CN113483790A - 一种分布式声学传感相位解调方法及*** - Google Patents

一种分布式声学传感相位解调方法及*** Download PDF

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CN113483790A CN202110681090.5A CN202110681090A CN113483790A CN 113483790 A CN113483790 A CN 113483790A CN 202110681090 A CN202110681090 A CN 202110681090A CN 113483790 A CN113483790 A CN 113483790A
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Abstract

本发明涉及一种分布式声学传感相位解调方法及***，所述方法包括以下步骤：将一束连续光分为探测光和本振光，将所述探测光调制为格雷互补光脉冲序列，将所述本振光进行衰减，得到衰减后的本振光；使所述格雷互补光脉冲序列产生背向瑞利散射信号，使所述衰减后的本振光与所述背向瑞利散射信号发生干涉，得到干涉信号，对所述干涉信号进行高通滤波，得到滤波后的干涉信号；对所述滤波后的干涉信号进行解码，对解码后的信号进行解调，得到由振动引起的相位信息。本发明所述分布式声学传感相位解调方法，提高了相位解调中的信噪比。

Description

一种分布式声学传感相位解调方法及***
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种分布式声学传感相位解调方法及***。
背景技术
分布式声学传感由于其在地震波测量、石油探测、交通领域、边境安全等许多领域的优良潜力而受到人们广泛的关注；光纤作为传感器其传感损耗低，可以克服易腐蚀、易燃、易爆、高温和高压等恶劣环境，具有良好的光纤分布延伸的特点，是目前信息传输最强大的介质，大量的传感数据可以很容易的传输。分布式光纤传感的传感单元是光纤本身，通过解调后向散射信号可以将光纤转换成大量的虚拟传感器，因此，一旦光纤铺设，大量传感器同时部署，无需考虑每个传感器的电源。基于上述特点，分布式光纤传感已经成为目前国内外光纤传感领域的热点。
在分布式光纤传感应用领域中，相敏光时域反射法
Figure BDA0003122531840000011
通过解调出背向瑞利散射光波中携带的相位信息，可以还原出振动信号。因此如何提升解调出的相位信号的信噪比一直是研究的重点。常见的单脉冲***，运用3*3相位解调算法可以解调出相位信息，但受限于调制信号是单脉冲，***的信噪比受到了光脉冲能量的限制，因而现有技术中相位解调中的信噪比还有待提高。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种分布式声学传感相位解调方法及***，用以解决现有技术中相位解调中的信噪比较低的问题。
本发明提供了一种分布式声学传感相位解调方法，包括以下步骤：
将一束连续光分为探测光和本振光，将所述探测光调制为格雷互补光脉冲序列，将所述本振光进行衰减，得到衰减后的本振光；
使所述格雷互补光脉冲序列产生背向瑞利散射信号，使所述衰减后的本振光与所述背向瑞利散射信号发生干涉，得到干涉信号，对所述干涉信号进行高通滤波，得到滤波后的干涉信号；
对所述滤波后的干涉信号进行解码，对解码后的信号进行解调，得到由振动引起的相位信息。
进一步地，将所述探测光调制为格雷互补光脉冲序列，具体包括，将格雷互补序列进行偏置，得到正的单极性编码序列，根据所述单极性编码序列将所述探测光调制成格雷互补光脉冲序列。
进一步地，根据所述单极性编码序列将所述探测光调制成格雷互补光脉冲序列，具体包括，根据所述单极性编码序列C＝[C1,C2,...CM+1]，将所述探测光调制成格雷互补光脉冲序列
Figure BDA0003122531840000021
其中，Cp为第p个脉冲的幅度，τ是脉冲宽度，
Figure BDA0003122531840000022
为第M+1位格雷互补光脉冲序列，ws为光脉冲序列的角频率，i为虚数单位。
进一步地，使所述衰减后的本振光与所述背向瑞利散射信号发生干涉，得到滤波后的干涉信号，具体包括，使所述衰减后的本振光与所述背向瑞利散射信号发生干涉，得到3束干涉信号，所述3束干涉信号的相位差为120°，所述3束干涉信号的表达式为
Figure BDA0003122531840000023
