【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及的是一種光纖傳感領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化的動靜態(tài)聯(lián)合測量分布式光纖傳感系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
1、現(xiàn)有基于雙脈沖調(diào)制的分布式光纖傳感技術(shù)雖然能實現(xiàn)多種傳感，但是較基于單一機(jī)理的分布式光纖傳感技術(shù)而言，其系統(tǒng)較為復(fù)雜，器件數(shù)量多。系統(tǒng)中器件數(shù)量越多，系統(tǒng)體積越大，器件之間的相互控制的難度也越大，在實際應(yīng)用中存在局限。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)針對現(xiàn)有動靜態(tài)應(yīng)變同時測量的分布式光纖傳感系統(tǒng)的問題，提出一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化的動靜態(tài)聯(lián)合測量分布式光纖傳感系統(tǒng)，利用強(qiáng)度調(diào)制器同時實現(xiàn)移頻和脈沖調(diào)制，將掃頻脈沖作為探測脈沖，解決了原有系統(tǒng)的系統(tǒng)冗雜問題和空間分辨率、相干衰落等問題，顯著提高振動測量的空間分辨率，通過在接收端前增加90°光橋，將強(qiáng)度調(diào)制器調(diào)制的正負(fù)邊帶同時接收并分離，得到布里淵增益譜和損耗譜用于溫度應(yīng)變傳感，提高了頻譜利用率；并利用正負(fù)邊帶的信號消除振動測量中衰落點的影響，利用掃頻脈沖的背向瑞利散射光作為探測光，省去了掃頻過程，將系統(tǒng)測量速度提升百倍。
2、本專利技術(shù)是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
3、本專利技術(shù)涉及一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化的動靜態(tài)聯(lián)合測量分布式光纖傳感系統(tǒng)，包括：依次相連的光調(diào)制器、光偏振開關(guān)、摻鉺光纖放大器、光環(huán)形器和待測光纖以及與光環(huán)形器的第三端口相連的偏振分集系統(tǒng)及其信號處理系統(tǒng)，其中：同一個激光光源分別輸出激光信號至光調(diào)制器和偏振分集系統(tǒng)，同一個射頻信號源分別輸出射頻信號至光調(diào)制器、輸出參考時鐘和觸發(fā)脈沖至信號處理系統(tǒng)，信號處理系統(tǒng)利用
4、所述的信號處理系統(tǒng)包括：傳感器組、數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)處理器。
5、所述的傳感器組包括四組平衡光電探測器。
6、所述的同一個激光光源是指：激光器和與之相連的光纖耦合器，其中：激光器輸出單頻連續(xù)光，經(jīng)光纖耦合器后被分為兩路，一路作為本地振蕩光參與后續(xù)光纖中散射光的相干接收，一路作為信號光參與后續(xù)的移頻和脈沖調(diào)制。信號光一路被光調(diào)制器進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，在頻域上產(chǎn)生頻移，在時域上被脈沖調(diào)制。被調(diào)制后的脈沖進(jìn)入光偏振開關(guān)之后被調(diào)制成特定的偏振態(tài)，之后進(jìn)入摻鉺光纖放大器進(jìn)行功率放大。功率放大后的光脈沖經(jīng)光環(huán)形器進(jìn)入待測光纖，在光纖中發(fā)生背向散射。背向散射光經(jīng)光環(huán)形器與本地振蕩光一起進(jìn)入接收系統(tǒng)被相干接收，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。
7、所述的光纖耦合器為保偏耦合器，分光比為50/50。
8、所述的同一個射頻信號源，通過一個射頻發(fā)射器實現(xiàn)，其在每一個探測周期產(chǎn)生一個用于探測動態(tài)變量的掃頻脈沖和一個用于探測靜態(tài)變量的單頻脈沖，其中：探測脈沖的背向瑞利散射光用于測量待測光纖的動態(tài)變量；探測脈沖的背向瑞利散射光同時探測光與泵浦脈沖構(gòu)成泵浦-探測對，用于測量光纖上的靜態(tài)變量信息，掃頻脈沖和單頻脈沖的頻率和脈沖寬度不同，需根據(jù)測量范圍、光纖布里淵頻率、空間分辨率等因素考慮，優(yōu)選泵浦脈沖頻率高于探測脈沖的中心頻率。
9、所述的探測脈沖的正邊帶中心頻率為frp，負(fù)邊帶中心頻率為frn。
