基于数字双啁啾脉冲调制的分布式光纤声传感装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于数字双啁啾脉冲调制的分布式光纤声传感装置及方法，用于长距离分布式声波探测，利用双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器在X和Y两个偏振方向分别进行啁啾脉冲调制，X偏振方向的啁啾脉冲光信号作为探测光脉冲，经掺铒光纤放大器放大后注入传感光纤，Y偏振方向的连续等扫频范围的啁啾脉冲光信号作为参考光，与携带传感光纤各位置处的光相位和频率信息的后向散射啁啾脉冲光信号通过光耦合器混合，干涉后的光信号用两个光纤偏振分束器分开到两个偏振方向探测接收，通过数据处理获得传感光纤受声波作用位置的相位、振幅和频率。本发明专利技术将光纤传感和传输合二为一，解决光纤分布式声信号传感的长距离和高分辨率难以调和的难题。

Distributed fiber optic acoustic sensing device and method based on digital double chirped pulse modulation

The present invention discloses a distributed optical fiber acoustic sensing device based on digital double chirped pulse modulation, which is used for long distance distributed acoustic detection. The chirped pulse light signal in the direction of X and Y is modulated by a dual polarization four parallel Maher Del electrooptic modulator in the polarization direction of X and Y, and the chirped pulse light signal in the direction of X polarization is used as a chirped pulse light signal. The optical pulse is amplified by an erbium doped fiber amplifier into the sensing fiber, and the chirped pulse light signal in the continuous equal sweep frequency range of the Y polarization direction is used as the reference light, and the backward scattering chirped pulse light signal is mixed with the optical coupler through the optical phase and frequency information at each position of the sensing fiber, and the optical signal after interference is used. Two optical fiber polarization splitters are divided into two polarization directions to detect and receive, and the phase, amplitude and frequency of the sensing optical fiber are obtained by the data processing. The invention combines optical fiber sensing and transmission to solve the difficult problem of long distance and high resolution of fiber distributed acoustic signal sensing.

【技术实现步骤摘要】
基于数字双啁啾脉冲调制的分布式光纤声传感装置及方法