其中，r表示光电探测器的响应系数，As背向瑞利散射信号的幅值，Al本振光信号的幅值，Δw为声光调制器的频移，p为编码序列的第p位，q＝p+1，
Figure BDA0003122531840000024
为第p个脉冲和第q个脉冲产生的瑞利散射携带相位的相位差。
进一步地，对所述干涉信号进行高通滤波，得到滤波后的干涉信号，具体包括，对所述3束干涉信号进行高通滤波，得到3束滤波后的干涉信号ycode(t)＝C*I(t)，其中，
Figure BDA0003122531840000031
进一步地，对所述滤波后的干涉信号进行解码，具体包括，利用解码公式对滤波后的干涉信号进行解码，所述解码公式为
Figure BDA0003122531840000032
其中，L为编码序列码长，yi表示单脉冲外差结构从3*3耦合器i端
口输出的信号，i＝1,2,3，
Figure BDA0003122531840000033
表示相关运算，*表示卷积运算，y11、y21、y31、y41分别表示4组格雷互补光脉冲序列对应的滤波后的干涉信号。
本发明还提供了一种分布式声学传感相位解调***，包括1*2耦合器、声光调制器、任意波形发生器、衰减器、环形器、传感光纤、3*3耦合器、高通滤波器及数字处理单元；
所述1*2耦合器用于将一束连续光分为探测光和本振光；所述声光调制器和任意波形发生器，用于将所述探测光调制为格雷互补光脉冲序列；所述衰减器用于将所述本振光进行衰减，得到衰减后的本振光；
所述环形器和传感光纤，用于使所述格雷互补光脉冲序列产生背向瑞利散射信号；所述3*3耦合器使所述衰减后的本振光与所述背向瑞利散射信号发生干涉，得到干涉信号，所述高通滤波器用于对所述干涉信号进行高通滤波，得到滤波后的干涉信号；
所述数字处理单元用于对所述滤波后的干涉信号进行解码，对解码后的信号进行解调，得到由振动引起的相位信息。
进一步地，所述声光调制器和任意波形发生器，将所述探测光调制为格雷互补光脉冲序列，具体包括，任意波形发生器输出由格雷互补序列偏置，得到正的单极性编码序列，利用所述单极性编码序列驱动所述声光调制器，所述声光调制器将所述探测光调制成格雷互补光脉冲序列。
进一步地，所述高通滤波器为3个，所述高通滤波器用于对所述干涉信号进行高通滤波，得到滤波后的干涉信号，具体包括，3个高通滤波器分别对所述3束干涉信号进行高通滤波，得到3束滤波后的干涉信号ycode(t)＝C*I(t)，其中，
Figure BDA0003122531840000041
r表示光电探测器的响应系数，As背向瑞利散射信号的幅值，Al本振光信号的幅值，
Figure BDA0003122531840000042
τ是脉冲宽度。
进一步地，所述分布式声学传感相位解调***还包括3个光电探测器，所述3个光电探测器用于将从3*3耦合器输出的干涉信号转换为电信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：通过将一束连续光分为探测光和本振光，将所述探测光调制为格雷互补光脉冲序列，将所述本振光进行衰减，得到衰减后的本振光；使所述格雷互补光脉冲序列产生背向瑞利散射信号，使所述衰减后的本振光与所述背向瑞利散射信号发生干涉，得到干涉信号，对所述干涉信号进行高通滤波，得到滤波后的干涉信号；对所述滤波后的干涉信号进行解码，对解码后的信号进行解调，得到由振动引起的相位信息；提高了相位解调中的信噪比。
附图说明
图1为本发明提供的分布式声学传感相位解调方法的流程示意图；
图2为本发明提供的32位格雷互补序列示意图；
图3为本发明提供的4组等效的单极性序列示意图；
图4为本发明提供的分布式声学传感相位解调***的结构示意图。
附图标记：1-激光光源；2-1*2耦合器；3-任意波形发生器；4-声光调制器；5-光环形器；6-传感光纤；7-3*3耦合器；8-光电探测器一；9-光电探测器二；10-光电探测器三；11-模拟高通滤波器一；12-模拟高通滤波器二；13-模拟高通滤波器三；14-数字处理单元。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
本发明实施例提供了一种分布式声学传感相位解调方法，其流程示意图，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
S1、将一束连续光分为探测光和本振光，将所述探测光调制为格雷互补光脉冲序列，将所述本振光进行衰减，得到衰减后的本振光；