10、所述的泵浦脈沖的正邊帶中心頻率為fbp，負(fù)邊帶中心頻率為fbn，其中：fb與fr之間相差一個布里淵頻移，所以當(dāng)探測脈沖在光纖中每一點的背向瑞利散射光之和(頻率覆蓋整個掃頻范圍fsweep)與泵浦脈沖相遇時會發(fā)生受激布里淵散射。利用短時傅里葉變換計算出背向瑞利散射光的頻譜，在正邊帶部分，fbp大于frp，功率由泵浦脈沖轉(zhuǎn)移至探測脈沖的背向瑞利散射光，在背向瑞利散射光的正邊帶頻譜上可獲取布里淵增益譜；在負(fù)邊帶部分，frn大于fbn，功率由探測脈沖的背向瑞利散射光轉(zhuǎn)移至泵浦脈沖，在背向瑞利散射光的負(fù)邊帶頻譜上可獲取布里淵損耗譜。
11、所述的光調(diào)制器為強(qiáng)度調(diào)制器，通過調(diào)節(jié)直流電壓源的輸出電壓使光調(diào)制器工作在載波抑制模式，通過射頻信號發(fā)生器輸出的射頻脈沖信號控制光調(diào)制器的輸出為一個光脈沖對，其頻率和脈沖寬度由輸入的射頻脈沖信號決定，優(yōu)選光脈沖對的中心頻率相差一個光纖的布里淵頻移。
12、所述的光偏振開關(guān)通過電壓控制對輸入光信號的偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)制，在不同的高電平和低電平兩種控制電壓下，光偏振開關(guān)的輸出光的偏振態(tài)為兩個相互正交的偏振態(tài)，稱為p態(tài)和s態(tài)。為了光纖中泵浦-探測對的偏振失配導(dǎo)致的光纖布里淵譜不均勻的問題，需要將s態(tài)脈沖產(chǎn)生的信號與p態(tài)脈沖產(chǎn)生的信號相互疊加，得到均勻的布里淵譜。
13、所述的接收系統(tǒng)中集成90°相移光橋并具有兩個光輸入口和八個光輸出口，八個光輸出口分別為兩種相互正交的光偏振態(tài)下的相干接收之后的光信號實部和虛部，四種光分別被四個參數(shù)相同的平衡光電探測器接收，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。
14、所述的信號處理系統(tǒng)包括：動態(tài)變量檢測單元以及靜態(tài)變量檢測單元，其中：動態(tài)變量檢測單元根據(jù)偏振分集系統(tǒng)相干接收得到的探測脈沖的背向瑞利散射光，利用正負(fù)兩個邊帶的掃頻方向不同，使用對應(yīng)掃頻方向的匹配濾波器進(jìn)行脈沖壓縮，即匹配濾波后，得到兩個邊帶各自對應(yīng)的背向瑞利散射光，提取其相位信號，進(jìn)行差分處理，得到動態(tài)變量結(jié)果；靜態(tài)變量單元根據(jù)偏振分集系統(tǒng)相干接收得到的探測脈沖的背向瑞利散射光，計算出背向瑞利散射光的頻譜，利用頻譜中兩個邊帶上的布里淵增益譜和布里淵損耗譜相結(jié)合計算，進(jìn)行提取布里淵頻移的處理，得到靜態(tài)變量結(jié)果。
15、技術(shù)效果
16、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)利用光調(diào)制器同時實現(xiàn)移頻和脈沖調(diào)制，結(jié)合所提出的雙邊帶解調(diào)方案實現(xiàn)了在保證系統(tǒng)動靜態(tài)同時測量的功能的情況下，實現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的精簡。并可以將動靜態(tài)變量同時測量的系統(tǒng)中的振動空間分辨率從原有的m量級提升至cm量級、靜態(tài)參量測量范圍擴(kuò)大至數(shù)百mhz，同時抑制了相干衰落點對振動測量的影響，且能同時利用布里淵增益譜和布里淵損耗譜測量靜態(tài)參量。
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1.一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化的動靜態(tài)聯(lián)合測量分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于，包括：依次相連的光調(diào)制器、光偏振開關(guān)、摻鉺光纖放大器、光環(huán)形器和待測光纖以及與光環(huán)形器的第三端口相連的偏振分集系統(tǒng)及其信號處理系統(tǒng)，其中：同一個激光光源分別輸出激光信號至光調(diào)制器和偏振分集系統(tǒng)，同一個射頻信號源分別輸出射頻信號至光調(diào)制器、輸出參考時鐘和觸發(fā)脈沖至信號處理系統(tǒng)，信號處理系統(tǒng)利用采集到的信號的正負(fù)邊帶，經(jīng)雙邊帶解調(diào)得到待測光纖的動靜態(tài)變量信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)優(yōu)化的動靜態(tài)聯(lián)合測量分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