CN111678583A - 一种光源噪声改善的光纤振动测量装置及方法 - Google Patents

一种光源噪声改善的光纤振动测量装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111678583A
CN111678583A CN202010553618.6A CN202010553618A CN111678583A CN 111678583 A CN111678583 A CN 111678583A CN 202010553618 A CN202010553618 A CN 202010553618A CN 111678583 A CN111678583 A CN 111678583A
Authority
CN
China
Prior art keywords
light
path
optical fiber
light source
continuous light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010553618.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111678583B (zh
Inventor
于淼
***
常天英
杨先勇
崔洪亮
杨先进
郑志丰
程立耀
吴崇坚
张耀鲁
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhuhai Renchi Photoelectric Technology Co ltd
Original Assignee
Zhuhai Renchi Photoelectric Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhuhai Renchi Photoelectric Technology Co ltd filed Critical Zhuhai Renchi Photoelectric Technology Co ltd
Priority to CN202010553618.6A priority Critical patent/CN111678583B/zh
Publication of CN111678583A publication Critical patent/CN111678583A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111678583B publication Critical patent/CN111678583B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
    • G01H9/004—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35306—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement
    • G01D5/35329—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using interferometer with two arms in transmission, e.g. Mach-Zender interferometer
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35338—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using other arrangements than interferometer arrangements
    • G01D5/35354—Sensor working in reflection
    • G01D5/35358—Sensor working in reflection using backscattering to detect the measured quantity
    • G01D5/35361—Sensor working in reflection using backscattering to detect the measured quantity using elastic backscattering to detect the measured quantity, e.g. using Rayleigh backscattering

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)

