CN112033521A - 一种本地噪声自滤除的混合式光纤振动传感*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种本地噪声自滤除的混合式光纤振动传感***，采用波分复用技术，实现以迈克尔逊干涉结构和马赫泽德干涉结构为原理的前向干涉光与以相干光时域反射结构为原理的后向散射光的融合，同时借助光纤耦合器与无源滤波器件实现不同中心波长激光的分离。其中，利用马赫泽德干涉结构对本地噪声进行自滤除，利用迈克尔逊干涉结构对振动信号进行波形还原，利用相干光时域反射***对振动信号进行空间定位，最终实现在本地噪声下振动信号的波形还原与空间定位。此外，前向干涉光采用随机双反馈相位调制的混沌光源，可以抑制光路中的散射噪声，提高***信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，更具体地说，涉及一种本地噪声自滤除的混合式光纤振动传感***。
背景技术
近年来，光纤振动传感技术具有抗干扰强、灵敏度高等优点，逐渐应用在周界安防、交通运输、故障诊断等领域。基于迈克尔逊干涉结构或基于马赫泽德干涉结构的前向干涉型光纤振动传感***，均由两条长度相等的单模光纤组成，可对振动信号进行感知与还原，但缺点在于很难对振动信号进行定位。基于相干光时域反射结构的后向散射型光纤振动传感***，利用后向瑞利散射光与本征光产生拍频信号，可对振动信号进行精准定位，但由于后向散射光信号较弱，很难对振动信号进行还原，同时容易受到解调***本地环境噪声的干扰，影响***的振动检测性能。
为了解决此问题，本发明采用波分复用技术，利用耦合器与无源滤波结构，将前向干涉光与后向散射光进行融合，通过迈克尔逊干涉结构与相干光时域反射结构实现对振动信号的还原与定位，再通过马赫泽德干涉结构对本地噪声进行自滤除。为了抑制噪声干扰，同时采用宽频谱、类噪声的混沌激光作为前向干涉结构的光源，可以抑制光纤中的散射噪声，提高***信噪比。
发明内容
本发明提供了一种本地噪声自滤除的混合式光纤振动传感***，其目的在于采用波分复用技术，将前向干涉光与后向散射光相融合，利用马赫泽德干涉结构对本地噪声进行自滤除，再借助迈克尔逊干涉结构对振动信号进行振动波形还原，最后通过相干光时域反射***对振动信号进行空间定位，最终实现在本地噪声下振动信号的波形还原与空间定位。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种本地噪声自滤除的混合式光纤振动传感***，包括：
激光器、第一环行器、第一光纤耦合器、第一可调光衰减器、第一相位调制器、任意波形发生器、第一可变光纤延迟线、第二可调光衰减器、第二相位调制器、第二可变光纤延迟线、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、光隔离器、第四光纤耦合器、第一滤波器、第五光纤耦合器、第一传感光纤、第二传感光纤、第六光纤耦合器、第一光电探测器、第二滤波器、第三传感光纤、第一光纤光栅器件、第四传感光纤、第三滤波器、第二光纤光栅器件、第二光电探测器、窄线宽激光器、第七光纤耦合器、声光调制器、信号发生器、掺饵光纤放大器、第四滤波器、第二环行器、第五滤波器、第八光纤耦合器、平衡光电探测器和 数据采集模块；
其中，激光器与第一环行器的a端口相连，第一环行器的b端口与第一光纤耦合器的输入端相连，第一光纤耦合器的输出端a端口与第一可调光衰减器的输入端口相连，第一可调光衰减器的输出端口与第一相位调制器的输入端口相连，第一相位调制器同时连接至任意波形发生器，受任意波形发生器调制驱动，第一相位调制器的输出端口与第一可变光纤延迟线的输入端口相连，可变光纤延迟线的输出端口与第二光纤耦合器的a端口相连，第一光纤耦合器的b端口与第二可调光衰减器的输入端口相连，第二可调光衰减器的输出端口与第二相位调制器的输入端口相连；第二相位调制器连接任意波形发生器，受任意波形发生器调制驱动，第二相位调制器的输出端口与第二可变光纤延迟线的输入端口相连，第二可变光纤延迟线的输出端口与第二光纤耦合器的b端口相连，第二光纤耦合器与第三光纤耦合器的b端口相连，第一环行器的c端口与第三光纤耦合器的输出端相连，第三光纤耦合器的a端口与光隔离器的输入端口相连，以上器件组成混沌光源；
