CN115060299A - 一种基于直接探测的分布式弱光栅阵列传感***和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于直接探测的分布式弱光栅阵列传感***和方法。所述方法的步骤是：用声光调制器对激光器输出的光波进行调幅，形成具有合适脉冲宽度和脉冲间距的双脉冲光；然后用相位调制器对双脉冲光中的前脉冲光进行调相，使前脉冲光上三个区域具有
的相位差；调幅和调相后的双脉冲光被掺铒光纤放大器放大后，通过环形器进入光栅阵列；双脉冲光在相邻光栅上的反射光叠加后产生干涉，然后干涉光由环形器进入光电探测器并通过采集卡进行数据采集；对采集到的信号，通过反射信号的波动，实现扰动定位；从扰动位置的反射信号中提取出三个相位差彼此相差
的光电流信号，通过去直流、微分、积分等处理进行解相，实现对扰动的定量测量。
Description
技术领域
本发明设计光纤传感技术领域，特别是基于直接探测的分布式弱光栅阵列传感***和方法。
背景技术
自从20世纪70年代光纤传感技术出现以来，随着光纤的实用化和光通信技术的发展，光纤传感技术以迅猛的速度发展起来。当光波在光纤中传输时，由于光纤会受到扰动、温度、应变等外界环境因素的影响，光信号的偏振态、功率、波长、相位等参数会发生变化。通过检测光纤中光的这些参数，就可以获得光纤周围环境的变化信息，从而实现传感。
分布式弱光栅阵列传感原理是：把嵌入光纤的弱光栅阵列当做一组＂弱反射镜＂，在光纤的指定位置提供稳定的、强度可控的反射光信号，使用这些反射光信号取代光纤中的自发瑞利散射，通过解调出干涉光的相位、功率等变化的信息，最终可以得到外部的扰动信号。与传统的光纤传感***相比，分布式弱光栅阵列传感***得到的反射光信号更稳定，信噪比更高。基于分布式弱光栅阵列的传感***主要分为两种结构：零差探测和外差探测。其中外差探测主要依靠自外差的双脉冲实现，零差探测主要依靠3×3耦合器实现。但前者受限于相位解缠绕而无法实现大应变测量；后者需要性能参数要完全一致的3个光电探测器，成本昂贵，而且很难保证三个光电流信号的直流部分、增益系数保持一致。所以实现低成本且稳定的零差探测是光栅阵列传感中一个需要重点解决的难题。
发明内容
发明目的：
传统的基于3×3耦合器的零差探测，三个光电流信号的直流部分、增益系数都难以保持一致，这都会严重影响传感，***很不稳定。同时，需要频响特性、增益系数等一系列性能参数要完全一致的3个光电探测器，成本较高。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种基于直接探测的分布式弱光栅阵列传感***，所述***包括窄线宽激光器、声光调制器、相位调制器、第一双脉冲信号发生器、第二双脉冲信号发生器、掺铒光纤放大器、环形器、融合弱光栅阵列的传感光纤、光电探测器、数据采集卡以及数据处理器；所述窄线宽激光器发出连续光；所述第一双脉冲信号发生器发出第一脉冲电信号和第二脉冲电信号控制声光调制器对连续光进行调幅，同时向所述第二双脉冲信号发生器传输同步触发信号，声光调制器向相位调制器输出第一脉冲光和第二脉冲光；所述第一脉冲光的脉冲宽度和脉冲间距与第二脉冲光的一致，所述第二脉冲信号发生器发出第三脉冲电信号和第四脉冲电信号控制相位调制器对接收的脉冲光进行调相，形成首尾相接的第一脉冲区域、第二脉冲区域和第三脉冲区域；所述第一脉冲区域、第二脉冲区域和第三脉冲区域的相位差为