Abstract

本公开提供一种光源噪声改善的光纤振动测量装置及方法，涉及光纤分布式振动测量领域，在光源噪声抑制前馈结构的前馈环路中，基于光纤干涉仪、90度光混频器得到相互正交的两路干涉光信号，分别输出给光电平衡探测器1和光电平衡探测器2，转换为两路干涉电信号，输出给***；使用光源噪声抑制前馈结构，对激光器输出的连续光进行相位噪声抑制，添加在经典的
Figure DDA0002543496720000011
测量装置中，减小激光器相位噪声，进一步提高外界振动信号的测量精度。

Description

一种光源噪声改善的光纤振动测量装置及方法
技术领域
本公开涉及光纤分布式振动测量领域，特别涉及一种光源噪声改善的光纤振动测量装置及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
光时域反射测量技术是根据光的后向散射与菲涅耳反向原理，利用脉冲光波在光纤中传播时产生的后向散射光波来获取能量(幅度)衰减的信息，可用于测量光纤衰减、接头损耗、光纤故障点定位以及了解光纤沿长度的损耗分布情况等，是光缆施工、维护及监测中必不可少的技术。
随着测量技术的不断改进，出现了如相位敏感光时域反射测量
Figure BDA0002543496700000011
技术、
Figure BDA0002543496700000012
振动测量技术和基于二次差分的
Figure BDA0002543496700000013
测量方法；
发明人发现，对于依据二次差分的
Figure BDA0002543496700000014
测量方法，当被测环境振动发生时，由于受到振动事件的影响，在振动点之后的传感光纤中都会携带振动信息，而振动点之前的传感光纤则未携带振动信息。因此可以选取间距为DAB的A点和B点，通过相位做差初步消除由于激光器相位噪声对测量带来的不利影响，其中A点在振动点之后，携带振动信息，而B点在振动点之前，未携带振动信息。进一步，选取振动点之前间距为DCD的C点和D点，进行相位做差，可以得到C、D两点之间的相位变化信息。通过计算间距DAB和DCD的比例关系，可以消除激光器相位噪声对传感***的性能影响，实时补偿频率漂移引起的测量相位漂移，提高外界振动信号的测量精度，但是，其是一种数字信号处理方法，并未根本降低激光器相位噪声，难以进一步提高外界振动信号的测量精度。
发明内容
本公开的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种光源噪声改善的光纤振动测量装置及方法，通过在传统的相位敏感光时域反射测量测量装置中，增加频率跟踪前馈结构，减小出射激光的相位噪声，进一步提高外界振动信号的测量精度。
本公开的第一目的是提供一种光源噪声改善的光纤振动测量装置，采用以下技术方案：
前馈结构，获取连续光并分为两路，一路依次经过干涉仪、光电平衡探测器、***、前置放大器和压控振荡器后，与另一路共同输入单边带调制器，输出经过相位噪声抑制后的连续光；
测量结构，获取经过相位噪声抑制后的连续光并分为两路，一路经过声光调制器、光放大器和环形器后输入传感光纤，并将携带振动信息的后向瑞利散射光与另一路耦合后，经光电探测器后输出到处理器；
传感光纤，与环形器连接，获取沿光纤的环境振动信息。
进一步地，所述干涉仪将获取的一路连续光分为正交的两路干涉光信号，并分别输入第一光平衡探测器和第二光平衡探测器转化为两路干涉电信号后，输入***。
进一步地，***将获取的两路干涉电信号共同输入前置放大器后，驱动压控振荡器产生连续光信号输出到单边带调制器。
进一步地，连续光的另一路通过第一延迟光纤后输出到单边带调制器，干涉仪内设有第二延迟光纤，用于调节***获取的一次差分的时间差。
进一步地，测试结构获取的连续光分为两路后，传感光纤获取一路连续光并通过环形器端口出射后向瑞利散射光，与另一路作为本地参考光的连续光进行耦合，产生相干信号。
本公开的第二目的是提供一种光源噪声改善的光纤振动测量方法，包括以下步骤：
获取连续光并在前馈结构内分为两路；
对两路连续光分别进行处理后共同进行单边带调制，抑制光源相位噪声；
经过光源相位噪声抑制的连续光分为两路；
一路经过声光调制和光放大后通过环形器输入传感光纤；
环形器将传感光纤中产生的带有环境振动信息的后向瑞利散射光输出，并与另一路连续光进行耦合产生相干信号；
对相干信号进行处理，获取沿传感光纤的环境振动信息。
进一步地，前馈机构对连续光的处理具体为：
将一路连续光通过干涉仪处理得到两路正交的干涉信号，分别为I路和Q路；
I路干涉信号取时间平均后与Q路信号相乘，Q路干涉信号取时间平均并且取反后与I路信号相乘；
将上一步得到的两路信号相加，并进行幅度归一化处理，可以得到一阶差分光源相位噪声的估计值；
对提取的一阶差分光源相位噪声估计值进行放大，驱动压控振荡器输出振荡信号；
