高增益低噪声分布式光纤振动传感系统信号处理装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及分布式光纤传感系统技术领域，具体的说是一种高增益低噪声分布式光纤振动传感系统信号处理装置及方法，设有2*2耦合器、2路PIN光电二极管、两路交流滤波电路、两路跨阻放大电路、信号差分单元以及信号解调单元，所述两路跨阻放大器实现电流信号到电压信号的转换；跨阻放大器的输入端接交流模块，输出端与信号差分单元相连接；与现有技术相比，采用两路跨阻输出结合交流滤波电路使得光电转换得到的电信号范围增大，进而使得输入光信号得到完全利用，增大输出信号；显著提高系统信噪比，增强系统测量能力。增强系统测量能力。

【技术实现步骤摘要】
高增益低噪声分布式光纤振动传感系统信号处理装置及方法

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[0001]本专利技术涉及分布式光纤传感系统
，具体的说是一种能够有效提高系统的信噪比，进而增加系统的探测距离的高增益低噪声分布式光纤振动传感系统信号处理装置及方法。

技术介绍
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[0002]分布式光纤振动传感系统利用OTDR原理，光源采用强相干光，经过声光调制器调制转换为脉冲光再经过放大后注入到传感光缆中，这样使得在光纤入射端接收到的瑞利散射信号是脉冲光脉冲宽度范围内各个点的瑞利散射光干涉后的结果。由于光源的相干性，接受的脉冲光可以看到明显的干涉效果。当传感光缆所处外界环境某一位置有振动信号作用于传感光缆时，该位置处散射光的相位便会发生变化，进而引起干涉信号的变化，因此通过检测干涉信号的变化情况便能够获得沿线整条传感光缆周围环境变化情况。该技术一般应用于管道安全监测，监测管道沿线的威胁事件，如管道挖掘机施工。
[0003]分布式光纤振动传感系统的信号处理一般采用直接探测方式或外差探测方式。直接探测方式具体为：光纤传感链路返回的干涉信号直接进行光电转换，再进行放大采集。直接探测时，获得的信号信噪比相对较差进而影响到探测距离，该方式下一般通过增加光学放大模块提高信噪比；外差探测方式具体为：光纤传感链路返回干涉信号与相干光源一部分本振光相干，获得差频信号，光同时从本振光获得能量实现光信号的放大，光外差探测不仅可以检测振幅调制的光信号，还可以检测频率调制和相位调制的光信号。相对于直接探测方式，外差探测从相干光源中获得能量，不需要采用额外的放大方式实现信噪比的提高，实现成本低，但是实现解调电路相对复杂。
[0004]现有分布式光纤振动传感系统外差探测。现有分布式光纤振动传感的外差探测设计如附图1所示：采用2*2耦合器实现两路相位相差180
°
的两路差频光信号，两路光信号接两个PIN管与运放搭建单路跨阻放大电路实现平衡光电探测系统的搭建，将光信号转换为电信号。
[0005]现有外差探测系统存在问题有：1、光信号没有得到完全的利用。单个跨阻运放的输出范围受限制，当光功率过大时运放输出信号会饱和，此时需要减小光信号保证电信号不失真，这样信号光不能得到完全利用。另外，通过减小跨阻值的大小可以减小信号的输出，但是相比于后续信号解调时还需经过比例放大，减小跨阻值不利于提高信噪比。另外，输出信号IF的差频项ω1由声光调制器(AOM)引入，声光调制器是相干的直流光转换成为脉冲光，同时引入频移。差频的频率一般在80MHz～200MHz不等，属于高频信号。受到当前技术水平的限制，单个跨阻运放输出的信号不会过高(因为信号大时，带宽会降低，从而使得信号存在一定程度的失真)，需要再次经过比例放大。
[0006]此外，现有技术中两个PIN管光信号增益不能严格一致，会引入噪声。见图2所示，当两个PIN管中获得光信号的增益一致时，两个PIN管的信号噪声会通过差分进行抵消；当两路光信号增益差异较大时，会引入噪声会，而实际使用时由于耦合器自带光纤的长度、熔
接质量一致性、PIN管响应度一致性等因素，两路光信号的增益不可能完全一致。由2*2耦合器得到相干后的信号包含由直流量以及差频信号，其中差频信号相差180
°
。图中I3＝I2
‑
I1，当两路PIN管的光信号增益一致时交流信号会翻倍，直流信号会变为0，此时光噪声也由于相减大大降低；当两路信号增益不一致时，会引入直流信号，光噪声同直流信号一样会变大。

