基于瑞利散射的降噪分布式光纤水听的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种基于瑞利散射的降噪分布式光纤水听阵列技术。该传感技术通过瑞利散射机理，通过光放大器以及自我调制消除扰动噪声来确保得到完整的水中声波光纤变化，分析光时域反射定位以及外部音频导致的水中声波对光纤的压力作用引起的光相位变化，得到相关水声中的信息。相比过去的压电水声器，分布式光纤水声阵列技术具有探测灵敏度极高、相应的水下频带宽等优点。在使用材质上，以光纤作为载体来进行信息的传输和传感，可以进行超远距离的传输，既不会被电磁干扰也无发生泄漏的危险。

Application of Rayleigh scattering based noise reduction distributed fiber optic water hearing system

The invention discloses a noise reduction distributed optical fiber water hearing array technology based on Rayleigh scattering. Through the Rayleigh scattering mechanism, the sensing technology ensures the complete acoustic optical fiber change through the optical amplifier and self modulation to eliminate the disturbance noise, and analyzes the optical phase change caused by the pressure action of the underwater acoustic wave to the optical fiber caused by the external audio, and obtains the information in the related underwater sound. Compared with the past piezoelectric underwater acoustic devices, the distributed fiber optic underwater acoustic array technology has the advantages of high detection sensitivity and corresponding underwater frequency bandwidth. In the use of material, optical fiber is used as a carrier for transmission and sensing of information, which can be transmitted over a long distance, neither by electromagnetic interference nor in the danger of leakage.

