基于布里淵散射原理的分布式光纖傳感器信號(hào)解調(diào)方法

基于布里淵散射原理的分布式光纖傳感器信號(hào)解調(diào)方法

1布里淵傳感技術(shù)由于色散色散的波長(zhǎng)位移與光纖的內(nèi)應(yīng)力和室溫有關(guān)，因此可以利用布里源纖維分布傳感器技術(shù)進(jìn)行室溫和應(yīng)力監(jiān)測(cè)。在工程實(shí)踐中,基于布里淵的光纖分布式傳感技術(shù)的關(guān)鍵在于布里淵頻移和布里淵頻譜信號(hào)的提取,以及對(duì)信號(hào)的解調(diào)計(jì)算,并最終獲得環(huán)境溫度、光纖應(yīng)變數(shù)據(jù)。常用布里淵頻移信號(hào)提取有多種方案,也都存在一些不足之處,下面,在總結(jié)了常用布里淵頻移信號(hào)提取方案的基礎(chǔ)上,提出了基于工程實(shí)現(xiàn)的新的可行性方案。2布里源頻率轉(zhuǎn)移信號(hào)的提取2.1微波光相干檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用這種方法通過(guò)微波電光調(diào)制(EOM)技術(shù)產(chǎn)生具有可調(diào)頻差的本地參考光,再和后向布里淵散射光進(jìn)行光相干外差檢測(cè)。如圖1所示,采用頻寬小于1MHz的分布反饋式半導(dǎo)體激光器(DFB-LD)作為光源,通過(guò)光纖耦合器進(jìn)行光功率分配,一路光作為激勵(lì)光用于脈沖調(diào)制,另一路光作為本地參考光。對(duì)于激勵(lì)光,先由脈沖調(diào)制形成脈寬10ns、重復(fù)頻率為10kHz的光脈沖,經(jīng)摻鉺光纖放大器(EDFA)進(jìn)行光放大,再通過(guò)光纖光柵和環(huán)形器進(jìn)行濾波,濾掉EDFA產(chǎn)生的ASE噪聲,最后由環(huán)形器輸入到一定長(zhǎng)度的普通單模光纖。本地參考光由微波電光調(diào)制器(MicrowaveEOM)調(diào)制后用于相干檢測(cè),調(diào)制后產(chǎn)生的上下邊帶頻移取決于微波頻率。把從環(huán)形器出來(lái)的傳感光纖布里淵散射光,和通過(guò)微波電光調(diào)制產(chǎn)生的本地頻移參考光進(jìn)行光相干檢測(cè),并采用外差檢測(cè)技術(shù),通過(guò)調(diào)整微波頻率(10.740GHz左右)使得布里淵散射光和本地頻移光的頻率差約為90MHz,即使光電處理單元的輸出信號(hào)波形的中心頻率約為90MHz。原始的光電信號(hào)是一帶通的幅度調(diào)制信號(hào),并包含有豐富的噪聲。再把光電信號(hào)與本地90MHz射頻信號(hào)相乘,進(jìn)行混頻,通過(guò)低通濾波器得到低頻的幅度基帶信號(hào),對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行高速A/D轉(zhuǎn)換,采用數(shù)字采樣累加平均技術(shù)進(jìn)行疊加處理來(lái)提高信噪比,最后把信號(hào)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示。通過(guò)改變微波調(diào)制頻率(即完成一次頻率掃描)得到布里淵散射信號(hào)。重復(fù)上述過(guò)程即可完成整個(gè)有效頻帶的掃描,最終獲得各位置的布里淵頻移值。(2)光干涉提取法如圖2所示,這種方法與光干涉提取法大體類似,都是采用超外差的方法檢測(cè)頻移信號(hào)。