CN110635844A - 基于改良pgc算法的相位敏感光时域反射计型分布式光纤声波传感器 - Google Patents

基于改良pgc算法的相位敏感光时域反射计型分布式光纤声波传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于改良PGC算法的相位敏感光时域反射计型分布式光纤声波传感器，其特征在于它包括窄线宽激光器、声光调制器、第一隔离器、掺铒光纤放大器、环形器、传感光纤、第二隔离器、耦合器、第一反射镜、第二反射镜、压电陶瓷、信号发生器、光电探测器、数模转换器、DSP芯片。所述DSP芯片中PGC解调采用DCM与Arctan算法相结合的算法。本发明在运算过程中完全消除了贝塞尔函数的影响，将J1(C)与J2(C)通过两路信号的自身运算消除，从而消除了传统PGC‑DCM或PGC‑Arctan算法中载波调制深度C的影响，提升了解调结果的准确性，减少了误差因素的干扰。

Description

基于改良PGC算法的相位敏感光时域反射计型分布式光纤声 波传感器
技术领域
本发明属于光纤分布式声波传感器领域，尤其涉及的是一种基于改良PGC算法的相位敏感光时域反射计型分布式光纤声波传感器。
背景技术
基于相位敏感光时域反射计(phase-sensitive optical time domainreflectometry,Φ-OTDR)的分布式光纤声波传感***，是利用光纤传输中的后向散射光的相位变化来实现声波信号的分布式测量和还原。它除了分布式光纤振动传感器(distributed fiber vibration sensing，DVS)的固有优点外，还兼具可以长距离实时多点定量监测如振动、声波的动态应变，具有更广阔的应用前景。1993年，德克萨斯A&M大学的Taylor等人首次提出基于瑞利后向散射光，并应用了超窄线宽激光器的光时域反射计。2005年，Taylor提出将Φ-OTDR应用于入侵检测，并进行了现场实验。
Φ-OTDR在传统OTDR的基础上将光源更换为窄线宽激光器，极大增强了后向散射光的干涉强度。由窄线宽激光器发出的连续光经由调制器调制成为脉冲光。脉冲光调制器通常为电光调制器(Electro-Optic Modulator，EOM)、声光调制器(Acousto-OpticModulator，AOM)或半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)。脉冲光经过掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA)后，经由环形器进入传感光纤中，产生的后向散射光经由环形器传到光电探测器中转变为电信号，并经由数据处理模块进行信息处理。当有振动信号作用在传感光纤上时，由于光纤本身的光弹效应，光纤的折射率发生变化，导致后向散射光相位发生变化，进而影响干涉结果。将采集到的有扰和无扰的后向散射光曲线相减，通过确定差分曲线尖峰的位置，即可实现对外界扰动事件的监测和定位。
相位生成载波调制法是指在干涉仪的传感臂上施加一个频率极高的载波调制信号，使振动信号成为该载波信号的边带，然后通过低高通滤波、混频等操作，去除噪声信号的干扰，从载波信号中还原振动信号的强度、相位等信息。在解调方面，载波调制拥有很多选择，最常用的是微分交叉相乘(Differential Cross Multiplication,DCM)算法和反正切(Arctan)算法。
通过PGC-DCM算法可以看出其解调结果与可见度ν，光强因素A，载波调制深度C等因素有关。所有对上述因素造成影响的其他因素如激光器的输出强度，光在光纤传感器中的光强衰减，耦合器的分光比，传输光的偏振改变等因素都会对解调结果造成影响。
PGC-Arctan解调算法与PGC-DCM解调算法相比算法结构简单从而可以降低信号处理的时间，而且其解调结果并不包含有光强、可见度等因素，因此其可以避免由光源不稳定等因素造成的解调结果的不稳定，但是由于只有当J1(C)/J2(C)＝1时，才可以保障解调的正确，因此载波调制深度的偏差引起的解调结果的失真是PGC-Arctan算法的主要问题。