压控振荡器输出的振荡信号和另一路连续光经过延迟光纤后，共同进入单边带调制器进行调制。
进一步地，通过调节压控振荡器的灵敏度和一节差分光源噪声的估计值，对光源相位噪声进行调整。
进一步地，后向瑞利散射光携带有传感光纤收到的环境振动信息，并通过环形器端口出射。
进一步地，与后向瑞利散射光耦合的另一路连续光作为本地参考光。
与现有技术相比，本公开具有的优点和积极效果是：
(1)使用光源噪声抑制前馈结构，对激光器输出的连续光进行相位噪声抑制，添加在经典的
Figure BDA0002543496700000041
测量装置中，减小激光器相位噪声，进一步提高外界振动信号的测量精度；
(2)在光源噪声抑制前馈结构的前馈环路中，基于光纤干涉仪、90度光混频器得到相互正交的两路干涉光信号，分别输出给光电平衡探测器1和光电平衡探测器2，转换为两路干涉电信号，输出给***。避免了采用单路干涉光信号进行一阶差分光源相位噪声估计时存在的频率漂移问题，提高了一阶差分光源相位噪声测量精度，从而有利于光源相位噪声的抑制，改善外界振动信号的测量精度。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例1、2中光纤振动测量的结构及流程示意图；
图2为本公开实施例1、2中***的结构图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步地说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本公开中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
正如背景技术中所介绍的，现有技术中二次差分的
Figure BDA0002543496700000051
测量方法是一种数字信号处理方法，并未根本降低激光器相位噪声，难以进一步提高外界振动信号的测量精度；针对上述问题，本公开提出了一种光源噪声改善的光纤振动测量装置及方法。
光源噪声：激光器的线宽不可能无限窄，总是存在一定的相位噪声(或称之为“频率漂移”)。脉冲光在光纤中传播时，后向瑞利散射信号的强度会受到探测光相位噪声的影响而发生抖动，造成测量信号信噪比的下降，引起被测振动信号的定位和测量误差甚至失败。
对
Figure BDA0002543496700000052
***来说，激光器的相位噪声会降低***的测量精度，降低***的空间分辨率。因此，改善光波的相位噪声至关重要。一方面，可以通过改进激光器材料、保持环境温湿度和大气压力稳定等方法提高光波频率稳定性，降低相位噪声；另一方面，可以通过设计新的光路结构和数据处理方法，抑制光波相位噪声对振动测量精度和空间定位的不利影响。
对于前者，在现有激光器制作工艺和恒温恒湿恒压处理技术的基础上，获得显著进步并不是短期内容易实现的技术方法；对于后者，比较通用的方法是采用二次差分方法，是一种纯粹数字信号处理的改进方法。
基于二次差分的
Figure BDA0002543496700000061
测量方法详细工作原理如下：
在经典
Figure BDA0002543496700000062
***结构的基础上，使窄线宽激光器发出的连续光，经过具有特定功率比的耦合器分为两路，其中一路连续光经过具有移频功能的声光调制器(AcousticOptic Modulator，AOM)，转换为具有特定宽度和周期的脉冲光，再经过光放大器(通常是掺铒光纤放大器(Erbium Doped Optical Fiber Amplifier，EDFA))进行功率补偿后进入环形器1端口，再通过环形器3端口出射进入传感光纤，获取光纤沿线的振动测量信息，传感光纤中产生的携带环境振动信息的后向瑞利散射光再次经过环形器3端口，并从环形器2端口出射。
光源发出的连续光经过具有特定功率比耦合器之后分出的另一路连续光作为本地参考光。本地参考光与环形器2端口出射的后向瑞利散射光经过50:50的耦合器产生相干信号，经过光电探测器转换为电信号进入数据采集卡，得到数字信号进行数据处理，获取沿光纤的环境振动信息。
但是，基于二次差分的
Figure BDA0002543496700000063
测量方法是一种数字信号处理方法，并未根本降低激光器相位噪声，未考虑光路结构改进抑制测量相位噪声的可行方案。
实施例1
本公开的一种典型的实施方式中，如图1-图2所示，提出了一种光源噪声改善的光纤振动测量装置。
其装置包括：激光器、光源噪声抑制前馈结构、耦合器3、声光调制器、掺铒光纤放大器、环形器、传感光纤、耦合器4、光电探测器、数据采集卡、信号发生器和处理器。
