[發明專利]脈沖調制及解調模塊及分布式光纖振動傳感定位方法

在審

• 申請號: 202110900354.1
• 申請日: 2021-08-06
• 公開（公告）號: CN113639847A
• 公開（公告）日: 2021-11-12
• 發明（設計）人: 劉琨;劉鐵根;黃悅朗;江俊峰;孫振世;郭海若;周子純;薛康
• 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: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉同欣

脈沖調制及解調模塊及分布式光纖振動傳感定位方法。本發明公開一種脈沖調制及解調模塊，包括雙馬赫曾德光纖干涉儀和解調模塊，其中所述雙馬赫曾德光纖干涉儀包括兩個結構相同的脈沖延時裝置，所述脈沖延時裝置的一端分別連接各自的環形器，另一端通過傳感光纖相互連接；脈沖序列在經過兩個脈沖延時裝置后產生四個脈沖序列，兩兩干涉，噪聲光脈沖序列和信號光脈沖序列時域完全錯開，從而分離不能發生干涉的噪聲光；所述解調模塊直接剪切未發生干涉的脈沖序列，對剩下發生干涉的脈沖信號濾除直流分量后，對兩路干涉信號進行互相關以獲得其到達各自光電探測器的時間差，從而獲得振動事件的位置。本發明還公開了利用所述脈沖調制及解調模塊的定位方法。

技術領域

本發明屬于傳感及檢測技術領域，特別涉及一種基于共路干涉的脈沖調制及解調模塊及分布式光纖振動傳感定位方法。

背景技術

分布式光纖振動傳感技術利用單一光纖鏈路檢測光纖沿線振動事件的位置信息和模式類別。相對于傳統的電磁傳感技術，分布式光纖振動傳感技術具有抗電磁干擾、靈敏度高等特點，可以在更為廣闊和惡劣的環境發揮顯著可靠的作用。在分布式光纖振動傳感技術中，傳感光纖同時負責感知振動和傳遞信號，其沿線每一個點都可以作為監測點監測振動。現在分布式光纖振動傳感技術已被廣泛應用于周界安防檢測、油管檢測、大壩故障檢測等諸多關鍵領域，節約了大量檢測成本，創造了可觀的經濟利益。分布式光纖振動傳感技術主要有定位精度和頻率響應兩個技術指標。其中定位精度和找出故障位置所需要的成本直接相關，是研究者提升系統性能的重點關注對象。由于分布式光纖振動傳感系統的應用環境復雜，通常會受到沿線周邊噪聲的影響。光纖中光信號的相位、振幅等信息會因此發生對應的漂移，嚴重影響系統的定位精度等關鍵性能指標。

分布式光纖振動傳感系統依據其傳感原理可以分為背向散射型振動傳感系統和干涉型振動傳感系統。背向散射型光纖振動傳感系統通過在傳感光纖中注入窄線寬的脈沖光信號獲取各種散射信號諸如瑞利散射、布里淵散射等。光纖沿路不同位置的散射情況不同。振動位置可通過觀察不同位置散射變化的劇烈程度得知。干涉型振動傳感系統通過搭建各種干涉儀如邁克爾遜干涉儀，馬赫曾德干涉儀等實現振動傳感。施加在光纖上的振動信號會導致光纖內傳輸光信號的相位變化，進而引起干涉光強發生變化，由此判定是否發生振動傳感。在干涉型傳感系統中，振動事件的定位信息主要通過搭建正反向兩個干涉儀，對探測的振動傳感信號進行互相關運算求解。振動相位信息沿傳感系統正向和反向傳播的時間不同，通過對正反向干涉儀產生的兩個干涉信號做互相關求出時間差，就能計算出振動事件作用在傳感光纖上的具體位置。互相關算法求時間差的準確性取決于兩信號形狀的一致性。當正反向干涉儀完全對稱時，求出的振動位置信息完全正確。但由于信號干涉過程中，干涉儀兩干涉臂之間會因為環境的干擾出現相位漂移的現象，正反向干涉儀將不再保持完全對稱。這導致兩個干涉信號的波形形狀產生較大差異，互相關運算也會出現較大的定位誤差。相位漂移由沿路噪聲、光纖偏振態變化等諸多因素產生。解決方案包括高通濾波、調偏控制器調偏、法拉第旋光鏡抑制偏振衰落，共路光學結構等。共路光學結構成本較低，但由于使用寬譜光源，無法干涉的噪聲光和信號光混疊，噪聲較大，也會影響定位精度，限制其實際應用。其他上述方法可以一定程度上解決上述問題，但存在不能持續有效抑制相位漂移、硬件成本較高等劣勢。上述原因限制了這些方法在實際中的應用。

鑒于以上分析，設計一種結構簡單、成本較低、定位精度高且長期有效抗相位漂移且保證低噪聲的分布式光纖振動傳感系統對提高系統穩定性并拓展其在振動傳感領域的應用具有迫切的實際意義和重要價值。

發明內容

本發明的目的是解決現有干涉型分布式光纖共路型傳感系統噪聲引起定位誤差的問題，為更好的實現工程化應用，保證系統穩定性，提供了一種基于共路干涉的脈沖調制及解調模塊及分布式光纖振動傳感低噪聲定位方法。利用延時光纖和聲光調制器在傳感光纖中產生有傳輸時延的脈沖序列，實現攜帶不同時間段振動信號信息的脈沖光信號干涉，并在時域上實現了信號光與噪聲光的分離。