CN115931105A - 一种单端分布式光纤振动传感器***及信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单端分布式光纤振动传感器***及信号处理方法，***包括：激光源、电光调制器、待测光纤、压电陶瓷、1*2耦合器、混频仪、示波器和PC端；所述激光源发射激光经过所述电光调制器加载载波频率后传输至所述待测光纤；所述待测光纤受外界环境振动影响后改变光纤内部传导的光相位，所述压电陶瓷产生振动信号对所述待测光纤的相位信息进行调制后传输至所述1*2耦合器分为信号光和本振光后，分别传输至所述混频仪进行相干混频，并解调得到相位变化；所述PC端对所述示波器采集的相位变化进行解调处理以获取外部环境的振动信息。本发明的单端分布式光纤振动传感器***具有大动态范围、长测量距离、低成本和测量稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种单端分布式光纤振动传感器***及信号处理方法。
背景技术
利用分布式光纤振动传感器对海底进行大面积远程监测，可以实时反馈海洋地震或可燃气体水合物开采引起的海底局部环境变化，从而做出更明智的决策、更好的安全性和最大的产量。超过120万km的光缆在海底纵横交错，这是实现互联网的隐藏基础设施。如果这些光缆内的光纤除了正常功能外，也可以变成分布式地震探测传感器，那将是一个重大突破。
目前分布式振动技术主要分为两类：OFDR(Optical Frequency DomainReflection，光频域反射)和OTDR(Optical Time-Domain Reflectometer，光时域反射)。OTDR基础结构简单，具有相对不错的动态响应能力和几十公里探测范围，并且能实时响应振动信息；但OTDR***也存在信噪比低、很难实现全程敏感，分辨率与动态范围之间难以平衡等缺点。OFDR却可以满足，它具有高灵敏度和高的空间分辨率优点；同时OFDR***有了两个限制：光源相位噪声和相干性的限制和光源扫频非线性的限制。并且这两种技术上都是基于后向散射，散射光非常弱，所以为了提升信噪比和探测范围必须增大光源的功率，这样会引入明显的非线性效应，同时为了长距离传感得外加光放大器，这又增加了实际***的复杂度，而且高功率、超窄线宽的激光器大大提高了分布式***的造价，使得长距离分布式***成本高昂，而且会导致严重的非线性效应。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种单端分布式光纤振动传感器***及信号处理方法，旨在解决现有分布式振动传感测量范围小，传感距离短，设备复杂且成本高的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种单端分布式光纤振动传感器***，所述单端分布式光纤振动传感器***包括：
激光源、电光调制器、待测光纤、压电陶瓷、1*2耦合器、混频仪、示波器和PC端；所述激光源、所述电光调制器、所述待测光纤、所述压电陶瓷、所述1*2耦合器、所述混频仪、所述示波器和所述PC端依次连接；
所述激光源用于发射激光，经过所述电光调制器加载载波频率后传输至所述待测光纤；
所述待测光纤受外界环境振动影响后改变光纤内部传导的光相位，所述压电陶瓷产生振动信号对所述待测光纤的相位信息进行调制后传输至所述1*2耦合器；
所述1*2耦合器用于将相位信息分为信号光和本振光后分别传输至所述混频仪，所述混频仪用于将本振光和信号光进行相干混频，并解调得到相位变化；
所述示波器用于采集所述混频仪得到的相位变化，所述PC端用于对所述示波器采集的所述相位变化进行解调处理以获取外部环境的振动信息。
所述的单端分布式光纤振动传感器***，其中，所述混频仪为端口90°光混频仪；
所述端口90°光混频仪用于将本振光和信号光进行相干混频，使四个输出端口的相对相差分别是0°、90°、180°、270°。
所述的单端分布式光纤振动传感器***，其中，所述端口90°光混频仪包括一个四分之一波片、两个二分之一波片和三个偏振分光棱镜。
所述的单端分布式光纤振动传感器***，其中，所述待测光纤由单模光纤组成。
所述的单端分布式光纤振动传感器***，其中，所述本振光和所述信号光的波长相同。
所述的单端分布式光纤振动传感器***，其中，所述激光源为半导体激光器。
