【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及测量测试，具体涉及一种基于双向mach_zehnder脉冲光干涉仪接收信号装置及其校准方法。
技术介绍
1、双向马赫曾德干涉技术属于分布式光纤传感领域，可以用于长距离光缆的振动定位。参考图1，参考光源通过1分2耦合器分出两路光ld1，ld2分别注入光缆。光在一个方向的传输路径为ld1-c2-缆芯a/b-c3-缆芯d-pd1；另一个方向传输路径为ld2-缆芯c-c3-缆芯a/b-c2-pd2。设备通过计算pd1和pd2两路信号的时间差可以计算出振动发生位置。
2、图1中，两个方向任意方向光传输的光程包括2倍海缆的光程(海缆的a/b芯和d芯或者c芯)。如果光纤距离变长，损耗会变大。同样的光源输出功率，光纤距离越长，信噪比会变差。如果两路接收信号的信噪比变差，则系统解析出振动位置的准确度也会变差。例如注入光的功率为10dbm。对于150公里的海缆，光纤的损耗假设为0.2db/km，总损耗为30db。2倍150km海缆距离的损耗为60db。注入光传递到接收端pd1或者pd2的信号功率为-50dbm。业界最好的探测器器件灵敏度也就能够做到-50dbm水平。此时，接收信号幅度和探测器的底噪相当，信噪比为约0db量级，解析信号会很困难。也就是按照通常方案，海缆探测距离提高到150公里，系统将不能正常工作。
3、为了保证信噪比，通常情况下需要提高注入光的功率。但是光纤存在受激布里渊效应，如果光纤长度大于60公里，光纤最大注入光功率会小于受激布里渊阈值(通常为几毫瓦，例如6dbm)。这里就有个矛盾，为了提高探
4、即双向马赫曾德干涉系统中，光缆越长，信号衰减变大，信号质量会变差。但是由于受激布里渊效应，不能无限制的通过提高注入功率的办法来克服损耗变大的问题。
5、因此，科研人员通过脉冲光的办法继续提高注入光的功率。
6、以前，激光光源是连续发送的直流光。直流光的的平均功率要低于受激布里渊阈值。为了继续提高干涉仪的传感距离，人们想出了脉冲光的方案。脉冲光的平均功率低于受激布里渊阈值，但是脉冲光有光部分的功率大于该阈值。假如脉冲光的占空比为10％，脉冲光的平均功率为4mw，有光部分功率可以提高10*log10(10％)＝10db达到40mw。如果占空比为1％，有光部分功率甚至可以提高10*log10(1％)＝20db达到400mw。10db对应的光缆距离为25km，20db对应的光缆距离为50km。可以看出，采用脉冲光方案可以提高干涉仪的传感距离。
7、但是为了满足性能，脉冲光方案中有光部分的脉冲宽度会很窄，相应信号接收和处理电路和功能模块实现方案会更加复杂。因此会制约系统的性能。
8、根据双向mz干涉系统原理，光纤的定位精度计算公式为(定位精度＝光速/光纤折射率/2/采样频率)。可以看出，为了保证定位精度，脉冲光的调制频率必须足够大。10米定位精度系统的采样频率需要大于等于10mhz。(计算公式：光纤折射率为1.5；光速为300m米/秒。10mhz对应的定位精度＝300m/1.5/2/10m＝10米)。此时，如果想增大探测距离，需要减小脉冲光的占空比。假如占空比减小到10％，该脉冲光有光部分的脉冲宽度会窄，为约10ns(100ns*10％)量级。
9、为了使脉冲光干涉仪可以接收信号特征，传统解决办法为高速adc采集并抽取信号。
10、参考dmz干涉仪，光源为脉冲光，经过2个传输方向，接收单元最后接收到的2路电信号也为脉冲电信号。以下面的系统指标举例。干涉仪系统的指标为：定位精度不大于10米。系统的设计指标：脉冲光的调制频率为10mhz，脉冲光的占空比为10％。
11、此时，接收到的2路电信号信号特征为：(1)接收信号为一个个脉冲的形式；(2)脉冲的频率为10mhz，周期为100ns；(3)脉冲的占空比为10％量级；(4)有光部分的脉宽窄，为10ns量级；(5)有光部分信号幅度大，无光部分信号幅度小。参考图2a、2b，系统接收到的2路信号有光部分的脉冲很窄，为10ns量级。设备需要采集出有光部分脉冲的信号功率(图2a、2b中2路信号的圆圈位置)，有光部分的信号包络就是需要采集出的信号波形。
