[發明專利]基于雙偏振雙邊帶調制的分布式光纖聲傳感裝置及方法

有效

• 申請號: 201810253111.1
• 申請日: 2018-03-26
• 公開（公告）號: CN108507663B
• 公開（公告）日: 2020-01-31
• 發明（設計）人: 江俊峰;劉鐵根;馬喆;王雙;劉琨;陳文杰;張學智
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 12201 天津市北洋有限責任專利代理事務所
• 代理人: 李素蘭

1.一種基于雙偏振雙邊帶調制的分布式光纖聲傳感裝置，其特征在于，該傳感裝置包括窄線寬激光源(1)、保偏光纖隔離器(2)、雙偏振四平行馬赫曾德爾電光調制器(3)、X偏振方向驅動用任意波形發生器(4)、Y偏振方向驅動用任意波形發生器(5)、電光調制器偏壓控制板(6)、1×2保偏光纖耦合器(7)、光纖偏振分束器(8)、第一摻鉺光纖放大器(9)、第一光纖濾波器(10)、光纖環行器(11)、傳感光纖(12)、第二摻鉺光纖放大器(13)、第二光纖濾波器(14)、四路輸出型90°光混合器(15)、平衡光電探測器(16)、數據采集卡(17)以及處理單元(18)；其中：所述窄線寬激光源(1)輸出端與所述保偏光纖隔離器(2)的輸入端連接；所述保偏光纖隔離器(2)的輸出端與所述雙偏振四平行馬赫曾德爾電光調制器(3)相連接，所述雙偏振四平行馬赫曾德爾電光調制器(3)的輸出端與1×2保偏光纖耦合器(7)的輸出端相連接，所述1×2保偏光纖耦合器(7)的輸入端分成兩路，其中一路連接所述電光調制器偏壓控制板(6)上的光電探測器；另一路與光纖偏振分束器(8)的輸入端相連接，通過所述光纖偏振分束器(8)將雙邊帶異構脈沖光信號分束成X和Y偏振兩個方向，作為探測光脈沖信號的X偏振方向的雙邊帶異構脈沖光信號，所述1×2保偏光纖耦合器(7)的輸出端，所述光纖偏振分束器(8)包括兩路輸出：

其中輸出X偏振信號的所述光纖偏振分束器(8)的一路輸出端與所述第一摻鉺光纖放大器(9)的輸入端相連接，所述第一摻鉺光纖放大器(9)的輸出端與所述第一光纖濾波器(10)的輸入端相連接，所述第一光纖濾波器(10)的輸出端與所述光纖環行器(11)的輸入端相連接，所述光纖環行器(11)有兩路輸出：其中一路輸出端注入到所述傳感光纖(12)，另一路輸出端連接到所述第二摻鉺光纖放大器(13)的輸入端，所述第二摻鉺光纖放大器(13)的輸出端與所述第二光纖濾波器(14)的輸入端相連接，所述第二光纖濾波器(14)的輸出端與所述四路輸出型90°光混合器(15)的另一路輸出端相連接；

而輸出Y偏振信號的所述光纖偏振分束器(8)的另一路輸出端輸出Y偏振信號與所述四路輸出型90°光混合器(15)的輸入端相連接，所述四路輸出型90°光混合器(15)的四路輸出端與所述平衡光電探測器(16)的輸入端相連接，所述平衡光電探測器的輸出端與所述數據采集卡(17)、處理單元(18)相連接，通過數據采集卡(17)和處理單元(18)進行接收和數據處理；

由X偏振方向驅動用任意波形發生器(4)和Y偏振方向驅動用任意波形發生器(5)分別產生上邊帶為掃頻光脈沖、下邊帶為固定頻率的雙邊帶異構光脈沖數字信號，加載到所述雙偏振四平行馬赫曾德爾電光調制器(3)。