所述的单端分布式光纤振动传感器***，其中，所述半导体激光器的线宽为50kHz。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种基于所述单端分布式光纤振动传感器***的信号处理方法，其中，所述信号处理方法包括：
所述激光源发射激光，经过所述电光调制器加载载波频率后传输至所述待测光纤；
所述待测光纤受外界环境振动影响后改变光纤内部传导的光相位，所述压电陶瓷产生振动信号对所述待测光纤的相位信息进行调制后传输至所述1*2耦合器；
所述1*2耦合器将相位信息分为信号光和本振光后分别传输至所述混频仪，所述混频仪将本振光和信号光进行相干混频，并解调得到相位变化；
所述示波器采集所述混频仪得到的相位变化，所述PC端对所述示波器采集的所述相位变化进行解调处理以获取外部环境的振动信息。
所述的信号处理方法，其中，所述信号处理方法还包括：
当所述待测光纤受到振动影响使得相位发生改变时，利用两路相位的时延关系通过互相关求解时延，以确定外部事件的位置。
所述的信号处理方法，其中，所述当所述待测光纤受到振动影响使得相位发生改变时，利用两路相位的时延关系通过互相关求解时延，以确定外部事件的位置，之后还包括：
通过分析相位变化得到外部事件的强度以及频率信息。
本发明中，所述单端分布式光纤振动传感器***包括：激光源、电光调制器、待测光纤、压电陶瓷、1*2耦合器、混频仪、示波器和PC端；所述激光源、所述电光调制器、所述待测光纤、所述压电陶瓷、所述1*2耦合器、所述混频仪、所述示波器和所述PC端依次连接；所述激光源用于发射激光，经过所述电光调制器加载载波频率后传输至所述待测光纤；所述待测光纤受外界环境振动影响后改变光纤内部传导的光相位，所述压电陶瓷产生振动信号对所述待测光纤的相位信息进行调制后传输至所述1*2耦合器；所述1*2耦合器用于将相位信息分为信号光和本振光后分别传输至所述混频仪，所述混频仪用于将本振光和信号光进行相干混频，并解调得到相位变化；所述示波器用于采集所述混频仪得到的相位变化，所述PC端用于对所述示波器采集的所述相位变化进行解调处理以获取外部环境的振动信息。本发明的单端分布式光纤振动传感器***具有大动态范围、长测量距离、低成本和测量稳定性，可以对振动信号进行良好的检测，对高频振动可以进行高效测量。
附图说明
图1是本发明单端分布式光纤振动传感器***的较佳实施例的原理示意图；
图2是本发明单端分布式光纤振动传感器***的较佳实施例中混频仪功能示意图；
图3是本发明单端分布式光纤振动传感器***的较佳实施例中混频仪结构示意图；
图4是本发明单端分布式光纤振动传感器***的较佳实施例中混频仪输出示意图；
图5是本发明的基于前向传输的分布式振动传感***结构示意图；
图6是本发明中当光纤受到振动影响，使得相位发生改变利用两路相位的时延关系通过互相关可以求解时延的示意图；
图7是本发明基于单端分布式光纤振动传感器***的信号处理方法的较佳实施例的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明先介绍扰动信号引起光在光纤中的相移，当预埋传感光纤受扰动源压力、热传递或者弯折时，由于光纤的弹光效应与热应变效应，该段光纤的折射率、长度、直径等物理参数将随之改变，进而导致纤芯中的传输光产生包含扰动信息的相位偏移，即实现外界扰动对传输光相位的调制。若传感光纤总长为L，折射率为n，光波长为λ，某固定频率光波通过传感光纤的相移
表示为：
其中，β为传播常数，受光纤有效折射率与直接影响；
当存在外界扰动时，相移量
表示为：
其中，
分别表示为弹性形变致传感光纤长度改变而引起的相移、弹光效应致光纤折射率改变而引起的相移、泊松效应致光纤纤芯直径改变引起的相移，ΔL、Δβ、Δn、ΔD分别表示为光纤长度变化量、传播常数变化量、折射率变化量、光纤纤芯直径变化量。
由于
比
和
小两个数量级以上，故略去，即相移量
近似表示为：
其中，
和
分别表示弹性形变致传感光纤长度改变而引起的相移和弹光效应致光纤折射率改变而引起的相移。
对于弹性形变致传感光纤长度改变而引起的相移
根据应变理论以传感光纤各方向应变量εi描述，设ε为传感光纤所受正应变矢量，当传感光纤受纵向压强P的外界扰动时有：
其中，εx、εy、εz分别为传感光纤在X、Y、Z三个方向的应变量，E为传感光纤的杨氏弹性模量，μ为光纤泊松比，Z方向的长度变化所引起相位变化为：
对于弹光效应致光纤折射率改变而引起的相移
根据弹性力学原理，由石英光纤的弹光张量和主应变张量得到折射率变化与所受各向应变量εi的关系为：
其中，Pm＝(P11-P12)/2，ΔBi＝-2Δni/ni 3，四阶弹光张量Pij为常数。