激光器出射窄线宽连续光，经过光源噪声抑制前馈结构后，进入经过具有特定功率比的耦合器3，分为两路，其中一路连续光经过具有移频功能的声光调制，转换为具有特定宽度和周期的脉冲光，再经过光放大器进行功率补偿后进入环形器1端口，再通过环形器3端口出射进入传感光纤，获取光纤沿线的振动测量信息，传感光纤中产生的携带环境振动信息的后向瑞利散射光再次经过环形器3端口，并从环形器2端口出射。
光源发出的连续光经过具有特定功率比耦合器3之后分出的另一路连续光作为本地参考光。本地参考光与环形器2端口出射的后向瑞利散射光经过50:50的耦合器4产生相干信号，经过光电探测器转换为电信号进入数据采集卡，得到数字信号在处理器中进行数据处理，获取沿光纤的环境振动信息。
使用光源噪声抑制前馈结构，对激光器输出的连续光进行相位噪声抑制，添加在经典的
Figure BDA0002543496700000071
测量装置中，减小激光器相位噪声，进一步提高外界振动信号的测量精度。
光源噪声抑制前馈结构包括：耦合器1、延迟光纤1、前馈环路、单边带调制器。
激光器出射窄线宽连续光，经过50:50的耦合器1分为两路，第1路经过延迟光纤1直接进入单边带调制器，第2路经过前馈环路进入单边带调制器。延迟光纤1实现第1路连续光的传播延迟控制，保证从耦合器1到单边带调制器的两路连续光具有相同的延迟时间。
前馈环路包括：耦合器2、延迟光纤2、90度光混频器、光电平衡探测器1、光电平衡探测器2、***、前置放大器、压控振荡器。
耦合器1输出的第2路连续光，经过50:50的耦合器2再分为两路，其中一路直接进入90度光混频器，另一路经过延迟光纤2进入90度光混频器。耦合器2、不带延迟光纤的传输用光纤、带有延迟光纤2的传输光纤，以及90度光混频器组成了经典的马赫-增德尔光纤干涉仪，干涉臂长差由延迟光纤2决定。基于马赫-增德尔光纤干涉仪，90度光混频器得到相互正交的两路干涉光信号，分别输出给光电平衡探测器1和光电平衡探测器2，转换为两路干涉电信号，输出给***。***得到一次差分的光源相位噪声，传输给前置放大器，一次差分的时间差由延迟光纤2决定。前置放大器对一次差分的光源相位噪声进行放大，驱动压控振荡器，产生连续光信号输出给单边带调制器。
单边带调制器接收经过延迟光纤1的连续光，以及前馈环路的连续光，进行频率综合，输出光源相位噪声改善的连续光进入耦合器3。
基于马赫-增德尔光纤干涉仪，90度光混频器得到相互正交的两路干涉光信号，分别输出给光电平衡探测器1和光电平衡探测器2，转换为两路干涉电信号，输出给***。避免了采用单路干涉光信号进行一阶差分光源相位噪声估计时存在的频率漂移问题，提高了一阶差分光源相位噪声测量精度，从而有利于光源相位噪声的抑制，改善外界振动信号的测量精度。
90度光混频器将两路正交(I路和Q路)的干涉电信号，输出给***。
对于***，在本实施例中，其包括：平均器1、平均器2、乘法器1、反相器、乘法器2和加法器。I路干涉电信号经过平均器1，求取时间T内的信号平均值，传输给乘法器1。乘法器1对平均器1输出的信号平均值和Q路信号进行乘法运算，输出给加法器。Q路干涉电信号经过平均器2，求取时间T内的信号平均值，反相器，进行取反后，传输给乘法器2。乘法器2对平均器2输出的信号平均值和I路信号进行乘法运算，输出给加法器。加法器对两路输入信号进行相加运算，得到一次差分的光源相位噪声，传输给前置放大器。
实施例2
本公开的另一典型实施例中，如图1-图2所示，提出一种光源噪声改善的光纤振动测量方法。
第1步，激光器输出波长为1550nm或1330nm的连续光：
Figure BDA0002543496700000091
其中，A代表光波幅度，v0代表光波频率，为常数193.5THz(对应1550nm波长)或者229.0THz(对应1310nm波长)，θ(t)代表光源相位噪声，t表示时间。
第2步，激光器连续光分为两路，其中1路利用经典的马赫-增德尔干涉仪，得到两路(I路和Q路)正交的干涉信号：
I(t)＝Bcos(2πν0τ+Δθ(t)) (2)
Q(t)＝Bsin(2πν0τ+Δθ(t)) (3)
Δθ(t)＝θ(t)-θ(t-τ) (4)
其中，B表示干涉信号幅度，Δθ(t)表示一阶差分光源相位噪声，τ表示马赫-增德尔干涉仪干涉臂长引起的时间延迟。并且，τ选择为较短时间，使Δθ(t)满足：
Δθ(t)＜＜1 (5)
第3步，I路干涉信号取时间平均后与Q路信号相乘，Q路干涉信号取时间平均并且取反后与I路信号相乘，得到：
Figure BDA0002543496700000101
Figure BDA0002543496700000102
其中，T表示求平均的时间长度。由于激光器相位噪声是一种有界零均值随机过程，取时间平均后为零，得到：
Figure BDA0002543496700000103
Figure BDA0002543496700000104
第4步，将上一步得到的两路信号相加，得到：
Figure BDA0002543496700000105
