CN114923559A - 基于相位解调光频域反射仪的分布式光纤声波测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于相位解调光频域反射仪的分布式光纤声波测量方法，包括：驱动光纤激光器发射光信号；光信号由第一保偏耦合器的一条支路进入非平衡马赫‑曾德干涉仪，生成光拍信号，经光电转换后进入光学锁相环，产生锁相控制信号；锁相控制信号驱动光纤激光器发射高相干高线性扫频激光；该扫频激光由第一保偏耦合器的另一条支路进入光频域反射仪的测量臂和参考臂，根据FBG光纤获取待测量声波的回波信号，产生拍频电信号；该拍频电信号经过采集卡转换为数字信号；将数字信号进行相位解调，获取待测量声波的相位变化信息。该方法有效提升了长距离声波测量下宽扫频激光的相干性和线性度，同时有效抑制了相干衰落噪声对相位解调的影响。
Description
技术领域
本发明涉及分布式光纤测量与传感技术领域，特别涉及一种基于相位解调光频域反射仪的分布式光纤声波测量方法。
背景技术
光频域反射仪(OFDR)是一种基于瑞利后向散射(RBS)的分布式测量技术，其利用线性扫频激光作为探测光，通过相干解调、光域去斜和频谱分析实现对RBS信号幅度、频率或相位等信息的测量，并通过其获取关于外界物理量的信息。在大规模传感领域，如石油井监测、油气管道监测、轨道交通监测、结构安全监测等领域具有极大的应用潜力。基于OFDR的分布式光纤传感技术具有高空间分辨率、高精度、高灵敏和长距离等优势，可获得光纤沿线待测量的分布场以及其时变信息，因此，OFDR在诸多应用场景中均发挥了不可替代的重要作用。得益于RBS相位与外界振动幅度的线性关系，基于RBS相位的探测手段成为基于OFDR的分布式光纤测量与传感技术的重要发展方向。针对RBS相位的解调，主要包括：3×3耦合器干涉解调、正交IQ解调以及傅里叶相位等方法。
目前，基于相位解调OFDR的长距离、高精度、高分辨的分布式光纤测量与传感技术所面临的主要问题是线性扫频激光相干性不足和非线性畸变、以及相干衰落导致的RBS信噪比恶化。通常可在OFDR的接收端采用非线性重采样和相噪补偿的方法实现非线性畸变的抑制相位噪声的补偿。然而，对于长距离测量时非线性和噪声的累积效应，上述方法的作用效果有限。
一般而言，采用外部调制，如强度、相位调制器所产生的线性扫频激光，其扫频范围受限于调制器射频驱动信号，即：所采用的射频器件的带宽限制了扫频范围。而对于通过光腔直接调制产生扫频激光的方法，根据激光产生的原理，其调谐范围和相干性、相频噪声相互制约，因此难以兼具宽范围扫频和高相干性。
另一方面，由于瑞利散射本质上源于光纤中折射率的随机起伏，不同RBS信号在接收端由于相干叠加会导致剧烈的强度抖动，这一现象被称为相干衰落噪声。其会严重恶化相干解调信号的信噪比，导致相位解调失败。目前主要采用优化信号处理的方式，利用RBS的频率相关性，对不同频率下的测量结果进行加权平均，达到减小相干衰落的效果。该类方法在一定程度上抑制了相干衰落噪声，但同时也对***的空间分辨率造成了惩罚。同时，也有利用紫外曝光等方式对光纤进行特殊处理，达到提升光纤中RBS信噪比的目的，但该方式制备的光纤易产生结构缺陷，需进行复杂的后期处理。
因此，在现有分布式光纤传感技术的基础上，如何对相干衰落噪声进行抑制，以及如何提升长距离下宽扫频激光的相干性和线性度，成为本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提出了一种至少解决上述部分技术问题的基于相位解调光频域反射仪的分布式光纤声波测量方法，该方法可使扫频激光兼具宽范围、高相干性和高线性，并有效抑制相干衰落噪声。