光隔离器的输出端口与第四光纤耦合器的c端口相连，第四光纤耦合器的f端口与第一滤波器的输入端口相连，第一滤波器的输出端口与第五光纤耦合器的输入端相连，第五光纤耦合器的输出端a端口经第一传感光纤与第六光纤耦合器的输入端a端口相连，第五光纤耦合器的输出端b端口经第二传感光纤与第六光纤耦合器的输入端b端口相连，第六光纤耦合器的输出端与第一光电探测器的输入端口相连，第一光电探测器的输出端口与数据采集模块相连，第四光纤耦合器的d端口与第二滤波器的输入端口相连，第二滤波器的输出端口经第三传感光纤与第一光纤光栅器件相连，第四光纤耦合器的e端口经第四传感光纤与第三滤波器的输入端口相连，第三滤波器的输出端口与第二光纤光栅器件相连；第四光纤耦合器的b端口与第二光电探测器的输入端口相连，第二光电探测器的输出端口与数据采集模块相连，窄线宽激光器与第七光纤耦合器的输入端相连，第七光纤耦合器的输出端a端口与第八光纤耦合器的输入端a端口相连，第七光纤耦合器的输出端b端口与声光调制器的输入端口相连，声光调制器连接信号发生器，受信号发生器调制驱动，声光调制器的输出端口与掺饵光纤放大器的输入端口相连，掺饵光纤放大器的输出端口与第四滤波器的输入端口相连，第四滤波器的输出端口与第二环行器的a端口相连，第二环行器的b端口与第四光纤耦合器的a端口相连，第二环行器的c端口与第五滤波器的输入端口相连，第五滤波器的输出端口与第八光纤耦合器的输入端b端口相连，第八光纤耦合器的输出端与平衡光电探测器的输入端口相连，平衡光电探测器的输出端口与数据采集模块相连。
区别于现有技术，本发明的一种本地噪声自滤除的混合式光纤振动传感***，采用波分复用技术，通过使用两种中心波长差别较大的激光光源，实现以迈克尔逊干涉结构和马赫泽德干涉结构为原理的前向干涉光与以相干光时域反射结构为原理的后向散射光的融合，同时使用光纤耦合器与无源滤波器件实现不同中心波长激光的分离；本发明采用基于前向干涉光的迈克尔逊干涉结构，利用等长的传感臂与参考臂形成的前向干涉光强的变化进行振动波形还原，与采用相干光时域反射结构进行振动波形还原相比，具有结构简单、无需复杂解调算法与解调结构、***频响范围大的优点；本发明采用基于前向干涉光的马赫泽德干涉结构，利用等长的传感臂与参考臂形成的前向干涉光强的变化，实现对解调***本地环境噪声的自滤除，提升了***的抗干扰能力；本发明采用随机双反馈相位调制的混沌光源作为前向干涉光的激光光源，具有宽频谱、类噪声的优点，可以抑制光路中的散射噪声，提高***信噪比。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明提供的一种本地噪声自滤除的混合式光纤振动传感***的结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
参阅图1，本发明提供了一种本地噪声自滤除的混合式光纤振动传感***，包括：激光器1、第一环行器2、第一光纤耦合器3、第一可调光衰减器4、第一相位调制器5、任意波形发生器6、第一可变光纤延迟线7、第二可调光衰减器8、第二相位调制器9、第二可变光纤延迟线10、第二光纤耦合器11、第三光纤耦合器12、光隔离器13、第四光纤耦合器15、第一滤波器16、第五光纤耦合器17、第一传感光纤18、第二传感光纤19、第六光纤耦合器20、第一光电探测器21、第二滤波器22、第三传感光纤23、第一光纤光栅器件24、第四传感光纤25、第三滤波器26、第二光纤光栅器件27、第二光电探测器28、窄线宽激光器29、第七光纤耦合器30、声光调制器31、信号发生器32、掺饵光纤放大器33、第四滤波器34、第二环行器35、第五滤波器36、第八光纤耦合器37、平衡光电探测器38和 数据采集模块39；