对上式进行幅度归一化处理，由于τ选择为较短时间，根据公式(5)，可以得到一阶差分光源相位噪声的估计值：
Figure BDA0002543496700000106
第5步，对提取的一阶差分光源相位噪声进行放大，驱动压控振荡器输出振荡信号：
Figure BDA0002543496700000107
其中，v1表示压控振荡器的自然振动频率，kVCO表示压控振荡器的灵敏度，kAMP表示放大倍数。
第6步，压控振荡器输出的连续光进入单边带调制器，激光器连续光的另一路经过延迟光纤同样进入单边带调制器，并且延迟光纤确保两路连续光经过的时间延迟相等。单边带调制器利用压控振荡器输出的振荡信号，对激光器连续光进行调制，得到：
Figure BDA0002543496700000108
通过调整参数kVCO和kAMP，使2πkVCOkAMPτ＝1，可以显著抑制光源相位噪声θ(t)。
第7步，光源连续光经过光源噪声抑制的前馈结构后，进入经过具有特定功率比的耦合器3，分为两路，其中一路连续光经过具有移频功能的声光调制，转换为具有特定宽度和周期的脉冲光，再经过光放大器进行功率补偿后进入环形器1端口，再通过环形器3端口出射进入传感光纤，获取光纤沿线的振动测量信息，传感光纤中产生的携带环境振动信息的后向瑞利散射光再次经过环形器3端口，并从环形器2端口出射。
光源发出的连续光经过具有特定功率比耦合器3之后分出的另一路连续光作为本地参考光。本地参考光与环形器2端口出射的后向瑞利散射光经过50:50的耦合器4产生相干信号，经过光电探测器转换为电信号进入数据采集卡，得到数字信号在处理器中进行数据处理，获取沿光纤的环境振动信息。
当被测环境振动发生时，由于受到振动事件的影响，在振动点之后的传感光纤中都会携带振动信息，而振动点之前的传感光纤则未携带振动信息；
因此可以选取间距为DAB的A点和B点，通过相位做差初步消除由于激光器相位噪声对测量带来的不利影响，其中A点在振动点之后，携带振动信息，而B点在振动点之前，未携带振动信息。
进一步，选取振动点之前间距为DCD的C点和D点，进行相位做差，可以得到C、D两点之间的相位变化信息。通过计算间距DAB和DCD的比例关系，可以进一步消除残余激光器相位噪声对传感***的性能影响，实时补偿频率漂移引起的测量相位漂移，进一步提高外界振动信号的测量精度。
Figure BDA0002543496700000111
其中，
Figure BDA0002543496700000121
表示需要测量的外界振动，
Figure BDA0002543496700000122
表示A点和B点的相位差，
Figure BDA0002543496700000123
表示C点和D点的相位差。
需要特别指出的是，如果间距为DCD的C点和D点均在振动点之后，则C点和D点的相位信息均会附加一个传感光纤探测到的外界振动引起的相位信息，相位做差后会得到与C点和D点均在振动点之前相同的信号
Figure BDA0002543496700000124
因此，C点和D点无论选择在振动点之前还是振动点之后，都可以对激光器残余相位噪声引起的测量相位漂移进行实时补偿。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光源噪声改善的光纤振动测量装置，其特征在于，包括：
前馈结构，获取连续光并分为两路，一路依次经过干涉仪、光电平衡探测器、***、前置放大器和压控振荡器后，与另一路共同输入单边带调制器，输出经过相位噪声抑制后的连续光；
测量结构，获取经过相位噪声抑制后的连续光并分为两路，一路经过声光调制器、光放大器和环形器后输入传感光纤，并将携带振动信息的后向瑞利散射光与另一路耦合后，经光电探测器后输出到处理器；
传感光纤，与环形器连接，获取沿光纤的环境振动信息。
2.如权利要求1所述的光源噪声改善的光线振动测量装置，其特征在于，所述干涉仪将获取的一路连续光分为正交的两路干涉光信号，并分别输入第一光平衡探测器和第二光平衡探测器转化为两路干涉电信号后，输入***。
3.如权利要求2所述的光源噪声改善的光纤振动测量装置，其特征在于，***将获取的两路干涉电信号共同输入前置放大器后，驱动压控振荡器产生连续光信号输出到单边带调制器。
4.如权利要求1所述的光源噪声改善的光纤振动测量装置，其特征在于，连续光的另一路通过第一延迟光纤后输出到单边带调制器，干涉仪内设有第二延迟光纤，用于调节***获取的一次差分的时间差。
5.如权利要求1所述的光源噪声改善的光纤振动测量装置，其特征在于，测试结构获取的连续光分为两路后，传感光纤获取一路连续光并通过环形器端口出射后向瑞利散射光，与另一路作为本地参考光的连续光进行耦合，产生相干信号。
6.一种光源噪声改善的光纤振动测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取连续光并在前馈结构内分为两路；