2.一種基于雙偏振雙邊帶調制的分布式光纖聲傳感方法，其特征在于，該方法具體包括以下流程：

步驟一、窄線寬激光源(1)發出光頻為ω₀的連續激光經過保偏光纖隔離器(2)后進入雙偏振四平行馬赫曾德爾電光調制器(3)；由X偏振方向驅動用任意波形發生器(4)和Y偏振方向驅動(5)用任意波形發生器分別產生上邊帶為掃頻光脈沖、下邊帶為固定頻率的雙邊帶異構光脈沖數字信號，加載到雙偏振四平行馬赫曾德爾電光調制器(3)進行調制，雙邊帶異構光脈沖數字信號包括在X偏振方向產生下邊帶為固定頻率ω₀-ω_CW、上邊帶頻率為ω₀+ω(t)以及在Y偏振方向產生下邊帶為固定頻率ω₀-ω_CW-Δω，上邊帶頻率為ω₀+ω(t)；其中，ω_CW為固定頻率，ω(t)表示同一個光脈沖內獲得的線性掃頻信號頻率；

步驟二、經雙偏振四平行馬赫曾德爾電光調制器(3)調制后的雙邊帶異構脈沖光信號通過1×2保偏光纖耦合器(7)分成兩路，其中一路輸出光纖連接電光調制器偏壓控制板(6)，用于實現對X和Y偏振方向調制后的雙邊帶異構脈沖光信號進行抽取反饋；另外一路通過光纖偏振分束器(8)將雙邊帶異構脈沖光信號分束成X和Y偏振兩個方向，作為探測光脈沖信號的X偏振方向的雙邊帶異構脈沖光信號先后經過第一摻鉺光纖放大器(9)放大、第一光纖濾波器(10)和光纖環行器(11)后被注入傳感光纖(12)中；

步驟三、雙邊帶異構脈沖光信號在途經的傳感光纖(12)中發生后向瑞利散射，后向散射雙邊帶異構脈沖光沿傳感光纖(12)返回解調光路；包含相位信息為φ(t)、頻率為ω₀-ω_CW的固定頻率光和包含光頻信息為I(ω)、頻率為ω₀+ω(t)的線性掃頻光的后向散射雙邊帶異構脈沖光經第二摻鉺光纖放大器(13)和第二光纖濾波器(14)后與Y偏振方向的固定頻率為ω₀-ω_CW-Δω，線性掃頻頻率為ω₀+ω(t)的雙邊帶異構脈沖光信號在四路輸出型90°光混合器(15)中進行混合干涉；在X偏振方向輸出的信號XI和XQ分別為I_X cos(ωt+φ)和I_X sin(ωt+φ)，在Y偏振方向輸出的信號YI和YQ分別為I_Y cos(ωt+φ)和I_Y sin(ωt+φ)；干涉后的光信號由帶寬小于(ω₁+ω_CW)的平衡光電探測器轉化為電信號后，通過數據采集卡(17)和處理單元(18)進行接收和數據處理；其中，Δω表示X偏振方向與Y偏振方向產生的固定頻率差值，φ表示初相位；

步驟四、將調制在固定頻率ω_CW上用于解調相位信息的φ(t)和調制在線性掃頻上用于解調光頻信息的I(ω)進行分離；對每一個固定頻率為ω_CW的后向散射光脈沖和固定頻率為ω_CW+Δω的參考光脈沖干涉后的信號進行提取聲波引起的光相位變化信息φ(t)；采用四路輸出90°光混合器(15)，對X偏振方向和Y偏振方向的I、Q信號分別進行微分、相乘運算，得到X和Y偏振方向的和兩個偏振方向上的兩式各自相減，分別得到和將其相加得到φ′(t)I²，再除以四路輸入信號的平方和I²，得到φ′(t)，最后進行積分得到所需相位信息φ(t)；提取傳感光纖各處由聲波引起的相位變化信息，通過相位解調算法，可實現聲源位置、頻率和幅度等信息的初步探測，空間分辨率的表達式為T為光脈沖的寬度；再對掃頻頻率同為ω(t)的后向散射光脈沖和參考光脈沖的干涉信號進行提取聲波引起的光相位變化信息φ(t)；根據混頻后的頻率差和線性掃頻斜率獲得聲源的位置信息。