对于石英光纤有εx＝εy、ni＝n，故得到传感光纤在X、Y、Z三个方向折射率变化量为：
由此，弹光效应致光纤折射率改变而引起的相移
为：
因此，外界扰动所引起的相移量
表示为：
由上式可以看出传输光相移与扰动致使的光纤各向应变成正比，实际中动态外界扰动可以看作是时间t的函数，后期处理时若能结合解调手段得到相位变化函数
就能很容易分辨外界扰动的种类，实现以光纤自身为敏感元件的传感***。
本发明较佳实施例所述的单端分布式光纤振动传感器***，如图1所示，所述单端分布式光纤振动传感器***包括：激光源、电光调制器、待测光纤、压电陶瓷、1*2耦合器、混频仪、示波器和PC端；所述激光源、所述电光调制器、所述待测光纤、所述压电陶瓷、所述1*2耦合器、所述混频仪、所述示波器和所述PC端依次连接。
具体地，所述激光源用于发射激光，经过所述电光调制器加载载波频率(使得信号频带搬移到高频)后传输至所述待测光纤；所述待测光纤受外界环境振动影响后改变光纤内部传导的光相位，所述压电陶瓷产生振动信号对所述待测光纤的相位信息进行调制后传输至所述1*2耦合器；所述1*2耦合器用于将相位信息分为信号光和本振光后分别传输至所述混频仪，所述混频仪用于将本振光和信号光进行相干混频，并解调得到相位变化；所述示波器用于采集所述混频仪得到的相位变化，所述PC端用于对所述示波器采集的所述相位变化进行解调处理以获取外部环境的振动信息。
其中，所述待测光纤也叫传感单元，所述传感单元是由几十千米长的单模光纤(SMF)组成；所述1*2耦合器和所述混频仪组成解调单元；所述传感单元会受外界环境振动影响，从而改变光纤内部传导的光相位，使得所述解调单元解调得到相位发生变化，从而获取外部环境的振动信息。本发明具有大动态范围、长测量距离、低成本和测量稳定性。
其中，所述混频仪为端口90°光混频仪；端口90°光混频仪将本振光和信号光进行相干混频，使四个输出端口的相对相差分别是0°、90°、180°、270°。0°和180°以及90°和270°端口平衡探测器所得的光电流直流分量分别相等，因此可以通过各自相减得到两个相干信号，这两个信号的相对相差为90°，相对强度为K1K2/K3K4，K1、K2、K3、K4表示强度系数，如图2所示，ES表示信号光，ELO表示本振光，90°Hybrid表示端口90°光混频仪，i是虚数单位。
如图3所示，所述端口90°光混频仪包括一个四分之一波片、两个二分之一波片和三个偏振分光棱镜。图3中的信号光Pi和本振光PLO波长相同(1064nm)，经起偏器以线偏振光进入端口90°光混频仪。1为四分之一波片，其快(慢)轴方向与本振光的偏振方向成45°，因而本振光经过1后变成圆偏振光。2、4、6都为偏振分光棱镜(PBS，Polarizing beamsplitter)，因而P光分量只能透射，S光分量只能反射(P光分量和S光分量可以理解为平面光矢量分解到两个相互垂直的方向)。3、5为二分之一波片，其快(慢)轴方向与S(P)光方向成22.5°，因而经过2后两个支路上的线偏振光经过3旋光后变成偏振方向与P光成45°的线偏振光。最后两支路的光经过PBS进行分光，得到相对相差分别为0°、90°、180°、270°四束输出光。偏振分光棱镜是通过在直角棱镜的斜面镀制多层膜结构，然后胶合成一个立方体结构，利用光线以布鲁斯特角入射时P偏振光透射率为1而S偏振光透射率小于1的性质，在光线以布鲁斯特角多次通过多层膜结构以后，达到使的P偏振分量完全透过，而绝大部分S偏振分量反射(至少90％以上)的一个光学元件。入射干涉光强可以如图4所示，两端输出光强做差后只剩下交流分量，由此可以利用正切计算法计算出实际的相位。
进一步地，基于前向传输的分布式振动传感***结构如5所示，PMM表示平面反射镜，TDF(Time Delay Fiber)表示时间延迟光纤，FTU(Fiber Test Unit)表示光纤测试单元，Mixer表示混频仪，PC表示电脑，LD(Laser Diode)表示激光二极管(即激光源)；半导体激光器是本***的光源(即激光源)，半导体激光器线宽为50kHz，窄线宽激光器发出的光首先进入到环形器中(CIR，Circulator)，传感光纤产生的相位变化会被光信号携带，末端经过50：50的分束器，两路光分别电光调制器(EOM，Electro-Optic Modulator)之中，电光调制器需要一个信号发生器对此进行驱动，驱动频率几十MHz电压峰峰值(Vpp)为3.5V，声光调制器会对连续光进行调制，并产生一个几十MHz的信号移频，经过环形器反射回来并进入到50：50的分束器之中，光信号会分成两路在混频仪之中进行相干叠加，并经过平衡探测器(BPD，Balanced photodiode)将光信号转换为电信号，平衡探测器带宽为500MHz，所输出的信号最后由采集卡(DAQ，Data Acquisition)进行采集。