本发明实施例提供一种基于相位解调光频域反射仪的分布式光纤声波测量方法，包括如下步骤：
S1、驱动光纤激光器发射光信号；所述光信号由第一保偏耦合器的一条支路进入非平衡马赫-曾德干涉仪，生成携带激光器非线性相频噪声特性的光拍信号；所述光拍信号经光电转换后进入光学锁相环，产生锁相控制信号；
S2、所述锁相控制信号驱动所述光纤激光器发射高相干高线性扫频激光；所述高相干高线性扫频激光由所述第一保偏耦合器的另一条支路进入光频域反射仪的测量臂和参考臂，根据FBG光纤获取待测量声波的回波信号，产生第一拍频电信号；
S3、将所述第一拍频电信号经过采集卡转换为数字信号；将所述数字信号进行相位解调，获取所述待测量声波的相位变化信息。
进一步地，所述步骤S1包括：
S11、驱动光纤激光器发射光信号；
S12、所述光信号由第一保偏耦合器的一条支路经第二保偏耦合器分成两路，一路经过非平衡马赫-曾德干涉仪的测量臂生成第一测量信号，所述第一测量信号经延迟光纤产生延时信号；另一路连接非平衡马赫-曾德干涉仪的参考臂，所述非平衡马赫-曾德干涉仪的参考臂经声光移频器生成第一参考信号；
S13、所述延时信号与所述第一参考信号形成干涉，经第三保偏耦合器生成携带激光器非线性相频噪声特性的光拍信号；所述光拍信号经第一光电探测器进行光电转换，生成第二拍频电信号；
S14、所述第二拍频电信号进入光学锁相环，产生锁相控制信号。
进一步地，所述步骤S2中，所述高相干高线性扫频激光由所述第一保偏耦合器的另一条支路进入光频域反射仪的测量臂和参考臂，根据FBG光纤获取待测量声波的回波信号，产生第一拍频电信号，包括：
S21、所述高相干高线性扫频激光由所述第一保偏耦合器的另一条支路经第四保偏耦合器分成两路，一路经过光频域反射仪的测量臂，生成第二测量信号；另一路经过光频域反射仪的参考臂，生成第二参考信号；
S22、所述第二测量信号经过保偏环形器到达FBG光纤；所述FBG光纤产生待测量声波的回波信号；
S23、所述回波信号与所述第二参考信号经第五保偏耦合器在第二光电探测器处产生第一拍频电信号。
进一步地，所述FBG光纤的光栅间距与所述光频域反射仪的空间分辨率相匹配。
进一步地，所述第一保偏耦合器的功率按照99:1的功率分配比例，将1％的所述光信号由所述第一保偏耦合器的一条支路进入非平衡马赫-曾德干涉仪；将99％的所述高相干高线性扫频激光由所述第一保偏耦合器的另一条支路进入光频域反射仪。
进一步地，所述第二保偏耦合器的功率按照90:10的功率分配比例，将所述光信号分成两路，90％的部分经过所述非平衡马赫-曾德干涉仪的测量臂生成第一测量信号；10％的部分连接所述非平衡马赫-曾德干涉仪的参考臂。
进一步地，所述第四保偏耦合器的功率按照90:10的功率分配比例，将所述高相干高线性扫频激光分成两路，90％的部分经过所述光频域反射仪的测量臂，生成第二测量信号；10％的部分经过所述光频域反射仪的参考臂，生成第二参考信号。
进一步地，所述光纤激光器为窄线宽光纤激光器。
本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：
本发明实施例提供的一种基于相位解调光频域反射仪的分布式光纤声波测量方法，包括：驱动光纤激光器发射光信号；光信号由第一保偏耦合器的一条支路进入非平衡马赫-曾德干涉仪，生成携带激光器非线性相频噪声特性的光拍信号；光拍信号经光电转换后进入光学锁相环，产生锁相控制信号；锁相控制信号驱动光纤激光器发射高相干高线性扫频激光；高相干高线性扫频激光由第一保偏耦合器的另一条支路进入光频域反射仪的测量臂和参考臂，根据FBG光纤获取待测量声波的回波信号，产生第一拍频电信号；将第一拍频电信号经过采集卡转换为数字信号；将数字信号进行相位解调，获取待测量声波的相位变化信息。该方法生成的探测扫频激光信号兼具宽范围、高相干性和高线性，有效提升了长距离声波测量下宽扫频激光的相干性和线性度。同时保证了回波信号具有足够的信噪比，有效抑制了相干衰落噪声对相位解调的影响。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例提供的基于相位解调光频域反射仪的分布式光纤声波测量方法流程图；