发明内容
本发明针对背景技术中存在的问题，为解决PGC解调算法中信号解调结果受载波调制深度C影响的关系，从而获得更准确的解调信号。
技术方案：
本发明公开了一种基于改良PGC算法的相位敏感光时域反射计型分布式光纤声波传感器，它包括窄线宽激光器、声光调制器、第一隔离器、掺铒光纤放大器、环形器、传感光纤、第二隔离器、耦合器、第一反射镜、第二反射镜、压电陶瓷、信号发生器、光电探测器、数模转换器、DSP芯片，
窄线宽激光器经由单模光纤连接声光调制器，声光调制器经由同种单模光纤接入第一隔离器输入端；第一隔离器输出端经单模光纤接入掺铒光纤放大器；掺铒光纤放大器经单模光纤接入环形器的的1口；环形器的2口经单模传感光纤接入第二隔离器输入端；环形器的3口经单模光纤接入耦合器的1口；耦合器的2，4口经由单模光纤分别接入第一反射镜和压电陶瓷；压电陶瓷的信号输入端经电线连接信号发生器，其光学输出端经单模光纤连接第二反射镜；耦合器的3口经单模光纤连接光电探测器的光学输入端；光电探测器的电学输出端经由电线连接数模转换器，数模转换器经由电线连接DSP芯片。
优选的，所述DSP芯片中PGC解调采用DCM与Arctan算法相结合的算法。
具体的，将干涉信号I分别同一倍频载波信号Gcosω0t和二倍频载波信号H cos 2ω0t相乘获得a1、b1，所得结果a1、b1各自经过低通滤波得到a2、b2，结果a2、b2各自经过微分得到a3、b3，结果a3、b3分别与b2、a2相乘，所得的两路信号结果a4、b4依次做除法、取绝对值、算术平方根、反正切运算，得到解调信号结果。
具体的，干涉仪的输出信号
Figure BDA0002261305720000021
具体步骤为：
将幅值分别为G、H的，角频率为ω0和2ω0的信号与干涉仪的输出信号I进行混频，混频结果a1、b1分别由下式计算得到：
Figure BDA0002261305720000022
Figure BDA0002261305720000031
式中，A为干涉仪输出信号I中的直流成分的幅值，B为干涉仪输出信号I中交流成分的幅值，C为载波调制深度，t为时间，为待测信号；J为贝塞尔函数；Gcosω0t表示角频率为ω0，幅值为G的信号，H cos 2ω0t表示角频率为2ω0，幅值为H的信号；k＝0，1，2，3……；
将a1、b1分别通过低通滤波，以滤除一倍载波以及以上的高频成分，得到：
Figure BDA0002261305720000034
a2、b2采用微分交叉相乘的方法，通过微分之后得到的信号为：
Figure BDA0002261305720000035
Figure BDA0002261305720000036
a3、b3交叉相乘后得到的两项分别为：
Figure BDA0002261305720000038
式中，J1(C)为贝塞尔一阶函数，J2(C)为贝塞尔二阶函数。
Figure BDA00022613057200000310
为待测信号
Figure BDA00022613057200000311
的导数；将a4、b4依次做除法、取绝对值、算术平方根、反正切运算，得到解调信号结果
Figure BDA0002261305720000039
本发明的有益效果
在运算过程中完全消除了贝塞尔函数的影响，将J1(C)与J2(C)通过两路信号的自身运算消除，从而消除了传统PGC-DCM或PGC-Arctan算法中载波调制深度C的影响，提升了解调结果的准确性，减少了误差因素的干扰。
附图说明
图1为本发明的结构框图
图2为改良PGC解调算法的结构框图
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：
结合图1，一种基于改良PGC算法的相位敏感光时域反射计型分布式光纤声波传感器，它包括窄线宽激光器1、声光调制器2、第一隔离器3、掺铒光纤放大器4、环形器5、传感光纤6、第二隔离器7、耦合器8、第一反射镜9、第二反射镜10、压电陶瓷11、信号发生器12、光电探测器13、数模转换器14、DSP芯片15，