其中，激光器1与第一环行器2的a端口相连，第一环行器2的b端口与第一光纤耦合器3的输入端相连，第一光纤耦合器3的输出端a端口与第一可调光衰减器4的输入端口相连，第一可调光衰减器4的输出端口与第一相位调制器5的输入端口相连，第一相位调制器5同时连接至任意波形发生器6，受任意波形发生器6调制驱动，第一相位调制器5的输出端口与第一可变光纤延迟线7的输入端口相连，可变光纤延迟线7的输出端口与第二光纤耦合器11的a端口相连，第一光纤耦合器3的b端口与第二可调光衰减器8的输入端口相连，第二可调光衰减器8的输出端口与第二相位调制器9的输入端口相连；第二相位调制器9连接任意波形发生器6，受任意波形发生器6调制驱动，第二相位调制器9的输出端口与第二可变光纤延迟线10的输入端口相连，第二可变光纤延迟线10的输出端口与第二光纤耦合器11的b端口相连，第二光纤耦合器11与第三光纤耦合器12的b端口相连，第一环行器2的c端口与第三光纤耦合器12的输出端相连，第三光纤耦合器12的a端口与光隔离器13的输入端口相连，以上器件组成混沌光源14；
光隔离器13的输出端口与第四光纤耦合器15的c端口相连，第四光纤耦合器15的f端口与第一滤波器16的输入端口相连，第一滤波器16的输出端口与第五光纤耦合器17的输入端相连，第五光纤耦合器17的输出端a端口经第一传感光纤18与第六光纤耦合器20的输入端a端口相连，第五光纤耦合器17的输出端b端口经第二传感光纤19与第六光纤耦合器20的输入端b端口相连，第六光纤耦合器20的输出端与第一光电探测器21的输入端口相连，第一光电探测器21的输出端口与数据采集模块39相连，第四光纤耦合器15的d端口与第二滤波器22的输入端口相连，第二滤波器22的输出端口经第三传感光纤23与第一光纤光栅器件24相连，第四光纤耦合器15的e端口经第四传感光纤25与第三滤波器26的输入端口相连，第三滤波器26的输出端口与第二光纤光栅器件27相连；第四光纤耦合器15的b端口与第二光电探测器28的输入端口相连，第二光电探测器28的输出端口与数据采集模块39相连，窄线宽激光器29与第七光纤耦合器30的输入端相连，第七光纤耦合器30的输出端a端口与第八光纤耦合器37的输入端a端口相连，第七光纤耦合器30的输出端b端口与声光调制器31的输入端口相连，声光调制器31连接信号发生器32，受信号发生器32调制驱动，声光调制器31的输出端口与掺饵光纤放大器33的输入端口相连，掺饵光纤放大器33的输出端口与第四滤波器34的输入端口相连，第四滤波器34的输出端口与第二环行器35的a端口相连，第二环行器35的b端口与第四光纤耦合器15的a端口相连，第二环行器35的c端口与第五滤波器36的输入端口相连，第五滤波器36的输出端口与第八光纤耦合器37的输入端b端口相连，第八光纤耦合器37的输出端与平衡光电探测器38的输入端口相连，平衡光电探测器38的输出端口与数据采集模块39相连。
激光器1产生中心波长为1310nm的激光经第一环行器2的a端口到达第一光纤耦合器3，第一光纤耦合器3的a端口输出光功率占比为50%的激光经第一可调光衰减器4到达第一相位调制器5，第一相位调制器5被任意波形发生器6输出的随机信号调制，第一相位调制器5输出的激光经第一可变光纤延迟线7到达第二光纤耦合器11，第一光纤耦合器3的b端口输出光功率占比为50%的激光经第二可调光衰减器8到达第二相位调制器9，第二相位调制器9受任意波形发生器6产生的随机信号调制，第二相位调制器9输出的激光经第二可变光纤延迟线10到达第二光纤耦合器11，第二光