CN110319917A - 一种分布式光纤声波传感***及其传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式光纤声波传感***及其传感方法。本发明采用多波长技术，解决了外差频率与传感光纤长度相互制约的问题，从而能够实现更长的传感距离与更高的测量带宽；采用多波长技术，利用不同波长信号间的延时对信号进行组合，从而获得更高的采样率；采用多波长与外差调制解调相结合技术，相比于外差***，在相同的外差频率下，本发明的***可以获得更长的传感距离；在相同的传感距离下，本发明的***能够获得更高的外差频率；采用多波长与外差调制解调以及瑞利背向散射相结合技术，能够得到光纤沿线所有位置所受振动信号的幅度和频率，从而可以恢复出光纤沿线的声波场，实现分布式声波传感。

Description

一种分布式光纤声波传感***及其传感方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术，具体涉及一种分布式光纤声波传感***及其传感方法。

背景技术

分布式光纤声波传感是近年来兴起的一种新型传感技术，通过将高相干的脉冲光注入光纤，脉冲光将会引起背向瑞利散射，结合一定的调制解调技术，即可得到外界振动信号引起的光纤中光相位的变化，而该相位变化即可反映外界的声波场。分布式声波传感***的一种实现方案是利用外差调制解调方法[1]，注入光纤的为双脉冲，并且脉冲间有一定的频率差，通过对背向瑞利散射信号的探测，再结合外差解调算法，即可得到光相位的变化。

现有的外差法存在着外差频率Δf与传感光纤长度L相互制约的矛盾。为了能够较好的解调出外差信号，通常选取脉冲发生频率f_r＝4Δf。而为了避免信号的混叠，需要满足关系其中n为光纤的有效折射率，c为真空中的光速。从而为了实现更高的探测频率，则传感距离就会受限；为了实现长的传感距离，能够探测信号的带宽就会受限。例如，当设置外差频率为50kHz时，能够实现的最长传感距离为500米；如果传感距离为2500米，则外差频率最高为10kHz。

发明内容

为了解决外差频率Δf与传感光纤长度L相互制约的问题，本发明提出了一种分布式光纤声波传感***及其传感方法。

本发明的一个目的在于提出一种分布式光纤声波传感***。

本发明的分布式光纤声波传感***包括：多波长光源、第一波分复用器、调制器、第一光纤放大器、环形器、第二光纤放大器、第二波分复用器、探测器、数据采集卡和计算机；其中，多波长光源发出N个不同波长的连续光，波长分别为λ₁～λ_N，N≥2；经第一波分复用器合为一路；经过调制器后调制成脉冲序列，同一波长脉冲的重复周期为T，每个周期内同一波长产生频率分别为f₁和f₂两个脉冲，f₁≠f₂，称为脉冲对，Δf＝f₁-f₂称为外差频率，两个脉冲的宽度均为τ，两个脉冲之间的延时为Td；λ_i+1波长的脉冲对与λ_i波长的脉冲对延时T/N，i＝1,…,N；上述脉冲序列经过第一光纤放大器放大后，通过环形器注入传感光纤中；传感光纤中的背向瑞利散射信号经过环形器后到达第二光纤放大器；经过第二波分复用器将N个波长分为N路，然后被探测器探测，并被数据采集卡采集；信号传输到计算机，脉冲序列与背向瑞利散射信号相对应，每一个波长的脉冲序列对应于相应的一条瑞利散射曲线，瑞利散射信号的波长与脉冲对的波长相对应，分别选取t₀时刻λ_i波长下的瑞利散射信号t₀时刻的瑞利散射信号即为传感光纤上L₀处散射回来的瑞利散射信号，得到N个在传感光纤同一位置L₀的瑞利散射信号，从而将采样率提高了N倍，得到瑞利散射信号序列每个波长对应的外差频率均为Δf，将位置L₀的瑞利散射信号序列进行时域重构，得到位置L₀处随时间变化的信号I(L₀,t)＝A+Bcos[2πΔft+Φ(t)]，其中A为直流项，B为信号的振幅，Φ(t)为外界振动信息，滤除直流成分后将得到滤波后的信号I_AC(L₀,t)＝Bcos[2πΔft+Φ(t)]，进行外差解调算法，最后得到Φ(t)；对传感光纤上所有位置均进行外差解调，从而得到传感光纤上所有位置上的外界振动信息。