图2为本发明实施例提供的***结构图；
图3为本发明实施例提供的驱动电压与相位对应关系示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明实施例提供一种基于相位解调光频域反射仪的分布式光纤声波测量方法，参照图1所示，包括如下步骤：
S1、驱动光纤激光器发射光信号；光信号由第一保偏耦合器的一条支路进入非平衡马赫-曾德干涉仪生成携带激光器非线性相频噪声特性的光拍信号；光拍信号经光电转换后进入光学锁相环，产生锁相控制信号；
S2、锁相控制信号驱动光纤激光器发射高相干高线性扫频激光；高相干高线性扫频激光由第一保偏耦合器的另一条支路进入光频域反射仪的测量臂和参考臂，根据FBG光纤获取待测量声波的回波信号，产生第一拍频电信号；
S3、将第一拍频电信号经过采集卡转换为数字信号；将数字信号进行相位解调，获取待测量声波的相位变化信息。
本实施例提供的基于相位解调光频域反射仪的分布式光纤声波测量方法，通过光学锁相环，可使光纤激光器发射高相干、宽范围线性扫频的激光，有效提升OFDR长距离测量下的性能需要，减少长距离声波测量时非线性和噪声累积。且FBG光纤上的反射信号(回波信号)具有足够的SNR(信噪比)，可对相干衰落噪声起到有效抑制，从而保证相位的准确解调，实现分布式声波传感。
下面对上述各个步骤进行详细的说明，请一并参照图2，图2为本实施例提供的方法对应的***结构图。
首先，光纤激光器可采用窄线宽光纤激光器，窄线宽光纤激光器发射的光信号，经过第一保偏耦合器分成99:1两部分，其中通过第一保偏耦合器的一条支路，1％的光信号经第二保偏耦合器(功率分配比为90:10的保偏光纤耦合器)进入UMZI(非平衡马赫-曾德干涉仪)。UMZI的两臂信号经过第三保偏耦合器(功率分配比为50:50的保偏光纤耦合器)耦合后输出携带激光器非线性相频噪声特性的光拍信号，UMZI输出的光拍信号具有调谐激光器的非线性噪声和相频噪声特性。光拍信号经过第一光电探测器(带宽为DC-100MHz)产生第二拍频电信号，第二拍频电信号经光电探测器的光电转换后进入光锁相环模块(OPLL)，经过锁相环产生的锁相控制信号与扫频信号(通过任意波形发生器产生)叠加后，驱动窄线宽光纤激光器产生高相干性的线性扫频激光。即在UMZI和OPLL的共同作用下，***产生高相干高线性扫频激光，将其作为探测光。
具体地，UMZI由测量臂和参考臂构成，即非平衡马赫-曾德干涉仪的测量臂和非平衡马赫-曾德干涉仪的参考臂，测量臂信号(第一测量信号)经过一段延迟光纤(1km保偏光纤)，产生的延时信号与参考臂经过声光移频器(工作频率40MHz)产生频移的第一参考信号，形成干涉，进入第一光电探测器。
