[發(fā)明專利]高增益低噪聲分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)信號(hào)處理裝置及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210532005.3
• 申請(qǐng)日: 2022-05-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN115060352A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-09-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉永行;張妮娜;張凱
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 威海北洋光電信息技術(shù)股份公司
• 主分類號(hào): G01H9/00
• 分類號(hào): G01H9/00
• 代理公司: 威?？菩菍＠聞?wù)所 37202
• 代理人: 初姣姣

本發(fā)明涉及分布式光纖傳感系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種高增益低噪聲分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)信號(hào)處理裝置及方法，設(shè)有2*2耦合器、2路PIN光電二極管、兩路交流濾波電路、兩路跨阻放大電路、信號(hào)差分單元以及信號(hào)解調(diào)單元，所述兩路跨阻放大器實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換；跨阻放大器的輸入端接交流模塊，輸出端與信號(hào)差分單元相連接；與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用兩路跨阻輸出結(jié)合交流濾波電路使得光電轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)范圍增大，進(jìn)而使得輸入光信號(hào)得到完全利用，增大輸出信號(hào)；顯著提高系統(tǒng)信噪比，增強(qiáng)系統(tǒng)測(cè)量能力。

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及分布式光纖傳感系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種能夠有效提高系統(tǒng)的信噪比，進(jìn)而增加系統(tǒng)的探測(cè)距離的高增益低噪聲分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)信號(hào)處理裝置及方法。

背景技術(shù)：

分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)利用OTDR原理，光源采用強(qiáng)相干光，經(jīng)過(guò)聲光調(diào)制器調(diào)制轉(zhuǎn)換為脈沖光再經(jīng)過(guò)放大后注入到傳感光纜中，這樣使得在光纖入射端接收到的瑞利散射信號(hào)是脈沖光脈沖寬度范圍內(nèi)各個(gè)點(diǎn)的瑞利散射光干涉后的結(jié)果。由于光源的相干性，接受的脈沖光可以看到明顯的干涉效果。當(dāng)傳感光纜所處外界環(huán)境某一位置有振動(dòng)信號(hào)作用于傳感光纜時(shí)，該位置處散射光的相位便會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而引起干涉信號(hào)的變化，因此通過(guò)檢測(cè)干涉信號(hào)的變化情況便能夠獲得沿線整條傳感光纜周圍環(huán)境變化情況。該技術(shù)一般應(yīng)用于管道安全監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)管道沿線的威脅事件，如管道挖掘機(jī)施工。

分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)的信號(hào)處理一般采用直接探測(cè)方式或外差探測(cè)方式。直接探測(cè)方式具體為：光纖傳感鏈路返回的干涉信號(hào)直接進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行放大采集。直接探測(cè)時(shí)，獲得的信號(hào)信噪比相對(duì)較差進(jìn)而影響到探測(cè)距離，該方式下一般通過(guò)增加光學(xué)放大模塊提高信噪比；外差探測(cè)方式具體為：光纖傳感鏈路返回干涉信號(hào)與相干光源一部分本振光相干，獲得差頻信號(hào)，光同時(shí)從本振光獲得能量實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的放大，光外差探測(cè)不僅可以檢測(cè)振幅調(diào)制的光信號(hào)，還可以檢測(cè)頻率調(diào)制和相位調(diào)制的光信號(hào)。相對(duì)于直接探測(cè)方式，外差探測(cè)從相干光源中獲得能量，不需要采用額外的放大方式實(shí)現(xiàn)信噪比的提高，實(shí)現(xiàn)成本低，但是實(shí)現(xiàn)解調(diào)電路相對(duì)復(fù)雜。

現(xiàn)有分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)外差探測(cè)?，F(xiàn)有分布式光纖振動(dòng)傳感的外差探測(cè)設(shè)計(jì)如附圖1所示：采用2*2耦合器實(shí)現(xiàn)兩路相位相差180°的兩路差頻光信號(hào)，兩路光信號(hào)接兩個(gè)PIN管與運(yùn)放搭建單路跨阻放大電路實(shí)現(xiàn)平衡光電探測(cè)系統(tǒng)的搭建，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

現(xiàn)有外差探測(cè)系統(tǒng)存在問(wèn)題有：1、光信號(hào)沒(méi)有得到完全的利用。單個(gè)跨阻運(yùn)放的輸出范圍受限制，當(dāng)光功率過(guò)大時(shí)運(yùn)放輸出信號(hào)會(huì)飽和，此時(shí)需要減小光信號(hào)保證電信號(hào)不失真，這樣信號(hào)光不能得到完全利用。另外，通過(guò)減小跨阻值的大小可以減小信號(hào)的輸出，但是相比于后續(xù)信號(hào)解調(diào)時(shí)還需經(jīng)過(guò)比例放大，減小跨阻值不利于提高信噪比。另外，輸出信號(hào)IF的差頻項(xiàng)ω1由聲光調(diào)制器(AOM)引入，聲光調(diào)制器是相干的直流光轉(zhuǎn)換成為脈沖光，同時(shí)引入頻移。差頻的頻率一般在80MHz～200MHz不等，屬于高頻信號(hào)。受到當(dāng)前技術(shù)水平的限制，單個(gè)跨阻運(yùn)放輸出的信號(hào)不會(huì)過(guò)高(因?yàn)樾盘?hào)大時(shí)，帶寬會(huì)降低，從而使得信號(hào)存在一定程度的失真)，需要再次經(jīng)過(guò)比例放大。

此外，現(xiàn)有技術(shù)中兩個(gè)PIN管光信號(hào)增益不能嚴(yán)格一致，會(huì)引入噪聲。見(jiàn)圖2所示，當(dāng)兩個(gè)PIN管中獲得光信號(hào)的增益一致時(shí)，兩個(gè)PIN管的信號(hào)噪聲會(huì)通過(guò)差分進(jìn)行抵消；當(dāng)兩路光信號(hào)增益差異較大時(shí)，會(huì)引入噪聲會(huì)，而實(shí)際使用時(shí)由于耦合器自帶光纖的長(zhǎng)度、熔接質(zhì)量一致性、PIN管響應(yīng)度一致性等因素，兩路光信號(hào)的增益不可能完全一致。由2*2耦合器得到相干后的信號(hào)包含由直流量以及差頻信號(hào)，其中差頻信號(hào)相差180°。圖中I3＝I2-I1，當(dāng)兩路PIN管的光信號(hào)增益一致時(shí)交流信號(hào)會(huì)翻倍，直流信號(hào)會(huì)變?yōu)?，此時(shí)光噪聲也由于相減大大降低；當(dāng)兩路信號(hào)增益不一致時(shí)，會(huì)引入直流信號(hào)，光噪聲同直流信號(hào)一樣會(huì)變大。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)和不足，提出了一種能夠有效提高系統(tǒng)的信噪比，進(jìn)而增加系統(tǒng)的探測(cè)距離的高增益低噪聲分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)信號(hào)處理裝置及方法。

本發(fā)明通過(guò)以下措施達(dá)到：