得到新的校准相位；若相邻两次解调得到的幅度递增而相位递减，则在前一点校准相位值基础上加上相位差和2π，得到新的校准相位；若相邻两次解调得到的幅度递减而相位递增，则在前一点校准相位值基础上加上相位差后再减去2π，得到新的校准相位。
上述校准过程可以通过下式表达：
Figure BDA0002132996520000071
其中，Φi为相位校准后得到的第i条时域信号曲线的相位，
Figure BDA0002132996520000072
为相位展开计算后得到的第i条时域信号曲线的相位，
Figure BDA0002132996520000073
Figure BDA0002132996520000074
表示相邻两次相位展开解调得到的相位差，即
Figure BDA0002132996520000075
ai为幅度解调后得到的第i条时域信号曲线的幅度，Δai表示相邻两次幅度解调得到的幅度差，即Δai＝ai-ai-1。
最终得到的相位信号即为外界大振幅信号的精准恢复信号。
在本实施例中，由激光器发出连续激光经过分光比为50:50的耦合器后一部分激光进入调制频率为200MHz的调制器，调制得到脉冲宽度为200ns的脉冲光，另一部分经过调制频率为150MHz的调制器，调制得到脉冲宽度为200ns的脉冲光，以上两个脉冲光间隔为500ns，由分光比为50:50的耦合器耦合成一路脉冲光，然后使得到的非同频双脉冲通过环形器进入弱光栅阵列，使两个脉冲光在光栅间距为50米的相邻光栅上进行反射后干涉，如图2所示，光栅阵列产生一系列脉冲反射信号。
在光栅1000米附近的振动源施加的是频率为50Hz、电压为2V的正弦信号，对干涉信号运用IQ解调技术，解调得到干涉信号的幅度信号和相位信号，如图3和图4所示，根据图4结果可以发现，解调得到的相位信号与外界施加的正弦信号不一致，在图4中可以观察到部分正弦信号，但是在局部位置存在相位展开错乱的问题，所以直接利用相位解调信息解调得到的结果不准确，不能精确地反应大振幅信号的变化情况。
由于是根据幅度信息对相位信息的进行精确校准，将幅度的局部位置单调性与相位的局部位置单调性进行对比，所以需要对解调得到的幅度信号进行滑动平均，减小由于幅度信号噪声“毛刺”带来的单调性误差。将图3中PZT产生大振幅信号的幅度解调结果进行滑动平均，平均后的结果如图5所示。在相位展开计算得到的相位信号基础上，利用上述相位校准算法，将图4中的相位信号的局部单调性进行进一步校准。通过幅度信号对相位展开信号的校准，使得相位信号的任何位置的单调性与幅度信号保持一致，在进行相位信号局部单调性的调整后得到如图6所示的相位信息，该相位信号就是对大振幅信号的准确恢复。
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做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.基于大振幅信号分布式弱光栅阵列传感***的信号解调方法，所述大振幅信号分布式弱光栅阵列传感***包括激光器、第一耦合器、第二耦合器、第一调制器、第二调制器、光纤放大器、环形器、传感光纤、探测器、数据采集卡以及处理器，所述传感光纤上设有弱光栅阵列；激光器输出的连续光信号经第一耦合器分成两路，其中一路光信号经第一调制器调制成第一脉冲光，另一路光信号经第二调制器调制成第二脉冲光，第一脉冲光和第二脉冲光经第二耦合器合为一路脉冲光并经光纤放大器输入环形器的1端口，脉冲光经环形器的2端口进入传感光纤，并在弱光栅阵列上进行反射后干涉，干涉信号经环形器的3端口依次输入探测器、数据采集卡和处理器，探测器将干涉信号转化为电信号，数据采集卡采集该电信号并传送给处理器，处理器完成信号的解调，得到传感光纤沿线的扰动信息；第一调制器和第二调制器的调制频率不同，且第一调制器调制的脉冲宽度与第二调制器调制的脉冲宽度相等；第二耦合器输出的脉冲光中两个脉冲的间距Δt与传感光纤中相邻弱光栅的间距s之间满足如下关系：
Figure FDA0002421262260000011
其中，c为光在真空中的速度，n为传感光纤的等效折射率；
其特征在于，所述信号解调方法包括以下步骤：
(1)利用IQ解调技术对干涉信号进行幅度解调和相位解调，得到了初始的幅度信号和相位信号；
(2)通过相位展开技术对初始相位信号进行展开，得到相位展开信号；
(3)对初始幅度信号进行预处理，利用预处理后的幅度信号对相位展开信号进行校正：
若相邻两次解调得到的幅度和相位的单调性相同，则在前一点校准相位值的基础上加上相位差得到新的校准相位；若相邻两次解调得到的幅度递增而相位递减，则在前一点校准相位值基础上加上相位差和2π，得到新的校准相位；若相邻两次解调得到的幅度递减而相位递增，则在前一点校准相位值基础上加上相位差后再减去2π，得到新的校准相位；
最终得到的相位信号即为外界大振幅信号的恢复信号。
2.根据权利要求1所述基于大振幅信号分布式弱光栅阵列传感***的信号解调方法，其特征在于，在步骤(2)中，按照下式对初始相位信号进行展开：
Figure FDA0002421262260000021
其中，
Figure FDA0002421262260000022
为相位展开计算后得到的第i条时域信号曲线的相位，
Figure FDA0002421262260000023
表示相邻两次解调得到的相位差，即
Figure FDA0002421262260000024
φi为数据采集卡采集的第i条时域信号曲线中解调得到的相位，且
Figure FDA0002421262260000025
3.根据权利要求1所述基于大振幅信号分布式弱光栅阵列传感***的信号解调方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述预处理为滑动平均处理，消除幅度信号上的毛刺噪声。
4.根据权利要求1所述基于大振幅信号分布式弱光栅阵列传感***的信号解调方法，其特征在于，采用偏振控制器对第一脉冲光或第二脉冲光进行偏振控制，偏振控制的目标是使两路脉冲光的偏振态差值最小。
5.根据权利要求1所述基于大振幅信号分布式弱光栅阵列传感***的信号解调方法，其特征在于，通过对第一脉冲光和第二脉冲光进行功率控制，使两者脉冲峰值功率相等。
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