基于瑞利散射的干涉腔自补偿式光纤分布式传感系统及自补偿方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于瑞利散射的干涉腔自补偿式光纤分布式传感系统及自补偿方法。

背景技术

基于瑞利散射的光纤分布式传感系统(以下简称瑞利传感系统)是一种广为应用的分布式光纤传感系统。系统向待测光纤注入探测脉冲光，接收、解析传感光纤各点的瑞散射光，捕捉光纤周围的振动、应变等信息。瑞利传感系统灵敏度高、测点多、提供全分布式传感，基于时域的传感方案非常适合管道泄漏、周界入侵等领域的报警，也可以用作监测轨道、路面等场景；基于频域的传感方案则在结构健康监测上应用广泛。

为保证测量精准度和拓展传感能力，一些瑞利传感系统在传感光纤以外的系统部分里设计了至少一个干涉腔。但干涉腔两臂光程受到周围环境波动的影响，光程差会发生缓慢漂移，影响干涉输出，等效为额外的噪声。如果要保障瑞利传感系统的输出一致性，就需要设法保证干涉腔光程差恒定，即保证干涉腔相位差恒定。

在设法抵消相位异常波动方面，专利CN114337844A针对水下光通信场景中相位调制光信号的相位噪声问题，设计了基于接收信号最大最小幅值的相位波动检测和补偿方案，但分布式传感接收到的信号幅度并不固定，不适用此方案。专利CN114415151A面向激光雷达的相干探测，通过引入参考光的方式实现了对探测端干涉腔光程(相位)波动的补偿，但补偿方式需要求出波动量，再在待测干涉信号采集之后进行软件(或信号处理)的修正。分布式传感一次测量产生的数据量大，软件修正的方法将产生大量的额外计算负荷。

发明内容

鉴于现有基于瑞利散射的光纤分布式传感系统中存在干涉腔两臂光程差漂移的问题，本发明提供基于瑞利散射的干涉腔自补偿式光纤分布式传感系统，本发明通过引入校准光和设计反馈调节的方式，动态、快速、准确地调节干涉臂中一臂的光程，稳定干涉腔光程差，保证干涉腔相位差恒定。此外，本发明还要提供一种光纤分布式传感系统的自补偿方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的第一方面，提供包括光信号输入单元、传感光纤、干涉腔、校准光单元、分束器、合束器、光程补偿单元、解调单元，所述光信号输入单元通过光路连接所述传感光纤用于向传感光纤发射探测光，所述传感光纤捕捉振动信息并以信号光的形式送回接收端，所述校准光单元用于提供校准光，所述校准光单元的校准光与信号光通过光路发送至合束器，所述合束器用于将信号光、校准光引入干涉腔，所述干涉腔内的一干涉臂上设置有所述光程补偿单元，所述光程补偿单元接受控制信号，动态调节光程，所述分束器分离通过干涉腔后的信号光与校准光，分离后的信号光与校准光分别连接光探测单元，解调单元处理光探测单元的信号，用于解调信号光的相位信息分析传感光纤感知的振动信息、解调校准光的强度动态调节光程补偿单元；

所述光程补偿单元包括空心圆柱式压电陶瓷体、裸光纤，所述空心圆柱式压电陶瓷体的内外壁设置电源正负极，所述裸光纤缠绕于所述空心圆柱式压电陶瓷体外部，光纤绕圈与所述空心圆柱式压电陶瓷体中轴之间的角度趋近于90度。

优选地，所述光信号输入单元包括探测光光源、脉冲调制器、光放大器及光循环器，所述探测光光源提供窄线宽连续探测光，所述脉冲调制器将探测光调制成具有一定重复频率和脉宽的光脉冲，所述光放大器用于放大探测光脉冲至合适强度，所述光循环器用于将左侧的探测光单向耦合进右侧传感光纤，将右侧光路返回的信号光单向耦合进下方的接收端。

优选地，所述脉冲调制器为声光调制器或电光调制器。

优选地，所述光放大器为掺铒光纤放大器或光纤拉曼放大器。

优选地，所述光信号输入单元包括扫频激光光源、光放大器，所述扫频激光光源用于提供频率或波长随时间线性变化的连续探测光，所述放大器用于放大探测光值合适强度并阻止光反向传播。