本专利技术属于分布式光纤声音传感探测领域，具体涉及一种基于数字双啁啾脉冲调制的分布式声传感装置及方法，可以用于海洋、航空、石油、岩土等领域的检测。
技术介绍
声波探测技术在基于探测地震波的石油/矿藏勘探、基于水声探测的反潜作战、基于空气声的飞行物监测、基于振动的周界安全监测和战场侦察等领域都有着广泛的应用和需求。传统的声波探测技术主要采用基于电学麦克风构建的传声器阵列对声场信号进行采集接收，其主要特点为分立式结构和严格的同步采集要求，从而导致传声器阵列规模大为受限，且受电磁干扰、高温高湿等恶劣工作环境带来的影响。近年来，分布式光纤传感技术得到关注，但对于合成相干函数光相干域反射技术中，受光源频率调制速率影响，其测量范围有限，一般为几千米；对于传统的相位光时域反射技术，光脉冲宽度和脉冲能量需要折中考虑，限制空间分辨率、信噪比和动态范围的同步提升，难以满足真正声波分布传感要求。为了克服这一问题，我们提出一种数字双啁啾脉冲调制的分布式光纤声传感装置及方法，该技术将为油气勘探、生产监测、国防安全领域提供了一种高效低成本技术方案，有很好的应用前景。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种基于数字双啁啾脉冲调制的分布式光纤声传感装置及方法，它将光纤的传感和传输功能合二为一，除具有不受电磁干扰、电无源、体积小等优点外，还通过实现分布式测量使传感监测点规模得到很大的扩展。一种基于数字双啁啾脉冲调制的分布式光纤声传感装置，用于长距离分布式声波探测，，该装置包括光源1、保偏光纤隔离器2、双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器3、X偏振方向驱动用任意波形发生器4、Y偏振方向驱动用任意波形发生器5、电光调制器偏压控制板6、1*2保偏光纤耦合器7、第一光纤偏振分束器8、掺铒光纤放大器9、光纤滤波器10、光纤环行器11、传感光纤12、2*2光纤耦合器13、第二光纤偏振分束器14、第三光纤偏振分束器15、X偏振方向平衡光电探测器16、Y偏振方向平衡光电探测器17、数据采集卡18和处理单元19；其中：光源1的连续激光输出端连接保偏光纤隔离器2的输入端；所述光纤隔离器2的输出端连接双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器3的输入端，经所述双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器3的输出端连接1*2保偏光纤耦合器7；所述1*2保偏光纤耦合器7的一个输出端连接电光调制器偏压控制板6上的光电探测器的输入端，另一个输出端连接第一光纤偏振分束器8的输入端；所述第一光纤偏振分束器8的输出端依序先后连接掺铒光纤放大器9、光纤滤波器10和光纤环行器11，所述光纤环行器11的一个输出端注入传感光纤12，另一个输出端连接2*2光纤耦合器13；所述2*2光纤耦合器13的一个输出端连接至第二光纤偏振分束器14，所述二光纤偏振分束器14的输出端连接X偏振方向平衡光电探测器16的输入端，而所述2*2光纤耦合器13的另一个输出端连接至第三光纤偏振分束器15的输入端，所述第三光纤偏振分束器15的输出端连接Y偏振方向平衡光电探测器17；所述X偏振方向平衡光电探测器16的输出端、所述Y偏振方向平衡光电探测器17的输出端分别作为数据采集卡8电连接的输入端，所述数据采集卡18传送数据至处理单元19进行处理；所述X偏振方向驱动用任意波形发生器4和Y偏振方向驱动用任意波形发生器5产生的具有相同线性啁啾范围和相同扫频速率的啁啾脉冲数字信号，分别加载到双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器3的X和Y两个偏振方向上；其中，X偏振方向的啁啾脉冲光信号作为探测光脉冲，Y偏振方向的连续等扫频范围的啁啾脉冲光信号作为参考光；所述保偏光纤隔离器2，用于隔离光纤中反射回来的激光，避免进入激光器造成干扰和损坏；所述双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器3，分别在X和Y偏振方向对激光进行I/Q调制；所述X偏振方向驱动用任意波形发生器4，用于产生啁啾脉冲波形，扫频信号范围为0.1～20GHz，输出的I和Q两路信号分别驱动双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器的X偏振方