征是，所述的同一個激光光源是指：激光器和與之相連的光纖耦合器，其中：激光器輸出單頻連續(xù)光，經(jīng)光纖耦合器后被分為兩路，一路作為本地振蕩光參與后續(xù)光纖中散射光的相干接收，一路作為信號光參與后續(xù)的移頻和脈沖調(diào)制，信號光一路被光調(diào)制器進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，在頻域上產(chǎn)生頻移，在時域上被脈沖調(diào)制，被調(diào)制后的脈沖進(jìn)入光偏振開關(guān)之后被調(diào)制成特定的偏振態(tài)，之后進(jìn)入摻鉺光纖放大器進(jìn)行功率放大，功率放大后的光脈沖經(jīng)光環(huán)形器進(jìn)入待測光纖，在光纖中發(fā)生背向散射，背向散射光經(jīng)光環(huán)形器與本地振蕩光一起進(jìn)入接收系統(tǒng)被相干
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)優(yōu)化的動靜態(tài)聯(lián)合測量分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征是，所述的同一個射頻信號源，通過一個射頻發(fā)射器實現(xiàn)，其在每一個探測周期產(chǎn)生一個用于探測動態(tài)變量的掃頻脈沖和一個用于探測靜態(tài)變量的單頻脈沖，其中：探測脈沖的背向瑞利散射光用于測量待測光纖的動態(tài)變量；探測脈沖的背向瑞利散射光同時探測光與泵浦脈沖構(gòu)成泵浦-探測對，用于測量光纖上的靜態(tài)變量信息，掃頻脈沖和單頻脈沖的頻率和脈沖寬度不同且泵浦脈沖頻率高于探測脈沖的中心頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)優(yōu)化的動靜態(tài)聯(lián)合測量分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征是，所述的光調(diào)制器為強(qiáng)度調(diào)制器，通過調(diào)節(jié)直流電壓源的輸出電壓使光調(diào)制器工作在載波抑制模式，通過射頻信號發(fā)生器輸出的射頻脈沖信號控制光調(diào)制器的輸出為一個光脈沖對，其頻率和脈沖寬度由輸入的射頻脈沖信號決定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)優(yōu)化的動靜態(tài)聯(lián)合測量分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征是，所述的信號處理系統(tǒng)包括：動態(tài)變量檢測單元以及靜態(tài)變量檢測單元，其中：動態(tài)變量檢測單元根據(jù)偏振分集系統(tǒng)相干接收得到的探測脈沖的背向瑞利散射光，利用正負(fù)兩個邊帶的掃頻方向不同，使用對應(yīng)掃頻方向的匹配濾波器進(jìn)行脈沖壓縮，即匹配濾波后，得到兩個邊帶各自對應(yīng)的背向瑞利散射光，提取其相位信號，進(jìn)行差分處理，得到動態(tài)變量結(jié)果；靜態(tài)變量單元根據(jù)偏振分集系統(tǒng)相干接收得到的探測脈沖的背向瑞利散射光，計算出背向瑞利散射光的頻譜，利用頻譜中兩個邊帶上的布里淵增益譜和布里淵損耗譜相結(jié)合計算，進(jìn)行提取布里淵頻移的處理，得到靜態(tài)變量結(jié)果。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)優(yōu)化的動靜態(tài)聯(lián)合測量分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征是，所述的解調(diào)，由于光纖上的振動會改變光纖背向瑞利散射光的相位，可將平衡光電探測器接收到的信號組合成的兩種偏振狀態(tài)下的復(fù)信號分別解調(diào)，具體為：取一種偏振狀態(tài)下的復(fù)信號，先進(jìn)行匹配濾波得到等效窄脈沖的散射信號，之后的解調(diào)過程都使用等效窄脈沖的散射信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的結(jié)構(gòu)優(yōu)化的動靜態(tài)聯(lián)合測量分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征是，所述的匹配濾波，使用與正負(fù)邊帶對應(yīng)的，不同的匹配濾波器分別對正負(fù)邊帶進(jìn)行互相關(guān)操作，得到正邊帶的等效窄脈沖的散射信號和負(fù)邊帶的等效窄脈沖的散射信號，分別進(jìn)行后續(xù)操作，另一種偏振狀態(tài)操作相同，將兩種偏振態(tài)下，兩個邊帶的信號都進(jìn)行相同的差分解調(diào)，具體為：通過將一段時間內(nèi)等效窄脈沖的散射信號進(jìn)行取相位以及在時間和空間上進(jìn)行相位相減之后檢測出光纖上的振動信號，最后將四種信號解調(diào)得到的差分相位結(jié)果疊加，得到最終的振動信號測量結(jié)果。