S2、使所述格雷互补光脉冲序列产生背向瑞利散射信号，使所述衰减后的本振光与所述背向瑞利散射信号发生干涉，得到干涉信号，对所述干涉信号进行高通滤波，得到滤波后的干涉信号；
S3、对所述滤波后的干涉信号进行解码，对解码后的信号进行解调，得到由振动引起的相位信息。
一个具体实施例中，超窄线宽连续波激光器发射的连续光经1*2耦合器后，被分为两束光，上面的分支称作探测光，下面的分支被称作本振光；
优选的，将所述探测光调制为格雷互补光脉冲序列，具体包括，将格雷互补序列进行偏置，得到正的单极性编码序列，根据所述单极性编码序列将所述探测光调制成格雷互补光脉冲序列；
一个具体实施例中，探测光经过一个频移为Δw的声光调制器(AOM)，任意波形发生器(AWG)输出由格雷互补序列经偏置得到的4组等效的正的单极性编码序列C1、C2、C3、C4，用这4组单极性编码序列驱动AOM，将经过的连续光(探测光)调制成格雷互补光脉冲序列，得到4组特定编码的光脉冲序列；
优选的，根据所述单极性编码序列将所述探测光调制成格雷互补光脉冲序列，具体包括，根据所述单极性编码序列C＝[C1,C2,...CM+1]，将所述探测光调制成格雷互补光脉冲序列
Figure BDA0003122531840000061
其中，Cp为第p个脉冲的幅度，τ是脉冲宽度，
Figure BDA0003122531840000062
为第M+1位格雷互补光脉冲序列，ws为光脉冲序列的角频率，i为虚数单位，t为时间；
一个具体实施例中，正的单极性编码序列可以表示为C＝[C1,C2,...CM+1]，因此，第M+1位光脉冲序列可以表示为
Figure BDA0003122531840000063
Cp为第p个脉冲的幅度，τ是脉冲宽度；
32位格雷互补序列示意图，如图2所示，图2为仿真得到的，序列A和序列B是一对格雷互补序列；
4组等效的单极性序列示意图，如图3所示，图3为仿真得到的32位格雷互补序列A和序列B偏置后得到的4组等效的单极性序列，编号为C1、C2、C3和C4；
优选的，使所述衰减后的本振光与所述背向瑞利散射信号发生干涉，得到滤波后的干涉信号，具体包括，使所述衰减后的本振光与所述背向瑞利散射信号发生干涉，得到3束干涉信号，所述3束干涉信号的相位差为120°，所述3束干涉信号的表达式为
Figure BDA0003122531840000064
其中，r表示光电探测器的响应系数，As背向瑞利散射信号的幅值，Al本振光信号的幅值，Δw为声光调制器的频移，p为编码序列的第p位，q＝p+1，q为编码序列的第q位，
Figure BDA0003122531840000071
为第p个脉冲和第q个脉冲产生的瑞利散射携带相位的相位差。
一个具体实施例中，格雷互补光脉冲序列通过环形器的1端口，然后通过环形器2端口进入传感光纤，产生背向瑞利散射信号，所述背向瑞利散射信号通过环形器3端口，与经过衰减器衰减后的本振光在3*3耦合器中发生干涉，干涉信号被分为3束相位差为120°的信号，分别进入三个光电探测器(PD)转化为电信号；将3*3耦合器的输出端口由上到下编号为1、2、3端口，1端口的输出信号为
Figure BDA0003122531840000072
优选的，对所述干涉信号进行高通滤波，得到滤波后的干涉信号，具体包括，对所述3束干涉信号进行高通滤波，得到3束滤波后的干涉信号ycode(t)＝C*I(t)，其中，
Figure BDA0003122531840000073
用模拟高通滤波器滤波后，滤波后的干涉信号可以表示为
Figure BDA0003122531840000074
I(t)为单脉冲外差***的干涉信号，表示为
Figure BDA0003122531840000075
优选的，对所述滤波后的干涉信号进行解码，具体包括，利用解码公式对滤波后的干涉信号进行解码，所述解码公式为
Figure BDA0003122531840000076
其中，L为编码序列码长，yi表示单脉冲外差结构从3*3耦合器i端口输出的信号，i＝1,2,3，
Figure BDA0003122531840000077
表示相关运算，*表示卷积运算，y11、y21、y31、y41分别表示4组格雷互补光脉冲序列对应的滤波后的干涉信号；
一个具体实施例中，4组格雷互补光脉冲序列，处理得到对应的滤波后的干涉信号后，都会在3*3耦合器的输出端口产生3个相位差为120°的信号；将4组从1端口输出，经高通滤波后的信号编号为y11、y21、y31、y41；将这4个信号做如下公式的解码处理，
Figure BDA0003122531840000081
其中L为编码序列码长，y1表示单脉冲外差结构从3*3耦合器1端口输出的信号，