优选地，所述解调单元是光强度解调单元或光相位解调单元。

优选地，所述干涉腔为马赫-曾德干涉腔。

优选地，所述干涉腔为迈克尔孙干涉腔。

优选地，引入的所述校准光通过与探测光、信号光途径相同的干涉腔，并收集干涉腔输出的校准光强度。

优选地，包括反馈控制单元，所述反馈控制单元根据光探测单元自动追踪、调节光程补偿单元，使自身接受到的光探测单元的输出维持恒定。

本发明的第二方面，提供一种光纤分布式传感系统的自补偿方法，基于上述的光纤分布式传感系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：测量开始前，调节光程补偿单元的控制电压，收集光探测单元在各个电压下输出的通过干涉腔的校准光强度，光强-电压关系曲线里，最大最小值交替出现，相邻的最大值和最小值之间，光强-电压呈现单调关系；

步骤2：选取上述关系里一对相邻的光强最大最小值，记这两个极值之间光强-电压关系为I(U)，选取这两个极值间的某个光强作为基准光强I

步骤3：以相较于U

步骤4：测量开始；

步骤5：采集光探测单元的校准光输出，记为I

步骤6：查阅步骤3记录的关系可知，I

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明使用干涉腔自补偿手段，稳定带有干涉腔的瑞利传感系统的干涉腔光程差，有效降低因干涉腔漂移导致的信号解调、输出的不一致性，保障瑞利传感系统的长期工作稳定性和解调精度。

(2)本发明系统具备自补偿特点，即开始运行后，无需外部人为干预，利用系统内部读数即可自主动态实时补偿干涉臂光程，在准确修正的同时具备响应快、操作简便、占用计算资源少的优势。

(3)本发明自补偿所需额外硬件较少且全部位于解调系统中，便于安装和运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1的系统示意图。

图2为光程补偿单元的示意图。

图3为实施例1中进行干涉臂光程自补偿的流程图。

图4为实施例2的系统示意图。

图5为实施例3的系统示意图。

图6为实施例4的系统示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”“横向”“上”“下”“前”“后”“左”“右”“竖直”“水平”“顶”“底”“内”“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

本实施例展示了一种使用干涉腔自补偿的瑞利传感系统，结构如图1，是基于时域光反射技术的光纤分布式声波(或振动)传感系统(下称DAS系统)，其特点是在接收端把反射光分入两个耦合臂，经过相同或不同的光路后合路干涉，在其中一干涉臂中加入干涉腔自补偿(自补偿，指开始运行后，无需外部人为干预，利用系统内部读数即可自主动态实时补偿干涉臂光程，在保证补偿准确性的同时具备响应快、操作简便的优势)，稳定干涉腔光程差。系统包括：探测光光源101，提供窄线宽连续探测激光；脉冲调制器102，将探测光调制成具有一定重复频率和脉宽的光脉冲；放大器103，放大探测光脉冲至适当强度；光循环器104，将左侧的探测光单向耦合进右侧光路，将右侧光路返回的散射光单向耦合进下方的接收端，其余方向不耦合光；传感光纤105，接收周围振动和声波的能量，将探测光脉冲转化成携带振动和声波信息的同波长背向瑞利散射光(本例中简称信号光)，回传至光循环器104和接收端；放大器106，放大接收的光信号；校准光光源107，产生单波长连续光，波长和探测光接近；波分复用合束器108，耦合右侧的信号光和校准光至左侧一路光纤；耦合器109，把其右侧的信号光、校准光均等地耦合至左侧两干涉臂中，其中上干涉臂经过光程补偿单元110，下干涉臂仅是一段光纤，上干涉臂和下干涉臂的光程可以不相等；光程补偿单元110接收控制信号，动态调节上臂光程，即动态调节上下臂光程差；耦合器111把上下干涉臂的光耦合进左侧同一光纤中，使两干涉臂的光发生干涉，耦合器111、耦合器109和两干涉臂共同构成一马赫-曾德干涉腔(MZI)，经过光程补偿单元110调节后，干涉输出不再受MZI自身特性漂移的影响；波分复用分束器112分离信号光至112左上光路，分离校准光至112左下光路；光探测单元113和光探测单元114分别接收信号光和校准光；解调单元115处理光探测单元113、光探测单元114的信号，一方面解调信号光的相位信息并进一步分析传感光纤105感知的振动信息，另一方面根据校准光强度动态调节光程补偿单元110。

