基于双声光调制器串联实现光学下变频的分布式光纤振动声波传感系统的制作方法

1.本发明涉及光时域反射仪技术领域，具体领域为一种基于双声光调制器串联实现光学下变频的分布式光纤振动声波传感系统。


背景技术：

2.光时域反射仪是基于后向瑞利散射光信号的一种测量仪器，它以后向瑞利散射理论为基础，可以直接地对光纤振动信号进行测量，并且能够反映出整个光纤线路的光损耗变化情况。光脉冲在光纤中传播时，脉冲沿整个传感光纤路径产生的后向瑞利散射信号被光探测器接收，会形成一个按时序排列的连续分布的强度信号，即传感光纤中的任一位置都有一个与之对应的后向瑞利散射光强度。根据这一理论，通过监测返回的后向瑞利散射光信号的强度，就可以通过探测光强的变化反映出的沿光纤线路分布的光纤损耗情况，进而获得光纤扰动处的参量信息，如温度、压力、振动、声音等，并且可以通过计算光脉冲的往返时间准确的对扰动信息进行定位。该技术不仅具有分布式光纤传感测量的诸多优点，而且还具有探测灵敏度高、定位精度高等特点，目前广泛应用在石油化工天然气输送管道预警、桥梁隧道大型公共设施安全监测、长距离周界安防、电力电缆结构健康监测等领域。
3.目前普遍使用的分布式光纤振动/声波传感系统中，其解调光路是由窄线宽激光器产生的连续光经过光纤分束器分成两路，一路作为本地光，另一路经过声光调制器调制，对探测光进行移频和光脉冲生成。返回的信号光与本地光进入光纤耦合器进行拍频，差频信号进入数据采集系统。在这种方案中因为要考虑到空间分辨率以及声光晶体自身属性，一般采用频移量为200mhz的声光调制器，这就对系统数据采集及信号后处理的采样率及数据并行处理硬件性能指标提出一定的要求。根据奈奎斯特采样定理，想要很好的还原扰动信号，采集卡的采样率需要至少400mhz以上，这对硬件电路的设计提出了十分苛刻的要求，并且不利于相位噪声测量系统的噪声抑制，系统后端数据处理变的臃肿，降低了系统的实时性。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于双声光调制器串联实现光学下变频的分布式光纤振动/声波传感系统，通过光学变换及时延控制在光路中实现光学下变频，降低系统对数据采集及信号后处理的要求，减少系统数据处理量级，同时增加系统相位解调的实时性。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于双声光调制器串联实现光学下变频的分布式光纤振动声波传感系统，其特征在于：包括解调电路板(1)和下变频光路模块(2)，
6.所述解调电路板(1)包括有主控单元(3)、ad模块(4)、光电探测器模块(5)、驱动信号调理模块(6)、网口模块(7)和串口模块(8)，
7.所述下变频光路模块(2)包括有窄线宽光源(9)、光纤分束器(10)、声光调制器组合(11)、光纤放大器(12)、光纤环形器(13)和光纤合束器(14)，
8.窄线宽光源(9)的光源端与光纤分束器(10)的接收端对应，光纤分束器(10)的一输出端与声光调制器组合(11)的接收端对应，光纤分束器(10)的另一输出端与光纤合束器(14)的接收端对应，声光调制器组合(11)的输出端与光纤放大器(12)的接收端对应，光纤放大器(12)的输出端与光纤环形器(13)的接收端对应，光纤环形器(13)的输出端与光电探测器模块(5)的接收端对应，光电探测器模块(5)的输出端连接ad模块(4)的接收端，ad模块(4)的输出端连接主控单元(1)的输入端，网口模块(7)和串口模块(8)均与主控模块(1)的输出端连接，驱动信号调理模块(6)的接收端与主控模块(1)的输出端连接，驱动信号调理模块(6)的输出端分别与声光调制器组合(11)和光纤放大器(12)的控制端连接。
9.2.根据权利要求1所述的基于双声光调制器串联实现光学下变频的分布式光纤振动声波传感系统，其特征在于：所述的光纤分束器(10)为1*2光纤分束器。
10.3.根据权利要求2所述的基于双声光调制器串联实现光学下变频的分布式光纤振动声波传感系统，其特征在于：所述的窄线宽光源(9)为波长为1550.12nm的信号光光源。
11.4.根据权利要求3所述的基于双声光调制器串联实现光学下变频的分布式光纤振动声波传感系统，其特征在于：所述的光纤合束器(14)为2*2光纤合束器。
12.5.根据权利要求4所述的基于双声光调制器串联实现光学下变频的分布式光纤振动声波传感系统，其特征在于：所述的主控单元(1)为fpga。
13.6.根据权利要求5所述的基于双声光调制器串联实现光学下变频的分布式光纤振动声波传感系统，其特征在于：所述的传感系统具体工作流程为：
14.1)窄线宽激光器光源发出信号光，光源的波长为1550.12nm，进入1*2光纤分束器中；