窄线宽激光器1经由单模光纤连接声光调制器2，声光调制器2经由同种单模光纤接入第一隔离器3输入端；第一隔离器3输出端经单模光纤接入掺铒光纤放大器4；掺铒光纤放大器4经单模光纤接入环形器的5的1口；环形器5的2口经单模传感光纤接入第二隔离器7输入端；环形器5的3口经单模光纤接入耦合器8的1口；耦合器8的2，4口经由单模光纤分别接入第一反射镜9和压电陶瓷11；压电陶瓷11的信号输入端经电线连接信号发生器12，其光学输出端经单模光纤连接第二反射镜10；耦合器8的3口经单模光纤连接光电探测器13的光学输入端；光电探测器13的电学输出端经由电线连接数模转换器14，数模转换器14经由电线连接DSP芯片15。
将传感光纤附着于待测管线或建筑上，由窄线宽激光器发出激光，经由声光调制器调至成为脉冲光。脉冲光经过掺铒光纤放大器实现光功率放大，接着经由环形器进入传感光纤，感受结构产生变化的振动或声波信号，从而产生瑞利反向散射光，返回环形器。环形器接受瑞利反向散射光，将其传输至50:50耦合器，耦合器将包含信息的瑞利反向散射光(光功率平均)分为两束，一束经过反射镜1反射回来，一束经过压电陶瓷输出调制信号的调制(作用在光纤上)后经由反射镜2反射回来。调制信号由信号发生器输出并控制(频率应远大于待测信号)。两束返回光经过耦合器发生干涉，干涉光传输至光电探测器转化为电信号，经由数模转换器转换为数字电信号，并最终由DSP中的改良PGC解调算法解调输出原始振动或声波信号。设定相应的报警阈值并将没有振动或声波信号产生的曲线以及有振动或声波信号产生的曲线做差，即可完成定位与报警功能。
在DSP芯片15中，采用了改良版本的PGC解调算法，将传统的DCM与Arctan算法相结合。
结合图2，干涉信号分别与一倍频载波信号和二倍频载波信号相乘，所得结果各自经过低通滤波与微分，再与另一路微分前的信号相乘。所得的两路信号结果做除法，并依次取绝对值，算术平方根，最后进行反正切运算，得出解调信号结果。
干涉仪的输出信号
Figure BDA0002261305720000041
具体步骤为：
将幅值分别为G、H的，角频率为ω0和2ω0的信号与干涉仪的输出信号I进行混频，混频结果a1、b1分别由下式计算得到：
Figure BDA0002261305720000052
式中，A为干涉仪输出信号I中的直流成分的幅值，B为干涉仪输出信号I中交流成分的幅值，C为载波调制深度，t为时间，为待测信号；J为贝塞尔函数；G cos ω0t表示角频率为ω0，幅值为G的信号，H cos 2ω0t表示角频率为2ω0，幅值为H的信号；k＝0，1，2，3……；
将a1、b1分别通过低通滤波，以滤除一倍载波以及以上的高频成分，得到：
Figure BDA0002261305720000054
Figure BDA0002261305720000055
a2、b2采用微分交叉相乘的方法，通过微分之后得到的信号为：
Figure BDA0002261305720000056
Figure BDA0002261305720000057
a3、b3交叉相乘后得到的两项分别为：
Figure BDA0002261305720000058
Figure BDA0002261305720000059
式中，J1(C)为贝塞尔一阶函数，J2(C)为贝塞尔二阶函数。
Figure BDA00022613057200000514
为待测信号
Figure BDA00022613057200000515
的导数；将a4、b4依次做除法，得到信号
Figure BDA00022613057200000510
取绝对值，得到信号
Figure BDA00022613057200000511
对该信号进行算术平方根的处理，得到对该结果反正切运算，即可得到原始振动或声波信号
Figure BDA00022613057200000513