耦合器109和耦合器111间的MZI能够提升多种采用本实施例所示结构的DAS系统的性能。举例来说，探测光脉冲可以是一对具备特定时间间隔的脉冲，而MZI两臂光延时差等于脉冲延时，从而能使传感光纤105不同位置反射的脉冲对彼此相干，解调出相关信息；或者，可以使用载波恢复技术，对单探测光脉冲系统进行相位解调。无论何种应用，光程补偿单元110可以有效抵消MZI两臂光程差受非可控因素影响的漂移，从而保障DAS系统信号采集、解调的一致性。

光程补偿单元111的一具体实施结构如图2。201为空心圆柱式压电陶瓷体(以下简称圆柱PZT)，裸光纤203以螺线方式密排均匀紧贴缠绕在圆柱PZT 201侧面上，缠绕角度接近90°(即圆柱PZT 201上光纤基本垂直于圆柱PZT中轴)，当给圆柱PZT 201内外壁上的正负电极202施加电压时，圆柱PZT 201会产生正比于电压的径向位移，给缠绕在圆柱PZT 201上的所有裸光纤203施加均匀的轴向应变，进而改变单元内裸光纤203的光程。即光程补偿单元111能够根据需要产生正比于外部控制电压的光程变化。

具体实施补偿的流程如图3中的流程图所示。列举如下：

步骤301：测量开始前，调节光程补偿单元110控制电压，收集光探测单元114在各个电压下获取的干涉后校准光的强度。因干涉光强和MZI光程差(或相位差)的周期性关系，光强-电压关系曲线里，最大最小值应当交替出现，相邻的最大值和最小值之间，光强-电压呈现单调关系。

步骤302：选取上述关系里一对相邻的光强最大最小值，记这两个极值之间光强-电压关系为I(U)。选取这两个极值间的某个光强作为基准光强I

步骤303：以相较于U

步骤304：测量开始。

步骤305：信号光采集和解调如正常DAS系统。同时采集光探测单元114的收集到的校准光输出，记为I

步骤306：查阅步骤303记录的关系可知，I

实施例2

本实施例展示了第二种使用干涉腔自补偿的DAS系统，结构如图4，其特点是使用3x3耦合器和迈克耳孙干涉腔，对信号进行相位解调，并引入干涉腔自补偿措施稳定干涉腔光程差。系统包括：探测光光源401，提供窄线宽连续探测激光；脉冲调制器402，将探测光调制成具有一定重复频率和脉宽的探测光脉冲；放大器403，放大探测光脉冲至适当强度；光循环器404，将左侧的光单向耦合进右侧光路，将右侧光路返回的散射光单向耦合进下方的接收端，其余方向不耦合光；传感光纤405，接收周围振动和声波的能量，将探测光脉冲转化成携带振动和声波信息的同波长背向瑞利散射光(本例中简称信号光)，回传至光循环器404；放大器406，放大信号光至适当强度；光循环器407，实现左到右、右到下两个方向的单向合，作用类似光循环器404；校准光光源408，提供单波长连续光，波长和探测光接近，用以自动调节补偿干涉腔光程差；波分复用合束器409，耦合左侧入射的信号光和校准光至右侧输出；3x3耦合器410，具有左右各3个端口，其中左侧任一端口的输入均会被耦合进右侧3个端口中，输出强度相等，相位彼此相差π/3，右侧输入以同样的方式耦合进左侧3个端口；3x3耦合器410的右侧中间端口做吸收处理，即入射光完全不被反射；光程补偿单元411，自动补偿3x3耦合器410右上、右下输出对应的干涉臂光程差，411的具体实施方式可以是图2中的方案；反射器412，反射3x3耦合器右上、右下端口输出；波分复用分束器413，分离3x3耦合器410左下端口的校准光输出和信号光输出至各自的光探测单元；光探测单元414、光探测单元415、光探测单元416，分别接收3x3耦合器410左上、左中、左下端口的信号光输出；光探测单元417，接收3x3耦合器410左下端口的校准光输出；解调单元418，处理信号光，分析其中蕴含的振动信息；反馈控制单元419，通过特定结构，自动追踪，调节光程补偿单元410，使自身接收到的光探测单元417的输出维持恒定。