15.2)光纤分束器将信号光分为两束，光信号1进入声光调制器组合中进行光学调制，光信号2作为本地光进入光纤耦合器中；
16.3)fpga根据设定好的参数控制声光调制器同源驱动输出驱动信号，包括两个声光调制器各自的频移量和重复频率；
17.4)调制器后的光信号1此时为脉冲光信号，具有一定的脉冲宽度和重复频率，然后进入到掺铒光纤放大器中进行激光放大；
18.5)放大后的信号光进入到光纤环形器中，从环形器2端口输出入射到振动光缆中；
19.6)信号光下振动光缆中发生瑞利散射，后向传播的瑞利散射信号经过环形器的3端口输出；
20.7)2*2光纤合束器一端接的是激光器发出的信号光1，另外一端接的是振动光缆中返回的瑞利散射信号，此时的瑞利散射信号光带有振动光缆上的振动信号。两路光信号在耦合器中进行光学拍频，产生出差频信号和和频信号，然后分成两束进入到平衡探测器中；
21.8)平衡探测器两路信号会进行差分处理，差分过程中会差分掉部分光路系统内的相位噪声，然后进入到ad数据采集系统中；
22.9)fpga从ad模块接收数据，并进行相位解调处理。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果是：传感系统由光路模块和电路模块组成，其中光路模块实现传感光信号的调制与输出，电路模块实现光信号采集、数据处理模块实现
振动信号的预处理和相位解调，并且在光路模块中通过双声光调制器的串联与控制，实现了光学的下变频，极大的缓解了后端数据采集系统对高速采集卡采样率及并行计算数据吞吐量等指标的苛刻要求，进一步提高了系统的实时性，避免高采样率条件下导致的对系统性能指标的苛刻限制；
24.a.本发明加入声光调制器组合对探测光进行组合调制，在不影响系统空间分辨率的情况下，实现了光学的下变频；
25.b.本发明减小了系统后端数据采集与数据解调的硬件系统的压力，更好的实现解调系统的实时性；
26.本发明采用声光调制器串联作为光路系统中信号光的调制器单元，其具备光学下变频、降低系统对采集卡采样率的要求以及系统振动信息处理实时性更高的优点。。
附图说明
27.图1为本发明的系统整体框架图。
28.图中：1、解调电路板；2、下变频光路模块；3、主控单元；4、ad模块；5、光电探测器模块；6、驱动信号调理模块；7、网口模块；8、串口模块；9、窄线光源；10、光纤分束器；11、声光调制器组合；12、光纤放大器；13、光纤环形器；14、光纤合束器。
具体实施方式
29.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做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。
30.请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种基于双声光调制器串联实现光学下变频的分布式光纤振动声波传感系统，包括解调电路板1和下变频光路模块2，
31.所述解调电路板1包括有主控单元3、ad模块4、光电探测器模块5、驱动信号调理模块6、网口模块7和串口模块8，
32.所述下变频光路模块2包括有窄线宽光源9、光纤分束器10、声光调制器组合11、光纤放大器12、光纤环形器13和光纤合束器14，
33.窄线宽光源9的光源端与光纤分束器10的接收端对应，光纤分束器10的一输出端与声光调制器组合11的接收端对应，光纤分束器10的另一输出端与光纤合束器14的接收端对应，声光调制器组合11的输出端与光纤放大器12的接收端对应，光纤放大器12的输出端与光纤环形器13的接收端对应，光纤环形器13的输出端与光电探测器模块5的接收端对应，光电探测器模块5的输出端连接ad模块4的接收端，ad模块4的输出端连接主控单元1的输入端，网口模块7和串口模块8均与主控模块1的输出端连接，驱动信号调理模块6的接收端与主控模块1的输出端连接，驱动信号调理模块6的输出端分别与声光调制器组合11和光纤放大器12的控制端连接。
34.所述的光纤分束器10为1*2光纤分束器，光纤分束器将激光器发出的光信号分成两束，即光信号1和光信号2，光信号1进入声光调制组合中进行调制，调制器后的探测光进过掺铒光纤放大器进行激光放大；放大后的光信号1再经过光纤环形器端口2入射到振动光
缆中；光信号2作为本地光与返回的信号在光纤合束器中进行拍频，并最终被光电探测器接收。
35.所述的窄线宽光源9为波长为1550.12nm的信号光光源。
36.所述的光纤合束器14为2*2光纤合束器。
37.所述的主控单元1为fpga。
38.电路部分由光电探测器、ad模块、驱动信号调理模块、串口模块、网口模块和fpga等模块组成。
