一种时分复用光纤传感系统乘性噪声的抑制方法及其系统技术方案

本发明专利技术公开了一种时分复用光纤传感系统乘性噪声的抑制方法及其系统。本发明专利技术采用两个探测器分别接收非干涉脉冲和干涉脉冲，利用时分复用光纤传感系统的非干涉脉冲，采用相除的方法，抑制传感器干涉脉冲中的乘性噪声；在保证系统非干涉脉的冲幅度足够、加性噪声低于乘性噪声的前提下，能够取得良好的噪声抑制效果；另外，本发明专利技术的方法对于相位生成载波法和外差法同样适用。

【技术实现步骤摘要】
一种时分复用光纤传感系统乘性噪声的抑制方法及其系统
本专利技术涉及光纤传感技术，具体涉及一种时分复用光纤传感系统乘性噪声的抑制方法及其系统。
技术介绍
光纤传感器是一类新型的传感器，具有灵敏度高、抗电磁干扰等优势[1]。但是光纤传感系统中的激光器、调制器等器件往往价格昂贵，因此为了降低系统成本，可以采用复用方式在系统中放置多个传感器，如波分复用，时分复用以及空分复用等[2]。一种广泛应用的复用方式为时分复用方式，其有多种实现方案，如梯状结构，Inline-Michelson结构以及低精细度F-P结构[3]。其中梯状结构需要使用到的耦合器数目较多，系统因此最为复杂，低精细度F-P结构虽然结构简单，但是需要着力解决F-P腔来回反射形成的串扰以及偏振衰落问题，在信号处理上较为复杂。以技术成熟度、系统复杂度以及系统稳定度折中考虑，Inline-Michelson结构使用最为广泛[1][2]。在时分复用光纤传感系统中，其噪声性能是一个关键指标，影响系统的动态范围和分辨率[1]。对于时分复用的光纤传感系统而言，激光器、调制器等引入的传感器干涉脉冲中的乘性噪声往往成为系统噪声性能的制约因素，如果能够抑制这一部分噪声，将提升系统的噪声性能。
技术实现思路
针对以上现有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种时分复用光纤传感系统乘性噪声的抑制方法及其系统。时分复用的基本原理为：激光器经过调制器被调制为脉冲光，然后脉冲光进入传感器阵列，被阵列中不同的传感器反射形成脉冲序列。由于各个传感器之间存在延时光纤，不同传感器返回的光脉冲时间不同，因此可以依次确定各传感器所对应的干涉脉冲，使用特定的算法即可从这些干涉脉冲中恢复出传感器所检测到的信息。根据所采用的解调方式的不同，注入传感器阵列的可以为单个脉冲光，也可以是脉冲光对，对应两种主流解调方式分别为相位生成载波法(PhaseGeneratedCarrier，PGC)和外差法。本专利技术的一个目的在于提出一种时分复用光纤传感系统乘性噪声的抑制系统。本专利技术的采用外差法的时分复用光纤传感系统乘性噪声的抑制系统包括：激光器、补偿干涉仪、环形器、传感器阵列、第一探测器、第二探测器、数据采集卡和计算机；其中，激光器连接至补偿干涉仪的输入端，补偿干涉仪的输出端分别连接至环形器的第一端口和第一探测器；环形器的第二端口连接至传感器阵列，传感器阵列包括N个串联的传感器；环形器的第三端口连接至第二探测器；第一探测器和第二探测器分别连接至数据采集卡；数据采集卡连接计算机；激光器发出激光至补偿干涉仪；补偿干涉仪将激光调制成包含两个脉冲的脉冲对分别输出至环形器和第一探测器，脉冲对为具有固定延时且频率不同的一对脉冲；脉冲对经环形器输入至传感器阵列；每个脉冲重复周期内从传感器阵列返回N个干涉脉冲，经环形器的第三端口传输至第二探测器；第一探测器接收从补偿干涉仪输出的非干涉的脉冲对，第二探测器接收传感器阵列返回的N个干涉脉冲；第一和第二探测器分别将光信号转换为电信号，输出至数据采集卡；数据采集卡完成模数转换后传输至计算机，计算机首先对数据完成解时分，将第一探测器接收的非干涉的脉冲对和第二探测器接收的干涉脉冲分别恢复为非干涉信号和干涉信号，然后将非干涉信号和干涉信号相除，从而消除乘性噪声的影响，最后完成数据解调，N为≥2的自然数。