下面说明分布式振动传感原理，当光通过光纤时，光的相位是不同地方累和，因此，两个路径为：
P1:a→b→c→d→c→b→a；P2:a→b→c→f→c→b→a；
不同路径的产生的相位可以分别表达为：
Phase1:
Phase2:
其中，t1＝nLbcdcb/c为d端的延迟时间，t2＝nLbcfcb/c为f端的延迟时间，ω1为d端EOM的工作频率，ω2为f端EOM的工作频率。
通过时延，实现自相干得到的相位：
其中，
和
表示接收端的延迟光纤输出的光；
tdelay＝nLdelay/c，分别对相位做差导出：
其中，Δt＝t2-t1，由简单推导可得：
从上式可以得出，当光纤受到振动影响，使得相位发生改变利用两路相位的时延关系，通过互相关可以求解时延如图6所示，从而确定外部事件的位置Lbcfcb＝t2cn。同时通过分析相位变化
和
得到外部事件的强度以及频率信息。
本发明提出了一种单端分布式光纤振动传感器***，实验结果表明其具有频率范围大、传感距离长、低成本和良好的稳定性，可以对振动信号进行良好的检测；分布式振动光纤传感器对高频振动可以进行高效测量。
进一步地，如图7所示，本发明基于所述单端分布式光纤振动传感器***的信号处理方法包括：
S10、所述激光源发射激光，经过所述电光调制器加载载波频率后传输至所述待测光纤；
S20、所述待测光纤受外界环境振动影响后改变光纤内部传导的光相位，所述压电陶瓷产生振动信号对所述待测光纤的相位信息进行调制后传输至所述1*2耦合器；
S30、所述1*2耦合器将相位信息分为信号光和本振光后分别传输至所述混频仪，所述混频仪将本振光和信号光进行相干混频，并解调得到相位变化；
S40、所述示波器采集所述混频仪得到的相位变化，所述PC端对所述示波器采集的所述相位变化进行解调处理以获取外部环境的振动信息。
另外，本发明进行的分布式振动光纤传感器的探测频率范围可以改变，探测距离可以改变；光纤类型可以改变，比如可以替代为对振动敏感的特种光纤，或者换用其它类型光纤，例如：多芯光纤、保偏光纤等。
综上所述，本发明提供一种单端分布式光纤振动传感器***及信号处理方法，所述单端分布式光纤振动传感器***包括：激光源、电光调制器、待测光纤、压电陶瓷、1*2耦合器、混频仪、示波器和PC端；所述激光源、所述电光调制器、所述待测光纤、所述压电陶瓷、所述1*2耦合器、所述混频仪、所述示波器和所述PC端依次连接；所述激光源用于发射激光，经过所述电光调制器加载载波频率后传输至所述待测光纤；所述待测光纤受外界环境振动影响后改变光纤内部传导的光相位，所述压电陶瓷产生振动信号对所述待测光纤的相位信息进行调制后传输至所述1*2耦合器；所述1*2耦合器用于将相位信息分为信号光和本振光后分别传输至所述混频仪，所述混频仪用于将本振光和信号光进行相干混频，并解调得到相位变化；所述示波器用于采集所述混频仪得到的相位变化，所述PC端用于对所述示波器采集的所述相位变化进行解调处理以获取外部环境的振动信息。本发明的单端分布式光纤振动传感器***具有大动态范围、长测量距离、低成本和测量稳定性，可以对振动信号进行良好的检测，对高频振动可以进行高效测量。
当然，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关硬件(如处理器，控制器等)来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的计算机可读存储介质中，所述程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程。其中所述的计算机可读存储介质可为存储器、磁碟、光盘等。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种单端分布式光纤振动传感器***，所述分布式光纤振动传感器***包括：激光源、电光调制器、待测光纤、压电陶瓷、1*2耦合器、混频仪、示波器和PC端；所述激光源、所述电光调制器、所述待测光纤、所述压电陶瓷、所述1*2耦合器、所述混频仪、所述示波器和所述PC端依次连接；
所述激光源用于发射激光，经过所述电光调制器加载载波频率后传输至所述待测光纤；
