CN113820000A - 一种相位敏感型光时域反射光纤传感***相位解调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种相位敏感型光时域反射光纤传感***相位解调方法，包括：通过传感光纤产生后向瑞利散射光信号与本振光信号汇合并发生相干干涉，产生拍频信号；获取拍频信号中的光电流信号；对光电流信号进行希尔伯特变换；对双路正交信号进行时间平移变换；对上述得到的四路信号进行积化和差的三角函数变换：对变换之后的四路信号分别进行相加相减得到两路信号；对得到的两路信号进行反正切变换提取相位。本发明解调方法，实现对***信号所包含相位信号的有效提取和重构，进而实现对分布式光纤传感***的相位数字化解调，有效消除各种硬件解调技术方法引入的噪声与误差、使***得到简化并降低了***成本。
Description
技术领域
一种相位敏感型光时域反射光纤传感***信号相位数字解调技术及方法，用于对分布式光纤传感***中声信号和振动信号的相位信息进行解调恢复。可实现对***的相位数字化解调分析，能够消除硬件相位解调方法引入的器件噪声，进而有效提高***信噪比并降低***解调成本。
背景技术
基于相位敏感型光时域反射光纤传感***能够在长距离内对微小信号进行分布式多点实时监测，其具有灵敏度高、空间动态范围大和定位精度高等特点，因此在大型设施健康监测、工业生产过程检测、周界安防、管道防护、海洋工程等方面具有广阔的市场应用前景。对相位敏感型光时域反射光纤传感***光信号的相位进行解调提取是***关键部分，目前对干涉型光纤传感***相位解调主要是基于包括相位生成载波、基于3*3耦合器构造的相位解调、I/Q解调等在内的硬件相位解调方案。其中，相位生成载波方法计算量大，模拟解调实现难度很大。基于3*3耦合器的干涉仪解调方法属于被动解调，在使用3*3耦合器解调方案时需要三路输出的相位相差固定为120°，难度大且易产生偏差且易受到外界干扰。I/Q正交硬件解调成本高、***复杂，而且引入了额外硬件噪声，造成***信噪比恶化。因此现有解调方法存在成本高、***复杂、噪声大、计算量大等问题，严重影响传感***的实用化、产业化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种相位敏感型光时域反射光纤传感***信号相位解调方法，用于对分布式光纤传感***中声信号和振动信号的相位信息进行解调恢复。可实现对***的相位数字化解调分析，能够替代硬件解调方法，从而避免硬件相位解调方法引入的器件噪声，有效提高***信噪比并降低***解调成本。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种相位解调方法，其特征在于，包括：
步骤1、通过传感光纤产生后向瑞利散射光信号与本振光信号汇合并发生相干干涉，产生拍频信号；
步骤2、获取拍频信号中的光电流信号；
步骤3、对光电流信号进行希尔伯特变换；
步骤4、对双路正交信号进行时间平移变换
步骤5、对步骤3、5中得到的四路信号进行积化和差的三角函数变换：
步骤6、对步骤5变换之后的四路信号分别进行相加相减得到两路信号；
步骤7、对步骤6得到的两路信号进行反正切变换提取相位。
本发明相位敏感型光时域反射光纤传感***信号相位解调方法，用于对分布式光纤传感***中声信号和振动信号的相位信息进行解调恢复。相位解调方法是在对相干差频信号进行希尔伯特变换基础上，通过对双路正交信号进行时间平移变换、三角函数交叉乘积与差分等一系列算法，实现对***信号所包含相位信号的有效提取和重构，进而实现对分布式光纤传感***的相位数字化解调，有效消除各种硬件解调技术方法引入的噪声与误差、使***得到简化并降低了***成本。
附图说明
图1是本发明的一种***结构示意图。
图2是数字解调流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
下面结合图1、图2具体说明。本发明一种相位敏感型光时域反射光纤传感***信号相位数字解调***，包括窄线宽激光器1、第一光纤耦合器2、声光调制器3、光纤放大器4、带通滤波器5、三端口环形器6、传感光纤7、第二光纤耦合器8、双平衡光电探测器9、数据采集装置10、数字解调单元组11成。***的连接方式如下：窄线宽激光器1的输出端连接第一耦合器2的第一输入端，第一耦合器2的第一输出端连接声光调制器3输入端，声光调制器3输出端连接光纤放大器4的输入端，光纤放大器4的输出端连接带通滤波器5的输入端，带通滤波器5的输出端连接三端口环形器6的输入端，三端口环形器6的反射端连接传感光纤7，三端口环形器6的输出端连接第二耦合器8的第一输入端，第二耦合器8的第二输出端连接第一耦合器2的第二输入端，第二耦合器8的两个输出端连接双平衡光电探测器9的两个输入端，双平衡光电探测器9的输出端连接数据采集装置10，数据采集装置10之后连接数字解调单元11。其中数字解调单元11在对相干差频信号的处理解析包括：希尔伯特变换、时间平移变换、三角函数交叉乘积、加减变换、反正切变换，提取相位。