其次，高相干高线性扫频激光经过第一保偏耦合器，99％的高相干高线性扫频激光的光信号注入到OFDR的测量臂和参考臂(光频域反射仪的测量臂和光频域反射仪的参考臂)，即：99％的高相干高线性扫频激光由第一保偏耦合器的另一条支路经第四保偏耦合器(功率分配比为90:10的保偏光纤耦合器)按照90:10的功率分配比例分成两路，一路(90％的部分)经过光频域反射仪的测量臂，生成第二测量信号；另一路(10％的部分)经过光频域反射仪的参考臂，生成第二参考信号。第二测量信号经过保偏环形器到达传感光纤FBG(光纤布拉格光栅)后形成后向散射(反射)，生成回波信号，其回波信号与第二参考信号发生干涉，经第五保偏耦合器(功率分配比为50:50的保偏光纤耦合器)在第二光电探测器(带宽为DC-100MHz)处产生第一拍频电信号，第一拍频电信号经过采集卡模数转换为数字信号，将该数字信号经过接收解调(通过提取傅里叶相位进行解调)，获得FBG光纤上的相位信息(幅度和波形)，进而获得沿FBG光纤的物理量，实现基于相位解调光频域反射仪的分布式光纤声波测量。
具体地，FBG光纤的光栅间距需与OFDR空间分辨率相匹配(OFDR空间分辨率根据光纤激光器发射的高相干高线性扫频激光确定)。FBG光纤上各点的反射信号具有足够的SNR(信噪比)，可对相干衰落噪声起到有效抑制，从而保证相位的准确解调，实现分布式声波传感。
可选地，驱动光纤激光器发射光信号在前，用于生成高相干线性扫频激光，有了这步，再进行测量，FBG光纤获取待测量声波，进行声波信号的测量。
最后，在FBG光纤的不同位置，可实施不同大小或不同波形的振动，经过接收解调，得到对应幅度和波形的相位谱，验证本实施例对任意波形下多点振动的探测能力。
具体地，对FBG光纤上施加从3.0Vpp到8.0Vpp的均匀变化的正弦驱动电压，经过提取傅里叶相位，解算出该位置RBS相位及其变化量，统计驱动电压与相位对应的关系，参照图3所示。
由此可见，驱动电压与相位之间呈线性关系，测量斜率为0.18rad/V，即1V驱动电压下，相位变化了0.18rad。用同样方式验证了在FBG光纤三个不同位置同时施加正弦振动时，驱动电压与相位也呈线性关系。当给FBG光纤其中一个位置施加三角波振动，另外两个位置施加正弦波振动时，也能同时解调出相位。即该本实施例提供的方法能够实现高空间分辨率下任意波形的光纤分布式多点声波传感。
具体地，在实际应用中，可将FBG光纤预埋在需要测量声波的石油井、油气管道或轨道的下方，以对其产生的声波或振动信号进行测量。
本实施例，采用基于OPLL反馈技术生成扫频激光，能有效解决长距离下相干性不足和非线性畸变的问题。同时，采用光栅间距与OFDR空间分辨率匹配的FBG作为传感光纤，保证了回波信号有足够的SNR(信噪比)，有效抑制了相干衰落噪声对相位解调的影响，实现了高空间分辨率的分布式声波测量。采用光纤布拉格光栅(FBG)作为传感探头，可有效抑制RBS(瑞利后向散射)的相干衰落噪声，提升了信号的信噪比，通过探测RBS的相位变化实现对FBG上声波的连续测量。该方法同时具备高空间分辨率和任意波形下光纤分布式声波的传感测量能力，加大了声波的测量距离和精度，在大规模传感领域如石油井监测、油气管道监测、轨道交通监测和结构安全监测等领域具有极大的应用潜力。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.基于相位解调光频域反射仪的分布式光纤声波测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、驱动光纤激光器发射光信号；所述光信号由第一保偏耦合器的一条支路进入非平衡马赫-曾德干涉仪，生成携带激光器非线性相频噪声特性的光拍信号；所述光拍信号经光电转换后进入光学锁相环，产生锁相控制信号；
S2、所述锁相控制信号驱动所述光纤激光器发射高相干高线性扫频激光；所述高相干高线性扫频激光由所述第一保偏耦合器的另一条支路进入光频域反射仪的测量臂和参考臂，根据FBG光纤获取待测量声波的回波信号，产生第一拍频电信号；
S3、将所述第一拍频电信号经过采集卡转换为数字信号；将所述数字信号进行相位解调，获取所述待测量声波的相位变化信息。