纤耦合器11输出的激光到达第三光纤耦合器12，同时第一环行器2的c端口输出的激光到达第三光纤耦合器12，第三光纤耦合器12的a端口输出的激光到达隔离器13，以上器件组成混沌光源14，隔离器13输出的混沌激光由第四光纤耦合器15的c端口输入，第四光纤耦合器15的f端口输出中心波长为1310nm的混沌激光，经第一滤波器16滤波后，到达第五光纤耦合器17，第五光纤耦合器17的a端口输出光功率占比为50%的激光经第一传感光纤18到达第六光纤耦合器20，第五光纤耦合器17的b端口输出光功率占比为50%的激光经第二传感光纤19到达第六光纤耦合器20， 第六光纤耦合器20输出的激光被第一光电探测器21探测，由数据采集模块39采集，通过数据处理得到本地噪声的波形信号；第四光纤耦合器15的d端口输出的中心波长为1310nm的混沌光经第二滤波器22滤波后，经第三传感光纤23到达第一光纤光栅器件24，第一光纤光栅器件24反射中心波长为1310nm的混沌光通过第三传感光纤23和第二滤波器22，进入第四光纤耦合器15的d端口，第四光纤耦合器15的e端口输出的混沌光经第四传感光纤25通过第三滤波器26到达第二光纤光栅器件27，第二光纤光栅器件27反射回中心波长为1310nm的混沌光，经由第三滤波器26和第四传感光纤25，进入第四光纤耦合器15的e端口，进入第四光纤耦合器15 d端口和第四光纤耦合器15 e端口的两束混沌光相遇时会发生干涉，干涉光由第四光纤耦合器15的b端口输出，并在第二光电探测器28中被转化为电信号，最后被数据采集模块39采集，该干涉信号能够检测待测信号的波形，经数据处理可以还原待测波形；窄线宽激光器29产生中心波长1550nm的窄线宽激光经第七光纤耦合器30的a端口输出1%的本征光到第八光纤耦合器37的a端口，第七光纤耦合器30的b端口输出99%的激光经声光调制器31调制成脉冲光，声光调制器31的调制信号由信号发生器32发出，脉冲光经掺饵光纤放大器33放大光功率后，由第四滤波器34滤除基底噪声，然后从第二环行器35的a端口进入，从第二环行器35的b端口输出，随后进入第四光纤耦合器15的a端口，并从第四光纤耦合器15的e端口进入到第四传感光纤25，脉冲光在第四传感光纤25中传输时产生携带振动信息的后向瑞利散射光，后向瑞利散射光经第四光纤耦合器15的a端口输出，进入到第二环行器35的b端口，经第二环行器35的c端口到达第五滤波器36，并滤出中心波长为1550nm的后向瑞利散射光，随后进入第八光纤耦合器37的b端口，与第八光纤耦合器37的a端口输入的本征光发生拍频，拍频信号由平衡光电探测器38探测并转换为电信号，最终被数据采集模块39采集，经数据处理，可以获取待测振动的位置信息。由所述器件组成的一种本地噪声自滤除的混合式光纤振动传感***可以实现在本地噪声干扰下的待测振动信号的波形还原与空间定位。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (1)
1.一种本地噪声自滤除的混合式光纤振动传感***，其特征在于，包括：
激光器（1）、第一环行器（2）、第一光纤耦合器（3）、第一可调光衰减器（4）、第一相位调制器（5）、任意波形发生器（6）、第一可变光纤延迟线（7）、第二可调光衰减器（8）、第二相位调制器（9）、第二可变光纤延迟线（10）、第二光纤耦合器（11）、第三光纤耦合器（12）、光隔离器（13）、第四光纤耦合器（15）、第一滤波器（16）、第五光纤耦合器（17）、第一传感光纤（18）、第二传感光纤（19）、第六光纤耦合器（20）、第一光电探测器（21）、第二滤波器（22）、第三传感光纤（23）、第一光纤光栅器件（24）、第四传感光纤（25）、第三滤波器（26）、第二光纤光栅器件（27）、第二光电探测器（28）、窄线宽激光器（29）、第七光纤耦合器（30）、声光调制器（31）、信号发生器（32）、掺饵光纤放大器（33）、第四滤波器（34）、第二环行器（35）、第五滤波器（36）、第八光纤耦合器（37）、平衡光电探测器（38）和 数据采集模块（39）；
