一种针对微弱信号检测的光纤干涉方法及系统技术方案

本发明专利技术属于光纤传感技术领域，具体为一种针对微弱信号检测的光纤干涉方法及系统。本发明专利技术通过在干涉系统中引入相位调制器，在被测微弱信号带宽以外的某一频率引入大幅度的相位调制信号，间接使微弱信号达到发明专利技术装置的满幅，从而满足了基于耦合器的相位解调算法中必须使用满幅信号进行直流补偿和归一化的要求。同时，本发明专利技术提出一种精确计算耦合器初始相位的算法，避免了耦合器不对称造成初始相位不确定的问题，实现对相位信号的准确解调。本发明专利技术大大提高了光纤分布式干涉系统的普适性；可广泛应用于电力传输线，天然气管道和石油管道的安全监测领域；也可以应用于大型建筑物例如水坝，隧道，矿井等的安全监测。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术属于光纤传感
，具体为一种针对微弱信号检测的光纤干涉方法及系统。本专利技术通过在干涉系统中引入相位调制器，在被测微弱信号带宽以外的某一频率引入大幅度的相位调制信号，间接使微弱信号达到专利技术装置的满幅，从而满足了基于耦合器的相位解调算法中必须使用满幅信号进行直流补偿和归一化的要求。同时，本专利技术提出一种精确计算耦合器初始相位的算法，避免了耦合器不对称造成初始相位不确定的问题，实现对相位信号的准确解调。本专利技术大大提高了光纤分布式干涉系统的普适性；可广泛应用于电力传输线，天然气管道和石油管道的安全监测领域；也可以应用于大型建筑物例如水坝，隧道，矿井等的安全监测。【专利说明】—种针对微弱信号检测的光纤干涉方法及系统
本专利技术属于光纤传感
，具体涉及一种针对微弱信号检测的光纤干涉系统。
技术介绍
维护基础设施的安全是社会稳定，经济快速发展的一个基本要求。当前，我国对于油气管道，电网等基础设施的监测主要依据设施自身的一些生产参数(压力突降，中间站油罐液位的不正常变化)和人工巡视，路人的报告等手段。这些手段技术含量低，普遍存在效率低，实时性差，反应时间长，抗干扰能力差等缺陷，常常是监测设施遭到破坏后才能报警，实用性受自然和人为双重因素的制约。这种“亡羊补牢式”的事后检测技术，只可能减少而不能避免损失。特别是受电磁干扰的影响，对长距离管线的监测，不可能实施可靠电的方式进行传感监测。因此，光纤传感技术将成为进行电力，油气管道等行业的安全监测的主要技术手段。对于干涉型光纤传感器，其基本的传感机理是，在待测场能量的作用下，使光纤中传播的光波发生相位变化，再以干涉测量技术把相位变化转换为振幅变化，实现待测物理量的测量。正由于采用了干涉技术，在实际应用中，必须首先采用适当的信号处理技术将外界扰动引起的相位差信号从干涉信号中提取出来。目前，应用较多的是基于3X3耦合器相位调制和解调技术进行的相位检测方法。图1是一种基于3X3 f禹合器相位调制和解调的分布式光纤传感系统。图1中，干涉光源，光纤干涉组件，反馈装置，探测器及信号处理单元构成该光纤传感系统。光纤干涉组件由第一光纤分路器，光纤延迟线，第二光纤分路器连接组成。其中，第一光纤分路器是一个3X3光纤稱合器,光从光纤干涉组件的3X3稱合器的一端口输入,亦从干涉组件的3 X 3耦合器的其他端口和输出，并最终进入探测器及信号处理单元。图2为另一种采用3X3耦合器进行相位调制和解调的基于波分复用技术的光纤分布式监测定位干涉系统。其采用波分复用的技术，使得如图1所示的两个不同波长的干涉系统可以复用光源，光纤干涉组件和传感光纤。通过基于3X3耦合器的信号解调算法，使同一扰动获得两个不同的相位差信号。图2中，干涉系统由干涉光源，光纤干涉组件，感应光纤，反馈装置，探测器及信号处理单元构成。光纤干涉组件由第一光纤分路器，光纤延迟线和第二光纤分路器连接组成。其中，第一光纤分路器是一个3X3光纤耦合器。第二光纤分路器是一 2 X 2光纤耦合器，反馈装置由第一波分复用器，第一光纤，第一反射装置，第二光纤和第二反射装置构成。其中第一波分复用器为一波分复用器。因此，光纤干涉组件和感应光纤，第一波分复用器，第一光纤和第一反射装置共同形成光波λ I的干涉光路；光纤干涉组件和感应光纤，第一波分复用器，第二光纤和第二反馈装置共同形成光波λ2的干涉光路。光从光纤干涉组件的3X3稱合器的一端口输入,亦从干涉组件的3X3稱合器的其它端口输出，分别进入第二波分复用器和第三波分复用器，并最终进入探测器及信号处理单元。对于图1或图2所示干涉系统，通过基于3X3耦合器的相位调制和解调的方法，可以将相位信号从干涉信号中恢复出来，从而获得外界扰动信息。在相位解调的过程中，直流补偿和归一化过程均需要满足外界扰动信号达到干涉仪的满幅的要求。