基于相位载波复用的光纤传感复用方法及实现系统

摘要

本发明属于光纤传感技术领域，具体为一种基于相位载波复用的光纤传感复用方法及实现系统。在光纤干涉系统中，对于感应外界扰动的不同感应光纤单元产生的干涉信号用不同频率的载波进行调制，相邻载波频率之间的频率差无需大于外界扰动引起的信号基波频率上限的两倍，各光纤感应单元形成的信号被共同的光电探测器检测后，利用信号基波来分析扰动信号的物理量，利用载波基波或谐波的边带判断感应扰动信号的光纤。本发明适用于外界扰动同时发生于不同感应单元的概率很小的应用中，如对于通信干线的监控。

权利要求

1.一种基于相位载波复用的光纤传感复用方法的实现系统，所述复用方法为在N个感应单元进行复用的光纤干涉系统中，对感应外界扰动的不同感应光纤单元产生的干涉信号，用不同频率的载波进行调制，相邻载波频率之间的频率差无需大于外界扰动引起的信号基波频率上限的两倍，各光纤感应单元形成的信号被共同的光电探测器检测后，利用信号基波来分析扰动信号的物理量，并利用载波基波或谐波的边带判断感应扰动信号的光纤；其特征在于包括： 第一耦合器，其外侧具有N个同向端口，记为：端口1ai，i=1,2,…N，其内侧具有2个同向端口，记为：端口1b1、端口1b2； 光纤延迟器，延迟为τ；

第二耦合器，其内侧具有2个同向端口，记为：端口2a1、端口2a2，外侧具有N个同向端口，记为：2bi，i=1,2,…N； N个感应光纤，分别连接于第二耦合器外侧的N个同向端口；

N个反馈装置，分别加在N个感应光纤末端；

N个相位调制器，相位调制载波经N个相位调制器分别给N个感应光纤对应的干涉信号施加调制；这N个相位调制器分别设置于第二耦合器外侧的N个同向端口与N个感应光纤之间，或者分别设置于N个感应光纤与N个反馈装置之间；

一个光电检测装置，将由第一耦合器输出的光干涉信号转变为电信号，并进行放大、调理；

低通滤波装置，对光电检测装置输出的电信号进行滤波，得到基波信号，即恢复出干涉信号；

同时对光电检测装置输出的电信号的调制频率基波或谐波的边带进行分析，用于判断扰动发生的感应单元；

在光路结构中，每个干涉单元对应一组相互干涉的光路，设光从第一耦合器的端口1a1输入，干涉单元i对应的相干涉光路为：Ⅰ：第一耦合器的端口1b1→光纤延迟器→第二耦合器的端口2a1→第二耦合器的端口2bi→第i相位调制器→第i感应光纤→第i反馈装置→第i感应光纤→第i相位调制器→第二耦合器的端口2bi→第二耦合器的端口2a2 →第一耦合器的端口1b2 ；

Ⅱ：第一耦合器的端口1b2→第二耦合器的端口2a2→第二耦合器的端口2bi→第i相位调制器→第i感应光纤→第i反馈装置→第i感应光纤→第i相位调制器→第二耦合器的端口2bi→第二耦合器的端口2a1→光纤延迟器→第一耦合器的端口1b1；

其中，i=1、…、N 。

说明书

基于相位载波复用的光纤传感复用方法及实现系统

技术领域

[0001] 本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于相位载波复用的光纤传感复用方法及实现系统。

背景技术

[0002] 随着科技的发展，安全防范的重要性越显突出。一些重要的军事保密部门、军事要地、银行、机场等对大范围、长距离、高可靠性的安防技术的需求越来越显著。目前，已有大量的光纤传感技术应用于安防系统，其特点是抗干扰性强、可靠性高，隐蔽性好、可防探测，易于安装和维护。