在调相结束后所述掺铒光纤放大器对第一脉冲光和第二脉冲光进行放大，放大后的第一脉冲光和第二脉冲光通过环形器进入融合弱光栅阵列的传感光纤；所述融合弱光栅阵列的传感光纤将各个光栅上第一脉冲光和第二脉冲光的反射光进行叠加干涉；所述光电探测器采集融合弱光栅阵列的传感光纤中的光信号并转换为电信号，所述数据采集卡将光电探测器的电信号数字化；所述数据处理器对数据采集卡采集的数字化电信号进行扰动定位，从扰动位置的反射峰信号中提取出第一脉冲区域、第二脉冲区域和第三脉冲区域的光电流信号，对光电流信号进行相位解调，实现扰动测量。
优选地，所述第一双脉冲信号发生器产生第一脉冲电信号和第二脉冲电信号的脉冲宽度都为t1，脉冲间距为
t1＜t2，其中，c为光在真空中的传播速度，n为光纤的等效折射率，L为光栅阵列中相邻光栅的间距。
优选地，第二脉冲信号发生器发出第三脉冲电信号和第四脉冲电信号并传递至相位调制器进行调相，第三脉冲电信号和第四脉冲电信号的脉冲宽度都为
脉冲间距为
第三脉冲电信号的幅度为
第四脉冲电信号幅度为
其中Vπ为相位调制器的半波电压，t1为第一双脉冲信号发生器产生第一脉冲电信号和第二脉冲电信号的脉冲宽度。
优选地，所述第二脉冲信号发生器发出第三脉冲电信号和第四脉冲电信号控制相位调制器对接收的第一脉冲光进行调相，形成首尾相接的第一脉冲区域、第二脉冲区域和第三脉冲区域。
优选地，所述第二脉冲信号发生器发出第三脉冲电信号和第四脉冲电信号控制相位调制器对接收的第二脉冲光进行调相，形成首尾相接的第一脉冲区域、第二脉冲区域和第三脉冲区域。
优选地，所述第二脉冲信号发生器发出第三脉冲电信号和第四脉冲电信号控制相位调制器对接收的第一脉冲光和第二脉冲光进行调相，形成首尾相接的第一脉冲区域、第二脉冲区域和第三脉冲区域。
优选地，将声光调制器和掺铒光纤放大器替换为半导体光放大器。
一种基于直接探测的分布式弱光栅阵列传感***的传感方法，包括以下步骤：
步骤一：第一双脉冲信号发生器发出第一脉冲电信号和第二脉冲电信号控制声光调制器将窄线宽激光器产生的连续光调幅为第一脉冲光和第二脉冲光，所述第一脉冲光的脉冲宽度和脉冲间距与第二脉冲光的一致；
步骤二：第二双脉冲信号发生器发出第三脉冲电信号和第四脉冲电信号控制相位调制器对脉冲光进行相位调制处理，形成首尾相接的第一脉冲区域、第二脉冲区域和第三脉冲区域；
步骤三：对调相后的第一脉冲光和第二脉冲光进行放大，放大后的第一脉冲光和第二脉冲光通过环形器进入融合弱光栅阵列的传感光纤，光电探测器探测相邻光栅上第一脉冲光和第二脉冲光的反射光叠加干涉的光信号并将光信号转换为电信号，数据采集卡将采集到的电信号数字化并传递至数据处理器；
步骤四：对比采集的反射光数字化电信号，通过观察反射峰信号的波动大小，实现扰动定位；
步骤五：从扰动位置的反射峰信号中提取出第一脉冲区域、第二脉冲区域和第三脉冲区域的光电流信号，对光电流信号进行相位解调，实现扰动测量。
优选地，所述第一双脉冲信号发生器产生第一脉冲电信号和第二脉冲电信号的脉冲宽度都为t1，脉冲间距为
t1＜t2，其中，c为光在真空中的传播速度，n为光纤的等效折射率，L为光栅阵列中相邻光栅的间距；第二脉冲信号发生器发出第三脉冲电信号和第四脉冲电信号并传递至相位调制器进行调相，第三脉冲电信号和第四脉冲电信号的脉冲宽度都为
脉冲间距为
第三脉冲电信号的幅度为
第四脉冲电信号幅度为
其中Vπ为相位调制器的半波电压。
优选地，所述第二脉冲信号发生器发出第三脉冲电信号和第四脉冲电信号控制相位调制器对接收的第一脉冲光进行调相，形成首尾相接的第一脉冲区域、第二脉冲区域和第三脉冲区域；或者所述第二脉冲信号发生器发出第三脉冲电信号和第四脉冲电信号控制相位调制器对接收的第二脉冲光进行调相，形成首尾相接的第一脉冲区域、第二脉冲区域和第三脉冲区域；或者所述第二脉冲信号发生器发出第三脉冲电信号和第四脉冲电信号控制相位调制器对接收的第一脉冲光和第二脉冲光进行调相，形成首尾相接的第一脉冲区域、第二脉冲区域和第三脉冲区域。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)三个光电流信号是同样的两个光栅的反射光叠加产生，它们的直流部分一致；三个光电流信号是同一个光电探测器得到的，它们的增益系数保持一致；