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的結(jié)構(gòu)優(yōu)化的動靜態(tài)聯(lián)合測量分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征是，所述的掃頻脈沖的掃頻函數(shù)為其中，f0為起始掃頻頻率，為掃頻速率，則正邊帶的濾波函數(shù)為負(fù)邊帶的濾波函數(shù)為
9.一種基于權(quán)利要求1-8中任一所述系統(tǒng)的傳感方法，其特征在于，包括以下步驟：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化的動靜態(tài)聯(lián)合測量分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于，包括：依次相連的光調(diào)制器、光偏振開關(guān)、摻鉺光纖放大器、光環(huán)形器和待測光纖以及與光環(huán)形器的第三端口相連的偏振分集系統(tǒng)及其信號處理系統(tǒng)，其中：同一個激光光源分別輸出激光信號至光調(diào)制器和偏振分集系統(tǒng)，同一個射頻信號源分別輸出射頻信號至光調(diào)制器、輸出參考時鐘和觸發(fā)脈沖至信號處理系統(tǒng)，信號處理系統(tǒng)利用采集到的信號的正負(fù)邊帶，經(jīng)雙邊帶解調(diào)得到待測光纖的動靜態(tài)變量信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)優(yōu)化的動靜態(tài)聯(lián)合測量分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征是，所述的同一個激光光源是指：激光器和與之相連的光纖耦合器，其中：激光器輸出單頻連續(xù)光，經(jīng)光纖耦合器后被分為兩路，一路作為本地振蕩光參與后續(xù)光纖中散射光的相干接收，一路作為信號光參與后續(xù)的移頻和脈沖調(diào)制，信號光一路被光調(diào)制器進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，在頻域上產(chǎn)生頻移，在時域上被脈沖調(diào)制，被調(diào)制后的脈沖進(jìn)入光偏振開關(guān)之后被調(diào)制成特定的偏振態(tài)，之后進(jìn)入摻鉺光纖放大器進(jìn)行功率放大，功率放大后的光脈沖經(jīng)光環(huán)形器進(jìn)入待測光纖，在光纖中發(fā)生背向散射，背向散射光經(jīng)光環(huán)形器與本地振蕩光一起進(jìn)入接收系統(tǒng)被相干接收，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)優(yōu)化的動靜態(tài)聯(lián)合測量分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征是，所述的同一個射頻信號源，通過一個射頻發(fā)射器實現(xiàn)，其在每一個探測周期產(chǎn)生一個用于探測動態(tài)變量的掃頻脈沖和一個用于探測靜態(tài)變量的單頻脈沖，其中：探測脈沖的背向瑞利散射光用于測量待測光纖的動態(tài)變量；探測脈沖的背向瑞利散射光同時探測光與泵浦脈沖構(gòu)成泵浦-探測對，用于測量光纖上的靜態(tài)變量信息，掃頻脈沖和單頻脈沖的頻率和脈沖寬度不同且泵浦脈沖頻率高于探測脈沖的中心頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)優(yōu)化的動靜態(tài)聯(lián)合測量分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征是，所述的光調(diào)制器為強(qiáng)度調(diào)制器，通過調(diào)節(jié)直流電壓源的輸出電壓使光調(diào)制器工作在載波抑制模式，通過射頻信號發(fā)生器輸出的射頻脈沖信號控制光調(diào)制器的輸出為一個光脈沖對，其頻率和脈沖寬度由輸入的射頻脈沖信號決定...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：樊昕昱，何祖源，黃麟景，
申請(專利權(quán))人：上海交通大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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