12、通常做法是使用高速adc芯片。由于脉冲宽度为10ns，高速adc的采集频率至少需要为100mhz以上。系统先将两路信号分别按照100mbps采样率10ns的采样间隔采集下来，然后从中找到有光部分对应的采样点，提取出该点的信号幅度，也就是采样10个点，但是只取有光脉冲的那1个点的信号幅度。连续采样提取，就可以提取出等效为10mhz采样频率类似直流光的接收信号。
13、脉冲宽度为10ns，如果adc的采集频率为100mhz，理论上也只能采集到1个点。理想情况下是采集更多的点，从中找到最优的值。最优的标准通常是信号幅度大。从这里可以看出，使用更高采样率的adc，能够提高系统性能。
14、但是高速adc成本高，周边应用电路复杂，功耗高。而且后续环节需要处理大量的数据。采用100mhz高速adc进行双路采样，每路信号1个数据为4字节大小。后续需要每秒处理100*2*4＝800mb的数据。数据处理能力要求高。
15、如果想继续增大探测距离，需要进一步减小脉冲光占空比，例如1％；或者更精细的找到信号的最佳位置。则高速adc的采样时钟需要提升成1ghz，每秒数据处理量为8gb。技术难度和成本都有很大提升，甚至变得不可行。
16、而且，高速adc很多核心技术掌握在国外发达公司手里。采样时钟超过100mhz的芯片现在购入也变得困难。
17、如果不采用高速adc，则由于mz装置中两路上百公里光缆产生的光程差，导致两路信号相位延迟大、物理偏差大，无法采集到干涉最充分、有包络的有用信号，从而导致无法进行信号解析。
18、因此，需要一种可替代高速adc又可实现较大光纤探测距离的双向mz装置和方法。
技术实现思路
1、本专利技术是为了解决如何替代高速adc又可实现较大光纤探测距离的问题，提供一种基于双向mach_zehnder脉冲光干涉仪接收信号装置及其校准方法，使用低速率adc实现对上述窄脉冲周期信号的采集。项目中使用的低速率adc的型号是ad9248-20，工作频率为10mhz。通过本专利技术，优化了原先的方案设计。降低了整体方案的设计难度，后面数据处理量大大减小，整个方案的成本降低；配套电路也变的简单。功耗也能降低。另外，时钟相位延迟可以控制的很精细，可以起到与超高速率adc相当的性能。
2、本专利技术提供系统一种基于双向mach_zehnder脉冲光干涉仪接收信号装置，包括依次连接的激光器、脉冲光产生电路，与脉冲光产生电路连接的pwm产生电路，与脉冲光产生电路输出端光连接的分布式传感单元，与分布式传感单元的两个输出端口分别光连接的第一脉冲信号接收电路、第二本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于双向Mach_Zehnder脉冲光干涉仪接收信号装置，其特征在于：包括依次连接的激光器(1)、脉冲光产生电路(2)，与所述脉冲光产生电路(2)连接的PWM产生电路(3)，与所述脉冲光产生电路(2)输出端光连接的分布式传感单元(4)，与所述分布式传感单元(4)的两个输出端口分别光连接的第一脉冲信号接收电路(5)、第二脉冲信号接收电路(6)，与所述第一脉冲信号接收电路(5)连接的第一低速ADC采集电路(7)，与所述第二脉冲信号接收电路(6)连接的第二低速ADC采集电路(8)，与所述第一低速ADC采集电路(7)输入端连接的第一时钟延迟电路(9)，与所述第二低速ADC采集电路(8)输入端连接的第二时钟延迟电路(10)，与所述PWM产生电路(3)、所述第一时钟延迟电路(9)、所述第二时钟延迟电路(10)均连接的低速时钟源(11)和与所述第一时钟延迟电路(9)、所述第二时钟延迟电路(10)均连接的控制单元(12)；
2.根据权利要求1所述的一种基于双向Mach_Zehnder脉冲光干涉仪接收信号装置，其特征在于：所述第一脉冲信号接收电路(5)和所述第二脉冲信号接收电路
3.根据权利要求1所述的一种基于双向Mach_Zehnder脉冲光干涉仪接收信号装置，其特征在于：所述分布式传感单元(4)包括依次连接的第一耦合器C1、第二耦合器C2、第三耦合器C3，并列连接在所述第二耦合器C2、第三耦合器C3之间的缆芯A、缆芯B，连接在所述第三耦合器C3、所述第一耦合器C1之间的缆芯C和连接在所述述第三耦合器C3、所述第一脉冲信号接收电路(5)之间的缆芯D；