Figure BDA0003122531840000082
表示相关运算，*表示卷积运算；同理可得到2端口、3端口解码后的信号分别是2Ly2、2Ly3，y2、y3分别表示单脉冲外差结构从3*3耦合器2端口和3端口输出的信号；将解码后的3路信号用3*3算法解调，解调出由振动引起的相位信息；
与传统的单脉冲3*3解调方案相比，本发明实施例所述方案输出的干涉信号幅值扩大了2L倍，强度信噪比更高，而相位信噪比正比于强度信噪比，解调出的相位信号信噪比更高。
实施例2
本发明实施例还提供了一种分布式声学传感相位解调***，包括1*2耦合器、声光调制器、任意波形发生器、衰减器、环形器、传感光纤、3*3耦合器、高通滤波器及数字处理单元；
所述1*2耦合器用于将一束连续光分为探测光和本振光；所述声光调制器和任意波形发生器，用于将所述探测光调制为格雷互补光脉冲序列；所述衰减器用于将所述本振光进行衰减，得到衰减后的本振光；
所述环形器和传感光纤，用于使所述格雷互补光脉冲序列产生背向瑞利散射信号；所述3*3耦合器使所述衰减后的本振光与所述背向瑞利散射信号发生干涉，得到干涉信号，所述高通滤波器用于对所述干涉信号进行高通滤波，得到滤波后的干涉信号；
所述数字处理单元用于对所述滤波后的干涉信号进行解码，对解码后的信号进行解调，得到由振动引起的相位信息。
优选的，所述声光调制器和任意波形发生器，将所述探测光调制为格雷互补光脉冲序列，具体包括，任意波形发生器输出由格雷互补序列偏置，得到正的单极性编码序列，利用所述单极性编码序列驱动所述声光调制器，所述声光调制器将所述探测光调制成格雷互补光脉冲序列。
优选的，所述高通滤波器为3个，所述高通滤波器用于对所述干涉信号进行高通滤波，得到滤波后的干涉信号，具体包括，3个高通滤波器分别对所述3束干涉信号进行高通滤波，得到3束滤波后的干涉信号ycode(t)＝C*I(t)，其中，
Figure BDA0003122531840000091
r表示光电探测器的响应系数，As背向瑞利散射信号的幅值，Al本振光信号的幅值，
Figure BDA0003122531840000092
τ是脉冲宽度。
优选的，所述分布式声学传感相位解调***，还包括3个光电探测器，所述3个光电探测器用于将从3*3耦合器输出的干涉信号转换为电信号；
一个具体实施例，所述分布式声学传感相位解调***，其结构示意图，如图4所示，其包括激光光源1、耦合器2、任意波形发生器3、声光调制器4、光环形器5、传感光纤6、3*3耦合器7、光电探测器一8、光电探测器二9、光电探测器三10、模拟高通滤波器一11、模拟高通滤波器二12、模拟高通滤波器三13和数字处理单元14；
所述激光光源1是窄线宽光源，任意波形发生器3发出指定编码的电脉冲序列，具体实施时，采用格雷互补序列对连续光进行编码；格雷互补序列是双极性码，而光脉冲不能为负，需要先将双极性码转化为单极性码；
通过偏置的方法，1个双极性码序列可以转化成2个单极性码序列，所以1组双极性格雷互补序列可以转化成4个单极性码序列；用任意波形发生器输出4个单极性码序列，每个单极性码序列发射间隔时间为T，T大于或等于探测光在传感光纤的往返时间，4个单极性码序列为一个周期，一个周期时间是4T；
需要说明的是，探测光反射回的瑞利散射光和本振光在3*3耦合器中发生干涉；3*3耦合器3个输出端口输出相位差为120°的信号；3个光电探测器(PD)分别将3路光信号转化为电信号；模拟高通滤波器滤除干涉信号中由脉冲编码引起的码间干扰。
本发明公开了一种分布式声学传感相位解调方法及***，通过将一束连续光分为探测光和本振光，将所述探测光调制为格雷互补光脉冲序列，将所述本振光进行衰减，得到衰减后的本振光；使所述格雷互补光脉冲序列产生背向瑞利散射信号，使所述衰减后的本振光与所述背向瑞利散射信号发生干涉，得到干涉信号，对所述干涉信号进行高通滤波，得到滤波后的干涉信号；对所述滤波后的干涉信号进行解码，对解码后的信号进行解调，得到由振动引起的相位信息；提高了相位解调中的信噪比。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分布式声学传感相位解调方法，其特征在于，包括以下步骤：
将一束连续光分为探测光和本振光，将所述探测光调制为格雷互补光脉冲序列，将所述本振光进行衰减，得到衰减后的本振光；
使所述格雷互补光脉冲序列产生背向瑞利散射信号，使所述衰减后的本振光与所述背向瑞利散射信号发生干涉，得到干涉信号，对所述干涉信号进行高通滤波，得到滤波后的干涉信号；