在此结构中，信号光自3x3耦合器410的左上端口入射，一部分耦合进410右上光路，一部分耦合进410右下光路，两束光分别经反射器412反射后原路返回，在410合并后发生干涉，干涉结果再被分配到410左侧3个端口中。410-411-412(412下方反射器)-411-410和410-412(412上方反射器)-410构成一迈克耳孙干涉腔。两臂光程差的漂移将影响干涉结果和414、415、416、417四个光探测单元的输出。校准光光路(408-409-干涉腔-410-413-417)经过同一个干涉腔，故而可以通过校准光的干涉结果，即光探测单元417的输出，自动动态调节光程补偿单元411，稳定干涉腔光程差。

实施例1中的补偿方式的优势在于改变一次光程补偿单元110的电压即可调节到位，但是反馈读取-计算-改变输出电压的过程存在数据采集、计算的延时，故而限制了响应速度和跟踪带宽。有鉴于此，本实施例使用反馈控制单元419。反馈控制单元419的输入，其一为光探测单元417的输出，即校准光强对应的电信号值；其二为内部预设的控制输入，根据使用者需要，可以将目标光程差稳定在不同数值上。反馈控制单元419的输出为光程补偿单元411的控制电压。反馈控制单元419不再采集解析数据，而是采用模拟电路动态即时调节，最终稳定光探测单元417输出。至此，干涉腔内两臂光程差得以保持恒定。本实施例的补偿方式全过程无特定算法和预先准备，操作简单，响应迅速。

实施例3

本实施例展示了第三种使用干涉腔自补偿的DAS系统，结构如图5，其特点是将探测光分束，其中一部分作为本振光和信号光相干，即进行相干探测，并引入干涉腔自补偿措施稳定本振光和信号光的相干。系统包括：探测光光源501，提供窄线宽连续探测激光；校准光光源512，提供单波长连续光，波长和探测光接近，用以自动调节补偿干涉腔光程差；波分复用合束器502，耦合探测光光源501和校准光光源512的光至右侧输出；耦合器503，将探测光、校准光分成右侧和右下两路，前者进入探测光回路，后者充当相干探测的本振光；脉冲调制器504，将探测光和校准光调制成具有一定重复频率和脉宽的光脉冲；放大器505，放大光至适当强度；光循环器506，将左侧的光单向耦合进右侧光路，将右侧光路返回的散射光单向耦合进下方的接收端，其余方向不耦合光；波分复用合分束器507，从左向右方向，将左侧输入分离探测光脉冲进入右上传感光纤508，分离校准光进入右下回路，同时从右向左方向，把右上、右下两端口传回的光一起耦合至左侧输出，送至光循环器506；传感光纤508，接收周围振动和声波的能量，将探测光脉冲转化成携带振动和声波信息的同波长背向瑞利散射光(本例中简称信号光)，回传至光循环器506和接收端；反射器509，反射校准光，将其送回光循环器506和接收端，与分束器507间的光程很小；光程补偿单元510，自动补偿本振光光程，510的具体实施方式可以是图2中的方案；耦合器511，合并本振光和信号光、校准光；波分复用分束器513，将上方到达的光中的信号光分离至右下光路，将上方到达的光中的校准光分离至下方光路；光探测单元514，接收校准光，将其强度转化成电信号；光探测单元515，接收信号光，将其强度转化成电信号；解调单元516，处理信号光，分析其中蕴含的振动信息；反馈控制单元517，通过特定结构，自动调节光程补偿单元510，使自身接收到的光探测单元514的输出(即校准光输出)维持恒定。

在此结构中，耦合器503和耦合器511间形成了干涉腔。对信号光，一臂为503-510-511，传输本振探测光；另一臂为503-504-505-506-507-508-507-506-511，传输脉冲探测光和信号光。光循环器507和传感光纤508间的光程变化由外界干扰引起，属待测量，无需补偿；但干涉腔其余光程(一臂中的503-510-511，另一臂中的503-504-505-506-507、507-506-511)均在探测系统内部(下称“内部光程”)，其变化干扰测量精度。采用图5所示添加校准光的方法，并且使分束器507和反射器509间光程极小，就可以使校准光的光程恰好和内部光程一致，故而可以通过校准光的干涉结果，即光探测单元514的输出，自动动态调节光程补偿单元510，稳定干涉腔内部光程的光程差。本实施例使用反馈控制单元517。反馈控制单元517输入其一为光探测单元514的输出，即校准光强相关的电流值；其二为内部预设的控制输入，根据使用者需要，可以将干涉腔内部光程的光程差稳定在不同数值上。517的输出为光程补偿单元510的控制电压。反馈控制单元517采用模拟电路动态即时调节光程补偿单元510，最终稳定光探测单元514输出，即保证干涉腔中内部光程的两臂光程差恒定。

