基于FBG的低噪声宽频带分布式声波探测装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及光纤分布式声波探测技术领域，尤其涉及一种基于FBG的低噪声宽频带分布式声波探测装置与方法，所述装置包括信号发生器、双光脉冲生成组件、环形器、FBG阵列、光电探测器、数据采集卡、信号处理机；本发明专利技术采用高频外差直接探测技术和数字外差解调技术，摆脱了干涉信号调制对声波高频响应的限制，有效拓宽基于FBG阵列的分布式声波探测系统的探测带宽，结合偏振衰落技术，有效抑制偏振衰落噪声，采用弱反射率FBG，抑制信号串扰，实现低噪声宽频带分布式声波探测。带分布式声波探测。带分布式声波探测。

【技术实现步骤摘要】
基于FBG的低噪声宽频带分布式声波探测装置与方法


[0001]本专利技术涉及光纤分布式声波探测
，尤其涉及一种基于光纤光栅(FBG)的低噪声宽频带分布式声波探测装置与方法。

技术介绍

[0002]相位敏感光时域反射仪技术(Φ
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OTDR)是应用广泛的光纤分布式声波探测技术，在周界安防、地震波检测、油汽勘探、以及管道和铁路等大型结构安全监测等领域具有重大应用价值，逐渐成为国内外研究热点。Φ
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OTDR通过探测脉冲光在传感光纤中各处产生的后向瑞利散射光，并提取瑞利散射光的相位信息，实现分布式声波探测。目前，Φ
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OTDR存在相干衰落、偏振衰落和相位噪声高等缺点，这些问题影响了Φ
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OTDR的空间连续探测能力，微弱信号探测能力和探测稳定性。
[0003]在光纤上等间隔的刻蚀多个光纤光栅(FBG)，相邻两个FBG构成F
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P光纤干涉仪(FPI)，当外界声波作用于FPI中两个FBG间的光纤时，将引起光纤拉伸和折射率变化，导致FPI输出干涉信号的相位变化。通过探测由FBG阵列组成的一系列FPI的输出干涉信号，解调提取干涉信号的相位信息，可以同时获得外界声波的频率、幅度、相位和位置的完整信息，实现分布式声波探测。由于反射光的强度仅由FBG的反射率决定，不受脉冲内干涉的影响，基于FBG的分布式声波探测技术可以免于相干衰落影响。由于FBG的反射率远高于光纤瑞利散射系数，FPI输出的干涉信号强度信噪比高，因此基于FBG的分布式声波探测技术的相位噪声远低于Φ
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OTDR。
[0004]基于FBG的分布式声波探测技术面临两个影响声波探测的典型问题：信号串扰[Kersey A D,Dorsey K L.Cross talk in a fiber
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optic Fabry
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Perot sensor array with ring reflectors[J].Opt.Lett.1988,14(1):93
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95.]和偏振衰落[Kersey A D,Marrone M J.Analysis of input
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polarization
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induced phase noise in interferometric fiber
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optic sensors and its reduction using polarization scrambling[J].Journal of Lightwave Technology.1990,8(6):838
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845.]。传统的FBG反射率大于1％，这导致不同FPI间存在因光信号多次反射所引起的信号串扰。由于连接FBG的光纤存在随机双折射，组成FPI干涉信号的两个光信号间的偏振态随机变化，导致FPI输出干涉信号的强度随机衰落，严重恶化声波探测的噪声。
[0005]采用弱反射率FBG(反射率<0.01％)，再结合适当的相位解调算法，可解调获得声波信息，且能有效抑制不同FPI间的信号串扰。但该方法无法解决偏振衰落对噪声的影响，进而无法实现低噪声声波探测。
[0006]为了从FPI输出干涉光信号中准确获取声波信息，并抑制偏振衰落，国防科技大学的胡正良等人将相位产生载波算法(PGC)与偏振切换技术结合，应用于基于FBG的分布式声波探测技术[利用正交偏振切换抗偏振衰落和抑制偏振噪声，胡正良等，《中国激光》，第43卷第9期，第0910001
‑1‑
8页]。该技术方案存在两个问题：第一个问题是该方案采用强反射率FBG，因此依然存在不同FPI间的信号串扰问题；第二个问题是该技术方案对声波的探测
带宽极大受限。对于第二个问题，做具体分析：以频率f
p
向光纤FBG阵列周期注入探测双光脉冲，则FPI以相同的频率输出的干涉信号为干涉脉冲。由于PGC相位解调技术要求对干涉信号的相位实施周期性调制，干涉脉冲的强度随时间变化。同时，由于相位调制频率低于脉冲重频f
p
，干涉脉冲的强度随时间变化频率低于f
p
，且每个干涉脉冲在脉冲宽度内强度相等，不同干涉脉冲间的强度不同。通过收集一系列的干涉脉冲强度，构成时变干涉信号，结合PGC相位解调技术，可获得干涉信号相位中包含的声波信息。根据PGC相位解调算法的要求，对时变干涉信号的采样率至少为相位调制频率的8倍，因此，相位调制上限为f
p
/8。考虑声波信号检测的动态范围，一般相位调制的频率为待测声波信号最高频率的8倍以上。因此，待测声波信号的最高频率为f
p
/64。为了消除偏振衰落，PGC相位解调技术还需结合偏振切换技术。偏振切换技术通过依次向FBG阵列中注入偏振态分别为XX，XY，YY，YX的四组双光脉冲(X和Y表示两个正交光偏振态)，并综合分析四组双光脉冲形成的四组干涉光信号，消除偏振衰落，并获取声信息。因此，采用偏振切换技术，对FPI输出的时变干涉信号的采样率由f
p
下降为f
p
/4，进而，待测声波信号的最高响应频率仅为f
p
/256。因此，该方案虽能抑制偏振衰落，但探测带宽极大受限。
[0007]综上，现有的基于FBG的分布式声波探测技术，无法同时实现信号串扰抑制、偏振衰落抑制和宽带响应。