(2)传统的基于3×3耦合器的零差探测，需要频响特性、增益系数等一系列性能参数要完全一致的3个光电探测器，成本昂贵，而以上技术方案用一个相位调制器和一个双脉冲信号发生器就可以实现基于零差探测的分布式弱光栅阵列传感，成本较低。
附图说明
图1是传统的基于零差探测的分布式光纤传感***；
图2是采用本发明方案的基于零差探测的分布式弱光栅阵列传感***；
图3是采用本发明方案的装置中，振动位置光栅的脉冲反射信号；
图4是采用本发明方案的装置中，从振动位置光栅的脉冲反射信号提取得到的3个彼此具有
相位差的光电流信号。
图5是传统的基于
相位差的解调算法。
图6是采用
相位调制的双脉冲弱光栅阵列传感***解调出的正弦信号。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明：
根据本发明提出的一种基于直接探测的分布式弱光栅阵列传感***，包括以下器件：
激光器：选取窄线宽激光器，产生的连续光经耦合器输出至声光调制器。
声光调制器：通过对激光器发出的连续光进行调制，产生具有特定周期、特定宽度和特定脉冲间距的双脉冲光。
相位调制器：通过对声光调制器发出的双脉冲光中的前脉冲光进行调制，产生三个部分彼此相位差
的前脉冲光。
双脉冲信号发生器1：产生具有特定周期、特定宽度和特定脉冲间距和特定峰峰值的双脉冲电信号。
双脉冲信号发生器2：产生具有特定周期、特定宽度、特定脉冲间距和特定峰峰值的双脉冲电信号。
掺铒光纤放大器：对调幅和调相后的双脉冲光进行功率放大。
环形器：用于将经过功率放大后的脉冲光导入融合弱光栅阵列的传感光纤，并且将各个光栅上的干涉光传入到光电探测器。
融合弱光栅阵列的传感光纤：在各个光栅上两个脉冲的反射光进行叠加产生干涉，传感***中的扰动事件。
光电探测器：用于将光信号转换为电信号输出至采集卡。
采集卡：用于将采集到的模拟信号数字化，并输出至处理器。
计算机：对采集到的数据进行分析处理，从而实现对融合弱光栅阵列的传感光纤沿线的扰动定位和测量。
用窄线宽激光器产生连续光，所述连续光经声光调制器调幅为第一脉冲光和第二脉冲光，第一脉冲光的脉冲宽度等于第二脉冲光的脉冲宽度；第一脉冲光经相位调制器调相为首尾相接的第一脉冲区域、第二脉冲区域和第三脉冲区域，三个脉冲光的相位差彼此相差
第一脉冲光与第二脉冲光经过补偿后，由环形器进入融合光栅阵列的传感光纤，光电探测器探测相邻光栅上的反射光相互叠加干涉的光信号，由数据采集卡将采集到的电信号数字化，并输出到计算机；多次采集的时域信号显示在一起，通过观察反射峰信号的波动大小，实现扰动定位；扰动位置的反射峰信号中提取出三个相位差彼此相差
的光电流信号；使用三个光电流进行相位解调，实现扰动测量。
双脉冲信号发生器1发出的双脉冲电信号的周期、脉冲宽度、脉冲间距和特定峰峰值可经调节，使发出的两个脉冲信号功率相等，脉冲间距等于
双脉冲信号发生器2发出的双脉冲电信号的周期、脉冲宽度、脉冲间距和特定峰峰值可经调节，使发出的前脉冲幅度为
后脉冲幅度为
其中Vπ为相位调制器的半波电压，半波电压的调制效果等效于π。
双脉冲信号发生器1给出同步信号作为双脉冲信号发生器2的触发信号。
假设由声光调制器和相位调制器调制的双脉冲，前脉冲的三部分光场分布为E1,E2,E3,后脉冲的光场分布为E4，脉冲光的角频率是ω，初相位是
电场幅度是Er1；后脉冲的光场分布为E5，脉冲光的角频率是ω，初相位是