实施例4

除DAS系统外，另一种瑞利传感系统，基于频域光反射技术的光纤分布式传感系统(下称OFDR系统)也能够受益于干涉腔自补偿。

本实施例展示了一种使用干涉腔自补偿的OFDR系统，结构如图6。系统包含常规OFDR系统，即将扫频激光分束成参考光和探测光，探测光经由待测光纤发生散射后形成信号光，反向传回后和本振参考光相干；系统在常规OFDR系统基础上引入干涉腔自补偿措施，稳定本振参考光和信号光的相干，保障系统工作一致性。本实施例提出的OFDR系统包括：扫频激光光源601，提供频率(或波长)随时间线性变化的连续探测激光；校准光光源612，提供单波长连续光，用以反馈和自动调节补偿干涉腔光程差；波分复用合束器602，耦合左侧扫频激光光源601和校准光光源612的光至右侧输出；耦合器603，将扫频激光、校准光耦合进右侧和右下两路光路，扫频激光进入右侧光路后成为探测光，进入右下光路后成为本振参考光；放大器605，放大探测光至适当强度，同时阻止反向(605右侧向左侧)的光的传播；光耦合器606，将左侧的光耦合进右侧光路，将右侧光路返回的光耦合进左下光路和左侧光路，其中传回左侧光路的光最终被605消除，不再影响之后阐述的各组件；波分复用合分束器607，从左向右方向，分离探测光进入右上传感光纤608，分离校准光进入右下回路，同时右向左方向，把右侧两端口传回的光一起耦合至左侧，送至光耦合器606；传感光纤608，接收周围环境扰动，如温度、应变等，将探测光转化成携带环境扰动信息的背向瑞利散射光(即本实施例中稍早所述“信号光”)，回传至光耦合器606和606左下通向的接收端；反射器609，反射校准光，将其送回光耦合器606和接收端，与分束器607间的光程很小；光程补偿单元610，自动补偿本振光光程，610的具体实施方式可以是图2中的方案；耦合器611，合并参考光、信号光、校准光；波分复用分束器613，将上方到达的光中的参考光、信号光分离至右下光路，将上方到达的光中的校准光分离至下方光路；光探测单元614，接收校准光，将其强度转化成电信号；光探测单元615，接收信号光，将其强度转化成电信号；解调单元616，处理信号光，分析其中蕴含的振动信息；反馈控制单元617，通过特定结构，自动追踪调节光程补偿单元610，使自身接收到的光探测单元614的输出维持恒定。

在此结构中，耦合器603和耦合器611间形成了干涉腔。对信号光，一臂为603-610-611，传输本振探测光；另一臂为603-604-605-606-607-608-607-606-611，传输脉冲探测光和信号光。光循环器607和传感光纤608间的光程变化由外界干扰引起，属待测量，无需补偿；但干涉腔其余光程(一臂中的603-610-611，另一臂中的603-604-605-606-607、607-606-611)均在探测系统内部(下称“内部光程”)，其变化干扰测量精度。采用图6所示添加校准光的方法，并且使分束器607和反射器609间光程极小，就可以使校准光的光程恰好和内部光程重合，故而可以通过校准光的干涉结果，即光探测单元614的输出，自动动态调节光程补偿单元610，稳定干涉腔。本实施例使用反馈控制单元617。反馈控制单元617输入其一为光探测单元614的输出，即校准光强相关的电流值；其二为内部预设的控制输入，根据使用者需要，可以将干涉腔内部光程的光程差稳定在不同数值上。反馈控制单元617的输出为光程补偿单元610的控制电压。反馈控制单元617采用模拟电路动态即时调节，最终稳定光探测单元614输出，即保证干涉腔中内部光程的两臂光程差恒定。

需要说明的是，4个实施例中任一实施例出现的干涉腔自补偿方式均可以用于另3个实施例。举例来说，实施例1中按图3流程实施的补偿方法和图1中相关补偿硬件，可以取代实施例2、3、4中通过反馈控制单元419、反馈控制单元517、反馈控制单元617即时追踪补偿干涉腔光程差的方法，构成新的干涉腔自补偿式光纤分布式声学传感系统，反之亦然。

尽管所述实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解为可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。