基于对往返波二次调制的扰动源定位方法技术

本发明专利技术属于波传播中扰动源定位技术领域，具体涉及一种基于往返波二次调试的扰动源定位方法。一束波向前传播，遇到反射面后原路返回，称之为往返波，在其传播路径上某点处受到外界扰动源的影响，对向前传播的波和返回的波进行二次调制，调制产生的扰动信号可分解为多个频率的正弦分量的叠加，其中某些频率分量的两次调制效果相互抵消，在对调制波解调后，可获得这些特征频率对应幅值下陷的扰动信号的频谱曲线，从而由频谱曲线特征反推出扰动源和反射面之间的相对距离，完成定位。本发明专利技术适用于所有类型的往返波，适用于扰动源对波的所有参量进行的调制，应用范围广。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于波传播中扰动源定位
，具体涉及一种基于对往返波进行二次调制 的扰动源定位方法，可应用于涉及到各种类型的波在往返传播的过程中，波的各种参量被 扰动源所调制的所有领域。
技术介绍
波动是一种常见而重要的物理现象，几乎在国民生产、生活的所有领域都有涉及。在 波的传播过程中，会受到周围环境中各种扰动的影响，从而使波的某些参量产生变化，尤 其是波在长距离、大范围传输的应用中，常常需要确定这些扰动出现的具体位置，从而找 到这些扰动源进行消除干扰，或者利用这些扰动源进行传感监测。因此，需要一种通用的 定位方法，准确判断各种波的传播路径上扰动源出现的位置。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种对往返波的传播路径上出现的扰动源进行准确定位的方法。 ,本专利技术的定位方法如下，在波的传播路径上设置一个终端A， 一个反射面C，如图1 所示，终端A发出一束向前传播的波，在传播一定距离后遇到反射面C，被反射后沿原路 返回向后传播，称之为往返波B。在该往返波的传播路径上，由于在某一点处受到扰动源 D的影响，向前传播的波和返回的波同时受到扰动源D的调制，可看作扰动源D对往返波 进行了二次调制当波在向前的传播过程中在该点受到扰动源D对其产生的第一次调制， 然后在波到达反射面C并被向后反射传播的过程中，该波受到同一扰动源D在不同时刻的 第二次调制，两次调制之间具有时间差T，可表达如下其中L为扰动源D到反射面C之间的距离，V为波的传播速度。扰动源D通过对波的调制，产生的扰动信号^0包含多个频谱成分，可分解为多个频 率的正弦分量的扰动叠加，如下式所示P(O = Z^(^,力=sin(w'0 (2)其中=m, sin(w力为频率为w,的正弦分量的扰动信号，m'为由频率为w,的扰动分量 信号幅度大小决定的一个加权系数，t为时，/为分量序号。当往返波B经过扰动源D的二次调制后，两次调制的效果叠加为^(0，式(2)改写为= Z = sin( /) + w, sin(w,./1 + w,!1)] (3)其中T为两次调制之间的时间差。现在只考虑其中频率为《的单一正弦分量的扰动，对应频率w的两次调制的效果叠加为^0力，如下式所示=sin(6^) + m sin， . 2"r "、=2m cos-sin- (4)2 2其中m为频率为w的扰动分量对应的加权系数。将式(1)代入式(4)可得p2(&),0 = 2附coS"^sinA丄、 "一(5)w丄cos——由式(5)可知，当K =0时，即当2 (k=l， 2， 3......) (6)时，％(ftU)=0，其中k为自然数。