对两路连续光分别进行处理后共同进行单边带调制，抑制光源相位噪声；
经过光源相位噪声抑制的连续光分为两路；
一路经过声光调制和光放大后通过环形器输入传感光纤；
环形器将传感光纤中产生的带有环境振动信息的后向瑞利散射光输出，并与另一路连续光进行耦合产生相干信号；
对相干信号进行处理，获取沿传感光纤的环境振动信息。
7.如权利要求6所述的光源噪声改善的光纤振动测量方法，其特征在于，前馈机构对连续光的处理具体为：
将一路连续光通过干涉仪处理得到两路正交的干涉信号，分别为I路和Q路；
I路干涉信号取时间平均后与Q路信号相乘，Q路干涉信号取时间平均并且取反后与I路信号相乘；
将上一步得到的两路信号相加，并进行幅度归一化处理，可以得到一阶差分光源相位噪声的估计值；
对提取的一阶差分光源相位噪声估计值进行放大，驱动压控振荡器输出振荡信号；
压控振荡器输出的振荡信号和另一路连续光经过延迟光纤后，共同进入单边带调制器进行调制。
8.如权利要求7所述的光源噪声改善的光纤振动测量方法，其特征在于，通过调节压控振荡器的灵敏度和一节差分光源噪声的估计值，对光源相位噪声进行调整。
9.如权利要求6所述的光源噪声改善的光纤振动测量方法，其特征在于，后向瑞利散射光携带有传感光纤收到的环境振动信息，并通过环形器端口出射。
10.如权利要求6所述的光源噪声改善的光纤振动测量方法，其特征在于，与后向瑞利散射光耦合的另一路连续光作为本地参考光。
CN202010553618.6A 2020-06-17 2020-06-17 一种光源噪声改善的光纤振动测量装置及方法 Active CN111678583B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010553618.6A CN111678583B (zh) 2020-06-17 2020-06-17 一种光源噪声改善的光纤振动测量装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010553618.6A CN111678583B (zh) 2020-06-17 2020-06-17 一种光源噪声改善的光纤振动测量装置及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111678583A true CN111678583A (zh) 2020-09-18
CN111678583B CN111678583B (zh) 2022-02-18

Family

ID=72455287

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010553618.6A Active CN111678583B (zh) 2020-06-17 2020-06-17 一种光源噪声改善的光纤振动测量装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111678583B (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113299023A (zh) * 2021-05-21 2021-08-24 孙安 一种噪声自补偿分布式光纤防入侵传感阵列***及方法
CN113654642A (zh) * 2021-08-23 2021-11-16 之江实验室 一种基于参考传感器的分布式声波传感降噪***及方法
CN113721287A (zh) * 2021-07-16 2021-11-30 西北大学 一种基于传感光纤的监测方法及装置
CN113804282A (zh) * 2021-09-02 2021-12-17 太原理工大学 一种微波调制的稳频相位敏感光时域反射仪
CN114336226A (zh) * 2021-11-29 2022-04-12 北京无线电计量测试研究所 一种基于平衡探测噪声抑制的光电振荡器和方法
CN114623921A (zh) * 2022-03-17 2022-06-14 中国科学技术大学 分布式光纤振动传感的解调方法

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6616353B1 (en) * 1999-10-07 2003-09-09 Massachusetts Institute Of Technology Laser intensity noise suppression using unbalanced interferometer modulation
CN102322880A (zh) * 2011-08-18 2012-01-18 天津大学 偏振敏感的分布式光频域反射扰动传感装置和解调方法
