[发明专利]一种Φ-OTDR型分布式光纤声波传感系统及信号解调方法

说明书

本发明公开了一种Φ‑OTDR型分布式光纤声波传感系统，该系统实现了带通抽样和频分复用技术的首次融合，首先通过在传统外差探测方案的基础上引入了马赫‑增德尔调制器，实现了脉冲光的频分复用，提升了系统的有效采样率，实现了可探测声波频率的倍频增长；然后采用基于带通抽样定理的降采样方法，降低了系统采样率、硬件成本和计算复杂度，提高了系统信号采集和处理的实时性。同时，基于本发明公开的传感系统，提出了一种采用多频信号时分复用的改进相位解调方法，验证了传感器的可行性。

技术领域

本发明涉及光纤声波传感器技术领域，更具体的说是涉及一种Φ-OTDR型分布式光纤声波传感系统及信号解调方法。

背景技术

分布式光纤声波传感技术一直是国际和国内的研究热点。Φ-OTDR型分布式声波传感器是分布式光纤传感技术的重要应用，增加了对微弱振动和声波信号的探测能力，光路结构简单、灵敏度高、成本低、隐蔽性好、抗电磁干扰能力强，且能够承受极端环境，可同时检测长距离光纤范围内多点声波事件，在周界安防、油气资源勘探、管线预警、大型结构监测等许多领域具有不能比拟的优势，具有广阔的应用前景。

为了解决Φ-OTDR型分布式声波传感器可探测频率与脉冲重复频率之间的矛盾，提高系统的频率响应范围，可以利用光学外调制法可以将电信号施加到光载波上，使信号光具有电信号的特性进而完成对光载波的调制，实现频分复用。常用的方法是通过施加的电信号来改变电光材料的折射率，由于LiNbO3电光强度调制器具有高带宽、驱动电压更低、体积小、性能稳定等优点，在外调制技术中应用广泛，具有较高的研究价值，其中使用最广的是马赫-增德尔电光强度调制器。

目前，已有相关文献采用马赫-增德尔调制器实现频分复用的技术，但是存在采样率较高的问题。由于在外差探测型分布式声波传感器系统中，经过声光调制器(AOM)频移MHz量级后的连续模拟信号，其中心频率已经完全偏离直流信号，且需要解调的信号频谱是带限单频信号。

因此，提供一种基于Φ-OTDR频分复用技术的降采样率系统和实现多频信号时分复用的相位解调是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，为了降低系统采样率，提高信号采集和解调的实时性，本发明提供了一种Φ-OTDR型分布式光纤声波传感系统及信号解调方法，通过将带通抽样定理应用于外差探测型系统中，对带限单频信号进行降采样，从而达到降低系统的数据采样率和信号处理难度、节约硬件成本的目的。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明公开了一种Φ-OTDR型分布式光纤声波传感系统，包括激光器、光纤耦合器一、马赫-增德尔调制器、声光调制器、掺铒光纤放大器、光纤环形器、传感光纤、光纤耦合器二、平衡光电探测器、数据采集卡和数据处理单元；

所述激光器与所述光纤耦合器一相连；所述光纤耦合器一的第一输出端依次连接所述马赫-增德尔调制器、所述声光调制器、所述掺铒光纤放大器以及所述光纤环形器的第一端口；所述光纤耦合器一的第二输出端与所述光纤环形器的第三端口共同与所述光纤耦合器二相接，所述光纤耦合器二的输出端依次连接所述平衡光电探测器、所述数据采集卡以及所述数据处理单元；

所述马赫-增德尔调制器，用于将经过光纤耦合器一的激光调制成多个频率的连续输出光信号；

所述声光调制器，用于将所述连续光信号调制成一定脉冲间隔和脉冲宽度的脉冲光序列；

所述数据采集卡用于对经平衡光电探测器转换的电信号依据带通抽样定理进行多频信号的抽取；

所述数据处理单元用于对所述数据采集卡采集的信号进行相位解调。

优选的，所述马赫-增德尔调制器为马赫-增德尔干涉仪MZI型的电光强度调制器；

优选的，所述马赫-增德尔调制器采用推挽式结构，通过控制电极电压实现边带调制；