多波长光源包括多个不同波长的单色激光器。

脉冲序列与背向瑞利散射信号相对应，每一个波长的脉冲序列对应于相应的一条瑞利散射曲线，瑞利散射信号的波长与脉冲对的波长相对应。对于长度为L的传感光纤，单条瑞利散射曲线的周期为其中n为传感光纤的有效折射率，c为真空中的光速，为了使得信号不发生混叠，需要满足关系

本发明的另一个目的在于提供一种分布式光纤声波传感***的传感方法。

本发明的分布式光纤声波传感***的传感方法，包括以下步骤：

1)多波长光源发出N个不同波长的连续光，波长分别为λ₁～λ_N，N≥2；

2)N个不同波长的连续光经第一波分复用器合为一路；

3)经过调制器后调制成脉冲序列，同一波长脉冲的重复周期为T，每个周期内同一波长产生频率分别为f₁和f₂两个脉冲，称为脉冲对，Δf＝f₁-f₂称为外差频率，两个脉冲的宽度均为τ，两个脉冲之间的延时为Td；λ_i+1波长的脉冲对与λ_i波长的脉冲对延时T/N，i＝1,…,N；

4)上述脉冲序列经过第一光纤放大器放大后，通过环形器注入传感光纤中；

5)传感光纤中的背向瑞利散射信号经过环形器后到达第二光纤放大器；经过第二波分复用器将N个波长分为N路，然后被探测器探测，并被数据采集卡采集；

6)信号传输到计算机，脉冲序列与背向瑞利散射信号相对应，每一个波长的脉冲序列对应于相应的一条瑞利散射曲线，瑞利散射信号的波长与脉冲对的波长相对应，分别选取t₀时刻λ_i波长下的瑞利散射信号t₀时刻的瑞利散射信号即为传感光纤上L₀处散射回来的瑞利散射信号，得到N个在传感光纤同一位置L₀的瑞利散射信号，从而将采样率提高了N倍；

7)得到位置L₀的瑞利散射信号序列 每个波长对应的外差频率均为Δf，将位置L₀的瑞利散射信号序列进行时域重构，得到位置L₀的处随时间变化的信号I(L₀,t)＝A+Bcos[2πΔft+Φ(t)]，其中A为直流项，B为信号的振幅，Φ(t)为外界振动信息，滤除直流成分后将得到滤波后的信号I_AC(L₀,t)＝Bcos[2πΔft+Φ(t)]；

8)进行外差解调算法，最后得到Φ(t)即为外界振动信息；

9)对传感光纤上所有位置均进行外差解调，从而得到传感光纤上所有位置上的外界振动信息。

其中，在步骤3)中，对于长度为L的传感光纤，单条瑞利散射曲线的周期为其中n为传感光纤的有效折射率，c为真空中的光速，为了使得信号不发生混叠，需要满足关系

在步骤8)中，外差解调算法，包括以下步骤：

a)滤波后的信号I_AC(L₀,t)分别与正弦信号sin(2πΔft)和余弦信号cos(2πΔft)进行混频；

b)混频后分别经过低通滤波；

c)低通滤波后的正弦信号和余弦信号相除得到比值；

d)经过反正切运算，得到外界振动信息Φ(t)。

本发明的优点：

本发明采用多波长技术，解决了外差频率与传感光纤长度相互制约的问题，从而能够实现更长的传感距离与更高的测量带宽，***的关键在于：(1)采用多波长技术，利用不同波长信号间的延时对信号进行组合，从而获得更高的采样率；(2)采用多波长与外差调制解调相结合技术，相比于文献[1]的外差***，在相同的外差频率下，本发明的***可以获得更长的传感距离；在相同的传感距离下，本发明的***能够获得更高的外差频率；(3)采用多波长与外差调制解调以及瑞利背向散射相结合技术，能够得到光纤沿线所有位置所受振动信号的幅度和频率，从而可以恢复出光纤沿线的声波场，实现分布式声波传感。