此时，频率为w的扰动分量两次调制的效果为零。即对应于给定的距离L，必然存在某些频率的扰动分量，使得在扰动源D对往返波B的二次 调制过程中，这些频率分量对应的两次调制作用相互抵消，叠加后的调制效果为零。二次调制后的往返波B返回到终端A，经过解调后，对总的扰动信号A(r)进行频域分析，其中频率w对应的扰动分量二次调制叠加的效果为零，在频域谱上表现为该特征扰 动频率w对应的幅度明显小于周边频率的幅度，如图3所示，存在所谓"陷波点"。找到 频率"后，根据式(6)即可求得L，从而获得扰动源D相对于反射面C的位置信息。由式(6)可知，当k取值不同时，L对应多个特征频率，因此在扰动信号^W的频 域谱上由原点开始，存在多个"陷波点"，分别对应式(6)中k取l， 2， 3……的情况， 其中每个特征频率都可以求得L的大小，将多个特征频率得到的L值求均值，可增加系统 的定位精度。 一般取k为5-10为宜。同时，L的精度还取决于终端A的具体组成结构、 性能，以及具体的分析处理软件。本专利技术的，是通过对往返波的二次调制，利 用某些扰动频率分量的两次调制效果相互抵消的特点，获得这些特征频率对应幅值下陷的 扰动信号频谱曲线，从而由频谱曲线反推出扰动源和反射面之间的相对距离。' 本专利技术的基于对往返波二次调制的扰动源定位系统，包括一个终端， 一束往返传播的 波， 一个扰动源， 一个反射面。终端发射出一束波，该波经过一段传播距离后，遇到一个 反射面，该波被反射后沿原路返回传播，并进入终端被接收到；在该往返波传播的路径上 某点处，有一扰动源，该扰动源同时对向前传播的波和返回的波进行二次调制。本专利技术中，所述的往返波包括所有以波动方式进行的能量传播，包括电磁波等的横波， 也包括声波等的纵波。本专利技术中，所述的终端包括所有能够对该往返波进行发射和接收操作，并对接收到的 波的信息进行分析处理的具体装置，包含必要的软件系统。本专利技术中，所述的反射面包括所有能对该往返波进行反射，并使其沿原来的传播路径 返回至终端的反射面。本专利技术中，所述的扰动源包括所有能对该往返波进行调制的扰动发生的源头，其出现 的位置可以在终端至反射面之间的任意地点。本专利技术中，所述的对波的调制，其具体调制方式根据扰动源和往返波的具体特征而定， 包括对波的相位、振幅、波长、频率、偏振态等所有可以加载外界信息的参量的调制。本专利技术中，所述的对信号的解调和分析处理，根据该往返波被调制的具体方式和终端 的具体组成结构，而具有各种对应的具体方式。 附图说明图1是本专利技术工作的系统示意图。 ,图2是本专利技术具体实施例的结构示意图。图3是本专利技术具体实施例中用于对扰动源定位的频谱曲线图。图中标号A为终端，B为往返波，C为反射面，D为扰动源，L为扰动源D到反射 面C之间的距离。1为光源，2为第一光电探测器，3为第二光电探测器，4为3X3光纤 耦合器，5为2X2光纤耦合器，6为光纤延迟线，7为第一光纤跳线，8为第二光纤跳线， 9为信号处理装置。 具体实施例方式下面以在光纤中往返传播的光波为例，进一步描述本专利技术。设光纤在某点处受到扰动 源的影响而产生振动，从而对光纤内部传播的光波的相位进行调制，为了提取光波的相位 变化信息，采用了宽光谱干涉的光路结构，将光源发出的一束光波分为两路，其中一路增加时间延迟，然后再合并到一根光纤中传输，使得两束光波以一定的时间差在同一根光纤 中传播，分别受到扰动源的二次调制，两束光波干涉后进入探测器，最后根据干涉信号中 频谱缺损的位置，实现对扰动源的定位功能。