采用时频复用和相位基值参考的分布式声波传感方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种采用时频复用和相位基值参考的分布式声波传感方法和系统，使用时频复用方式引入时域与频域上均有偏移的光脉冲序列，利用该偏移在探测端将其各自分离出来进行相位解调，并基于相位基值参考法利用额外的两个边频抑制相干衰落的影响，可以实现大带宽与低衰落的分布式声波传感。与低衰落的分布式声波传感。与低衰落的分布式声波传感。

【技术实现步骤摘要】
采用时频复用和相位基值参考的分布式声波传感方法和系统


[0001]本专利技术属于分布式光纤传感
，尤其涉及一种采用时频复用和相位基值参考的分布式声波传感方法和系统。

技术介绍

[0002]近年来，基于相敏型光时域反射的分布式声波传感技术因其传感距离长，灵敏度高，抗电磁干扰，低成本等特点，在各个领域如周界安防，轨道交通，石油和天然气勘探等得到了广泛的运用。其对声波进行探测的实现方式通常是将探测光脉冲打入传感光纤中，通过分析探测光脉冲在传感光纤传输过程中产生的背向瑞利散射光信号携带的信息如幅度，相位，偏振等来实现对声波信号的监测。目前基于相位解调型的分布式声波传感技术因其能够定量恢复声波信号，结构灵活等特点成为了最为通用的分布式声波传感技术信号解调方法，例如专利文献CN110440900A公开的一种纤分布式声波传感系统，专利文献CN103575379 A公开的随机位置点光纤分布式声波传感。
[0003]目前相位解调型的分布式声波传感技术还面临着一些问题，如背向瑞利散射信号在叠加过程中出现的相干衰落与偏振衰落问题会影响相位信号解调的精度，严重时解调信号甚至会产生畸变。此外分布式声波传感技术的系统带宽还与系统最大传感距离之间互相制约。
[0004]为了解决以上问题，人们提出了一系列的系统结构与解调算法改良方案。如信号衰落问题可以通过结合偏振分集法，频分复用技术，啁啾脉冲技术等方法解决，而系统带宽受限则可以通过脉冲编码或结合光频梳的方式来解决。但是以上这些方案无法兼顾低衰落与大带宽的分布式声波测量。/>
技术实现思路

