[发明专利]基于相位载波复用的光纤传感复用方法及实现系统

说明书

技术领域

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

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。

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。

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：

 （1）

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。

将P_i用J_n阶贝塞尔函数展开后，变为

     （2）

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f_mi附近，当f_mi（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：

   （i=1、2、…、n）                （3）

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：

（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；

（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。

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

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。

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。

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：

 （4）

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： 

                                （5）