其中，激光器（1）与第一环行器（2）的a端口相连，第一环行器（2）的b端口与第一光纤耦合器（3）的输入端相连，第一光纤耦合器（3）的输出端a端口与第一可调光衰减器（4）的输入端口相连，第一可调光衰减器（4）的输出端口与第一相位调制器（5）的输入端口相连，第一相位调制器（5）同时连接至任意波形发生器（6），受任意波形发生器（6）调制驱动，第一相位调制器（5）的输出端口与第一可变光纤延迟线（7）的输入端口相连，可变光纤延迟线（7）的输出端口与第二光纤耦合器（11）的a端口相连，第一光纤耦合器（3）的b端口与第二可调光衰减器（8）的输入端口相连，第二可调光衰减器（8）的输出端口与第二相位调制器（9）的输入端口相连；第二相位调制器（9）连接任意波形发生器（6），受任意波形发生器（6）调制驱动，第二相位调制器（9）的输出端口与第二可变光纤延迟线（10）的输入端口相连，第二可变光纤延迟线（10）的输出端口与第二光纤耦合器（11）的b端口相连，第二光纤耦合器（11）与第三光纤耦合器（12）的b端口相连，第一环行器（2）的c端口与第三光纤耦合器（12）的输出端相连，第三光纤耦合器（12）的a端口与光隔离器（13）的输入端口相连，以上器件组成混沌光源（14）；
光隔离器（13）的输出端口与第四光纤耦合器（15）的c端口相连，第四光纤耦合器（15）的f端口与第一滤波器（16）的输入端口相连，第一滤波器（16）的输出端口与第五光纤耦合器（17）的输入端相连，第五光纤耦合器（17）的输出端a端口经第一传感光纤（18）与第六光纤耦合器（20）的输入端a端口相连，第五光纤耦合器（17）的输出端b端口经第二传感光纤（19）与第六光纤耦合器（20）的输入端b端口相连，第六光纤耦合器（20）的输出端与第一光电探测器（21）的输入端口相连，第一光电探测器（21）的输出端口与数据采集模块（39）相连，第四光纤耦合器（15）的d端口与第二滤波器（22）的输入端口相连，第二滤波器（22）的输出端口经第三传感光纤（23）与第一光纤光栅器件（24）相连，第四光纤耦合器（15）的e端口经第四传感光纤（25）与第三滤波器（26）的输入端口相连，第三滤波器（26）的输出端口与第二光纤光栅器件（27）相连；第四光纤耦合器（15）的b端口与第二光电探测器（28）的输入端口相连，第二光电探测器（28）的输出端口与数据采集模块（39）相连，窄线宽激光器（29）与第七光纤耦合器（30）的输入端相连，第七光纤耦合器（30）的输出端a端口与第八光纤耦合器（37）的输入端a端口相连，第七光纤耦合器（30）的输出端b端口与声光调制器（31）的输入端口相连，声光调制器（31）连接信号发生器（32），受信号发生器（32）调制驱动，声光调制器（31）的输出端口与掺饵光纤放大器（33）的输入端口相连，掺饵光纤放大器（33）的输出端口与第四滤波器（34）的输入端口相连，第四滤波器（34）的输出端口与第二环行器（35）的a端口相连，第二环行器（35）的b端口与第四光纤耦合器（15）的a端口相连，第二环行器（35）的c端口与第五滤波器（36）的输入端口相连，第五滤波器（36）的输出端口与第八光纤耦合器（37）的输入端b端口相连，第八光纤耦合器（37）的输出端与平衡光电探测器（38）的输入端口相连，平衡光电探测器（38）的输出端口与数据采集模块（39）相连。
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| CN112033521B (zh) | 2022-03-15 |
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