技术实现思路

[0008]本专利技术要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提供一种基于FBG的低噪声宽频带分布式声波探测装置与方法，该装置与方法以等间隔弱反射率FBG阵列为传感器，抑制信号串扰，采用高频外差直接探测技术、数字外差解调技术和偏振切换技术，在消除偏振衰落的同时，摆脱相位解调算法对声波高频响应的限制，提升声信号的高频响应范围，实现低噪声宽频带的分布式声波探测。
[0009]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于FBG的低噪声宽频带分布式声波探测装置，包括：信号发生器、双光脉冲生成组件、环形器、FBG阵列、光电探测器、数据采集卡、信号处理机；
[0010]所述信号发生器用于为双光脉冲生成组件提供控制方波信号、脉冲调制信号、正弦调制信号，为数据采集卡提供时钟和触发信号；所述双光脉冲生成组件包括依次连接的窄线宽激光器、非平衡干涉仪和偏振切换器，其中，窄线宽激光器用于产生高相干连续激光，非平衡干涉仪包括第一光纤耦合器、第一声光调制器、第二声光调制器和第二光纤耦合器，其中第一光纤耦合器的输入端与窄线宽激光器连接，两个输出端分别与第一声光调制器和第二声光调制器的输入端连接，第一声光调制器和第二声光调制器的输出端分别与第二光纤耦合器的两个输入端连接，第二光纤耦合器的输出端与环形器的第一端口连接，非平衡干涉仪根据信号发生器的脉冲调制信号和正弦调制信号生成具有时延和光频差Δν的双光脉冲，双光脉冲的重复频率为f
p
；偏本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于FBG的低噪声宽频带分布式声波探测装置，其特征在于：包括信号发生器、双光脉冲生成组件、环形器、FBG阵列、光电探测器、数据采集卡、信号处理机；所述信号发生器用于为双光脉冲生成组件提供控制方波信号、脉冲调制信号、正弦调制信号，为数据采集卡提供时钟和触发信号；所述双光脉冲生成组件包括依次连接的窄线宽激光器、非平衡干涉仪和偏振切换器，其中，窄线宽激光器用于产生高相干连续激光，非平衡干涉仪包括第一光纤耦合器、第一声光调制器、第二声光调制器和第二光纤耦合器，其中第一光纤耦合器的输入端与窄线宽激光器连接，两个输出端分别与第一声光调制器和第二声光调制器的输入端连接，第一声光调制器和第二声光调制器的输出端分别与第二光纤耦合器的两个输入端连接，第二光纤耦合器的输出端与环形器的第一端口连接，非平衡干涉仪根据信号发生器的脉冲调制信号和正弦调制信号生成具有时延和光频差Δν的双光脉冲，双光脉冲的重复频率为f
p
；偏振切换器根据信号发生器的控制方波信号对所述双光脉冲的偏振状态进行调制，得到具有偏振正交和同偏振态的双光脉冲，偏振态的调制频率为f
p
/4；双光脉冲生成组件用于生成具有偏振正交和同偏振态的双光脉冲，所述双光脉冲间存在光频差Δν；所述环形器用于将双光脉冲生成组件生成的双光脉冲从第二端口注入FBG阵列，并接收FBG阵列返回的(D+1)个脉冲光信号，其中第2个至第D个返回脉冲光信号为干涉脉冲光信号，所述脉冲光信号再从第三端口输出；所述FBG阵列由等间隔刻蚀了D个FBG的光纤组成，相邻两个FBG构成一个FPI，作为传感通道，用于感应外界声波信号，这样FBG阵列就包含了(D
‑
1)个FPI；所述FBG阵列中，相邻两个FBG间光纤所引起的单程传输光脉冲时延等于注入环形器的双光脉冲间时延的一半；所述光电探测器用于获取FBG阵列返回的(D+1)个脉冲光信号，并将脉冲光信号转换成脉冲电信号；所述数据采集卡用于根据信号发生器的触发信号和时钟信号对光电探测器输出的脉冲电信号进行采集，并提供给信号处理机；所述信号处理机将干涉脉冲电信号经混频和低通滤波后复数化，生成响应矩阵，根据所述响应矩阵的酉矩阵特性计算得到与偏振无关的复数，并从所述复数中计算提取所述干涉脉冲的相位信息，从而获得声波信号的信息。2.一种根据权利要求1所述基于FBG的低噪声宽频带分布式声波探测装置，其特征在于：所述双光脉冲生成组件还可以包括依次连接的窄线宽激光器、光强调制器、非平衡干涉仪和偏振切换器；所述窄线宽激光器用于产生高相干连续激光；所述光强调制器根据所述信号发生器的脉冲调制信号以重复频率f
p
生成光脉冲；所述非平衡干涉仪用于根据所述信号发生装置的正弦调制信号生成具有时延和光频差的双光脉冲；所述偏振切换器用于根据所述信号发生装置的控制方波信号对所述双光脉冲的偏振状态进行调制，得到具有偏振正交和同偏振态的双光脉冲，偏振态的调制频率为f
p
/4。3.一种根据权利要求1所述基于FBG的低噪声宽频带分布式声波探测装置，其特征在于：所述光电探测器的探测带宽大于双光脉冲的光...

【专利技术属性】
技术研发人员：路阳，孟洲，胡晓阳，王建飞，陈伟，陈羽，陈默，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：