电场幅度是Er2；
是外界扰动引起的相位变化。
前脉冲上三个不同相位部分反射光的电场分别表示为：
后脉冲反射光的电场表示为：
前脉冲的反射光和后脉冲的反射光叠加后发生干涉，光信号分为三部分，为：
其中，
将3个光电流信号I1(t)，I2(t)，I3(t)相加，相加以后的和再除以3，得到直流项：
I1(t)，I2(t)，I3(t)再减去D得：
对a，b，c进行微分：
然后将a，b，c与另外两路微分后的差相乘，得：
把a(e-f)、b(f-d)、c(d-e)相加，就得到：
为了消除Er1 2Er2 2带来的影响，求I1(t)，I2(t)，I3(t)得平方和，得：
N除以M消去Er1 2Er2 2，得：
最后，经积分运算得：
在这个解调过程中，影响最大的是E1(t)，E2(t)，E3(t)的增益系数和直流部分，如果不一致，会严重影响解调结果的正确性。本发明的技术方案使用光栅的反射光代替散射光进行传感，没有3×3耦合器这样的分光器件，使用同一个光电探测器接受3个光电流，E1(t)，E2(t)，E3(t)的增益系数和直流部分的一致性得到了充分保证。
参考图1所示的传统的基于零差探测的分布式光纤传感***，由极窄线宽激光器发出的连续光进入声光调制器调制得到窄脉冲光，由掺铒光纤放大器功率放大后，通过环形器进入传感光纤，返回的散射光进入3×3耦合器。探测器1、探测器2、探测器3是三个性能参数一致的光电探测器。它们探测得到的就是三个相位差彼此相差
的光电流信号。
但实际中，很难保证3×3耦合器的3个端口耦合的一致性，更难保证三个光电探测器光电转换效率的一致性，所以传统的基于零差探测的分布式光纤传感***的稳定性一直不够。同时，三个性能参数一致的光电探测器也带来了巨大的成本提升。而采用本方案，以上情况得到解决，下面根据实验介绍进行详细说明：
采用如图2所示的实验装置，由窄线宽激光器发出连续激光进入调制频率为150MHz的声光调制器，调制得到脉冲宽度为300ns的两个脉冲光，脉冲间距为500ns；双脉冲信号发生器1给出双脉冲电信号给声光调制器实现调幅；调幅后的双脉冲进入相位调制器中，调制得到三个部分彼此相位差
的前脉冲光；双脉冲信号发生器1发出同步信号给双脉冲信号发生器2，作为触发信号，双脉冲信号发生器2给出脉冲宽度为100ns，脉冲峰峰值为分别为3.3V和6.6V的两个脉冲电信号给相位调制器实现调相；调相后的双脉冲进入掺铒光纤放大器放大后由环形器送入光栅阵列中，进行传感；返回的干涉光经环形器由探测器接收后，数据采集卡采集，送入计算机进行扰动定位和测量。
在光栅3000米附近的振动源施加的是频率250Hz、电压为10V的正弦信号，通过观察反射峰的幅度波动，可以对扰动的位置实现定位。如图3所示，从扰动位置的反射峰中可以明显看到3个区域具有明显的边界，这是由于它们彼此间
的相位差导致的，与我们用相位调制器进行相位调制的预估效果相符。
如图4所示，从三个区域中可以提取出彼此相位差
的光电流信号，从包络上可以明显看到它们之间存在一定的相位差。对三个光电流信号运用如图5所示的3×3耦合器解调算法，最后可以得到周期数为8.8的正弦信号，如图6，一共采集了0.035秒的信号，周期数为8.8，即外部施加信号的频率为251Hz，与实验实际施加频率信息相符。