对于无法满足该要求的微弱信号，就无法对其进行准确的相位解调，从而导致扰动位置的错误判断，使系统的测量能力受到了限制。同时，考虑到3X3耦合器无法满足对称结构，SP【权利要求】1.一种针对微弱信号检测的光纤干涉方法，其特征在于:采用改进的基于3X3耦合器的相位还原算法，获得外界扰动引起的相位差信号，具体步骤如下: (O在干涉系统中引入相位调制器，并在该相位调制器上加载大幅度的相位信号Φ cos (ω t)，使干涉信号达到干涉系统的满幅； (2)当监控线路D处有微弱信号扰动时，在光接收端产生的具有一定相位差的干涉信号，经过光电转换及直流滤除后，探测器及信号处理单元探测到的干涉信号的交流分量分别为: 2.一种基于权利要求1所述方法的针对微弱信号检测的光纤干涉系统，其特征在于:其包括干涉光源、光纤干涉组件、相位调制器、反馈装置和探测器及信号处理单元；所述光纤干涉组件由第一光纤分路器、光纤延迟线和第二光纤分路器连接组成，所述第一光纤分路器是3 X 3光纤耦合器，第二光纤分路器是2 X 2光纤耦合器；其中:当所述反馈装置由反射装置单独构成时，在所述光纤干涉组件和反馈装置之间的感应光纤上串接相位调制器；当所述反馈装置由一波分复用器通过第一光纤和第二光纤分别连接两个反射装置而构成时，在所述光纤干涉组件和反馈装置之间的感应光纤上串接相位调制器，或者在第一光纤和第二光纤上分别串接相位调制器，所述相位调制器上所加载的相位信号达到干涉系统的满幅，实现对相位信号的准确解`调。【文档编号】G01D5/26GK103674080SQ201310698568【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月18日 优先权日:2013年12月18日 【专利技术者】贾波, 肖倩, 吴媛, 卞庞 申请人:复旦大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种针对微弱信号检测的光纤干涉方法，其特征在于：采用改进的基于3×3耦合器的相位还原算法，获得外界扰动引起的相位差信号，具体步骤如下：（1）在干涉系统中引入相位调制器，并在该相位调制器上加载大幅度的相位信号φcos(ωt)，使干涉信号达到干涉系统的满幅；（2）当监控线路D处有微弱信号扰动时，在光接收端产生的具有一定相位差的干涉信号，经过光电转换及直流滤除后，探测器及信号处理单元探测到的干涉信号的交流分量分别为：上式中，A(t)，B(t)为经两路放大器分别放大后所产生的幅度系数，φcos(ωt)为载波信号，为扰动信号对应的相位差，为3×3耦合器的初始相位；由于载波信号φcos(ωt)的变化达到干涉系统的满幅，因此可准确地获得IPD1和IPD2的最大值(IPD1)max，(IPD2)max和最小值(IPD1)min，(IPD2)min；对干涉信号进行直流补偿和归一化，得到：由此算出一个周期内的相位：（3）对进行计算，实现准确的初始相位解算，即：其中：[I'PD1‑I'PD2]max和[I'PD1‑I'PD2]min分别为I'PD1‑I'PD2的最大值和最小值；经过以上改进的基于3×3耦合器的相位还原算法获得的相位信号经过周期 拓展后，表示为：其中：[I'PD1‑I'PD2]max和[I'PD1‑I'PD2]min分别为I'PD1‑I'PD2的最大值和最小值；（4）将相位还原后得到的高频相位信号通过低通滤波器将高频信号φcos(ωt)去除，从而得到FDA0000440452240000011.jpg,FDA0000440452240000012.jpg,FDA0000440452240000013.jpg,FDA0000440452240000014.jpg,FDA0000440452240000015.jpg,FDA0000440452240000016.jpg,FDA0000440452240000017.jpg,FDA0000440452240000018.jpg,FDA0000440452240000019.jpg,FDA00004404522400000110.jpg,FDA0000440452240000021.jpg,FDA0000440452240000022.jpg,FDA0000440452240000023.jpg...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：贾波，肖倩，吴媛，卞庞，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31