[0003] 在实际应用中，常常会遇到需要对多个对象进行监测，而一个被监测对象需要对应一套光纤传感结构，这不仅大大提高了整个监测系统的成本，而且系统的复杂程度也逐级上升，给维护也带来了很大的困难。为了解决上述问题，通常采用复用的方法，来达到简化系统，降低成本，易于维护的目的。在光纤传感所采用的复用技术中，相位载波复用是较常采用的技术，即通过相位载波复用，使不同的感应单元复用共同的光源、光纤光路以及光电探测器等。这种复用方法，如“光纤水听器阵列的多路复用技术”（韩泽等，半导体光电，第20卷第4期，231-234），“基于相位载波复用的光纤周界安防系统及其实现方法”（吴媛等，光子学报，第40卷第7期，967-970）所描述，通过对不同的感应单元施以不同频率的相位载波进行调制，每个载波频率对应于一个感应单元，各感应单元产生的干涉信号被共同的光电探测器检测。

[0004] 设有一n个感应单元进行复用的系统，其信号的交流部分可以表示为：

[0005] （1）

[0006] 其中， 是第i路感应单元产生的干涉信号对应交流分量的幅度， 为该相应的初始相位， 为感应单元受扰动产生的相位信号。

[0007] 将Pi用Jn阶贝塞尔函数展开后，变为

[0008] （2）

[0009] 从上可以看出， 的频谱是将基波的频谱从0频率附近平移到频率fmi附近，当fmi（i=1、2、…、n）各不相同，
且间距足够大，就可以将其相应的干涉子系统信号的频谱特征通过谱的平移彻底分开。通过同步解调技术，对不同的载波信号采用相应的参考频率，即可获得各干涉子系统独立的时域信号：

[0010] （i=1、2、…、n） （3）

[0011] 因此，为了实现复用与解复用的目的，上述的相位载波复用技术一般具有以下特征：

[0012] （1）为了使复用的信号不发生混叠，相邻载波频率之间的频率差必须大于外界扰动引起的信号基波频率上限的两倍；

[0013] （2）对于光电探测器后的信号，通过信号处理技术，采用载波基波或谐波作为参考信号，对载波基波或谐波边带信号进行处理，以达到将干涉信号解调出来的目的。

[0014] 在该技术中，由于对相邻频率的间隔要求，同时为了使不同载波的基波、谐波频率不发生混叠，使得调制频率的选择受到较多限制，由此会影响到实际复用的数量；同时，为了使复用的数量足够大，对调制器件的工作点要求可能会很分散，并要求调制器件具有高的工作频率，这不利于实际应用。在信号的解调中，如引入信号处理技术，会增加信号处理部分的技术难度和技术复杂性，并大大提高后端的开发成本和设备成本。

发明内容

[0015] 本发明的目的在于提供一种调制频率的选择限制少、复用的数量足够大、便于实际应用的光纤传感实现方法及系统。

[0016] 在光纤传感系统的许多实际应用场合，两个事件完全同时发生概率很小，即两个感应单元同时感应到信号的可能性很小，针对这种情况，本发明提出一种新型的基于相位载波复用技术的光纤传感复用方法。本方法包括：在光纤干涉系统中，对感应外界扰动的不同感应光纤单元产生的干涉信号，用不同频率的载波进行调制，相邻载波频率之间的频率差无需大于外界扰动引起的信号基波频率上限的两倍，各光纤感应单元形成的信号被共同的光电探测器检测后，利用信号基波来分析扰动信号的物理量，并利用载波基波或谐波的边带判断感应扰动信号的光纤。该方法原理分析如下。

[0017] 在n个感应单元进行复用的系统中，式（2）为第i个感应单元对应的干涉信号，可以改写成：

[0018] （4）

[0019] 而在没有调制的情况下，第i个感应单元对应的干涉信号为：

[0020] （5）

[0021] 其中， 是常量。比较式（4）、（5）可以看出，除了比例因数外，式（4）的第一项即保持了干涉的原信息，因此，当载波基波和谐波及其边带与信号基波无明显重叠时，通过式（4）第一项（即信号基波）的提取，可以获得干涉信号。而实现时通过带宽覆盖信号基波频率范围的低通滤波器即可获得该信号。