请参阅图2，由图可见，本具体实施例包括终端A，传输光纤B (即往返波)，反射面 C，扰动源D。其中，终端A中包括宽光谱光源1，光电探测器2、 3， 3X3光纤耦合器4， 2X2光纤耦合器5，光纤延迟线6，光纤跳线7、 8，信号处理装置9。其中光纤跳线7、 8 3i接3X3光纤耦合器4和2X2光纤耦合器5，光纤延迟线6制作在光纤跳线7上。本具体实施例的光路特征是宽光谱光源1发出的连续光波进入3X3光纤耦合器4 后，被分为3个光分量，只利用其中的两个光分量，其中进入第二光纤跳线8的光分量直 接进入2X2光纤耦合器5中；进入第一光纤跳线7的光分量经过光纤延迟线6，产生了延 时t后，再进入2X2光纤耦合器5;光纤跳线7、 8中的两个光分量在2X2光纤耦合器5 中合并后进入传输光纤B，因此，在传输光纤B内部传播的是两个具有时间差t的光分量， 这两个光分量经过长距离的向前传播后，遇到传输光纤B末端的反射面C，被反射后沿传 输光纤B原路向后传播，至2X2光纤耦合器5后，原来具有时间差t的两个光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于对往返波二次调制的扰动源定位方法，其特征在于具体步骤如下：　在于在波的传播路径上设置一个终端Ａ，一个反射面Ｃ，由终端Ａ发出一个波，向前传播，到反射面Ｃ后被反射沿原路返回，形成往返波Ｂ，扰动源Ｄ在往返波Ｂ路径上的任意位置，往返波 被扰动源两次调制之间的时间差Ｔ和扰动源到反射面之间的距离Ｌ具有如下关系：　Ｔ＝２Ｌ／Ｖ　（１）　其中Ｖ为波速；　将扰动源产生的扰动信号φ（ｔ）分解为多个频率的正弦分量的扰动叠加：　φ（ｔ）＝＊φ（ω↓［ｉ］，ｔ）＝ ＊ｍ↓［ｉ］ｓｉｎ（ω↓［ｉ］ｔ）　（２）　其中ｍ↓［ｉ］为由频率为ω↓［ｉ］的扰动分量信号幅度大小决定的加权系数，ｔ为时间；　当往返波经过扰动源的二次调制后，两次调制的效果叠加为φ↓［２］（ｔ）：　φ↓［２］（ｔ）＝＊ ［φ（ω↓［ｉ］，ｔ）＋φ（ω↓［ｉ］，ｔ＋Ｔ）］＝＊［ｍ↓［ｉ］ｓｉｎ（ω↓［ｉ］ｔ）＋ｍ↓［ｉ］ｓｉｎ（ω↓［ｉ］ｔ＋ω↓［ｉ］Ｔ）］　（３）　只考虑其中频率为ω的单一正弦分量的扰动时，对应频率ω的两次调制的效果叠加为φ↓［２］ （ω，ｔ）：　φ↓［２］（ω，ｔ）＝φ（ω，ｔ）＋φ（ω，ｔ＋Ｔ）＝ｍｓｉｎ（ωｔ）＋ｍｓｉｎ［ω（ｔ＋Ｔ）］＝２ｍｃｏｓωＴ／２ｓｉｎ（２ｔ＋Ｔ）／２　（４）　其中ｍ为加权系数，将式（１）代入式（４）得：　φ↓［２］（ ω，ｔ）＝２ｍｃｏｓωＬ／Ｖｓｉｎ（ｔ＋Ｌ／Ｖ）　（５）　当式（５）中ｃｏｓωＬ／Ｖ＝０时，即当：　Ｌ＝πＶ／ω（ｋ＝１／２），ｋ＝１，２，３……　（６）　时，φ↓［２］（ω，ｔ）＝０，其中ｋ为自然数；此时，频率为ω的 扰动分量两次调制的作用相互抵消，效果为零；　通过对二次调制后的往返波进行解调处理，将扰动信息进行频谱分析，找到特征频率ω，根据式（６）即求得扰动源到反射面之间的距离Ｌ，实现定位；　所述的反射面Ｃ为能对波进行反射，并使波沿原来的传 播路径返回的反射面；　所述的终端Ａ为能够对所述的往返波进行发射和接收操作，并对接收到信息进行分析处理的装置。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：贾波，赵栋，唐璜，吴红艳，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]