CN102997937A (zh) * 2012-12-12 2013-03-27 天津大学 一种可抑制光源相位噪声的光频域反射装置和解调方法
CN105092014A (zh) * 2015-05-12 2015-11-25 天津大学 基于波束形成的分布式光纤声波探测装置及探测方法
CN206056611U (zh) * 2016-07-19 2017-03-29 珠海任驰光电科技有限公司 相位敏感otdr相位解调***
CN106556415A (zh) * 2015-09-28 2017-04-05 中兴通讯股份有限公司 激光器相位噪声消除装置、***及方法
CN107727367A (zh) * 2017-10-12 2018-02-23 北京大学 一种激光器频率噪声测量方法及***
CN107957276A (zh) * 2018-01-05 2018-04-24 南京大学 基于频率漂移补偿的相位敏感光时域反射计及其测量方法
CN108507663A (zh) * 2018-03-26 2018-09-07 天津大学 基于双偏振双边带调制的分布式光纤声传感装置及方法
JP2019020143A (ja) * 2017-07-11 2019-02-07 日本電信電話株式会社 光ファイバ振動検知センサおよびその方法
CN111006753A (zh) * 2019-12-30 2020-04-14 珠海任驰光电科技有限公司 一种相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置及方法

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6616353B1 (en) * 1999-10-07 2003-09-09 Massachusetts Institute Of Technology Laser intensity noise suppression using unbalanced interferometer modulation
CN102322880A (zh) * 2011-08-18 2012-01-18 天津大学 偏振敏感的分布式光频域反射扰动传感装置和解调方法
CN102997937A (zh) * 2012-12-12 2013-03-27 天津大学 一种可抑制光源相位噪声的光频域反射装置和解调方法
CN105092014A (zh) * 2015-05-12 2015-11-25 天津大学 基于波束形成的分布式光纤声波探测装置及探测方法
CN106556415A (zh) * 2015-09-28 2017-04-05 中兴通讯股份有限公司 激光器相位噪声消除装置、***及方法
CN206056611U (zh) * 2016-07-19 2017-03-29 珠海任驰光电科技有限公司 相位敏感otdr相位解调***
JP2019020143A (ja) * 2017-07-11 2019-02-07 日本電信電話株式会社 光ファイバ振動検知センサおよびその方法
CN107727367A (zh) * 2017-10-12 2018-02-23 北京大学 一种激光器频率噪声测量方法及***
CN107957276A (zh) * 2018-01-05 2018-04-24 南京大学 基于频率漂移补偿的相位敏感光时域反射计及其测量方法
CN108507663A (zh) * 2018-03-26 2018-09-07 天津大学 基于双偏振双边带调制的分布式光纤声传感装置及方法
CN111006753A (zh) * 2019-12-30 2020-04-14 珠海任驰光电科技有限公司 一种相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置及方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TIANYING CHANG ET AL.: "Fiber optic interferometric seismometer with phase feedback control", 《OPTICS EXPRESS》 *
YUE YANG ET AL.: "Performance Optimization of Fiber Optic Interferometric Accelerometer Based on Phase Noise Analysis", 《IEEE SENSORS JOURNAL》 *
付群健等: "相位敏感光时域反射***模式识别方法综述", 《红外与激光工程》 *
袁其平等: "基于单边带调制的前馈技术压缩半导体激光器线宽", 《红外与激光工程》 *