补偿干涉仪包括第一调制器、第二调制器、1×2耦合器、2×2耦合器和脉冲延时光纤；其中，激光器发出的激光至1×2耦合器的第三端口，1×2耦合器的第一端口经过第一调制器后连接至2×2耦合器的第一端口，1×2耦合器的第二端口经过第二调制器和脉冲延时光纤后相连至2×2耦合器的第二端口，2×2耦合器的第三和第四端口作为补偿干涉仪的输出端，2×2耦合器的第三端口连接至环形器的第一端口，2×2耦合器的第四端口连接至第一探测器；激光器发出的连续光经1×2耦合器被分为两束，一束经过第一调制器后被移频了f1，同时被调制为脉冲光；另一束经过第二调制器后被移频了f2，同时也被调制为脉冲光；由于第二调制器后有一段脉冲延时光纤，故从补偿干涉仪输出的是非干涉的脉冲对，其中包含两个脉冲，宽度均为w，脉冲重复周期为Trep，相互之间的间隔为τ，这个间隔时间由脉冲延时光纤的长度决定。由于本专利技术需要保证非干涉脉冲具有较高的强度，同时还要避免阵列中熔接点反射、法兰盘接头扰动等带来的干涉效应等造成强度不稳定的影响，因此采用第一探测器单独地探测非干涉脉冲。传感器阵列包括N个串联的传感器，每一个传感器包括1×2耦合器、反射镜和传感延时光纤，环形器的第二端口连接至第一传感器的1×2耦合器的第一端口，1×2耦合器的第二端口连接至反射镜，第三端口经传感延时光纤后连接下一个传感器的1×2耦合器的第一端口；第N传感器的1×2耦合器的第三端口经传感延时光纤连接至第N+1反射镜，N为≥2的自然数。传感延时光纤的长度为ΔL，脉冲延时光纤的长度为2ΔL。本专利技术的采用相位生成载波法的时分复用光纤传感系统乘性噪声的抑制系统包括：激光器、调制器、补偿干涉仪、环形器、传感器阵列、第一探测器、第二探测器、数据采集卡和计算机；其中，激光器连接至调制器；调制器连接至第一1×2耦合器的第一端口；第一1×2耦合器的第三端口连接至第一探测器；第一1×2耦合器的第二端口连接至环形器的第一端口；环形器的第二端口连接至传感器阵列，传感器阵列包括N个串联的传感器；环形器的第三端口连接至补偿干涉仪的输入端，补偿干涉仪的输出端连接至第二探测器；第一探测器和第二探测器连接至数据采集卡；数据采集卡连接计算机；激光器发出激光经调制器后变成脉冲光；一部分脉冲光经第一1×2耦合器的第三端口到达第一探测器，这里的脉冲光为非干涉脉冲；另一部分脉冲光经第一1×2耦合器的第二端口及环形器传输至传感器阵列；每个脉冲重复周期内从传感器阵列返回N个脉冲；这N个脉冲经过补偿干涉仪后，输出N个干涉脉冲至第二探测器；第一探测器接收非干涉脉冲，第二探测器接收补偿干涉仪输出的干涉脉冲；第一和第二探测器分别将光信号转换为电信号，输出至数据采集卡；数据采集卡完成模数转换后，计算机首先对数据完成解时分，将第一探测器接收的非干涉脉冲和第二探测器接收的干涉脉冲分别恢复为非干涉信号和干涉信号，然后将非干涉信号和干涉信号相除，从而消除乘性噪声的影响，最后完成数据解调，N为≥2的自然数。