技术实现思路
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[0007]本专利技术针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种能够有效提高系统的信噪比，进而增加系统的探测距离的高增益低噪声分布式光纤振动传感系统信号处理装置及方法。
[0008]本专利技术通过以下措施达到：
[0009]一种高增益低噪声分布式光纤振动传感系统信号处理装置，其特征在于，设有2*2耦合器、2路PIN光电二极管、两路交流滤波电路、两路跨阻放大电路、信号差分单元以及信号解调单元，其中所述2*2耦合器实现了两路光信号的差频，2*2耦合器的两路输入分别与光源输出本振光以及光纤传感链路返回的信号光相连接，输出两路带有差频信号的信号光分别与两路PIN光电二极管相连接；
[0010]所述的光电二极管主要用于光信号到电流信号的转换，光电二极管的尾纤分别与2*2耦合器的两路输出相连接，光电二极管的输出分别于两路交流滤波模块相连接；
[0011]所述交流滤波模块用于滤除PIN光电二极管输出的直流信号，交流模块采用电容及电阻搭建高通滤波电路实现，交流滤波模块输入与PIN光电二极管直接连接，输出接跨阻运放的反相端；
[0012]所述两路跨阻放大器实现电流信号到电压信号的转换；跨阻放大器的输入端接交流模块，输出端与信号差分单元相连接；
[0013]所述信号差分单元用于两路跨阻放大后电压信号的减法运算；信号差分单元的两个输入端分别于跨阻放大的输出端相连接，输出端接信号解调单元；
[0014]所述的信号解调单元用于实现信号的包络解调，信号解调单元的输入与信号差分单元相连接，信号解调单元的输出一般与采集设备连接。
[0015]本专利技术中跨阻放大器是采用运放以及反馈电路组成典型的跨阻放大结构(也称TIA)；运放选用跨阻放大专用运放，如0PA847、OPA657等均可实现。
[0016]本专利技术中信号差分单元包括有运放、电阻网络R3、R4、R5、R6以用于实现减法及放大运算，依据后续采集电路的要求，放大系数在5～10倍；信号差分单元还包括有电位器VR1，电位器用于单路信号微调保证相减的两路信号整条信号链路的放大系数抑制，使用时需要实时观察噪声大小进行调节。
[0017]本专利技术所述信号解调单元可以采用高速二极管如1N4148以及电容电阻搭建二极管包络解调电路实现信号解调最终得到DVS干涉信号，也可以使用包络检波芯片如ADL5910或ADL5904等芯片进行包络检波；信号解调单元的所解调载波频率一般在80MHz～200MHz，输出信号带宽在0～20MHz。
[0018]本专利技术还提出了一种高增益低噪声分布式光纤振动传感系统信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0019]步骤1：窄线宽分出的本振光与分布式光纤振动传感系统返回瑞利散射光与2*2耦合器的两个输入端相连接，在2*2耦合器中进行混频得到两路差频信号，差频信号的频率取决于脉冲调制器AOM的调制频率；步骤2：2*2耦合器输出两路差频信号，与两个PIN光电二极管相连接，两路光电二极管输出电流信号经过交流滤波电路后滤除直流信号再分别进入两路跨阻运放；
[0020]步骤3：两路跨阻运放得到两路差频电压信号，两路信号相位相差180
°
；
[0021]步骤4：差频电压信号经过信号差分单元进行差分，实现电压信号增大，并输出到解调电路中；
[0022]步骤5：信号解调电路提取差频信号的包络得到分布式光纤振动传感系统分析所需干涉信号。
[0023]本专利技术还包括为保证系本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高增益低噪声分布式光纤振动传感系统信号处理装置，其特征在于，设有2*2耦合器、2路PIN光电二极管、两路交流滤波电路、两路跨阻放大电路、信号差分单元以及信号解调单元，其中所述2*2耦合器实现了两路光信号的差频，2*2耦合器的两路输入分别与光源输出本振光以及光纤传感链路返回的信号光相连接，输出两路带有差频信号的信号光分别与两路PIN光电二极管相连接；所述的光电二极管主要用于光信号到电流信号的转换，光电二极管的尾纤分别与2*2耦合器的两路输出相连接，光电二极管的输出分别于两路交流滤波模块相连接；所述交流滤波模块用于滤除PIN光电二极管输出的直流信号，交流模块采用电容及电阻搭建高通滤波电路实现，交流滤波模块输入与PIN光电二极管直接连接，输出接跨阻运放的反相端；所述两路跨阻放大器实现电流信号到电压信号的转换；跨阻放大器的输入端接交流模块，输出端与信号差分单元相连接；所述信号差分单元用于两路跨阻放大后电压信号的减法运算；信号差分单元的两个输入端分别于跨阻放大的输出端相连接，输出端接信号解调单元；所述的信号解调单元用于实现信号的包络解调，信号解调单元的输入与信号差分单元相连接，信号解调单元的输出一般与采集设备连接。2.根据权利要求1所述的一种高增益低噪声分布式光纤振动传感系统信号处理装置，其特征在于，跨阻放大器是采用运放以及反馈电路组成典型的跨阻放大结构；运放选用跨阻放大专用运放实现。3.根据权利要求1所述的一种高增益低噪声分布式光纤振动传感系统信号处理装置，其特征在于，信号差分单元包括有运放、电阻网络R3、R4、R5、R6以用于实现减法及放大运算，依据后续采集电路的要求，放大系数在5～10倍；信号差分单元...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘永行，张妮娜，张凯，
申请(专利权)人：威海北洋光电信息技术股份公司，
类型：发明
国别省市：