在运算过程中完全消除了贝塞尔函数的影响，将J1(C)与J2(C)通过两路信号的自身运算消除，从而消除了传统PGC-DCM或PGC-Arctan算法中载波调制深度C的影响，提升了解调结果的准确性，减少了误差因素的干扰。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神做举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种基于改良PGC算法的相位敏感光时域反射计型分布式光纤声波传感器，其特征在于它包括窄线宽激光器(1)、声光调制器(2)、第一隔离器(3)、掺铒光纤放大器(4)、环形器(5)、传感光纤(6)、第二隔离器(7)、耦合器(8)、第一反射镜(9)、第二反射镜(10)、压电陶瓷(11)、信号发生器(12)、光电探测器(13)、数模转换器(14)、DSP芯片(15)，
窄线宽激光器(1)经由单模光纤连接声光调制器(2)，声光调制器(2)经由同种单模光纤接入第一隔离器(3)输入端；第一隔离器(3)输出端经单模光纤接入掺铒光纤放大器(4)；掺铒光纤放大器(4)经单模光纤接入环形器的(5)的1口；环形器(5)的2口经单模传感光纤接入第二隔离器(7)输入端；环形器(5)的3口经单模光纤接入耦合器(8)的1口；耦合器(8)的2，4口经由单模光纤分别接入第一反射镜(9)和压电陶瓷(11)；压电陶瓷(11)的信号输入端经电线连接信号发生器(12)，其光学输出端经单模光纤连接第二反射镜(10)；耦合器(8)的3口经单模光纤连接光电探测器(13)的光学输入端；光电探测器(13)的电学输出端经由电线连接数模转换器(14)，数模转换器(14)经由电线连接DSP芯片(15)。
2.根据权利要求1所述的一种基于改良PGC算法的相位敏感光时域反射计型分布式光纤声波传感器，其特征在于所述DSP芯片中PGC解调采用DCM与Arctan算法相结合的算法。
3.根据权利要求2所述的一种基于改良PGC算法的相位敏感光时域反射计型分布式光纤声波传感器，其特征在于将干涉信号I分别同一倍频载波信号G cosω0t和二倍频载波信号H cos2ω0t相乘获得a1、b1，所得结果a1、b1各自经过低通滤波得到a2、b2，结果a2、b2各自经过微分得到a3、b3，结果a3、b3分别与b2、a2相乘，所得的两路信号结果a4、b4依次做除法、取绝对值、算术平方根、反正切运算，得到解调信号结果。
4.根据权利要求3所述的一种基于改良PGC算法的相位敏感光时域反射计型分布式光纤声波传感器，其特征在于干涉仪的输出信号
Figure FDA0002261305710000011
具体步骤为：
将幅值分别为G、H的，角频率为ω0和2ω0的信号与干涉仪的输出信号I进行混频，混频结果a1、b1分别由下式计算得到：
Figure FDA0002261305710000012
式中，A为干涉仪输出信号I中的直流成分的幅值，B为干涉仪输出信号I中交流成分的幅值，C为载波调制深度，t为时间，
Figure FDA00022613057100000211
为待测信号；J为贝塞尔函数；G cosω0t表示角频率为ω0，幅值为G的信号，H cos2ω0t表示角频率为2ω0，幅值为H的信号；k＝0，1，2，3……；
将a1、b1分别通过低通滤波后，得到：
Figure FDA0002261305710000022
a2、b2采用微分交叉相乘的方法，通过微分之后得到的信号为：
Figure FDA0002261305710000024
a3、b3交叉相乘后得到的两项分别为：
Figure FDA0002261305710000027
式中，J1(C)为贝塞尔一阶函数，J2(C)为贝塞尔二阶函数。
Figure FDA0002261305710000028
为待测信号的导数；将a4、b4依次做除法、取绝对值、算术平方根、反正切运算，得到解调信号结果
Figure FDA00022613057100000210
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