补偿干涉仪包括第二和第三1×2耦合器、压电陶瓷PZT以及脉冲延时光纤；其中，第二1×2耦合器的第三端口连接环形器的第三端口，第二1×2耦合器的第一端口连接第三1×2耦合器的第一端口，第二1×2耦合器的第二端口经脉冲延时光纤连接至第三1×2耦合器的第二端口，脉冲延时光纤缠绕在压电陶瓷上，通过驱动压电陶瓷在干涉脉冲中引入载波；第三1×2耦合器的第三端口连接至第二探测器。传感器阵列包括N个串联的传感器，每一个传感器包括1×2耦合器、反射镜和传感延时光纤，环形器的第二端口连接至第一传感器的1×2耦合器的第一端口，1×2耦合器的第二端口连接至反射镜，第三端口经传感延时光纤后连接下一个传感器的1×2耦合器的第一端口；第N传感器的1×2耦合器的第三端口经传感延时光纤连接至第N+1反射镜，N为≥2的自然数。传感延时光纤的长度为ΔL，脉冲延时光纤的长度为2ΔL。本专利技术的另本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用外差法的时分复用光纤传感系统乘性噪声的抑制系统，其特征在于，所述抑制系统包括：激光器、补偿干涉仪、环形器、传感器阵列、第一探测器、第二探测器、数据采集卡和计算机；其中，所述激光器连接至补偿干涉仪的输入端，补偿干涉仪的输出端分别连接至环形器的第一端口和第一探测器；所述环形器的第二端口连接至传感器阵列，传感器阵列包括N个串联的传感器；所述环形器的第三端口连接至第二探测器；所述第一探测器和第二探测器分别连接至数据采集卡；所述数据采集卡连接计算机；激光器发出激光至补偿干涉仪；补偿干涉仪将激光调制成包含两个脉冲的脉冲对分别输出至环形器和第一探测器，脉冲对为具有固定延时且频率不同的一对脉冲；脉冲对经环形器输入至传感器阵列；每个脉冲重复周期内从传感器阵列返回N个干涉脉冲，经环形器的第三端口传输至第二探测器；第一探测器接收从补偿干涉仪输出的非干涉的脉冲对，第二探测器接收传感器阵列返回的N个干涉脉冲；第一和第二探测器分别将光信号转换为电信号，输出至数据采集卡；数据采集卡完成模数转换后传输至计算机，计算机首先对数据完成解时分，将第一探测器接收的非干涉的脉冲对和第二探测器接收的干涉脉冲分别恢复为非干涉信号和干涉信号，然后将非干涉信号和干涉信号相除，从而消除乘性噪声的影响，最后完成数据解调，N为≥2的自然数。...

【技术特征摘要】
1.一种采用外差法的时分复用光纤传感系统乘性噪声的抑制系统，其特征在于，所述抑制系统包括：激光器、补偿干涉仪、环形器、传感器阵列、第一探测器、第二探测器、数据采集卡和计算机；其中，所述激光器连接至补偿干涉仪的输入端，补偿干涉仪的输出端分别连接至环形器的第一端口和第一探测器；所述环形器的第二端口连接至传感器阵列，传感器阵列包括N个串联的传感器；所述环形器的第三端口连接至第二探测器；所述第一探测器和第二探测器分别连接至数据采集卡；所述数据采集卡连接计算机；激光器发出激光至补偿干涉仪；补偿干涉仪将激光调制成包含两个脉冲的脉冲对分别输出至环形器和第一探测器，脉冲对为具有固定延时且频率不同的一对脉冲；脉冲对经环形器输入至传感器阵列；每个脉冲重复周期内从传感器阵列返回N个干涉脉冲，经环形器的第三端口传输至第二探测器；第一探测器接收从补偿干涉仪输出的非干涉的脉冲对，第二探测器接收传感器阵列返回的N个干涉脉冲；第一和第二探测器分别将光信号转换为电信号，输出至数据采集卡；数据采集卡完成模数转换后传输至计算机，计算机首先对数据完成解时分，将第一探测器接收的非干涉的脉冲对和第二探测器接收的干涉脉冲分别恢复为非干涉信号和干涉信号，然后将非干涉信号和干涉信号相除，从而消除乘性噪声的影响，最后完成数据解调，N为≥2的自然数。