【技术实现步骤摘要】
基于瑞利散射的降噪分布式光纤水听的应用
本专利技术涉及光纤安防通信领域，特别是涉及一种基于瑞利散射的降噪分布式光纤水听的系统、装置。
技术介绍
在海洋网络安防系统中，光纤水听器阵列是其中重要的应用之一。他本质应用大多是压电探测系统。但传统的压电探测系统易受到海洋中各种气流以及海洋生物和人为的损坏。这种大规模的压电探测系统的应用，一旦发生破坏将很难修复，花费的人力物力较多。因此光纤传感水听技术成为了海洋安防中最好的解决方案。相对于传统的压电探测系统来说，光纤水听应用具有成本低、易维护、监听距离超长等优点。是当前人们的重点研究对象。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题是提供一种基于瑞利散射的降噪分布式光纤水听应用的方法。通过降低光纤中各种扰动噪声以及在光纤中应用瑞利散射等。能够实现海洋水听智能检测，提高海洋中水听的识别效率。为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：为实现光纤水听器中扰动噪声的降低，需要采用光放大系统以及扰动噪声的过滤中和。其中，所述采用光放大系统对所述光纤振动噪声信号降低的步骤包括：光放大系统的选择，首先要查看系统使用的光的功率，当各种噪声造成的损耗较大时就需要引入合适的光放大器。光放大器有多种，包括但不限于半导体光放大器、拉曼光纤放大器(FRA)、布里渊光纤放大器(FBA)、掺铒光纤放大器(EDFA)等。根据放大器光的稳定性和与光纤的耦合性来看，EDFA技术相对成熟，所以成本较低，系统方案选择较多。且与光纤中瑞利散射机制相吻合。故EDFA应是降噪光纤水听应用的首选。其中。所述将所述光纤扰动噪声的产生和自我调制消除。当光纤水听放到实际应用场景时，特别是海洋等复杂环境地带，光缆通常会由于海潮、气流、海洋生物的影响产生不必要的扰动噪声。该扰动噪声主要分为两种，一个是机制频调调节噪声和偏振噪声。他的来源分别是较大强度的应力作用导致光纤长度变化的，非平衡相位调制噪声。另一类为光纤受弯曲后，从海洋水听器引入的偏振噪声。对于偏振噪声之前已有人尝试进行消除，例如Garoszewicz通过各种干涉推导出的消除公式，用来消除偏振噪声，但在消除后仍然会有部分的偏振噪声未消除。吴越丰将FRM等旋转到合适的角度来进行光纤中扰动噪声的消除，实验效果存在偏差。本专利是使用的是自我调制消除噪声技术来进行消除干扰噪声。该经过很长时间的发展已在雷达等领域广泛应用。在分布式光纤水听系统中，实现高可用低感光的具有参考值的探针和设计滤波器算法，对扰动噪声进行消除。其中，为解决开头所述问题，在各种噪声消除后。本专利技术采用的再一个技术方案是基于瑞利散射的频谱识别。瑞利散射在光纤中的应用最早是在OTDR中，OTDT依赖瑞利散射对光纤中的光路的衰减情况进行诊断。本专利采用的是基于瑞利反射的光时域反射计。其中，所述将所述光时域反射计应用于接收信号进行检测，与常规的光时域反射技术相比，该技术使得各点的背向瑞利散射光之间具备了强性。到达光纤首端的散射呈现共振叠加的形式。在瑞利散射技术中，具有强背向散射光在光纤链路沿线的扰动事件的相位调制的作用下，表现出共振技术所特有的明暗条纹相交替的特征，具有对动态事件的响应能力。通过匹配声波扰动前的某一个点，然后匹配声波扰动后的该点的散射。将多个这样的点连接最终得到的多个数组即为识别水听所需要的曲线。其中，所述将所述瑞利曲线的识别为以下步骤，通过检测两个点差异前向传播过程中所产生的后向瑞利反射的叠加共振获取信号，同时利用光时域技术获取扰动点的空间位置信息。瑞利反射中返回光脉冲的共振时序。同时后向瑞利散射脉冲的共振叠加光波为加载有散射区两点之间相位信息的差频项。附图说明图1是本专利技术采用的光放大系统的内部结构图；图2是本专利技术自我调制消除抑制扰动噪声的抑制效果；图3是本专利技术在真实环境中采集并计算出的Sr和Sp的时域信号；图4是本专利技术基于瑞利散射光的光时域反射计(COTDR)。具体实施方式以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、接口、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请。然而，对光纤安防领域熟悉的同行人员来说，在没有这些具体细节的其它实施方式中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对大家熟悉的装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。请参阅图1，图1为采用的光放大系统的内部结构图，包括：根据光放大器在海洋水听以及降噪的要求，可分为功率放大(BA),线路放大(LA)，前置预防大三种类型(PA)，还需要在湿端光缆中加入级联LA用来补偿光在光纤传输的损耗。其中，所述该装置作用是构建一个光纤水听器网络中，防止光损耗超过了系统可用的功率极限。同时，为解决低噪声多级光放大技术。请结合图2举例说明，复杂的海洋中会引入多种不必要的噪声，影响检测效果。这其中的噪声可分为机制频调调节噪声和偏振噪声，偏振噪声产生的原因是光纤收到弯曲等非水听光纤接收到的声波信息的噪声。传输光场产生的噪声是频率调制噪声，也叫作FM噪声。通过研究发现，偏振噪声是首先要中和的噪声源。首先利用琼斯矩阵法对水听器的偏振进行分析过滤。将光纤中的光波比对为平面电磁波。图2示出的是自我调制消除抑制扰动噪声的抑制效果，其中R为参考信号，A1为低感光的具有参考值的探针，经过A1后，同等赫兹下的可见噪声抑制到了5～30db。图3示出的是在真实环境中采集并计算出的Sr和Sp的时域信号，根据图中所示，该时域产生的的随机偏振噪声峰值在0.02rad附近，且变化速度较快(～0.02s),在算法的选择上使用恢复速度更快的RLS算法进行噪声的查找和自适应处理。综合考虑信号和噪声的频率和幅度特点，并兼顾自适应滤波噪声与收敛速度之间的平衡，设RLS滤波后噪声和信号的频谱，为评估滤波效果，同样也给出了SR和Sp的原始频谱，以及将两信号直接相减的噪声抑制结果进行对比。偏振噪声主要集中在600Hz以下的低频段，经过RLS算法噪声的查找和自适应处理之后，600Hz以下的随机噪声在整体中得到了大部分的清楚，在380Hz附近噪声降低了约20dB，大致消除了偏振噪声对光纤水下监听的影响。并且RLS滤波后1kHz的信号幅度没有明显变化。综上可得：NLMS算法简单，运算速度快，使用高阶的NLMS滤波可对大幅度连续干扰噪声进行抑制；而RLS算法的优点是收敛速度快，对随机脉冲干扰噪声也实现了较好的消除。因此，利用进行自我调制消除的灵活多变的特性，采用不同的算法并调整滤波参数，对不同环境和不同声波下噪声进行抑制。另外，对于采用空分、时分等多重载体的光纤传输系统，在某个复用通道接入低敏感固定值探头可获得响应的不同时域的传输噪声，经自我调制消除噪声处理后即可实现多通道噪声的同时抑制。并且理论上自我调制消除噪声并不仅限于消除传输噪声，对于系统中其余的相关噪声(如干扰光源产生的噪声)也可以进行抑制，因此该方法将有可能实现水听器阵列自噪声的综合抑制。由于自我调制消除噪声的方法在光学上的结构较为简单，适合大规模产出。在生产中可将该装置放在任何需要的位置，没有空间的限制。将在瑞利散射的光纤水听器的噪声抑制方面发挥很大的作用。COTDR是一种利用瑞利散射光的共振特性对光路各种信号进行检测。在COTDR中，接收进行信号检测，能够极大地提高系统的灵敏度和音可检测范围。光时域反射本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分布式光纤水听阵列技术，光纤中影响水听的噪声生成原因，其特征在于，包括：在分布式光纤阵列水听器的真实海洋应用场景中，光纤所处的环境的影响(温度、湿度)以及外力作用(潮汐、风浪等)，光纤中折射率将没有规律的进行变化；随着光纤距离的增长，这种变化也会进行累积，最终会在光纤中形成强的背景噪声。

【技术特征摘要】
1.一种分布式光纤水听阵列技术，光纤中影响水听的噪声生成原因，其特征在于，包括：在分布式光纤阵列水听器的真实海洋应用场景中，光纤所处的环境的影响(温度、湿度)以及外力作用(潮汐、风浪等)，光纤中折射率将没有规律的进行变化；随着光纤距离的增长，这种变化也会进行累积，最终会在光纤中形成强的背景噪声。2.根据权利要求1所述的方法，光纤中扰动噪声的研究，其特征在于，包括：扰动噪声分为两类：第一类为较大强度的应力作用导致光纤长度变化的，非平衡相位调制噪声；另一类为光纤受弯曲后，从海洋水听器引入的偏振噪声。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述扰动噪声的自我调制消除噪声来降低对光纤水听影响，所述的步骤包括：自我调制消除噪声经过很长时间的发展已在雷达等领域广泛应用；在分布式光纤水听系统中，通过光纤传输中的耦合性，实现高可用低数组的具有参考值的探针和设计滤波器算法，对扰动噪声进...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘浩宇，魏嘉，刘本刚，柴军杰，李建彬，
申请(专利权)人：光子瑞利科技北京有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11