附图说明

图1为本发明的分布式光纤声波传感***的一个实施例的示意图；

图2为根据本发明的分布式光纤声波传感***的一个实施例的调制器生成的脉冲序列图；

图3为根据本发明的分布式光纤声波传感***的一个实施例得到的脉冲序列与对应的背向瑞利散射信号图；

图4为本发明的分布式光纤声波传感***的一个实施例的外差解调算法的原理图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的分布式光纤声波传感***包括：多波长光源S、第一波分复用器W1、调制器M、第一光纤放大器A1、环形器C、第二光纤放大器A2、第二波分复用器W2、探测器D、数据采集卡DAQ和计算机PC；其中，多波长光源S发出四个不同波长的连续光，波长分别为λ₁～λ₄；经第一波分复用器W1合为一路；经过调制器M后调制成如图2所示的脉冲序列，同一波长脉冲的重复周期为T，每个周期内同一波长产生频率分别为f₁和f₂两个脉冲，称为脉冲对，Δf＝f₁-f₂称为外差频率，两个脉冲的宽度均为τ，两个脉冲之间的延时为Td；四个波长的脉冲对分别延时T/4，即λ₂的脉冲对比λ₁的脉冲对延后T/4，λ₃的脉冲对比λ₂的脉冲对延后T/4，λ₄的脉冲对比λ₃的脉冲对延后T/4；上述脉冲序列经过第一光纤放大器A1放大后，通过环形器C注入传感光纤F中；光纤中的背向瑞利散射信号经过环形器C后到达第二光纤放大器A2；经过第二波分复用器W2将四个波长分为四路，然后被探测器D探测，并被数据采集卡DAQ采集；信号传输到计算机PC，进行外差解调算法，从而得到光纤上所有位置上的振动信息。

如图3所示，脉冲序列与背向瑞利散射信号相对应，每一个波长的脉冲序列对应于相应的一条瑞利散射曲线，瑞利散射信号的波长与脉冲对的波长相对应。对于长度为L的光纤，单条瑞利散射曲线的周期为其中n为光纤的有效折射率，c为真空中的光速，为了使得信号不发生混叠，需要满足关系

分别选取t₀时刻λ₁波长下的瑞利散射信号I(t₀,λ₁)、时刻λ₂波长下的瑞利散射信号时刻λ₃波长下的瑞利散射信号时刻λ₄波长下的瑞利散射信号这四个信号为光纤同一位置L₀的瑞利散射信号。这种信号抽取方式，一个周期T内对L₀处的信号采集到了4个点，即对L₀处信号的采样率为而单一波长的采样率为从而将采样率提高了4倍。如果增加波长的数量，能够获得更高的采样率。

脉冲对的两个脉冲之间的频率差为Δf＝f₁-f₂，称之为外差频率。按照上述信号的组合方式，光纤上L₀处的时域信号由I(t₀,λ₁)、I(t₀+T,λ₁)……信号序列所组成，由于每个波长对应的外差频率均为Δf，因此上述序列信号表示为I(L₀,t)＝A+Bcos[2πΔft+Φ(t)]，其中A为直流项，B为信号的振幅，Φ(t)为外界振动引起光纤中光相位的变化，即为最终需要获得的信号。将上述信号滤除直流成分后将得到I_AC(L₀,t)＝Bcos[2πΔft+Φ(t)]，然后对该信号进行如图4所示的外差解调算法，最后得到的Φ(t)即为外界振动信息。最后，对光纤不同位置的信号均按照上述方法进行处理，即可得到光纤上所有位置上的外界振动信息。

如图4所示，外差解调算法过程为：将信号I_AC(L₀,t)分别与正弦信号sin(2πΔft)和余弦信号cos(2πΔft)进行混频并分别经过低通滤波LPF，然后两者相除得到两者的比值，最后经过反正切arctan运算即可得到外界振动信息Φ(t)。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

参考资料：

[1]He X,Xie S,Liu F,et al.Multi-event waveform-retrieved distributedoptical fiber acoustic sensor using dual-pulse heterodyne phase-sensitiveOTDR[J].Optics Letters,2017,42(3):442～445.

Claims (6)