本方案的***和方法，与传统的方案相比，用一个光电探测器和一个相位调制器代替了原本需要的3个性能参数要完全一致的光电探测器，成本得到了减少；同时用光栅的反射光代替散射光进行传感，使用双脉冲结构，用同一个光电探测器接收3个光电流信号，增益系数和直流部分的一致性得到了充分保证，稳定性得到了提高。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所作的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于直接探测的分布式弱光栅阵列传感***，其特征在于，所述***包括窄线宽激光器、声光调制器、相位调制器、第一双脉冲信号发生器、第二双脉冲信号发生器、掺铒光纤放大器、环形器、融合弱光栅阵列的传感光纤、光电探测器、数据采集卡以及数据处理器；所述窄线宽激光器发出连续光；所述第一双脉冲信号发生器发出第一脉冲电信号和第二脉冲电信号控制声光调制器对连续光进行调幅，同时向所述第二双脉冲信号发生器传输同步触发信号，声光调制器向相位调制器输出第一脉冲光和第二脉冲光；所述第一脉冲光的脉冲宽度和脉冲间距与第二脉冲光的一致，所述第二脉冲信号发生器发出第三脉冲电信号和第四脉冲电信号控制相位调制器对接收的脉冲光进行调相，形成首尾相接的第一脉冲区域、第二脉冲区域和第三脉冲区域；所述第一脉冲区域、第二脉冲区域和第三脉冲区域的相位差为
在调相结束后所述掺铒光纤放大器对第一脉冲光和第二脉冲光进行放大，放大后的第一脉冲光和第二脉冲光通过环形器进入融合弱光栅阵列的传感光纤；所述融合弱光栅阵列的传感光纤将各个光栅上第一脉冲光和第二脉冲光的反射光进行叠加干涉；所述光电探测器采集融合弱光栅阵列的传感光纤中的光信号并转换为电信号，所述数据采集卡将光电探测器的电信号数字化；所述数据处理器对数据采集卡采集的数字化电信号进行扰动定位，从扰动位置的反射峰信号中提取出第一脉冲区域、第二脉冲区域和第三脉冲区域的光电流信号，对光电流信号进行相位解调，实现扰动测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于直接探测的分布式弱光栅阵列传感***，其特征在于，所述第一双脉冲信号发生器产生第一脉冲电信号和第二脉冲电信号的脉冲宽度都为t1，脉冲间距为
t1＜t2，其中，c为光在真空中的传播速度，n为光纤的等效折射率，L为光栅阵列中相邻光栅的间距。
3.根据权利要求1所述的一种基于直接探测的分布式弱光栅阵列传感***，其特征在于，第二脉冲信号发生器发出第三脉冲电信号和第四脉冲电信号并传递至相位调制器进行调相，第三脉冲电信号和第四脉冲电信号的脉冲宽度都为
脉冲间距为
第三脉冲电信号的幅度为
第四脉冲电信号幅度为
其中Vπ为相位调制器的半波电压，t1为第一双脉冲信号发生器产生第一脉冲电信号和第二脉冲电信号的脉冲宽度。
4.根据权利要求1所述的一种基于直接探测的分布式弱光栅阵列传感***，其特征在于，所述第二脉冲信号发生器发出第三脉冲电信号和第四脉冲电信号控制相位调制器对接收的第一脉冲光进行调相，形成首尾相接的第一脉冲区域、第二脉冲区域和第三脉冲区域。
5.根据权利要求1所述的一种基于直接探测的分布式弱光栅阵列传感***，其特征在于，所述第二脉冲信号发生器发出第三脉冲电信号和第四脉冲电信号控制相位调制器对接收的第二脉冲光进行调相，形成首尾相接的第一脉冲区域、第二脉冲区域和第三脉冲区域。
6.根据权利要求1所述的一种基于直接探测的分布式弱光栅阵列传感***，其特征在于，所述第二脉冲信号发生器发出第三脉冲电信号和第四脉冲电信号控制相位调制器对接收的第一脉冲光和第二脉冲光进行调相，形成首尾相接的第一脉冲区域、第二脉冲区域和第三脉冲区域。
7.根据权利要求1所述的一种基于直接探测的分布式弱光栅阵列传感***，其特征在于，将声光调制器和掺铒光纤放大器替换为半导体光放大器。
8.一种基于权利要求1～7任一项所述的基于直接探测的分布式弱光栅阵列传感***的传感方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：第一双脉冲信号发生器发出第一脉冲电信号和第二脉冲电信号控制声光调制器将窄线宽激光器产生的连续光调幅为第一脉冲光和第二脉冲光，所述第一脉冲光的脉冲宽度和脉冲间距与第二脉冲光的一致；