2.如权利要求1所述的基于相位解调光频域反射仪的分布式光纤声波测量方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
S11、驱动光纤激光器发射光信号；
S12、所述光信号由第一保偏耦合器的一条支路经第二保偏耦合器分成两路，一路经过非平衡马赫-曾德干涉仪的测量臂生成第一测量信号，所述第一测量信号经延迟光纤产生延时信号；另一路连接非平衡马赫-曾德干涉仪的参考臂，所述非平衡马赫-曾德干涉仪的参考臂经声光移频器生成第一参考信号；
S13、所述延时信号与所述第一参考信号形成干涉，经第三保偏耦合器生成携带激光器非线性相频噪声特性的光拍信号；所述光拍信号经第一光电探测器进行光电转换，生成第二拍频电信号；
S14、所述第二拍频电信号进入光学锁相环，产生锁相控制信号。
3.如权利要求1所述的基于相位解调光频域反射仪的分布式光纤声波测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述高相干高线性扫频激光由所述第一保偏耦合器的另一条支路进入光频域反射仪的测量臂和参考臂，根据FBG光纤获取待测量声波的回波信号，产生第一拍频电信号，包括：
S21、所述高相干高线性扫频激光由所述第一保偏耦合器的另一条支路经第四保偏耦合器分成两路，一路经过光频域反射仪的测量臂，生成第二测量信号；另一路经过光频域反射仪的参考臂，生成第二参考信号；
S22、所述第二测量信号经过保偏环形器到达FBG光纤；所述FBG光纤产生待测量声波的回波信号；
S23、所述回波信号与所述第二参考信号经第五保偏耦合器在第二光电探测器处产生第一拍频电信号。
4.如权利要求1所述的基于相位解调光频域反射仪的分布式光纤声波测量方法，其特征在于，所述FBG光纤的光栅间距与所述光频域反射仪的空间分辨率相匹配。
5.如权利要求1所述的基于相位解调光频域反射仪的分布式光纤声波测量方法，其特征在于，所述第一保偏耦合器的功率按照99:1的功率分配比例，将1％的所述光信号由所述第一保偏耦合器的一条支路进入非平衡马赫-曾德干涉仪；将99％的所述高相干高线性扫频激光由所述第一保偏耦合器的另一条支路进入光频域反射仪。
6.如权利要求2所述的基于相位解调光频域反射仪的分布式光纤声波测量方法，其特征在于，所述第二保偏耦合器的功率按照90:10的功率分配比例，将所述光信号分成两路，90％的部分经过所述非平衡马赫-曾德干涉仪的测量臂生成第一测量信号；10％的部分连接所述非平衡马赫-曾德干涉仪的参考臂。
7.如权利要求3所述的基于相位解调光频域反射仪的分布式光纤声波测量方法，其特征在于，所述第四保偏耦合器的功率按照90:10的功率分配比例，将所述高相干高线性扫频激光分成两路，90％的部分经过所述光频域反射仪的测量臂，生成第二测量信号；10％的部分经过所述光频域反射仪的参考臂，生成第二参考信号。
8.如权利要求1所述的基于相位解调光频域反射仪的分布式光纤声波测量方法，其特征在于，所述光纤激光器为窄线宽光纤激光器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Xie Weilin Inventor after: Meng Yinxia Inventor after: Feng Yuxiang Inventor after: Dong Yi Inventor before: Meng Yinxia Inventor before: Xie Weilin Inventor before: Feng Yuxiang Inventor before: Dong Yi |
|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |