一种使用多载波探测脉冲的光传感系统及方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种使用多载波探测脉冲的光传感系统及方法。

背景技术

与传统的离散式传感器不同，分布式光纤传感器能够对光纤周围的环境进行全面监测。其中基于背向瑞利散射光波(RBS)的光纤分布式传感技术由于具有超高灵敏度、测量范围大和环境适应性强等独特优点，已经成为国内外的研究热点。它可以利用传感光纤中反向散射的光来检测和分析传感光纤上外部物理场引起的扰动。近年来，随着研究的不断深入，探索了许多分布式光纤传感潜在的应用，并且它已经在许多实际应用中部署，例如石油和天然气管道监测，地震监测，周界安全，交通和铁路监测，以及电信光缆的维护。总之，分布式光纤传感器正在成为必不可少的传感技术，其潜在的应用市场是巨大的。

基于RBS的相敏光时域反射计(Φ-OTDR)利用光子与光纤内固有缺陷的相互作用，这些缺陷通常是玻璃中折射率的波动。Φ-OTDR利用具有高度相干性的窄线宽激光器作为光源，将激光脉冲发送到光纤，并且询问来自固有光纤缺陷的瑞利反向散射光。当光纤某个位置处发生扰动时，该处光纤的折射率分布将因受到应变与弹光效应的作用而发生改变。因此，其对应的瑞利背向散射光之间的干涉模式会受到影响，使得瑞利背向散射光强度发生显著的变化。通过探测瑞利散射光强度的改变，可以实现扰动定位。由于折射率涨落是随机的，瑞利背向散射光强度与光纤应变幅度之间不存在线性关系，这意味着无法通过瑞利散射光强度的变化准确测量应变信号的时域信息。然而相位提供了对应变的线性响应，这让扰动信号的完整重建成为了可能。

然而，由于折射率的随机空间分布和光源的高相干性，RBS在相位解调过程中可能遭受相干衰落。具体表现为背向散射光强在某些区域的剧烈下降，严重劣化的信噪比无法支撑相位的正确解调，导致定位误差和重建信号的失真。这种现象将大大降低系统的可靠性。

衰落点的位置已被证明与激光器的中心频率有关。因此，通过用不同频率的光脉冲探测光纤，可以抑制相干衰落的影响。有许多方案使用多个频率来消除干扰衰减。例如，使用多个激光器或声光调制器(AOM)来产生不同中心频率的光信号，但这无疑会增加实验设备的成本。衰落抑制也可以通过使用双极性编码来实现，但解调过程很复杂，因为双极性和单极性之间的转换需要多组脉冲来实现编码和解码，这也会牺牲系统响应带宽。因此设计一个简单易实现的多载波探测方案，提升分布式光纤传感器的实时性能并高效抑制干涉衰落是非常有意义。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种使用多载波探测脉冲的光传感系统及方法。

一种使用多载波探测脉冲的光传感系统，该光传感系统包括：激光器、第一耦合器、声光调制器、任意波形发生器、掺饵光纤放大器、光学滤波器、环形器、待测传感光纤、偏振控制器、第二耦合器、平衡光电探测器、采集卡和数字信号处理模块；

激光器输出端连接第一耦合器输入端，第一耦合器输出端分别连接声光调制器第一输入端和偏振控制器输入端，任意波形发生器连接声光调制器第二输入端，声光调制器输出端连接掺饵光纤放大器输入端，掺饵光纤放大器输出端连接光学滤波器输入端，光学滤波器输出端连接环形器第一端口，环形器第二端口连接待测传感光纤，偏振控制器输出端和环形器第三端口均连接第二耦合器输入端，耦合器输出端连接平衡光电探测器输入端，平衡光电探测器输出端连接采集卡输入端，采集卡输出端连接数字信号处理模块；

激光器输出高度相干的连续光信号，连续光信号由第一耦合器分成两路，一路作为本振光信号，另一路作为探测光进入声光调制器中；

任意波形发生器生成强度调制的多载波脉冲电信号，并以此驱动声光调制器将探测光信号调制为多载波脉冲光信号，所述多载波脉冲光信号依次经过掺铒光纤放大器和光学滤波器，并通过环形器注入待测传感光纤中；

由待测传感光纤传回的背向瑞利散射光信号通过环形器返回并与本振光信号拍频，拍频信号进入平衡光电探测器的信号端口，并被转换为电信号，采集卡对所有电信号进行数据采集，采集到的数字信号数据由数字信号处理模块解调出传感信号。

进一步地，在该光传感系统中，任意波形发生器需要和采集卡进行时钟同步，且所述采集卡需要由任意波形发生器提供与驱动声光调制器的调制信号同步的触发信号。

进一步地，所述偏振光控制器用于控制光的偏振，所述第二耦合器用于将背向瑞利散射光和本振光信号混合，然后再输入平衡光电探测器中。

进一步地，所述激光器为超窄线宽激光器。

进一步地，所述声光调制器为模拟型声光调制器。

进一步地，激光器、第一耦合器、声光调制器、掺饵光纤放大器、光学滤波器、环形器、待测传感光纤、偏振控制器、第二耦合器、平衡光电探测器之间通过单模光纤连接；任意波形发生器和声光调制器之间通过同轴电缆连接，平衡光电探测器、采集卡和数字信号处理模块之间也是通过同轴电缆连接。

一种使用多载波探测脉冲的光传感方法，基于所述的光传感系统实现，主要包括：

S1：激光器发射的连续光通过第一耦合器分光分成探测光和本振光信号，设计强度调制的多载波脉冲序列，将所述多载波脉冲序列输入任意波形发生器，产生多载波电信号以驱动声光调制器，实现对探测光的强度调制，得到多载波脉冲光信号，将所述脉冲光信号注入待测传感光纤中；

S2：采集待测传感光纤中的背向瑞利散射光信号和所述本振光信号进行拍频，得到拍频信号；

S3：对拍频信号做解调处理，提取和组合子载波对应的探测数据，得到传感数据，实现对相干衰落的抑制。

进一步地，生成强度调制的多载波脉冲光信号序列，具体包括：

首先生成一个全部为零的序列，然后在该序列的对称位置用两个共轭复数X+iY和X-iY代替，X、Y均为实数，i为虚数单位，这个序列作为一个频域序列，对该序列进行傅里叶逆变换，得到该频率序列对应的时间序列。事实上这个步骤生成了一个带有初始相位的正弦波序列。然后对生成的正弦波波形上选择合适的阈值进行切割以适应声光调制器的调制。在切割的过程中会产生频率谐波，从而实现多个子载波。切割需要选中合适的阈值，保留阈值以上的部分，阈值以下的部分设置一个合适的直流量DC，该直流量DC小于原来的幅度：

其中amplitude表示切割前的正弦波形幅值，amplitude'表示切割后的波形幅值，threshold表示设置的阈值。

进一步地，由拍频电信号解调出传感数据，具体包括：

首先使用下变频操作将拍频信号中由声光调制器引入的移频量去除；

然后对移动到基频的多载波信号在频域中进行带通滤波，将每个子载波信号滤出或者选择其中能量较大的几个子载波滤出；

对频域中滤出的子载波信号进行傅里叶逆变换，得到不同频率脉冲探测的结果；

将这些结果通过旋转矢量和的方法进行矢量合成，以组合后的矢量作为传感数据。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：激光器发射的连续光通过第一耦合器分光分成探测光和本振光信号，设计强度调制的多载波脉冲序列，将所述多载波脉冲序列输入任意波形发生器，产生多载波电信号以驱动声光调制器，实现对探测光的强度调制，得到多载波脉冲光信号，将所述脉冲光信号注入待测传感光纤中；采集待测传感光纤中的背向瑞利散射光信号和所述本振光信号进行拍频，得到拍频信号；对拍频信号做解调处理得到传感数据，提取和组合子载波对应的探测数据，实现对相干衰落的抑制。其中，探测光信号转换为多载波脉冲光信号，产生的多个带宽可控子载波均可被简单滤出，实现多个频率的等效探测，通过对多个频率结果的应用可以有效抑制干涉衰落；同时，该方案使用特殊设计的脉冲实现多个频率探测仅仅需要简单的强度调制，这只需要一个模拟型的声光调制器即可做到，而不是使用多个窄线宽激光光源或多个声光调制器，并没有大幅改动传感平台，实验成本较低；此外该方案仍然是单个脉冲完成一次探测而不是编码方案的脉冲组，显然该方案更加高效简便。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例中基于多载波脉冲的分布式光传感系统图。

图2是本发明实施例中一种使用多载波探测脉冲的光传感方法的流程图。

图3是本发明实施例中强度调制多载波脉冲序列数据的示意图。

图4是本发明实施例中基于强度调制的多载波脉冲光信号序列数据的时域和频域的示意图。

图5是本发明实施例中基于多载波脉冲的分布式光传感系统接收到拍频信号实测数据经过下变频后的频域的示意图。

图6是本发明实施例中从多载波信号中提取不同子载波信号的滤波示意图。

图7(a)是本发明实施例中从单个子载波信号解调出的相位时空的示意图。

图7(b)是本发明实施例中结合5个子载波信号解调出的相位时空的示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明的实施例提供了一种使用多载波探测脉冲的光传感系统及方法。

如图1所示，一种使用多载波探测脉冲的光传感系统，包括：激光器、第一耦合器、声光调制器(AOM)、任意波形发生器(AWG)、掺饵光纤放大器(EDFA)、光学滤波器(BPF)、环形器、待测传感光纤、偏振控制器、第二耦合器、平衡光电探测器、采集卡和数字信号处理模块；

激光器输出端连接第一耦合器输入端，第一耦合器输出端分别连接声光调制器第一输入端和偏振控制器输入端，任意波形发生器连接声光调制器第二输入端，声光调制器输出端连接掺饵光纤放大器输入端，掺饵光纤放大器输出端连接光学滤波器输入端，光学滤波器输出端连接环形器第一端口，环形器第二端口连接待测传感光纤，偏振控制器输出端和环形器第三端口均连接第二耦合器输入端，耦合器输出端连接平衡光电探测器输入端，平衡光电探测器输出端连接采集卡输入端，采集卡输出端连接数字信号处理模块。

激光器输出高度相干的连续光信号，连续光信号由第一耦合器(90:10)分成两路，一路90％的光信号作为探测光进入声光调制器中，另一路为10％的光信号作为本振光信号；所述偏振光控制器用于控制光的偏振，所述第二耦合器(50:50)用于将背向瑞利散射光和本振光信号混合，且第二耦合器输出的两路信号功率均衡，然后再输入平衡光电探测器中。

任意波形发生器生成强度调制的多载波脉冲电信号，并以此驱动声光调制器将探测光信号调制为具有多个子载波频率成分的多载波脉冲光信号，本实施例中使用的声光调制器具有200MHz的移频量，所述多载波脉冲光信号依次经过掺铒光纤放大器和光学滤波器，并通过环形器注入待测传感光纤中；待测传感光纤上绑有一个压电陶瓷，在压电陶瓷上加载信号用于模拟扰动情景。

由待测传感光纤传回的背向瑞利散射光信号通过环形器返回并与本振光信号拍频，得到拍频信号，拍频信号进入带宽为350MHz的平衡光电探测器的信号端口，并被转换为电信号，采集卡以1GSa/s的采样率对电信号进行数据采集，采集到的数字信号数据由电脑上的数字信号处理模块解调出传感信号。

在该光传感系统中，任意波形发生器需要和采集卡进行时钟同步，且所述采集卡需要由任意波形发生器提供与驱动声光调制器的调制信号同步的触发信号。

所述激光器为超窄线宽激光器。所述声光调制器为模拟型声光调制器(AOM)。

光学接口之间通过单模光纤连接，电学接口之间通过同轴电缆连接，即激光器、第一耦合器、声光调制器、掺饵光纤放大器、光学滤波器、环形器、待测传感光纤、偏振控制器、第二耦合器、平衡光电探测器之间通过单模光纤连接；任意波形发生器和声光调制器之间通过同轴电缆连接，平衡光电探测器、采集卡和数字信号处理模块之间也是通过同轴电缆连接。

请参考图2，图2是本发明实施例中一种使用多载波探测脉冲的光传感方法的流程图，具体包括：

S1：激光器发射出来连续光，经过90：10的第一耦合器进行分光，分出来的一路10％的连续光作为本振光信号，另一路90％的连续光作为探测光，探测光用于转换为打入传感光纤的脉冲光信号，本振光信号用来和传感光纤返回来的背向瑞利散射光拍频；经过多载波脉冲的调制方式，设计强度调制的多载波脉冲序列，将所述多载波脉冲序列输入任意波形发生器，产生多载波电信号以驱动声光调制器，将探测光转换为强度调制的具有多个子载波频率成分的多载波脉冲光信号，将转换后的多载波脉冲光信号打入待测传感光纤中；

S2：采集由待测传感光纤传回的背向瑞利散射信号和本振光信号拍频后得到的拍频信号。

由于打进去的探测探测光本身就是多载波的，在频域上有多个子载波，而由探测光在光纤传输过程中产生的背向瑞利散射光信号也是多载波的。这是因为瑞利散射是一种弹性散射，因此散射光和探测光一样也是多载波的，在频域上由多个子载波。当背向瑞利散射光和本振光拍频后，光电探测器将光信号转化成的电信号在频域上也是多个子载波的结构，后续的数字信号处理就是围绕多个子载波信号来展开的。

Φ-OTDR是一种通过解析背向瑞利散射信号来获取光纤链路上扰动的信息，所以本发明需要收集背向瑞利散射信号，使用的是相干探测的结构，这是一种收集的方式，其特点就是返回来的背向瑞利散射光信号与本振光信号需要拍频，这个拍频信号里有背向瑞利散射信号的信息。通过分析拍频信号就能解析出背向瑞利散射信号的特征，从而获取光纤链路上扰动信息，而背向瑞利散射是由注入光纤的探测光在光纤传输过程中产生的。

S3：对拍频信号进行进一步处理，提取和组合子载波对应的探测数据，解调出传感数据，实现对相干衰落的抑制。

本实施例中，将探测光信号转换为多载波光信号，具体包括：利用强度调制的多载波脉冲光信号产生多载波脉冲电信号；通过多载波脉冲电信号驱动模拟型声光调制器，将探测光信号转换为多载波脉冲光信号。

利用强度调制的多载波脉冲光信号产生多载波脉冲电信号之前，还包括：先设计出单频的正弦波形，经过阈值切割和修饰处理，生成子载波带宽可控的强度调制多载波脉冲光信号。

生成强度调制的多载波脉冲光信号序列，其流程如图3所示，具体包括：

首先生成一个全部为零的序列，实施例中生成了长度为100的序列。然后在该序列的对称位置用两个共轭复数X+iY和X-iY代替，X、Y均为实数，本实施例中设置X＝1，Y＝1。这个序列作为一个频域序列，对该序列进行傅里叶逆变换，得到该频率序列对应的时间序列。事实上这个步骤生成了一个带有初始相位的正弦波序列。然后对生成的时域波形上选择合适的阈值进行切割以适应声光调制器的调制。切割过程可以看成一种加矩形窗操作，在切割的过程中会产生频率谐波，从而实现多个子载波。切割需要选中合适的阈值，保留阈值以上的部分，阈值以下的部分设置一个合适的直流量DC，该直流量DC小于原来的幅度：

其中amplitude表示切割前的正弦波形幅值，amplitude'表示切割后的波形幅值，threshold表示设置的阈值。

将采用上述方法产生的长度为100的序列，即100个数据点作为调制部分，但是由于φ-OTDR系统的特点，用于探测的光需要脉冲光，即一部分是有光信号的，一部分是没有光信号的，所以需要根据光纤长度对所对应的光脉冲的重复频率补0，以形成一个完整的脉冲周期。最终在频域上形成多个子载波。通过控制原先频域序列的长度和最终载入AWG的采样率，可以实现控制所产生的多载波信号中每个子载波的带宽。设置光脉冲的重复频率为40kHz，光脉冲的脉冲宽度为100ns。结合使用的AWG采样率为1GSa/s，可以产生的带宽为20MHz。本实施例中的设计脉冲的时域和频域如图4所示。

采集所设计的光脉冲在待测光纤中产生的背向瑞利散射光信号与本振光信号的拍频信号，使用平衡光电探测器将拍频信号转换为电信号，电信号的复数形式用

式中，N为整个FUT中的散射次数，τ

式

本实施例中，由拍频电信号解调出传感数据，具体包括：

首先将拍频信号中由声光调制器引入的移频量去除，使用下变频操作。由于实施例中所使用的声光调制器带有200MHz的移频量，因此在接收信号后对采集到的信号分别乘以cos(2πft)和sin(2πft)，这里f即为200MHz，得到IQ分量，接着把同向分量I和正交分量Q当作实部和虚部加起来，通过数字平方得到背向散射光强，对其进行快速傅里叶变换可以得到频谱搬移后的频域图，如图5所示，可以看出实验数据的频谱与设计的多载波信号序列数据的频谱可以对应。

然后对移动到基频的多载波信号在频域中进行带通滤波，将每个子载波信号滤出或者选择其中能量较大的几个子载波滤出。事实上，脉冲响应的整个频段都包含干扰信息，因此每个子载波都可以被提取出来独立恢复干扰信息。将中间能量最大的五个子载波利用20MHz的带通滤波器提取出来，提取的示意图如图6所示。对每个子载波进行编号处理以便于说明。定义能量最高的中心子载波为0阶子载波，记录为子载波S

对频域中滤出的子载波信号进行傅里叶逆变换，得到的结果可以看成不同频率的探测脉冲收集到的信息。这些信号的幅值和衰落点位置不同，这也符合使用不同探测频率消除相干衰落的原则。

本实施例中，为了减少衰落点并保留相位信息，需要使用旋转矢量和的方法将这些信号组合起来。旋转矢量和是一种有效消除衰落点的多频组合方式。将这些复矢量结果通过旋转矢量和的方法进行矢量合成，以组合后的矢量作为传感数据。

具体的，先将每一个频率(假设从多载波中提取出m个子载波频率)对应的探测结果按照触发周期分组，即分出时间t

其中，

复数不能直接相加的原因就是初始的相位角的存在，为了去除它的影响，可以以t1时间的第一次探测得到的瑞利信号的归一化的共轭作为参考，即

如图7(a)所示为单个子载波探测得到的相位结果，可以看到在实验设置的扰动点以外仍有许多由相干衰落引起的相位解调的错误。如图7(b)所示为使用本发明所提出的多载波脉冲探测得到的相位结果，实施例中使用了能量最大的五个子载波进行旋转矢量和合成的后的相位解调结果，可以看出最终相位在没有扰动的地方表现平坦，在有扰动的地方出现我们加载的正弦信号波动，这说明相干衰落得到有效抑制，衰落造成的解调错误被消除。

本发明的有益效果是：激光器发射的连续光通过第一耦合器分光分成探测光和本振光信号，设计强度调制的多载波脉冲序列，将所述多载波脉冲序列输入任意波形发生器，产生多载波电信号以驱动声光调制器，实现对探测光的强度调制，得到多载波脉冲光信号，将所述脉冲光信号注入待测传感光纤中；采集待测传感光纤中的背向瑞利散射光信号和所述本振光信号进行拍频，得到拍频信号；对拍频信号做解调处理得到传感数据，提取和组合子载波对应的探测数据，实现对相干衰落的抑制。其中，探测光信号转换为多载波脉冲光信号，产生的多个带宽可控子载波均可被简单滤出，实现多个频率的等效探测，通过对多个频率结果的应用可以有效抑制干涉衰落；同时，该方案使用特殊设计的脉冲实现多个频率探测仅仅需要简单的强度调制，这只需要一个模拟型的声光调制器即可做到，而不是使用多个窄线宽激光光源或多个声光调制器，并没有大幅改动传感平台，实验成本较低；此外该方案仍然是单个脉冲完成一次探测而不是编码方案的脉冲组，显然该方案更加高效简便。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。