2.如权利要求1所述的抑制系统，其特征在于，所述补偿干涉仪包括第一调制器、第二调制器、1×2耦合器、2×2耦合器和脉冲延时光纤；其中，所述激光器发出的激光至1×2耦合器的第三端口，所述1×2耦合器的第一端口经过第一调制器后连接至2×2耦合器的第一端口，所述1×2耦合器的第二端口经过第二调制器和脉冲延时光纤后相连至2×2耦合器的第二端口，所述2×2耦合器的第三和第四端口作为补偿干涉仪的输出端，2×2耦合器的第三端口连接至环形器的第一端口，所述2×2耦合器的第四端口连接至第一探测器。3.如权利要求2所述的抑制系统，其特征在于，所述传感器阵列包括N个串联的传感器，每一个传感器包括1×2耦合器、反射镜和传感延时光纤，所述环形器的第二端口连接至第一传感器的1×2耦合器的第一端口，1×2耦合器的第二端口连接至反射镜，第三端口经传感延时光纤后连接下一个传感器的1×2耦合器的第一端口；第N传感器的1×2耦合器的第三端口经传感延时光纤连接至第N+1反射镜，N为≥2的自然数。4.如权利要求3所述的抑制系统，其特征在于，所述传感延时光纤的长度为ΔL，脉冲延时光纤的长度为2ΔL。5.一种采用相位生成载波法的时分复用光纤传感系统乘性噪声的抑制系统，其特征在于，所述抑制系统包括：激光器、调制器、补偿干涉仪、环形器、传感器阵列、第一探测器、第二探测器、数据采集卡和计算机；其中，所述激光器连接至调制器；所述调制器连接至第一1×2耦合器的第一端口；所述第一1×2耦合器的第三端口连接至第一探测器；所述第一1×2耦合器的第二端口连接至环形器的第一端口；所述环形器的第二端口连接至传感器阵列，传感器阵列包括N个串联的传感器；所述环形器的第三端口连接至补偿干涉仪的输入端，补偿干涉仪的输出端连接至第二探测器；所述第一探测器和第二探测器连接至数据采集卡；所述数据采集卡连接计算机；激光器发出激光经调制器后变成脉冲光；一部分脉冲光经第一1×2耦合器的第三端口到达第一探测器，这里的脉冲光为非干涉脉冲；另一部分脉冲光经第一1×2耦合器的第二端口及环形器传输至传感器阵列；每个脉冲重复周期内从传感器阵列返回N个脉冲；这N个脉冲经过补偿干涉仪后，输出N个干涉脉冲至第二探测器；第一探测器接收非干涉脉冲，第二探测器接收补偿干涉仪输出的干涉脉冲；第一和第二探测器分别将光信号转换为电信号，输出至数据采集卡；数据采集卡完成模数转换后，计算机首先对数据完成解时分，将第一探测器接收的非干涉脉冲和第二探测器接收的干涉脉冲分别恢复为非干涉信号和干涉信号，然后将非干涉信号和干涉信号相除，从而消除乘性噪声的影响，最后完成数据解调，N为≥2的自然数。6.如权利要求5所述的抑制系统，其特征在于，所述补偿干涉仪包括第二和第三1×2耦合器、压电陶瓷PZT以及脉冲延时光纤；其中，所述第二1×2耦合器的第三端口连接环形器的第三端口，第二1×2耦合器的第一端口连接第三1×2耦合器的第一端口，第二1×2耦合器的第二端口经脉冲延时光纤连接至第三1×2耦合器的第二端口，所述脉冲延时光纤缠绕在压电陶瓷上，通过驱动压电陶瓷在...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘飞，张敏，何向阁，古利娟，易多，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11