[0022] 由于每次扰动事件只发生在一个感应单元，即只有一个感应单元感应到扰动信号，设为该单元为第i个感应单元，从式（4）可以看出，调制频率 （ ）的基波和谐波将不会出现边带，而调制频率 的基波和谐波则出现边带，根据这一特点即可判断感应扰动的感应单元。由于仅需观察是否出现边带，仅需相邻的调制频率有一定的间隔，不影响边带判断即可，不需要像传统的相位载波复用方案那样要求具有两倍于基波最大频率的要求。图1为i单元发生扰动时的频谱示示意，在该图中，载波频率 出现了明显的边带，说明感应信号来自于感应单元i。对于出现边带的载波频率的确定，利用一些便捷的分析手段，例如边带的能量、谱线的对称性等，即可实现；信号基波则可用来恢复干涉信号。

[0023] 本发明相应于上述复用方法的实现系统，其结构如图2所示，它包括：

[0024] 第一耦合器1，1a（1）、1a（2）、…、1a（N）、1b（1）、1b（2）为其端口，其中1a（1）、1a（2）、…、1a（N）为同向端口，1b（1）、1b（2）为同向端口；

[0025] 光纤延迟器3，延迟为τ；

[0026] 第二耦合器2，2a（1）、2a（2）、2b（1）、2b（2）、…、2b（N）为其端口，其中2a（1）、2a（2）为同向端口，2b（1）、2b（2）、…、2b（N）为同向端口；

[0027] N个感应光纤4（1）、4（2）、…、4（N），分别连接于第二耦合器2的 2b（1）、2b（2）、…、2b（N）个同向端口；

[0028] N个反馈装置6（1）、6（2）、…、6（N），分别加在感应光纤4（1）、4（2）、…、4（N）末端；

[0029] N个相位调制器7（1）、7（2）、…、7（N），相位调制载波经相位调制器7（1）、7（2）、…、7（N）分别给感应光纤4（1）、4（2）、…、4（N）对应的干涉信号施加调制；这N个相位调制器7（1）、7（2）、…、7（N）可以分别设置于第二耦合器2的N个同向端口2b（1）、2b（2）、…、2b（N）与N个感应光纤4（1）、4（2）、…、4（N）之间（也可以分别设置于N个感应光纤4（1）、4（2）、…、4（N）与N个反馈装置6（1）、6（2）、…、6（N）之间（如图3所示））；

[0030] 一个光电检测装置8，将由第一耦合器1输出的光干涉信号转变为电信号，并进行放大、调理等；

[0031] 低通滤波装置9，对光电检测装置8输出的电信号进行滤波，得到基波信号，即恢复出干涉信号。对光电检测装置输出的电信号的调制频率基波或谐波的边带进行分析，用于判断扰动发生的感应单元。

[0032] 在光路结构中，每个干涉单元对应一组相互干涉的光路，设光从端口1a1输入，干涉单元i（i=1、…、N）对应的相干涉光路为：

[0033] Ⅰ：第一耦合器1的端口1b（1）→光纤延迟器3→第二耦合器2的端口2a（1）→第二耦合器2的端口2b（i）→相位调制器7（i）→感应光纤4（i）→反馈装置6（i）→感应光纤4（i）→相位调制器7（i）→第二耦合器2的端口2b（i）→第二耦合器2的端口2a（2） →第一耦合器1的端口1b（2） ；

[0034] Ⅱ：第一耦合器1的端口1b（2）→第二耦合器2的端口2a（2）→第二耦合器2的端口2b（i）→相位调制器7（i）→感应光纤4（i）→反馈装置6（i）→感应光纤4（i）→相位调制器7（i）→第二耦合器2的端口2b（i）→第二耦合器2的端口2a1→光纤延迟器3→第一耦合器1的端口1b（1） 。

[0035] 这两路光在第一耦合器1处会合相互干涉，从端口1a（1）、1a（2）、…、1a（N）可获得干涉信号。相位调制载波经相位调制器7（1）、7（2）、…、7（N）分别给感应光纤4（1）、4（2）、…、4（N）对应的干涉信号施加调制，调制频率分别为 、 、…、 。设信号基波的最大频率为 ，调制频率为：

[0036] > ，

[0037]

[0038] 从第一耦合器1输出的干涉信号输入光电检测装置8，获得电信号，电信号经低通滤波装置9，得到基波信号，即恢复出干涉信号，可用于分析扰动发生的位置、扰动的性质等。通过对光电转换装置8输出信号中的调制频率基波或谐波边带的情况分析即可判断扰动发生的感应单元，即是哪根感应光纤感应到的扰动。

[0039] 如图3所示，图2中的相位调制器也可以连在感应光纤与反射装置之间。

[0040] 本发明的方法，由于仅用信号基波来恢复干涉信号信息，无需象传统相位载波复用那样用载波基波或谐波作为参考信号来解调干涉信号，相应的信号处理手段简单，由于这个特点，该方法可以很方便的应用于施加载波的调制端远离解调端的情况下（例如图3的结构中），而无需将调制信号引回解调端或在解调端恢复出解调所用的参考信号。

[0041] 本发明使用载波基波或谐波的边带来判断信号发生的感应单元，也是该方法的又一显著特点，这种判断方法简单易行，系统结构简化。

[0042] 本发明的另一优点是相邻载波的频率差无需大于信号基波的频率上限的两倍，这方便了载波频率的选取以及相位调制器件的选择，也使得复用单元的数量更大。

附图说明

[0043] 图1为发生扰动时的频谱示意图。

[0044] 图2是用本发明的复用方法实现的单芯反馈式分布式光纤定位系统结构。

[0045] 图3是相位调制器连在感应光纤与反射装置之间的单芯反馈式分布式光纤定位系统结构。

[0046] 图中标号：1为第一耦合器，1a（1）、1a（2）、…、1a（N）、1b（1）、1b（2）为其端口，其中1a（1）、1a（2）、…、1a（N）为同向端口，1b（1）、1b（2）为同向端口； 3为光纤延迟器（延迟为τ），2为第二耦合器，2a（1）、2a（2）、2b（1）、2b（2）、…、2b（N）为其端口，其中2a（1）、2a（2）为同向端口，2b（1）、2b（2）、…、2b（N）为同向端口； 4（1）、4（2）、…、
4（N）为N个感应光纤，即感应单元；7（1）、7（2）、…、7（N）为相位调制器，用于相位载波的施加；6（1）、6（2）、…、6（N）为加在感应光纤末端的反馈装置，5为干涉单元上的一感应点；8为光电检测装置， 9为低通滤波装置。

具体实施方式

[0047] 下面通过实施例进一步描述本发明。

[0048] 本实施例采用的是图2的结构。所使用的第一耦合器1为3*3均分耦合器，第二耦合器2为4*4耦合器，有4个复用的感应单元：4（1）、4（2）、4（3）、4（4），使用的是光缆中的一芯，相应的光缆长度分别为21km、14km、36km、23km。光源为电子集团总公司44研究所生产的SO3-B型超辐射发光管（SLD）型稳定光源。光纤延迟器3使用的是美国 “康宁”生产的G652型单模光纤，光电检测装置8中使用的光电探测器为44所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器。使用的相位调制器是将光纤绕在压电陶瓷上制作而成。经测试，信号基波的最高频率小于30k，施加在相位调制器7（1）、7（2）、7（3）、7（4）上的频率分别为40kHz、45kHz、50kHz、55kHz。低通滤波器9的带宽为33k，从光电检测装置8输出的信号经低通滤波器输出的信号，经信号采集卡采样后，进行扰动位置以及扰动性质的判断。同时，对光电检测装置8输出的信号直接进行采样，对载波基波的边带，即，频率40kHz、45kHz、
50kHz、55kHz的边带进行分析，即可判断扰动来自那根感应光纤。系统中所使用的信号采集卡为NI公司产品。