向；所述Y偏振方向驱动用任意波形发生器5，用于产生啁啾脉冲波形，扫频信号范围为0.1～20GHz，输出的I和Q两路信号分别驱动双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器的Y偏振方向；所述电光调制器偏压控制板6，根据反馈光强，自动调节偏振控制点，使其稳定在设置的工作模式；所述1*2保偏光纤耦合器7，其中一路输出光纤连接电光调制器偏压控制板上的光电探测器，用于实现对调制后的啁啾脉冲光信号进行抽取反馈；所述第一光纤偏振分束器8，用于将光信号分为X和Y两个偏振方向的光；所述掺铒光纤放大器9，用于放大经过调制产生的信号光，增益10～30dB，满足长距离探测的要求。所述光纤滤波器10，用于对经掺铒光纤放大器放大后的光信号进行带通滤波，消除ASE噪声。所述光纤环行器11，将探测散射啁啾脉冲光输入传感光纤并将后向散射啁啾脉冲光输入到解调光路中；所述传感光纤12，用于传输探测散射啁啾脉冲光信号和后向散射啁啾脉冲光信号，感受待测量；2*2光纤耦合器13，用于将参考啁啾脉冲光和传感光纤中的后向散射啁啾脉冲光进行合束产生干涉；所述第二光纤偏振分束器14，用于将2*2光纤耦合器输出的一路干涉光信号分为X和Y两个偏振方向的光；所述第三光纤偏振分束器15，用于将2*2光纤耦合器输出的另一路干涉光信号分为X和Y两个偏振方向的光；所述X偏振方向平衡光电探测器16，用于将参考啁啾脉冲光和传感光纤中的后向散射啁啾脉冲光产生的光干涉信号的X分量部分转化为电信号；所述Y偏振方向平衡光电探测器17，用于将参考啁啾脉冲光和传感光纤中的后向散射啁啾脉冲光产生的光干涉信号的Y分量部分转化为电信号；所述数据采集卡18，用于采集接收经平衡光电探测器转化后的电压模拟信号；所述处理单元19，用于控制信号发生和信号接收，以及对光电探测器的信号进行接收和解调，获得传感光纤受声波作用位置的相位、振幅和频率信息，实现形式包括计算机和嵌入式计算系统。本专利技术的一种基于数字双啁啾脉冲调制的分布式光纤声传感方法，用于长距离分布式声波探测，该方法的具体过程如下：第一步、光源发出光频为ω0的连续激光，经过保偏光纤隔离器后进入双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器；由两个任意波形发生器即X偏振方向和Y偏振方向驱动用任意波形发生器分别产生具有相同线性啁啾范围和相同扫频速率的啁啾脉冲数字信号，分别加载到双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器的X和Y两个偏振方向上；其中，X偏振方向的啁啾脉冲光信号作为探测光脉冲，Y偏振方向的连续等扫频范围的啁啾脉冲光信号作为参考光；第二步、经双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器调制后的啁啾脉冲光信号通过1*2保偏光纤耦合器一分为二，其中一路输出光纤连接电光调制器偏压控制板上的光电探测器，用于实现对调制后的啁啾脉冲光信号进行抽取反馈，使其长时间保持稳定工作状态；另外一路通过第一光纤偏振分束器将啁啾脉冲光信号分束成X偏振和Y偏振方向，作为探测光脉冲信号的X偏振方向的啁啾脉冲光信号先后经过掺铒光纤放大器放大、光纤滤波器和光纤环行器后被注入传感光纤中，啁啾脉冲光信号在途经的光纤中发生后向瑞利散射，后向散射啁啾脉冲光沿光纤返回解调光路；含有用于解调相位信息φ(t)和用于解调光频信息I(ω)的线性扫频光的后向散射本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于数字双啁啾脉冲调制的分布式光纤声传感装置，用于长距离分布式声波探测，其特征在于，该装置包括光源(1)、保偏光纤隔离器(2)、双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器(3)、X偏振方向驱动用任意波形发生器(4)、Y偏振方向驱动用任意波形发生器(5)、电光调制器偏压控制板(6)、1*2保偏光纤耦合器(7)、第一光纤偏振分束器(8)、掺铒光纤放大器(9)、光纤滤波器(10)、光纤环行器(11)、传感光纤(12)、2*2光纤耦合器(13)、第二光纤偏振分束器(14)、第三光纤偏振分束器(15)、X偏振方向平衡光电探测器(16)、Y偏振方向平衡光电探测器(17)、数据采集卡(18)和处理单元(19)；其中：光源(1)的连续激光输出端连接保偏光纤隔离器(