4.一种基于双向Mach_Zehnder脉冲光干涉仪接收信号装置的校准方法，其特征在于：包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种基于双向Mach_Zehnder脉冲光干涉仪接收信号装置的校准方法，其特征在于：步骤S4、S5中所述校准算法为：设置相位延迟时钟步进为A，使所述第一时钟延迟电路(9)或所述第二时钟延迟电路(10)分别从0ns～Kns以步进Ans为间隔设置时钟延迟，所述第一低速ADC采集电路(7)或第二低速ADC采集电路(8)分别以0ns～Kns以步进Ans作为相位延迟进行信号采集并计算采集信号的平均幅度得到平均幅度集，所述平均幅度集为{Sum_idx_0，Sum_idx_A，Sum_idx_2A，…，Sum_idx_K}，Kns为所述PWM控制信号的周期；
6.根据权利要求5所述的一种基于双向Mach_Zehnder脉冲光干涉仪接收信号装置的校准方法，其特征在于：A为1，K为100。
7.根据权利要求5所述的一种基于双向Mach_Zehnder脉冲光干涉仪接收信号装置的校准方法，其特征在于：还包括步骤S7：
8.根据权利要求7所述的一种基于双向Mach_Zehnder脉冲光干涉仪接收信号装置的校准方法，其特征在于：动态校准时的相位延迟时钟搜索窗口小于初始工作相位校准时的相位延迟时钟搜索窗口且搜索窗口的中心为上次定期动态校准得到的最佳相位延迟Xns。
9.根据权利要求8所述的一种基于双向Mach_Zehnder脉冲光干涉仪接收信号装置的校准方法，其特征在于：动态校准时的相位延迟时钟搜索窗口为10ns，搜索范围为Xns-5ns～Xns+5ns。
10.根据权利要求4所述的一种基于双向Mach_Zehnder脉冲光干涉仪接收信号装置的校准方法，其特征在于：步骤S6中，所述振动信息为所述第一脉冲信号接收电路(5)、所述第二脉冲信号接收电路(6)接收后经所述第一低速ADC采集电路(7)和所述第二低速ADC采集电路(8)采集到的原始光电信号。
...【技术特征摘要】
1.一种基于双向mach_zehnder脉冲光干涉仪接收信号装置，其特征在于：包括依次连接的激光器(1)、脉冲光产生电路(2)，与所述脉冲光产生电路(2)连接的pwm产生电路(3)，与所述脉冲光产生电路(2)输出端光连接的分布式传感单元(4)，与所述分布式传感单元(4)的两个输出端口分别光连接的第一脉冲信号接收电路(5)、第二脉冲信号接收电路(6)，与所述第一脉冲信号接收电路(5)连接的第一低速adc采集电路(7)，与所述第二脉冲信号接收电路(6)连接的第二低速adc采集电路(8)，与所述第一低速adc采集电路(7)输入端连接的第一时钟延迟电路(9)，与所述第二低速adc采集电路(8)输入端连接的第二时钟延迟电路(10)，与所述pwm产生电路(3)、所述第一时钟延迟电路(9)、所述第二时钟延迟电路(10)均连接的低速时钟源(11)和与所述第一时钟延迟电路(9)、所述第二时钟延迟电路(10)均连接的控制单元(12)；
2.根据权利要求1所述的一种基于双向mach_zehnder脉冲光干涉仪接收信号装置，其特征在于：所述第一脉冲信号接收电路(5)和所述第二脉冲信号接收电路(6)均为光电传感器电路；
3.根据权利要求1所述的一种基于双向mach_zehnder脉冲光干涉仪接收信号装置，其特征在于：所述分布式传感单元(4)包括依次连接的第一耦合器c1、第二耦合器c2、第三耦合器c3，并列连接在所述第二耦合器c2、第三耦合器c3之间的缆芯a、缆芯b，连接在所述第三耦合器c3、所述第一耦合器c1之间的缆芯c和连接在所述述第三耦合器c3、所述第一脉冲信号接收电路(5)之间的缆芯d；
4.一种基于双向mach_zehnder脉冲光干涉仪接收信号装置的校准方法，其特征在于：包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种基于双向mac...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘云龙，李康，闫冰，李云，刘清振，胡海林，余红荣，俞隽，于连庆，张健，樊子水，刘卓钊，王勇，
申请(专利权)人：北京信维科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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