不同的地方在于,光干涉提取法采用的是光學(xué)超外差的方法完成頻移信號(hào)的提取,需要改變微波調(diào)制頻率(作用于參考光)完成整個(gè)有效頻帶的掃描;而高頻混頻法采用的是電子超外差的方法提取的頻移信號(hào),在系統(tǒng)中有專用的頻率合成器提供外差檢測(cè)的參考頻率,并通過(guò)調(diào)節(jié)頻率合成器的輸出頻率完成整個(gè)有效頻帶的掃描。2.2基于光學(xué)超外差的hz信號(hào)綜合方法對(duì)比分析以上兩種方法,可以看到兩種方法的根本差別就是分別采用了光學(xué)超外差檢測(cè)和電學(xué)超外差檢測(cè)。實(shí)際上兩者都是有缺陷的,對(duì)于光學(xué)超外差檢測(cè)的精確度完全依賴于微波電光調(diào)制的精確度,這在實(shí)際中很難做到,因?yàn)殡姽庹{(diào)諧相對(duì)比較困難且精度不高。對(duì)于電學(xué)超外差檢測(cè)法,同樣也很難保證測(cè)試精度。因?yàn)?1GHz的超高頻率調(diào)諧比較困難,代價(jià)也較昂貴。為此,根據(jù)兩種方案的優(yōu)點(diǎn),提出了一種綜合方案。首先利用光學(xué)超外差的方法將超高頻的布里淵頻移值轉(zhuǎn)換到常見(jiàn)頻率合成器的頻帶上來(lái),然后再通過(guò)電學(xué)超外差的方法獲得最終頻移信號(hào)。如圖2所示,通過(guò)調(diào)制器將參考光源的頻率調(diào)制到頻率v0-vL,使vL接近于vB,其中vB為常溫環(huán)境,無(wú)應(yīng)變條件下的布里淵頻移,保持該頻率恒定。然后將該參考光送入光相干檢測(cè)單元與布里淵后向散射信號(hào)進(jìn)行光相干外差檢測(cè),使光電轉(zhuǎn)換信號(hào)中出現(xiàn)頻率成份Δv=vL-vB,該頻率差即為相對(duì)布里淵頻移,并最終將該信號(hào)送入混頻器與頻率合成器送入?yún)⒖夹盘?hào)進(jìn)行混頻、濾波,完成一次信號(hào)掃描。通過(guò)改變頻率合成器的輸出頻率,完成對(duì)整個(gè)有效頻帶的掃描,獲得布里淵頻移分布曲線,由信號(hào)處理系統(tǒng)處理(在新方案中,需要將～90MHz的中頻信號(hào)發(fā)生單元由寬頻頻率合成器取代)。這樣,通過(guò)光、電兩級(jí)式的外差解調(diào)形式,降低了頻率掃描步長(zhǎng),提高了分辨率和解調(diào)精度,于是就提高了溫度、應(yīng)力的測(cè)試精度。3布里淵散射光功率pb時(shí)應(yīng)變和溫度設(shè)定了pb布里淵散射不僅與光纖應(yīng)變有關(guān),還與環(huán)境溫度有關(guān),這就意味著布里淵散射系統(tǒng)可以同時(shí)檢測(cè)光纖應(yīng)變和光纖所處環(huán)境溫度,但也存在信號(hào)交叉敏感的問(wèn)題。為此可以利用布里淵峰值功率同溫度和應(yīng)變的關(guān)系,結(jié)合布里淵頻移同溫度和應(yīng)變的關(guān)系實(shí)現(xiàn)應(yīng)變和溫度的同時(shí)測(cè)量。在這里采用Rayleigh散射光功率解調(diào)布里淵散射光功率,消除由熔接損耗,微彎等情況對(duì)布里淵散射光功率造成的影響。引入Landau-Placzek率(LPR)概念,其定義為Rayleigh散射光功率Pr與布里淵散射光功率Pb之比:布里淵頻移和峰值功率同應(yīng)變和溫度的關(guān)系可表示為:Pb是布里淵峰值功率。設(shè),與作為參考的最初狀態(tài)下的系統(tǒng)特性有關(guān)。在該狀態(tài)下獲得Rayleigh散射曲線和布里淵峰值功率的分布,算出Crb(z)。在測(cè)量時(shí)通過(guò)實(shí)測(cè)Rayleigh散射曲線和Crb(z)求得布里淵峰值功率,再由實(shí)際線路中由于應(yīng)變或溫度的影響所測(cè)量的布里淵峰值功率減去算出的布里淵峰值功率即可得到由于應(yīng)變和溫度所引起的功率的變化,消除光纖線路中其他因素的變化對(duì)功率的影響。布里淵峰值功率的相對(duì)變化率隨應(yīng)變和溫度的變化的關(guān)系可進(jìn)一步表示為:式中:Pb(ref)—參考位置的布里淵功率;Pr(ref)—參考位置的瑞利功率;Pb(z)—空間位置z處的布里淵散射光功率;Pr(z)—空間位置z處的Rayleigh散射光功率。由于分別是頻移應(yīng)變系數(shù)、頻移溫度系數(shù)、功率應(yīng)變系數(shù)和功率溫度系數(shù),與光纖特性有關(guān),可設(shè)為常數(shù)。綜合(2)(3)、(4)可獲得以下方程組:其中A、B、C和D皆為常數(shù),可由系統(tǒng)定標(biāo)來(lái)確定,通過(guò)對(duì)上述方程組求解即可獲得溫度、應(yīng)力數(shù)據(jù)。4布里淵頻譜的獲取根據(jù)以上的設(shè)計(jì)方案,建立如圖3的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。光源采用窄譜寬的DFB激光器,激光器輸出的2mW左右1550nm的連續(xù)光,經(jīng)光纖耦合器分成兩路。一路經(jīng)由電光調(diào)制器形成寬度10ns的脈沖探測(cè)光,通過(guò)EDFA放大后注入傳感光纖;另一路經(jīng)由微波調(diào)制器,形成相對(duì)于探測(cè)光有一定頻移的參考光(與布里淵頻移相近),并保持恒定。相干檢測(cè)單元主要由高帶寬光探測(cè)器、低通濾波器和高帶寬運(yùn)放構(gòu)成,負(fù)責(zé)干涉信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)調(diào)理,獲得布里淵后向散射光與參考光干涉獲得的高頻信號(hào),該信號(hào)正是布里淵頻移與參考光頻移的差頻信號(hào)。由于各采樣點(diǎn)之間的間隔時(shí)間非常短,不足以直接測(cè)出各采樣點(diǎn)的頻率值。故而本系統(tǒng)采用了外差掃描的方法,將相干檢測(cè)單元輸出的高頻信號(hào)輸入到混頻器與頻率合成器輸出的參考頻率信號(hào)進(jìn)行混頻處理,經(jīng)低頻濾波,獲得各采樣點(diǎn)在參考頻率處的布里淵譜值。在整個(gè)布里淵頻譜范圍內(nèi),按照精度要求逐步調(diào)整頻率合成器輸出頻率,完成一次掃描,實(shí)現(xiàn)全光纖布里淵頻譜的獲取。信號(hào)處理單元主要由高速采集模塊和數(shù)字處理系統(tǒng)構(gòu)成,高速采集模塊的采集速度主要由系統(tǒng)空間分辨率決定,以1m的空間分辨率來(lái)算至少要求100MHz的采集速度;數(shù)字處理系統(tǒng)需要對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行累加平均以濾除系統(tǒng)噪聲,累加平均次數(shù)根據(jù)精度要求和探測(cè)時(shí)間折中確定。至此,我們已經(jīng)能夠獲得時(shí)間(光纖位置)-頻率-幅度三維布里淵頻譜曲線圖。再根據(jù)公式5便可以解調(diào)出光纖應(yīng)變和環(huán)境溫度,當(dāng)然公式中的常數(shù)必須提前定標(biāo)獲得。定標(biāo)就是在已知的溫度和應(yīng)變下,測(cè)得上述曲線圖,利用公式5求得常數(shù)的過(guò)程。5微波光調(diào)制器、光調(diào)器、頻率合成器的選擇無(wú)論是單一的光干涉提取法還是高頻混頻提取法,在技術(shù)原理上都需要有大頻率范圍的掃頻動(dòng)作,這一方面實(shí)現(xiàn)比較困難,能