步骤二：第二双脉冲信号发生器发出第三脉冲电信号和第四脉冲电信号控制相位调制器对脉冲光进行相位调制处理，形成首尾相接的第一脉冲区域、第二脉冲区域和第三脉冲区域；
步骤三：对调相后的第一脉冲光和第二脉冲光进行放大，放大后的第一脉冲光和第二脉冲光通过环形器进入融合弱光栅阵列的传感光纤，光电探测器探测相邻光栅上第一脉冲光和第二脉冲光的反射光叠加干涉的光信号并将光信号转换为电信号，数据采集卡将采集到的电信号数字化并传递至数据处理器；
步骤四：对比采集的反射光数字化电信号，通过观察反射峰信号的波动大小，实现扰动定位；
步骤五：从扰动位置的反射峰信号中提取出第一脉冲区域、第二脉冲区域和第三脉冲区域的光电流信号，对光电流信号进行相位解调，实现扰动测量。
9.根据权利要求8所述的传感方法，其特征在于，所述第一双脉冲信号发生器产生第一脉冲电信号和第二脉冲电信号的脉冲宽度都为t1，脉冲间距为
t1＜t2，其中，c为光在真空中的传播速度，n为光纤的等效折射率，L为光栅阵列中相邻光栅的间距；第二脉冲信号发生器发出第三脉冲电信号和第四脉冲电信号并传递至相位调制器进行调相，第三脉冲电信号和第四脉冲电信号的脉冲宽度都为
脉冲间距为
第三脉冲电信号的幅度为
第四脉冲电信号幅度为
其中Vπ为相位调制器的半波电压。
10.根据权利要求8所述的传感方法，其特征在于，所述第二脉冲信号发生器发出第三脉冲电信号和第四脉冲电信号控制相位调制器对接收的第一脉冲光进行调相，形成首尾相接的第一脉冲区域、第二脉冲区域和第三脉冲区域；或者所述第二脉冲信号发生器发出第三脉冲电信号和第四脉冲电信号控制相位调制器对接收的第二脉冲光进行调相，形成首尾相接的第一脉冲区域、第二脉冲区域和第三脉冲区域；或者所述第二脉冲信号发生器发出第三脉冲电信号和第四脉冲电信号控制相位调制器对接收的第一脉冲光和第二脉冲光进行调相，形成首尾相接的第一脉冲区域、第二脉冲区域和第三脉冲区域。
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| CN202210630272.4A CN115060299A (zh) | 2022-06-06 | 2022-06-06 | 一种基于直接探测的分布式弱光栅阵列传感***和方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN115389007A (zh) * | 2022-10-26 | 2022-11-25 | 之江实验室 | 一种采用散射增强光纤的分布式声波传感***的解调方法 |
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2022
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Cited By (2)
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| CN115389007A (zh) * | 2022-10-26 | 2022-11-25 | 之江实验室 | 一种采用散射增强光纤的分布式声波传感***的解调方法 |
| CN115389007B (zh) * | 2022-10-26 | 2023-03-10 | 之江实验室 | 一种采用散射增强光纤的分布式声波传感***的解调方法 |
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