39.光电探测器使用的是平衡性光电探测器，接收端由两路组成，一路是激光器分出的本地光，另外一路是探测光纤中返回的信号光，实现光信号转换成电信号；
40.ad模块实现把模拟的电信号转换成数字信号用于后续数据处理；
41.驱动信号调理模块实现对光路部分所需的驱动信号产生功能；
42.网口模块和串口模块作为系统的命令参数输入接口和数据输出接口，其中网口用于输出振动信号相位解调时的中间数据，以便调试人员进行数据分析并做出相应的参数调整；串口用于命令参数输入和解调后的波长值，以上两个接口皆由fpga进行控制；
43.fpga模块是系统的核心控制器件，实现数据采集、动态增益控制、驱动信号输出及动态调整、网口控制、串口控制和相位解调算法等功能。
44.本发明为了实现光纤振动信号的相位解调以及解调信号的实时性，除了通过fpga对各状态的监测和反馈进行动态的调整外，也在光路模块中进行了优化，使用声光调制器组合代替传统的单个声光调制器，实现光路中光学频率的下变频。
45.数据解调处理算法在fpga中实现，主要是对采集的数据进行混频、差分相位、解相位卷绕等处理，实现系统振动信号相位信息的解调输。
46.所述的传感系统具体工作流程为：
47.1)窄线宽激光器光源发出信号光，光源的波长为1550.12nm，进入1*2光纤分束器中；
48.2)光纤分束器将信号光分为两束，光信号1进入声光调制器组合中进行光学调制，光信号2作为本地光进入光纤耦合器中；
49.3)fpga根据设定好的参数控制声光调制器同源驱动输出驱动信号，包括两个声光调制器各自的频移量和重复频率；
50.4)调制器后的光信号1此时为脉冲光信号，具有一定的脉冲宽度和重复频率，然后进入到掺铒光纤放大器中进行激光放大；
51.5)放大后的信号光进入到光纤环形器中，从环形器2端口输出入射到振动光缆中；
52.6)信号光下振动光缆中发生瑞利散射，后向传播的瑞利散射信号经过环形器的3端口输出；
53.7)2*2光纤合束器一端接的是激光器发出的信号光1，另外一端接的是振动光缆中返回的瑞利散射信号，此时的瑞利散射信号光带有振动光缆上的振动信号。两路光信号在耦合器中进行光学拍频，产生出差频信号和和频信号，然后分成两束进入到平衡探测器中；
54.8)平衡探测器两路信号会进行差分处理，差分过程中会差分掉部分光路系统内的相位噪声，然后进入到ad数据采集系统中；
55.9)fpga从ad模块接收数据，并进行相位解调处理。
56.实现光学下变频的方法是通过采用两个声光调制器组合串联，并通过放大器驱动控制声光调制器的移频方向实现光学下变频，以减少光学拍频的差频分量大对后端数据采集与分析系统的压力，增加系统相位解调的实时性。本发明的基于双声光调制器串联实现光学下变频的分布式光纤振动/声波传感系统实现光学下变频包括以下步骤：
57.激光器输出连续信号光，其光学频率为ω δω，其中δω是激光器产生的频率噪声；
58.光纤分束器将激光器输出的光信号分为两路信号光，第一路光信号作为本地光，后面与返回的瑞利散射光信号进行拍频；第二路光信号经过串联的两个声光调制器进行调制，调制后的信号光频率变为ω δω f
1-f2。
59.通过控制声光调制器驱动，调制后的信号光不单频率发生了改变，而且具有相应的脉冲宽度和重复频率；调制后的信号光入射到掺铒光纤放大器中进行激光放大，以满足系统长距离探测的需求；
60.放大后的信号光经过光纤环形器入射到探测光纤中，在探测光纤中发生瑞利散射，瑞利散射属于弹性碰撞，后向传播的瑞利散射光信号不改变信号光的频率，并且后向传播的瑞利散射光携带探测光纤中的振动信息；
61.返回的瑞利散射光经过光纤环形器的端口3与激光器的本地光在2*2光纤合束器处汇聚，并产生光学频率，拍频后的信号光被光电探测器捕获，将光信号转变为电信号传入到后端数据采集与分析系统中。
62.数据采集与处理系统将采集到的电信号进行相位解调，得到探测光纤的振动信号。
63.具体地，通过控制声光调制器放大器驱动，将串联的两个声光调制器一个正向移频f1，一个反向移频f2，总移频量为f
1-f2，实现光学下变频；在后端的拍频的频率分量中，差频信号为f
1-f2，根据系统的实际需求控制f1、f2的大小，后端数据采集系统的采样率可以根据差频分量f
1-f2的大小进行匹配，而不是f1进行匹配，极大的降低了数据采集与处理系统的处理量，实现系统性能的提升。
64.本发明采用两个声光调制器串联，通过控制声光调制器驱动实现光学的下变频，降低了拍频信号的频率，从而缓解了后端数据采集系统对高速采集卡采样率及并行计算数据吞吐量等指标的苛刻要求，进一步提高了系统的实时性，避免高采样率条件下导致的对系统性能指标的苛刻限制。
65.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。