[0005]鉴于上述技术不足，本专利技术的目的是提供一种采用时频复用和相位基值参考的分布式声波传感方法和系统，以兼顾低衰落与大带宽的光纤分布式声波传感。
[0006]为实现上述专利技术目的，实施例提供的一种采用时频复用和相位基值参考的分布式声波传感系统，包括光源，还包括：
[0007]第一光纤耦合器，用于将光源输出的光源光分为两路；
[0008]调制单元，用于采用时频复用方式将第一光纤耦合器输出的一路光源光进行移频和延时生成在时域与频域上均有偏移的光脉冲序列；
[0009]电光调制器，用于将光脉冲序列中每个光脉冲调制为包含原本频率以及两个边带移频的光脉冲；
[0010]干涉单元，用于将光脉冲在待测光纤中传输产生的背向瑞利散射光形成的一路光信号与另一路光源光耦合相干形成干涉光信号；
[0011]采集解调单元，用于将干涉光信号转化为数字形式的干涉信号后，根据干涉信号通过解调每一帧信号每个频率位置的相位信息与相位基值对比，得到被测光纤上每个传感
单元相位信息随帧数的变化，进而得到被测光纤探测到的声波信号。
[0012]优选地，所述调制单元包括第一声光调制器、第二光纤耦合器、第二声光调制器、第一光纤放大器、延时光纤；
[0013]第一光纤耦合器输出的一路光源光经过第一声光调制器调制为移频为Δf
AOM1
、重复频率为f
rep
、脉冲宽度为Δτ的第一光脉冲，该第一光脉冲在第二光纤耦合器度的输入端分成两路，其中一路第一光脉冲依次经过第一光纤放大器、延时光纤以及移频为Δf
AOM2
的第二声光调制器进行放大、延时和调制处理后输入至第二光纤耦合器的输入端，并在第二光纤耦合器中与另外一路第一光脉冲耦合后输出频率间隔为Δf
AOM
且时间间隔为Δt的光脉冲序列。
[0014]优选地，所述电光调制器受频率为Δf
EOM
正弦信号驱动，通过控制正弦信号幅度和电光调制器的偏压调制输入光脉冲，输出光脉冲的边带移频等于正弦信号的频率，且满足Δf
EOM
≤Δf
AOM
/3和Δf
EOM
>0.5/Δτ，Δτ表示时间间隔。
[0015]优选地，所述延时光纤的长度L需要满足：
[0016][0017]其中，v
g
为光纤中传输光的群速度，f
PD
为光电探测器的带宽。
[0018]优选地，所述干涉单元包括第二光纤放大器、环形器、偏振控制器、第三光纤耦合器，
[0019]电光调制器输出的光脉冲经过第二光纤放大器放大后输入环形器的第一端口，从环形器的第二端口注入被测光纤并在待测光纤中传输产生背向瑞利散射光，该背向瑞利散射光在环形器内形成一路光信号并通过环形器的第三端口输出，第一光纤耦合器输出的另一路光源光经过偏振控制器后与环形器输出的光信号分别输入第三光纤耦合器的两个端口，在第三光纤耦合器内耦合相干形成干涉光信号。
[0020]优选地，在数据采集系统中，根据干涉信号通过解调每一帧信号每个频率位置的相位信息与对应参考相位对比，得到被测光纤上每个传感单元相位信息随帧数的变化，包括：
[0021](a)对第k帧干涉信号以采样率f
s
采样后，得到长度为N的采样序列，并利用3M个带通滤波器对第k帧干涉信号进行滤波，获取3M个长度为N的采样序列，将3M个采样序列按照频率顺序以3个频率为1组进行分组，得到M组干涉信号采样序列，其中，每个带通滤波器的中心频率为mΔf
AOM
+nΔf
EOM
，m＝1,2,
…
M，n＝
‑
1,0,1，第m组采样序列包含的频率成分为{mΔf
AOM
‑
Δf
EOM
,mΔf
AOM
,mΔf
AOM
+Δf
EOM
}；
[0022](b)对第m组干涉信号采样序列中的三个频率的信号分别进行以下步骤：
[0023](b
‑
1)对每个频率的干涉信号进行希尔伯特变换与相位计算，完成相位信号解调与获取干涉信号包络，并对相位信号通过相位解卷绕得到干涉信号对应的相位序列；
[0024](b
‑
2)如果正在进行解调的是第1帧干涉信号，那么将(b
‑
1)中得到的相位序列记为在当前频率干涉信号下的相位基值；
[0025](b
‑
3)将(b
‑
1)获得的相位序列减去相位基值，得到修正后的相位序列，并将修正后的相位序列结合干涉信号包络的包络曲线计算修正后的复数序列；
[0026](c)将三个频率对应的复数序列进行相加，得到加和复数序列；
[0027](d)将步骤(c)的最终加和复数序列进行相位计算和相位解卷绕后，再对位解卷绕得到的相位序列进行差分，即得到长度为N
‑
1的相位差分序列；
[0028](e)重复步骤(b)
‑
步骤(d)直到M组干涉信号采样序列全部解调完毕；
[0029](f)从步骤(a)开始继续重复上述流程，直到每一帧干涉信号都得到解调，即能够获得被测光纤上每个传感单元随时间变化的相位信息，同时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用时频复用和相位基值参考的分布式声波传感系统，包括光源，其特征在于，还包括：第一光纤耦合器，用于将光源输出的光源光分为两路；调制单元，用于采用时频复用方式将第一光纤耦合器输出的一路光源光进行移频和延时生成在时域与频域上均有偏移的光脉冲序列；电光调制器，用于将光脉冲序列中每个光脉冲调制为包含原本频率以及两个边带移频的光脉冲；干涉单元，用于将光脉冲在待测光纤中传输产生的背向瑞利散射光形成的一路光信号与另一路光源光耦合相干形成干涉光信号；采集解调单元，用于将干涉光信号转化为数字形式的干涉信号后，根据干涉信号通过解调每一帧信号每个频率位置的相位信息与相位基值对比，得到被测光纤上每个传感单元相位信息随帧数的变化，进而得到被测光纤探测到的声波信号。2.根据权利要求1所述的采用时频复用和相位基值参考的分布式声波传感系统，其特征在于，所述调制单元包括第一声光调制器、第二光纤耦合器、第二声光调制器、第一光纤放大器、延时光纤；第一光纤耦合器输出的一路光源光经过第一声光调制器调制为移频为Δf
AOM1
、重复频率为f
rep
、脉冲宽度为Δτ的第一光脉冲，该第一光脉冲在第二光纤耦合器度的输入端分成两路，其中一路第一光脉冲依次经过第一光纤放大器、延时光纤以及移频为Δf
AOM2
的第二声光调制器进行调制、放大和延时处理后输入至第二光纤耦合器的输入端，并在第二光纤耦合器中与另外一路第一光脉冲耦合后输出频率间隔为Δf
AOM
且时间间隔为Δt的光脉冲序列。3.根据权利要求2所述的采用时频复用和相位基值参考的分布式声波传感系统，其特征在于，所述电光调制器受频率为Δf
EOM
正弦信号驱动，通过控制正弦信号幅度和电光调制器的偏压调制输入光脉冲，输出光脉冲的边带移频等于正弦信号的频率，且满足Δf
EOM
≤Δf
AOM
/3和Δf
EOM
>0.5/Δτ，Δτ表示时间间隔。4.根据权利要求2所述的采用时频复用和相位基值参考的分布式声波传感系统，其特征在于，所述延时光纤的长度L需要满足：其中，v
g
为光纤中传输光的群速度，f
PD
为光电探测器的带宽。5.根据权利要求2所述的采用时频复用和相位基值参考的分布式声波传感系统，其特征在于，所述干涉单元包括第二光纤放大器、环形器、偏振控制器、第三光纤耦合器，电光调制器输出的光脉冲经过第二光纤放大器放大后输入环形器的第一端口，从环形器的第二端口注入被测光纤并在待测光纤中传输产生背向瑞利散射光，该背向瑞利散射光在环形器内形成一路光信号并通过环形器的第三端口输出，第一光纤耦合器输出的另一路光源光经过偏振控制器后与环形器输出的光信号分别输入第三光纤耦合器的两个端口，在第三光纤耦合器内耦合相干形成干涉光信号。6.根据权利要求2所述的采用时频复用和相位基值参考的分布式声波传感系统，其特
征在于，在数据采集系统中，根据干涉信号通过解调每一帧信号每个频率位置的相位信息与对应参考相位对比，得到被测光纤上每个传感单元相位信息随帧数的变化，包括：(a)对第k帧干涉信号以采样率f
s
采样后，得到长度为N的采样序列，并利用3M个带通滤波器对第k帧干涉信号进行滤波，获取3M个长度为N的采样序列，将3M个采样序列按照频率顺序以3个频率为1组进行分组，得到M组干涉信号采样序列，其中，每个...

【专利技术属性】
技术研发人员：庄逸洋，郑洪坤，马玲梅，李彩云，胡威旺，王建国，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：