本发明***的工作原理如下：由窄线宽激光器1发出工作波长在1550nm的光源，进入90：10的第一耦合器2分为两路，功率大的一路作为信号光，经过声光调制器3产生200M的移频并将光信号调制成脉冲光，被调制后的脉冲光通过光纤放大器4对脉冲光能量放大，由于光纤放大器4产生ASE噪声，因此使用一个工作波长1550nm、带宽1nm的带通滤波器5将掺纤放大器4产生的ASE噪声滤除，将通过带通滤波器滤除噪声之后的信号光经过三端口环形器6，三端口环形器6的三端口分别连接经过带通滤波器5的信号光、传感光纤7、经过传感光纤7传输回来含有振动信息的后向瑞利散射信号，传输回来的信号光与第一耦合器2的另一路本振光进入第二耦合器8，在第二耦合器8处本振光和后向散射信号发生相干干涉，相干信号进入双平衡光电探测器9，双平衡光电探测器9将光信号转换为电信号，将电信号传输给数据采集装置10之后进入数字解调单元11。
光纤放大器4可选用掺铒光纤放大器。
数字解调单元11的处理步骤如下：
步骤一、对数据采集装置10采集到的电信号进行希尔伯特变换；
步骤二、对双路正交信号进行时间平移变换；
步骤三、对步骤一、二中得到的四路信号进行积化和差的三角函数变换；
步骤四、对积化和差变换之后的四路信号分别进行相加相减得到两路信号；
步骤五、对两路信号进行反正切变换提取相位。
当t1和t2时刻，光纤某处产生振动，所引起后向散射信号对应相位分别为
数字解调单元通过测得
即可得到振动变化，其具体流程如图2所示：
步骤一、对***采集到的信号进行希尔伯特变换，其采集到的相干信号为：
式中，IL(t1)为拍频信号中的光电流信号的实时强度；ES为散射光的振幅；EL为本振光的振幅；
声光调制器引入的光频移；
是干涉场的相位；t1为时间；
为外界扰动的相位；对其进行希尔伯特变换之后得到的信号为：
步骤二、对双路正交信号进行时间平移变换之后得到：
步骤三、对四路信号进行三角函数积化和差的变换得到：
步骤四、对上述四路信号相加减消除高频项得到：
所述步骤五中，对两路信号进行反正切变换提取相位。先将步骤四中的两式相除得到：
式中
是干涉场的相位，
为本振光的初始相位，在t1时刻和t2时刻这两个相位是不变的
频率也是不变的，2πv1t1＝2πv1t2，上式简化之后为：
式中
是t1时刻到t2时刻振动引起的相位变化。
Claims (8)
1.一种相位敏感型光时域反射光纤传感***相位解调方法，其特征在于，包括：
步骤1、通过传感光纤产生后向瑞利散射光信号与本振光信号汇合并发生相干干涉，产生拍频信号；
步骤2、获取拍频信号中的光电流信号；
步骤3、对光电流信号进行希尔伯特变换；
步骤4、对双路正交信号进行时间平移变换
步骤5、对步骤3、4中得到的四路信号进行积化和差的三角函数变换：
步骤6、对步骤5变换之后的四路信号分别进行相加相减得到两路信号；
步骤7、对步骤6得到的两路信号进行反正切变换提取相位。
2.根据权利要求1所述的相位解调方法，其特征在于，步骤1中，产生的拍频信号为：
式中，I(t)为拍频信号的实时强度；EL(t)为本振光的实时强度；EL为本振光的振幅；
为本振光的初始相位；ES(t)为散射光的实时强度；ES为散射光的振幅；v0为光场频率；v1声光调制器引入的光频移；
是散射光的初始相位；t为时间；
为外界扰动的相位。
3.根据权利要求2所述的相位解调方法，其特征在于，步骤2中，获取的拍频信号中的光电流信号为：
式中，IL(t)为拍频信号中的光电流信号的实时强度。
4.根据权利要求3所述的相位解调方法，其特征在于，步骤3中，对光电流信号进行希尔伯特变换得到的信号为：
式中，IS(t)为与拍频信号相互正交的光电流信号实时强度。
5.根据权利要求4所述的相位解调方法，其特征在于，步骤4中，对步骤3得到的双路正交信号进行时间平移变换，生成t2时刻的两路正交信号：
式中，IL′(t2)为对拍频信号的光电流信号进行时间平移变换之后的信号；IS′(t2)为希尔伯特变换后信号的时间平移变换信号，EL′为时间平移变换后的本振光振幅，Es′为时间平移变换后的散射光振幅，t2为时间；
和
分别对应为散射光和本振光的初始相位；
为外界扰动的相位。
6.根据权利要求5所述的相位解调方法，其特征在于，步骤5中，对四路信号进行三角函数积化和差变换得到：
7.根据权利要求6所述的相位解调方法，其特征在于，步骤6中，对积化和差变换之后的四路信号分别进行相加相减消除高频项得到两路信号：
式中I3、I4为三角函数变换后去除高频项的信号。
8.根据权利要求7所述的相位解调方法，其特征在于，步骤7中，对两路信号进行反正切变换提取相位的方法是将步骤6中的两式相除得到：
式中，在t1时刻和t2时刻两个固有相位是不变的，即
频率也是不变的，2πv1t1＝2πv1t2，
是t时刻到t2时刻振动引起的相位变化。
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