[發明專利]分布式光纖傳感器及信息解調方法

有效

• 申請號: 201210099835.8
• 申請日: 2012-04-06
• 公開（公告）號: CN102628698A
• 公開（公告）日: 2012-08-08
• 發明（設計）人: 梁可楨;潘政清;蔡海文;葉青;周俊
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 張澤純

1.一種分布式光纖傳感器，特征在于其構成結構包括：線寬為KHz量級的光纖激光器(1)、第一光纖耦合器(2)、聲光調制器(3)、聲光調制器驅動電源(4)、環形器(5)、傳感光纖(6)、第二光纖耦合器(7)、平衡探測器(8)、數據采集卡(9)和計算機(10)，上述部件的位置關系如下：

通過光纖將所述的光纖激光器(1)的輸出端與第一光纖耦合器(2)的輸入端(201)連接，第一光纖耦合器(2)的第一輸出端口(202)與聲光調制器(3)的光輸入端連接，該聲光調制器(3)的光輸出端口接環形器(5)的第一端口(501)，該環形器(5)的第二端口(502)接所述的傳感光纖(6)，該環形器(5)的第三端口(503)接第二光纖耦合器(7)的第一輸入端(701)，所述的第一光纖耦合器(2)的第二輸出端口(203)接所述的第二光纖耦合器(7)的第二輸入端(702)，該第二光纖耦合器(7)的第一輸出端(703)和第二輸出端(704)分別接所述的平衡探測器(8)第一輸入端(801)、第二輸入端(802)，該平衡探測器(8)的輸出端經數據采集卡(9)與所述的計算機(10)的輸入端相連，所述的聲光調制器(3)的調制端接聲光調制器驅動電源(4)。

2.根據權利要求1所述的分布式光纖傳感器，其特征在于所述的第一光纖耦合器為1∶99的光纖耦合器，該耦合器起到分光的作用，將光源發出的連續光分成兩路，99％的光作為種子光，1％的光作為本地光。

3.利用權利要求1所述的分布式光纖傳感器進行入侵探測的信息解調方法，其特征在于該方法的步驟如下：

1)啟動：

啟動光纖傳感器，由光纖激光器(1)發出的連續光經過第一光纖耦合器(2)分光后，種子光進入聲光調制器(3)，被移頻后斬波成為重復頻率為R，脈寬為L的光脈沖，一次探測中，聲光調制器共發出m個脈沖，光脈沖經過環形器(5)依次注入到傳感光纖(6)中；

2)相干檢測：

光脈沖在傳感光纖中傳播時將引起后向的瑞利散射光。一個脈沖所產生的瑞利散射光在t時刻從環形器(5)的第三端口(503)輸出，表示為：

ERej((ω+Δω)t+ΦR(t))]]>

其中：E_R是瑞利散射光的強度，ω是注入傳感光纖中的光脈沖的頻率，Δω是聲光調制器引入的頻移，Φ_R(t)是瑞利散射光的相位，該瑞利散射光由第二光纖耦合器(7)的第一輸入端口(701)輸入；

用于相干檢測的本地光表示為由光源(1)發出，經過第一光纖耦合器(2)分光后，由第三端口(203)輸出，表示為：

ELOej(ωt+ΦLO(t))]]>

其中：ω是本地光的頻率，Φ_LO(t)是本地光的初相位，本地光由第二光纖耦合器(7)的第二輸入端口(702)輸入，所述的瑞利散射光和本地光在第二光纖耦合器中發生拍頻，該拍頻光信號輸入到所述的平衡探測器(8)的第一端口(801)為：

P_1a(t)＝|E_R|²+|E_LO|²+2E_RE_LO?cos(Δωt+Φ(t))

從第二光纖耦合器(7)的第二輸出端口(704)輸入所述的平衡探測器(8)的第二端口(802)的信號為：

P_1b(t)＝|E_R|²+|E_LO|²-2E_RE_LO?cos(Δωt+Φ(t))

式中：Φ(t)＝Φ_LO(t)-Φ_R(t)；

所述的平衡探測器(8)將P_1a(t)，P_1b(t)的差值轉換為電信號，從輸出端(803)輸出，表示為：

ΔP(t)＝4E_RE_LO?cos(Δωt+Φ(t))；

3)數模轉換：

所述的電信號ΔP(t)經數據采集卡(9)轉換為數字信號A_i(n)，送入計算機(10)中進行處理，所述的A_i(n)的形式如下：

A_i(n)＝4E_RE_LO?cos(Δωn+Φ(n))

A_i(n)的長度為其中l表示傳感光纖的長度，S表示數據采集卡的采樣率，v表示光纖中的光速；

4)幅度和相位解調：

所述的數字信號A_i(n)在計算機(10)中進行幅度和相位解調：

4.1)軟件正交混頻：

計算機(10)首先產生一個標準信號S(n)，具有如下形式：

S(n)與A_i(n)長度相同；將S(n)與A_i(n)相乘，得到B_i(n)：

B_i(n)＝E_RE_LOe^{j(2Δωn+Φ(n))}+E_RE_LOe^jΦ(n)

4.2)低通濾波：

對B_i(n)低通濾波，得到結果B_i(n)的低頻成分，記為C_i(n)

C_i(n)＝E_RE_LOe^jΦ(n)

4.3)求瑞利光信號的幅度：

利用Matlab現有的求幅度函數abs(?)對C_i(n)計算瑞利信號的幅度，得到結果如下：

D_i(n)＝abs(C_i(n))＝E_RE_LO

4.4)求瑞利光信號的相位：

利用Matlab現有的求相位函數angle()對C_i(n)計算瑞利信號的相位，得到結果如下：

F_i(n)＝angle(C_i(n)＝Φ(n)

對每個光脈沖所產生的瑞利光信號，重復步驟2～4，得到m個脈沖光所產生的幅度序列和相位序列，分別記為D₁(n)，D₂(n)，……，D_m(n)和F₁(n)，F₂(n)，……，F_m(n)；

5)定位入侵位置：

對m個幅度序列相鄰做差，得到m-1個幅度差值序列，差值序列記為E_i(n)，做差方法如下：

E_i(n)＝D_i(n)-D_i+1(n)，i＝1，2.....m-1；

將E₁(n)，E₂(n)，……E_m-1(n)同一坐標系下疊加顯示出來，峰值出現在k點處，則對應擾動位置在處，其中l是傳感光纖的長度，N是序列長度；

6)求擾動的頻率和強度信息：

根據所述的擾動位置k，從m個相位序列中取出擾動位置處的相位F₁(k)，F₂(k)，……，F_m(k)，在坐標系中標出這m個點(i，F_i(k))，即橫坐標是脈沖的序號，縱坐標是對應脈沖在擾動位置處的相位值，該曲線所反映的頻率即為擾動的頻率，曲線的峰峰值反映了擾動的強度。