2)的输入端；所述光纤隔离器(2)的输出端连接双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器(3)的输入端，经所述双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器(3)的输出端连接1*2保偏光纤耦合器(7)；所述1*2保偏光纤耦合器(7)的一个输出端连接电光调制器偏压控制板(6)上的光电探测器的输入端，另一个输出端连接第一光纤偏振分束器(8)的输入端；所述第一光纤偏振分束器(8)的输出端依序先后连接掺铒光纤放大器(9)、光纤滤波器(10)和光纤环行器(11)，所述光纤环行器(11)的一个输出端注入传感光纤(12)，另一个输出端连接2*2光纤耦合器(13)；所述2*2光纤耦合器(13)的一个输出端连接至第二光纤偏振分束器(14)，所述二光纤偏振分束器(14)的输出端连接X偏振方向平衡光电探测器(16)的输入端，而所述2*2光纤耦合器(13)的另一个输出端连接至第三光纤偏振分束器(15)的输入端，所述第三光纤偏振分束器(15)的输出端连接Y偏振方向平衡光电探测器(17)；所述X偏振方向平衡光电探测器(16)的输出端、所述Y偏振方向平衡光电探测器(17)的输出端分别作为数据数据采集卡(18)电连接的输入端，所述数据采集卡(18)传送数据至处理单元(19)进行处理；所述X偏振方向驱动用任意波形发生器(4)和Y偏振方向驱动用任意波形发生器(5)产生的具有相同线性啁啾范围和相同扫频速率的啁啾脉冲数字信号，分别加载到双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器(3)的X和Y两个偏振方向上；其中，X偏振方向的啁啾脉冲光信号作为探测光脉冲，Y偏振方向的连续等扫频范围的啁啾脉冲光信号作为参考光；所述保偏光纤隔离器(2)，用于隔离光纤中反射回来的激光，避免进入激光器造成干扰和损坏；所述双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器(3)，分别在X和Y偏振方向对激光进行I/Q调制；所述X偏振方向驱动用任意波形发生器(4)，用于产生啁啾脉冲波形，扫频信号范围为0.1～20GHz，输出的I和Q两路信号分别驱动双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器的X偏振方向；所述Y偏振方向驱动用任意波形发生器(5)，用于产生啁啾脉冲波形，扫频信号范围为0.1～20GHz，输出的I和Q两路信号分别驱动双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器的Y偏振方向；所述电光调制器偏压控制板(6)，根据反馈光强，自动调节偏振控制点，使其稳定在设置的工作模式；所述1*2保偏光纤耦合器(7)，其中一路输出光纤连接电光调制器偏压控制板上的光电探测器，用于实现对调制后的啁啾脉冲光信号进行抽取反馈；所述第一光纤偏振分束器(8)，用于将光信号分为X和Y两个偏振方向的光；所述掺铒光纤放大器(9)，用于放大经过调制产生的信号光，满足长距离探测的要求；所述光纤滤波器(10)，用于对经掺铒光纤放大器放大后的光信号进行带通滤波，消除ASE噪声。所述光纤环行器(11)，将探测散射啁啾脉冲光输入传感光纤并将后向散射啁啾脉冲光输入到解调光路中；所述传感光纤(12)，用于传输探测散射啁啾脉冲光信号和后向散射啁啾脉冲光信号，感受待测量；所述2*2光纤耦合器(13)，用于将参考啁啾脉冲光和传感光纤中的后向散射啁啾脉冲光进行合束产生干涉；所述第二光纤偏振分束器(14)，用于将2*2光纤耦合器输出的一路干涉光信号分为X和Y两个偏振方向的光；所述第三光纤偏振分束器(15)，用于将2*2光纤耦合器输出的另一路干涉光信号分为X和Y两个偏振方向的光；所述X偏振方向平衡光电探测器(16)，用于将参考啁啾脉冲光和传感光纤中的后向散射啁啾脉冲光产生的光干涉信号的X分量部分转化为电信号；所述Y偏振方向平衡光电探测器(17)，用于将参考啁啾脉冲光和传感光纤中的后向散射啁啾脉冲光产生的光干涉信号的Y分量部分转化为电信号；所述数据采集卡(18)，用于采集接收经平衡光电探测器转化后的电压模拟信号；所述处理单元(19)，用于控制信号发生和信号接收，以及对光电探测器的信号进行接收和解调，获得传感光纤受声波作用位置的相位、振幅和频率信息，实现形式包括计算机和嵌入式计算系统。...