1.一种分布式光纤声波传感***，其特征在于，所述分布式光纤声波传感***包括：多波长光源、第一波分复用器、调制器、第一光纤放大器、环形器、第二光纤放大器、第二波分复用器、探测器、数据采集卡和计算机；其中，多波长光源发出N个不同波长的连续光，波长分别为λ₁～λ_N，N≥2；经第一波分复用器合为一路；经过调制器后调制成脉冲序列，同一波长脉冲的重复周期为T，每个周期内同一波长产生频率分别为f₁和f₂两个脉冲，f₁≠f₂，称为脉冲对，Δf＝f₁-f₂称为外差频率，两个脉冲的宽度均为τ，两个脉冲之间的延时为Td；λ_i+1波长的脉冲对与λ_i波长的脉冲对延时T/N，i＝1,…,N；上述脉冲序列经过第一光纤放大器放大后，通过环形器注入传感光纤中；传感光纤中的背向瑞利散射信号经过环形器后到达第二光纤放大器；经过第二波分复用器将N个波长分为N路，然后被探测器探测，并被数据采集卡采集；信号传输到计算机，脉冲序列与背向瑞利散射信号相对应，每一个波长的脉冲序列对应于相应的一条瑞利散射曲线，瑞利散射信号的波长与脉冲对的波长相对应，分别选取t₀时刻λ_i波长下的瑞利散射信号n为传感光纤的有效折射率，c为真空中的光速，t₀时刻的瑞利散射信号即为传感光纤上L₀处散射回来的瑞利散射信号，得到N个在传感光纤同一位置L₀的瑞利散射信号，从而将采样率提高了N倍，得到瑞利散射信号序列 每个波长对应的外差频率均为Δf，将位置L₀的瑞利散射信号序列进行时域重构，得到位置L₀处随时间变化的信号I(L₀,t)＝A+Bcos[2πΔft+Φ(t)]，其中A为直流项，B为信号的振幅，Φ(t)为外界振动信息，滤除直流成分后将得到滤波后的信号I_AC(L₀,t)＝Bcos[2πΔft+Φ(t)]，进行外差解调算法，最后得到Φ(t)；对传感光纤上所有位置均进行外差解调，从而得到传感光纤上所有位置上的外界振动信息。

2.如权利要求1所述的分布式光纤声波传感***，其特征在于，所述多波长光源包括多个不同波长的单色激光器。

3.如权利要求1所述的分布式光纤声波传感***，其特征在于，对于长度为L的光纤，单条瑞利散射曲线的周期为为了使得信号不发生混叠，需要满足关系

4.一种如权利要求1所述的分布式光纤声波传感***的传感方法，其特征在于，所述传感方法包括以下步骤：

1)多波长光源发出N个不同波长的连续光，波长分别为λ₁～λ_N，N≥2；

2)N个不同波长的连续光经第一波分复用器合为一路；

3)经过调制器后调制成脉冲序列，同一波长脉冲的重复周期为T，每个周期内同一波长产生频率分别为f₁和f₂两个脉冲，称为脉冲对，Δf＝f₁-f₂称为外差频率，两个脉冲的宽度均为τ，两个脉冲之间的延时为Td；λ_i+1波长的脉冲对与λ_i波长的脉冲对延时T/N，i＝1,…,N；

4)上述脉冲序列经过第一光纤放大器放大后，通过环形器注入传感光纤中；

5)传感光纤中的背向瑞利散射信号经过环形器后到达第二光纤放大器；经过第二波分复用器将N个波长分为N路，然后被探测器探测，并被数据采集卡采集；

6)信号传输到计算机，脉冲序列与背向瑞利散射信号相对应，每一个波长的脉冲序列对应于相应的一条瑞利散射曲线，瑞利散射信号的波长与脉冲对的波长相对应，分别选取t₀时刻λ_i波长下的瑞利散射信号n为传感光纤的有效折射率，c为真空中的光速，t₀时刻的瑞利散射信号即为传感光纤上L₀处散射回来的瑞利散射信号，得到N个在传感光纤同一位置L₀的瑞利散射信号，从而将采样率提高了N倍；

7)得到位置L₀的瑞利散射信号序列 每个波长对应的外差频率均为Δf，将位置L₀的瑞利散射信号序列进行时域重构，得到位置L₀的处随时间变化的信号I(L₀,t)＝A+Bcos[2πΔft+Φ(t)]，其中A为直流项，B为信号的振幅，Φ(t)为外界振动信息，滤除直流成分后将得到滤波后的信号I_AC(L₀,t)＝Bcos[2πΔft+Φ(t)]；

8)进行外差解调算法，最后得到Φ(t)；

9)对传感光纤上所有位置均进行外差解调，从而得到传感光纤上所有位置上的外界振动信息。

5.如权利要求4所述的传感方法，其特征在于，在步骤5)中，在步骤3)中，对于长度为L的光纤，单条瑞利散射曲线的周期为为了使得信号不发生混叠，需要满足关系

6.如权利要求4所述的传感方法，其特征在于，在步骤8)中，外差解调算法包括以下步骤：：

a)滤波后的信号I_AC(L₀,t)分别与正弦信号sin(2πΔft)和余弦信号cos(2πΔft)进行混频；

b)混频后分别经过低通滤波；

c)低通滤波后的正弦信号和余弦信号相除得到比值；

a)经过反正切运算，得到外界振动信息Φ(t)。