所述待测光纤受外界环境振动影响后改变光纤内部传导的光相位，所述压电陶瓷产生振动信号对所述待测光纤的相位信息进行调制后传输至所述1*2耦合器；
所述1*2耦合器用于将相位信息分为信号光和本振光后分别传输至所述混频仪，所述混频仪用于将本振光和信号光进行相干混频，并解调得到相位变化；
所述示波器用于采集所述混频仪得到的相位变化，所述PC端用于对所述示波器采集的所述相位变化进行解调处理以获取外部环境的振动信息。
2.根据权利要求1所述的单端分布式光纤振动传感器***，其特征在于，所述混频仪为端口90°光混频仪；
所述端口90°光混频仪用于将本振光和信号光进行相干混频，使四个输出端口的相对相差分别是0°、90°、180°、270°。
3.根据权利要求2所述的单端分布式光纤振动传感器***，其特征在于，所述端口90°光混频仪包括一个四分之一波片、两个二分之一波片和三个偏振分光棱镜。
4.根据权利要求1所述的单端分布式光纤振动传感器***，其特征在于，所述待测光纤由单模光纤组成。
5.根据权利要求1所述的单端分布式光纤振动传感器***，其特征在于，所述本振光和所述信号光的波长相同。
6.根据权利要求1所述的单端分布式光纤振动传感器***，其特征在于，所述激光源为半导体激光器。
7.根据权利要求6所述的单端分布式光纤振动传感器***，其特征在于，所述半导体激光器的线宽为50kHz。
8.一种基于权利要求1-7任一项所述的单端分布式光纤振动传感器***的信号处理方法，其特征在于，所述信号处理方法包括：
所述激光源发射激光，经过所述电光调制器加载载波频率后传输至所述待测光纤；
所述待测光纤受外界环境振动影响后改变光纤内部传导的光相位，所述压电陶瓷产生振动信号对所述待测光纤的相位信息进行调制后传输至所述1*2耦合器；
所述1*2耦合器将相位信息分为信号光和本振光后分别传输至所述混频仪，所述混频仪将本振光和信号光进行相干混频，并解调得到相位变化；
所述示波器采集所述混频仪得到的相位变化，所述PC端对所述示波器采集的所述相位变化进行解调处理以获取外部环境的振动信息。
9.根据权利要求8所述的信号处理方法，其特征在于，所述信号处理方法还包括：
当所述待测光纤受到振动影响使得相位发生改变时，利用两路相位的时延关系通过互相关求解时延，以确定外部事件的位置。
10.根据权利要求9所述的信号处理方法，其特征在于，所述当所述待测光纤受到振动影响使得相位发生改变时，利用两路相位的时延关系通过互相关求解时延，以确定外部事件的位置，之后还包括：
通过分析相位变化得到外部事件的强度以及频率信息。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211296646.XA CN115931105A (zh) | 2022-10-21 | 2022-10-21 | 一种单端分布式光纤振动传感器***及信号处理方法 |
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|---|---|---|---|
| CN202211296646.XA CN115931105A (zh) | 2022-10-21 | 2022-10-21 | 一种单端分布式光纤振动传感器***及信号处理方法 |
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| CN115931105A true CN115931105A (zh) | 2023-04-07 |
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Family Applications (1)
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| CN (1) | CN115931105A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116907625A (zh) * | 2023-06-05 | 2023-10-20 | 深圳大学 | 一种前向传输分布式光纤振动传感器及其信号解调方法 |
-
2022
- 2022-10-21 CN CN202211296646.XA patent/CN115931105A/zh active Pending
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