【技术特征摘要】
1.一种基于数字双啁啾脉冲调制的分布式光纤声传感装置，用于长距离分布式声波探测，其特征在于，该装置包括光源(1)、保偏光纤隔离器(2)、双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器(3)、X偏振方向驱动用任意波形发生器(4)、Y偏振方向驱动用任意波形发生器(5)、电光调制器偏压控制板(6)、1*2保偏光纤耦合器(7)、第一光纤偏振分束器(8)、掺铒光纤放大器(9)、光纤滤波器(10)、光纤环行器(11)、传感光纤(12)、2*2光纤耦合器(13)、第二光纤偏振分束器(14)、第三光纤偏振分束器(15)、X偏振方向平衡光电探测器(16)、Y偏振方向平衡光电探测器(17)、数据采集卡(18)和处理单元(19)；其中：光源(1)的连续激光输出端连接保偏光纤隔离器(2)的输入端；所述光纤隔离器(2)的输出端连接双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器(3)的输入端，经所述双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器(3)的输出端连接1*2保偏光纤耦合器(7)；所述1*2保偏光纤耦合器(7)的一个输出端连接电光调制器偏压控制板(6)上的光电探测器的输入端，另一个输出端连接第一光纤偏振分束器(8)的输入端；所述第一光纤偏振分束器(8)的输出端依序先后连接掺铒光纤放大器(9)、光纤滤波器(10)和光纤环行器(11)，所述光纤环行器(11)的一个输出端注入传感光纤(12)，另一个输出端连接2*2光纤耦合器(13)；所述2*2光纤耦合器(13)的一个输出端连接至第二光纤偏振分束器(14)，所述二光纤偏振分束器(14)的输出端连接X偏振方向平衡光电探测器(16)的输入端，而所述2*2光纤耦合器(13)的另一个输出端连接至第三光纤偏振分束器(15)的输入端，所述第三光纤偏振分束器(15)的输出端连接Y偏振方向平衡光电探测器(17)；所述X偏振方向平衡光电探测器(16)的输出端、所述Y偏振方向平衡光电探测器(17)的输出端分别作为数据数据采集卡(18)电连接的输入端，所述数据采集卡(18)传送数据至处理单元(19)进行处理；所述X偏振方向驱动用任意波形发生器(4)和Y偏振方向驱动用任意波形发生器(5)产生的具有相同线性啁啾范围和相同扫频速率的啁啾脉冲数字信号，分别加载到双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器(3)的X和Y两个偏振方向上；其中，X偏振方向的啁啾脉冲光信号作为探测光脉冲，Y偏振方向的连续等扫频范围的啁啾脉冲光信号作为参考光；所述保偏光纤隔离器(2)，用于隔离光纤中反射回来的激光，避免进入激光器造成干扰和损坏；所述双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器(3)，分别在X和Y偏振方向对激光进行I/Q调制；所述X偏振方向驱动用任意波形发生器(4)，用于产生啁啾脉冲波形，扫频信号范围为0.1～20GHz，输出的I和Q两路信号分别驱动双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器的X偏振方向；所述Y偏振方向驱动用任意波形发生器(5)，用于产生啁啾脉冲波形，扫频信号范围为0.1～20GHz，输出的I和Q两路信号分别驱动双偏振四平行马赫曾德尔电光调制器的Y偏振方向；所述电光调制器偏压控制板(6)，根据反馈光强，自动调节偏振控制点，使其稳定在设置的工作模式；所述1*2保偏光纤耦合器(7)，其中一路输出光纤连接电光调制器偏压控制板上的光电探测器，用于实现对调制后的啁啾脉冲光信号进行抽取反馈；所述第一光纤偏振分束器(8)，用于将光信号分为X和Y两个偏振方向的光；所述掺铒光纤放大器(9)，用于放大经过调制产生的信号光，满足长距离探测的要求；所述光纤滤波器(10)，用于对经掺铒光纤放大器放大后的光信号进行带通滤波，消除ASE噪声。所述光纤环行器(11)，将探测散射啁啾脉冲光输入传感光纤并将后向散射啁啾脉冲光输入到解调光路中；所述传感光纤(12)，用于传输探测散射啁啾脉冲光信号和后向散射...

【专利技术属性】
技术研发人员：江俊峰，刘铁根，马喆，王双，刘琨，陈文杰，张学智，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12