黎珉等: "光源相位噪声对干涉传感***信噪比影响分析", 《长江大学学报(自然科学版)》 *

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113299023A (zh) * 2021-05-21 2021-08-24 孙安 一种噪声自补偿分布式光纤防入侵传感阵列***及方法
CN113721287A (zh) * 2021-07-16 2021-11-30 西北大学 一种基于传感光纤的监测方法及装置
CN113721287B (zh) * 2021-07-16 2024-03-01 西北大学 一种基于传感光纤的监测方法及装置
CN113654642A (zh) * 2021-08-23 2021-11-16 之江实验室 一种基于参考传感器的分布式声波传感降噪***及方法
CN113804282A (zh) * 2021-09-02 2021-12-17 太原理工大学 一种微波调制的稳频相位敏感光时域反射仪
CN113804282B (zh) * 2021-09-02 2023-05-26 太原理工大学 一种微波调制的稳频相位敏感光时域反射仪
CN114336226A (zh) * 2021-11-29 2022-04-12 北京无线电计量测试研究所 一种基于平衡探测噪声抑制的光电振荡器和方法
CN114336226B (zh) * 2021-11-29 2024-05-07 北京无线电计量测试研究所 一种基于平衡探测噪声抑制的光电振荡器和方法
CN114623921A (zh) * 2022-03-17 2022-06-14 中国科学技术大学 分布式光纤振动传感的解调方法
CN114623921B (zh) * 2022-03-17 2024-05-28 智地感知(合肥)科技有限公司 分布式光纤振动传感的解调方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111678583B (zh) 2022-02-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111678583B (zh) 一种光源噪声改善的光纤振动测量装置及方法
EP3588015B1 (en) Brillouin and rayleigh distributed sensor
JP6308160B2 (ja) 光ファイバ歪み測定装置及び光ファイバ歪み測定方法
JP6552983B2 (ja) ブリルアン散乱測定方法およびブリルアン散乱測定装置
AU2020102296A4 (en) A distributed optical fiber sensing system based on heterodyne detection technology
WO2017054564A1 (zh) 一种激光器相位噪声消除装置、***及方法
CN111678584A (zh) 一种带光源频移校准辅助通道的光纤振动测量装置及方法
JP5043714B2 (ja) 光ファイバ特性測定装置及び方法
CN110081974B (zh) 一种激光线宽测量***
CN110501062B (zh) 一种分布式光纤声音传感及定位***
CN102128639B (zh) 基于双激光器锁频的自发布里渊散射光时域反射仪
CN109412699B (zh) 脉冲生成方法、装置、相干相位敏感时域反射方法及***
CN113447110A (zh) 一种分布式光纤振动传感***及其相位载波解调方法
CN103575379A (zh) 随机位置点光纤分布式声波传感器
JP6308184B2 (ja) 光ファイバ歪み測定装置及び光ファイバ歪み測定方法
CN111912516A (zh) 一种相位同步的光纤分布式振动测量装置、驱动器及方法
JP6308183B2 (ja) 光ファイバ歪み測定装置及び光ファイバ歪み測定方法
JP2018059789A (ja) 距離測定装置及び距離測定方法
CN212030564U (zh) 一种光源频移校准辅助通道结构及光纤振动测量装置
JP2022500940A (ja) 偏波保持光ファイバ主軸差分時間遅延の測定装置
CN211926897U (zh) 一种光源噪声改善前馈结构及光纤振动测量装置
JP4107603B2 (ja) レーザレーダ装置
CN104298045A (zh) 一种拉曼激光***以及基于调频连续波的光程差自动调节方法
CN110319940A (zh) 高密度等离子体密度测量的激光光纤干涉仪诊断***
CN201983882U (zh) 基于双激光器锁频的自发布里渊散射光时域反射仪

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant