本公开涉及分布式光纤传感领域，特别是用于测量动态振动或声信号的分布式光纤传感领域，尤其涉及一种基于相位生成载波技术的混合型光纤传感系统。
背景技术：
光纤传感技术是伴随光纤通信技术在20世纪70年代迅速崛起的一种以光纤为媒质、光为载体，感知和传输外界信号的新兴技术，该技术具有灵敏度高、抗电磁干扰、绝缘性好、耐腐蚀、便于组网及长距离传输等优点，适合应用于油气勘探中高温高压、强电磁、强辐射的井下环境。光纤振动传感是光纤传感技术的一重要分支，按照感知范围分为点式和分布式两种类型，近年来已在地震勘探领域取了一系列进展。
点式光纤振动传感器主要包括干涉式、光纤光栅式、光纤激光式等几种方案，其中光纤激光式利用超窄分布反馈光纤激光器(distributedfeedbackfiberlasers，dfb-fls)作为核心器件，经增敏封装和高精度波长解调技术实现对外界微弱振动信号的探测。其具有灵敏度高，抗电磁干扰能力强、尺寸小等特点。但这种点式检波器仍然面临和传统检波器类似的问题，即复用规模较小导致其检测范围有限，难以满足高空间分辨率分布式的采集要求。
分布式光纤传感技术根据传感原理主要可分为基于干涉原理和基于后向散射探测技术两类。前者利用m-z型、sagnac型以及复合型结构通过定位算法和解调算法得到相关位置信息和外界物理信息。后者利用背向散射光的偏振、光强、频移和相位等变化来测量外界物理量。常用类型包括相位敏感光时域反射型(φ-otdr)，偏振光时域反射型(p-otdr)、布里渊光时域反射型(b-otdr)、拉曼光时域反射型(r-otdr)等。其中，φ-otdr适合长距离高空间分辨率的分布式振动或声传感，在周界安全、地震勘探、管道监测等方面有着显著优势。
φ-otdr技术是通过检测传感光纤中背向瑞利散射光的相位信号来实现分布式振动或声传感。当外界振动或声音作用于传感光纤某一位置时，该位置处的光纤将会感受到外界应力或应变的作用，引起光纤拉伸和折射率变化，进而引起导致背向散射光在传输时的相位发生变化，因此可以通过检测相位变化来实现对外界振动或声音的测量。有研究人员提出一种有效的相位检测方法是采用相位生成载波解调技术，该解调算法通过在干涉信号中引入大幅度、高速的相位调制，使干涉仪的相位点相对平均稳定。利用干涉条纹载波奇次频和偶次频的边带上均携带有待测相位信号，且两者相消相长，将干涉信号与一倍频同步载波和二倍频同步载波分别进行相干解调，得到一对包含有待测相位的正交分量，然后再进行相位抽取，从而实现相位解调。基于相位生成载波技术的分布式光纤传感系统能够实现全尺度数万道数据的实时检测，但由于其检测的是外界振动或声波引起的普通单模光纤局部的应变，仍然面临着灵敏度相对较低的问题。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种基于相位生成载波技术的混合型光纤传感系统，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种基于相位生成载波技术的混合型光纤传感系统，包括：窄线宽激光器；调制器，其输入端与窄线宽激光器的输出端连接；光隔离器，其输入端与调制器的输出端相连；掺铒光纤放大器，其输入端与光隔离器的输出端相连；环行器，所述环行器的a端口与掺铒光纤放大器的输出端相连；光纤光栅，与环行器的b端口相连；波分复用器，所述波分复用器的c端口与环行器的c端口相连，波分复用器的a端口和泵浦源的输出端相连；光纤dfb激光器阵列，与所述波分复用器的b端口相连，迈克尔逊干涉仪，与环行器的d端口相连；密集波分解复用模块，其输入端与迈克尔逊干涉仪的输出端相连；雪崩二极管探测器，用于采集瑞利散射光通过所述迈克尔逊干涉仪输出的干涉信号，其输入端口与密集波分解复用模块的输出端相连，输出端口连接数据采集处理装置；光电探测器阵列，用于采集所述光纤dfb激光器阵列输出激光通过干涉仪输出的干涉信号，其输入端口与密集波分解复用模块的输出端相连，输出端口连接数据采集处理装置；以及载波电路，其输出端同时连接迈克尔逊干涉仪的电学接口和数据采集处理装置的输入端口。
在本公开一些实施例中，所述光纤dfb激光器阵列包括多个光纤dfb激光器组成的传感阵列及满足itu-t.g.652要求的普通单模光纤，所述光纤dfb激光器之间通过普通单模光纤连接，每个光纤dfb激光器的中心波长不同，范围为1525nm～1565nm。
在本公开一些实施例中，dfb光纤激光器的泵浦源为980nm的泵浦源，dfb光纤激光器之间由10m长的普通单模光纤连接，级联级数为32元，混合传感系统最大传感距离为10km。
在本公开一些实施例中，所述迈克尔逊干涉仪包括：3db耦合器、第一法拉第旋转器、第二法拉第旋转器和相位调制器，3db耦合器的a端与环行器的d端口相连，3db耦合器的b端和法拉第旋转镜相连，3db耦合器的c端与相位调制器的输入端相连。
在本公开一些实施例中，所述相位调制器用于产生正弦相位调制，调制幅度在2rad-4rad之间。
在本公开一些实施例中，所述的混合型光纤传感系统，还包括：脉冲发生器，所述脉冲发生器的输出端口与调制器的电学接口相连，脉冲发生器的触发输出端口与数据采集卡的触发输入端口相连。
在本公开一些实施例中，脉冲发生器作用于调制器发射重复脉冲电压信号，产生脉冲光信号，脉冲电压信号的脉冲宽度为10ns-100ns。
在本公开一些实施例中，窄线宽激光器的输出波长与光纤光栅的中心波长一致，光纤光栅的3db带宽小于0.2nm。
在本公开一些实施例中，密集波分解复用器的通道间隔为300ghz，相邻通道隔离度为45db。
在本公开一些实施例中，所述数据采集处理装置包括数据采集卡、信号处理模块及显示器，其中，数据采集卡的输入端口与雪崩二极管探测器及光电探测器阵列的输出端口相连，数据采集卡的输出端口与信号处理模块的输入端相连，信号处理模块的显示端口与显示器相连；所述数据采集卡接收到的干涉信号分别为瑞利散射光通过迈克尔逊干涉仪输出的干涉信号及dfb光纤激光器输出激光通过干涉仪输出的干涉信号，第一种干涉信号通过高速数字生成载波技术来解析干涉信号进而解调出相位信号，完成分布式声传感信号解调；第二种干涉信号通过低速数字生成载波技术解析干涉信号，进而解调出相位信号，完成dfb光纤激光器阵列传感信号解调。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开基于相位生成载波技术的混合型光纤传感系统至少具有以下有益效果其中之一：
(1)通过采用相位生成载波技术来实现分布式声传感和光纤dfb激光器阵列混合振动或声信号的测量，融合了光纤dfb激光器阵列高灵敏度的特点和分布式声传感技术海量通道的特点，实现了高灵敏度微弱信号的分布式测量；
(2)通过采用相位生成载波技术来实现分布式声传感和光纤dfb激光器阵列混合振动或声信号的测量，可以克服当前分布式声传感系统中传感距离和信噪比难以同时兼顾的不足。
附图说明
图1是本公开实施例基于相位生成载波技术的混合型光纤传感系统的结构示意图。
图2是本公开实施例相位生成载波解调技术的流程图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1、窄线宽激光器；2、调制器
3、脉冲发生器；4、隔离器
5、掺铒光纤放大器；6、环行器
7、光纤光栅；8、泵浦源
9、波分复用器；10、光纤dfb激光器
11、普通单模光纤；12、第一法拉第旋转器
13、第二法拉第旋转器；14、相位调制器
15、3db耦合器；16、密集波分解复用模块、
17、雪崩二极管探测器；18、光电探测器阵列
19、载波电路；20、数据采集卡
21、信号处理模块；22、显示器
100、dfb激光器阵列；200、迈克尔逊干涉仪
具体实施方式
本公开提供了一种基于相位生成载波技术的混合型光纤传感系统，结合分布式声传感技术和光纤激光传感网络技术的特点，实现分布式高灵敏度的微弱振动信号测量。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种基于相位生成载波技术的混合型光纤传感系统。图1为本公开第一实施例基于相位生成载波技术的混合型光纤传感系统的结构示意图。如图1所示，本公开基于相位生成载波技术的混合型光纤传感系统，包括：窄线宽激光器1、调制器2、脉冲发生器3、隔离器4、掺铒光纤放大器5、环行器6、光纤光栅7、泵浦源8、波分复用器9、光纤dfb激光器阵列100、迈克尔逊干涉仪200、密集波分解复用模块16、雪崩二极管探测器17、光电探测器阵列18、载波电路19、数据采集卡20、信号处理模块21和显示器22。
其中，调制器2的输入端与窄线宽激光器1的输出端连接，光隔离器4的输入端与调制器2的输出端相连，掺铒光纤放大器5的输入端与光隔离器4的输出端相连，环行器6的a端口与掺铒光纤放大器5的输出端相连，环行器6的b端口与光纤光栅7相连，波分复用器9的a端口和泵浦源8的输出端相连，波分复用器9的c端口与环行器6的c端口相连，光纤dfb激光器阵列100和波分复用器9的b端口相连，迈克尔逊干涉仪200的输入端与环行器6的d端口相连，密集波分解复用模块16的输入端与迈克尔逊干涉仪200的输出端相连，雪崩二极管探测器17及光电探测器阵列18的输入端口同时和密集波分解复用模块16的输出端相连，数据采集卡20的输入端口与雪崩二极管探测器17及光电探测器阵列18的输出端口相连，数据采集卡20的输出端口与信号处理模块21的输入端相连，信号处理模块21的显示端口与显示器22相连，载波电路19的输出端同时连接迈克尔逊干涉仪200的电学接口和数据采集卡20的输入端口，脉冲发生器3的输出端口与调制器2的电学接口相连，脉冲发生器3的触发输出端口与数据采集卡20的触发输入端口相连。
本实施例中，所述光纤dfb激光器阵列100包括光纤dfb激光器10及普通单模光纤11，光纤dfb激光器10之间通过普通单模光纤11连接，每个光纤dfb激光器10的中心波长不同但差别很小，范围为1525nm～1565nm。
所述迈克尔逊干涉仪200包括：3db耦合器15、第一法拉第旋转器12、第二法拉第旋转器13和相位调制器14，3db耦合器15的a端与环行器6的d端口相连，3db耦合器15的b端和法拉第旋转镜12相连，3db耦合器15的c端与相位调制器14的输入端相连。
该混合光纤传感系统由分布式声传感系统和光纤dfb激光器阵列传感系统复合组成。两种传感系统共用了环行器6的c、d端，迈克尔逊干涉仪200，密集波分解复用模块16，载波电路19，数据采集卡20，信号处理模块21以及显示器22等器件。
优选地，窄线宽激光器的输出波长与光纤光栅的中心波长一致，光纤光栅的3db带宽小于0.2nm。
优选地，脉冲发生器发射重复脉冲电压信号作用于调制器，产生脉冲光信号，脉冲电压信号的脉冲宽度为10ns-100ns。
优选地，相位调制器用于产生正弦相位调制，调制幅度在2rad-4rad之间。
本实施例中，其传感单元包括不同中心波长的dfb光纤激光器组成的传感阵列及普通单模光纤，其中dfb光纤激光器的泵浦源为980nm的泵浦源，dfb光纤激光器之间由10m长的普通单模光纤连接，级联级数可达32元，混合传感系统最大传感距离为10km；普通单模光纤为满足itu-t.g.652要求的单模光纤。
本实施例中，选用的是通道间隔300ghz(即2.4nm)、相邻通道隔离度45db的密集波分解复用器。
本实施例中，存在两种不同的干涉信号，一种为瑞利散射光通过干涉仪输出的干涉信号，另一种为dfb光纤激光器输出激光通过干涉仪输出的干涉信号，两种信号分别通过雪崩二极管探测器与光电探测器阵列采集，最后传递到数据采集卡。
本实施例中，数据采集卡接收到的干涉信号分别为瑞利散射光通过干涉仪输出的干涉信号及dfb光纤激光器输出激光通过干涉仪输出的干涉信号。第一种干涉信号通过高速数字生成载波技术来解析干涉信号进而解调出相位信号，从而完成分布式声传感信号解调；第二种干涉信号通过低速数字生成载波技术来解析干涉信号进而解调出相位信号，从而完成dfb光纤激光器阵列传感信号解调。
本实施例中，混合型光纤传感系统是由光纤分布式声传感系统和光纤dfb激光器阵列传感系统复合组成的。在分布式声传感系统中，窄线宽激光器采用连续输出的rio半导体激光器，线宽小于2khz，工作波长为1550.12nm。连续输出的窄线宽激光经调制器产生周期性重复脉冲光，调制器采用声光调制器，通过脉冲发生器加载脉冲电压信号，脉冲宽度受限于声光调制器的上升下降时间，通常采用10ns～100ns的脉冲宽度，脉冲重复频率与传输光纤长度有关，当光纤长度为10km时，脉冲重复频率最大为10khz。脉冲光经光隔离器后进入掺铒光纤放大器进行光功率放大，通过环行器和光纤光栅对放大后的光信号进行滤波，光纤光栅的中心波长与窄线宽激光器的工作波长一致，光纤光栅的3db带宽小于0.2nm，以保证进入传感光纤的脉冲光不包含过多的自发辐射光，保证脉冲光的相干性。
脉冲光沿传感光纤传输过程中产生背向瑞利散射，不同位置产生不同的瑞利散射光，当窄线宽激光器的相干长度大于传输光纤长度时，瑞利散射光是相干的。传感光纤的背向瑞利散射光通过环行器的d端口进入由3db耦合器、法拉第旋转镜和相位调制器组成的迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪由于存在臂长差即时延，因此在某一时刻光电探测器接收到的是两个相隔距离等于臂长差一半的两个瑞利散射光的干涉光信号。单个脉冲发出后，不同时刻对应于不同位置的双瑞利散射光干涉信号，干涉信号经波分复用器后传递给雪崩二极管探测器转化为一时间序列的电信号，最后由数据采集卡接收。
对于同一位置的干涉信号，由于迈克尔逊干涉仪的一臂上添加了相位调制器，其干涉条纹的表达式为：
v＝a+bcos(ccos(2πf0t)+φ(t))
其中，a是与干涉仪输入光强、耦合器插入损耗等相关的直流项，b是与干涉仪输入光强、耦合器分光比、干涉仪消光比相关等有关，b＝ka，k为干涉条纹可见度，k＜1，c是干涉仪的调制幅度，取值在2rad～4rad之间，f0为载波调制频率，φ(t)为待解调的相位信号。
在本实施案例中，在光纤dfb激光器阵列传感系统中，泵浦源采用连续输出的半导体激光器，中心波长为980nm，泵浦光功率为300mw。泵浦光经波分复用器进入光纤dfb激光器阵列使其同时激射，激射后的激光经外界振动信号或声波信号调制后，反向传输通过波分复用器进入环行器，经环行器d端口进入由3db耦合器、法拉第旋转镜和相位调制器组成的迈克尔逊干涉仪。光纤dfb激光器的线宽极窄，实施案例中使用的是中国科学院半导体研究所自研的光纤dfb激光器，其线宽仅为3khz，相干长度可达数十千米。故可利用迈克尔逊干涉仪的臂长差将外界振动或声波引起的极微弱的波长位移放大为可以检测的相位变化。携带波长调制信号的激光经过非平衡光纤干涉仪后产生干涉条纹信号，可表示为：
通过相位载波调制后的干涉条纹，可表示为：
其中，i0为dfb光纤激光器的激射功率，η为光路损耗，k为干涉条纹可见度，a、b分别为干涉条纹的直流项、交流项，c为pgc相位调制幅度，ω0为pgc调制频率。
接着通过相位生成载波算法，从干涉条纹中提取相位信息，通过对应相位变化和波长漂移量的对应关系完成波长解调，其对应关系为：
最后通过标定以后还原外界的振动信息。其中
关于上述两种干涉条纹中所涉及的相位信号φ(t)(或
迈克尔逊干涉仪的输出信号分别和载波电路输出电信号的一倍频cos(2πf0t)和二倍频分量cos(2π·(2f0)t)相乘，然后经过低通滤波器分别获得含有相位信号φ(t)的正弦项-bj2(c)sin[φ(t)]和余弦项-bj1(c)cos[φ(t)](其中，j1(c)和j2(c)分别为第一类1阶和2阶贝塞尔函数)，两项相除后通过反正切算法计算得到带有常系数的相位信号[j2(c)/j1(c)]·φ(t)，通过标定可以确定常系数j2(c)/j1(c)，进而得到相位信号。当c＝2.63rad时，j2(c)/j1(c)＝1，无需进行常系数标定就可直接得到相位信号φ(t)，因此相位生成载波解调技术通常选择c＝2.63rad作为优化值。
至此，本公开第一实施例基于相位生成载波技术的混合型光纤传感系统介绍完毕。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本公开也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本公开的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本公开的最佳实施方式。
本公开可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。本公开的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(dsp)来实现根据本公开实施例的相关设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本公开还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本公开的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。