对所述滤波后的干涉信号进行解码，对解码后的信号进行解调，得到由振动引起的相位信息。
2.根据权利要求1所述的分布式声学传感相位解调方法，其特征在于，将所述探测光调制为格雷互补光脉冲序列，具体包括，将格雷互补序列进行偏置，得到正的单极性编码序列，根据所述单极性编码序列将所述探测光调制成格雷互补光脉冲序列。
3.根据权利要求2所述的分布式声学传感相位解调方法，其特征在于，根据所述单极性编码序列将所述探测光调制成格雷互补光脉冲序列，具体包括，根据所述单极性编码序列C＝[C1,C2,...CM+1]，将所述探测光调制成格雷互补光脉冲序列
Figure FDA0003122531830000011
其中，Cp为第p个脉冲的幅度，τ是脉冲宽度，
Figure FDA0003122531830000012
为第M+1位格雷互补光脉冲序列，ws为光脉冲序列的角频率，i为虚数单位。
4.根据权利要求1所述的分布式声学传感相位解调方法，其特征在于，使所述衰减后的本振光与所述背向瑞利散射信号发生干涉，得到滤波后的干涉信号，具体包括，使所述衰减后的本振光与所述背向瑞利散射信号发生干涉，得到3束干涉信号，所述3束干涉信号的相位差为120°，所述3束干涉信号的表达式为
Figure FDA0003122531830000021
其中，r表示光电探测器的响应系数，As背向瑞利散射信号的幅值，Al本振光信号的幅值，Δw为声光调制器的频移，p为编码序列的第p位，q＝p+1，
Figure FDA0003122531830000022
为第p个脉冲和第q个脉冲产生的瑞利散射携带相位的相位差。
5.根据权利要求4所述的分布式声学传感相位解调方法，其特征在于，对所述干涉信号进行高通滤波，得到滤波后的干涉信号，具体包括，对所述3束干涉信号进行高通滤波，得到3束滤波后的干涉信号ycode(t)＝C*I(t)，其中，
Figure FDA0003122531830000023
6.根据权利要求1所述的分布式声学传感相位解调方法，其特征在于，对所述滤波后的干涉信号进行解码，具体包括，利用解码公式对滤波后的干涉信号进行解码，所述解码公式为
Figure FDA0003122531830000024
其中，L为编码序列码长，yi表示单脉冲外差结构从3*3耦合器i端口输出的信号，i＝1,2,3，
Figure FDA0003122531830000025
表示相关运算，*表示卷积运算，y11、y21、y31、y41分别表示4组格雷互补光脉冲序列对应的滤波后的干涉信号。
7.一种分布式声学传感相位解调***，其特征在于，包括1*2耦合器、声光调制器、任意波形发生器、衰减器、环形器、传感光纤、3*3耦合器、高通滤波器及数字处理单元；
所述1*2耦合器用于将一束连续光分为探测光和本振光；所述声光调制器和任意波形发生器，用于将所述探测光调制为格雷互补光脉冲序列；所述衰减器用于将所述本振光进行衰减，得到衰减后的本振光；
所述环形器和传感光纤，用于使所述格雷互补光脉冲序列产生背向瑞利散射信号；所述3*3耦合器使所述衰减后的本振光与所述背向瑞利散射信号发生干涉，得到干涉信号，所述高通滤波器用于对所述干涉信号进行高通滤波，得到滤波后的干涉信号；
所述数字处理单元用于对所述滤波后的干涉信号进行解码，对解码后的信号进行解调，得到由振动引起的相位信息。
8.根据权利要求7所述分布式声学传感相位解调***，其特征在于，所述声光调制器和任意波形发生器，将所述探测光调制为格雷互补光脉冲序列，具体包括，任意波形发生器输出由格雷互补序列偏置，得到正的单极性编码序列，利用所述单极性编码序列驱动所述声光调制器，所述声光调制器将所述探测光调制成格雷互补光脉冲序列。
9.根据权利要求7所述分布式声学传感相位解调***，其特征在于，所述高通滤波器为3个，所述高通滤波器用于对所述干涉信号进行高通滤波，得到滤波后的干涉信号，具体包括，3个高通滤波器分别对所述3束干涉信号进行高通滤波，得到3束滤波后的干涉信号ycode(t)＝C*I(t)，其中，
Figure FDA0003122531830000031
r表示光电探测器的响应系数，As背向瑞利散射信号的幅值，Al本振光信号的幅值，
Figure FDA0003122531830000032
τ是脉冲宽度。
10.根据权利要求9所述分布式声学传感相位解调***，其特征在于，还包括3个光电探测器，所述3个光电探测器用于将从3*3耦合器输出的干涉信号转换为电信号。
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