基于波束形成的分布式光纤声波探测装置及探测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及分布式光纤声波探测技术领域，特别是涉及一种基于波束形成的分布 式光纤声波探测装置及探测方法。
【背景技术】
[0002] 声波测量技术是石油、岩土、航空等领域的重要检测手段和重要研究方向，有着广 泛的应用和需求。声波波束形成技术利用传声器阵列接收声场信号，通过对各个传声器信 号进行相位处理，使对应真实声源的聚焦点位置的信号加强形成"主瓣"，而其他聚焦点位 置的信号衰减形成"旁瓣"，从而能高效、高可靠地识别声源特征。如在油田勘探开发方面， 通过将多个声接收器排布成阵列接收声波信号的声波测井技术发挥着重要的作用，在勘探 阶段声波参数测量用来评价地层孔隙度和岩石力学特性等，在开发阶段可以监测套管、压 裂作业等状况。在航空方面，美国NASA、美国波音公司、法国ONERA公司、德国DLR公司等研 制了平面传声器阵列实现民机和战斗机气动噪声源的探测。
[0003] 传统的基于波束形成的声波探测多采用基于电学麦克风构建的传声器阵列采集 声场信号。传统电子传感器的分立式结构和严格的同步采集要求导致传声器阵列规模大为 受限，如美国哈里伯顿公司在声波测井设备中布置了由32个声接收器组成的传感器阵列， 美国波音公司传声器阵列中数量仅约200个。而电磁干扰、高温高湿等恶劣工作环境也为 传统电子传感器的可靠工作带来很大困难。
【发明内容】
[0004] 为了克服上述现有技术的问题，本发明提出了一种织物图案创意要素自动提取方 法，结合区域连通图和区域合并规则处理预分割图像的对织物图案几何元素提取方法；以 及选用五种颜色的集合作为反映该图案的颜色主题，基于显著性模型、颜色量化实现了颜 色主题提取。
[0005] 该分布式光纤声波测量装置及方法可以用于复杂地质的地震分析、结构声发射分 析、油井生产监测、边坡稳定性监测和航空噪声分析等领域
[0006] 本发明提出了一种基于波束形成的分布式光纤声波探测装置，该装置包括光源1、 1x2耦合器2、控制和信号处理单元3、任意波形发生器4、双路并行马赫增德尔电光调制器 5、参考臂光纤6、掺铒光纤放大器7、光滤波器8、环形器9、前端部分反射镜10、参考长度光 纤11、后端部分反射镜12、传感光纤13、90°光混合器14以及平衡探测器阵列15 ;
[0007] 光源1发出频率为ω。的连续激光经过1x2耦合器2,分为本地参考光和信号光两 路光：本地参考光经过参考臂光6,到达90°光混合器14 ;信号光经过由任意波形发生器4 控制的双路并行马赫增德尔电光调制器5,被调制成同时含有频率为固定频率成 分和频率为 ω(]+ω (t)线性扫频成分的脉冲信号光；脉冲信号光先后经过掺铒光纤放大器 7放大、光滤波器8滤波和环形器9单向环形传输，然后被注入参考长度光纤发生部分反射， 用于标记参考长度光纤的起止位置；脉冲信号在传感光纤13中，脉冲信号光在前端部分反 射镜10和后端部分反射镜12传感光纤13中形成后向瑞利散射沿光纤返回，含有不同位置 的光相位信息Φα)和光频谱信息I (ω)，返回光信号经过环形器9返回后到达90°光混 合器14,与本地参考光混合；输出光由平衡探测器阵列15接收；经过控制和信号处理单元 3处理，得到传感光纤13中的特殊排布传感光纤各位置振动相位、强度、频率信息，然后计 算声源的方向、位置、频率、强度参数。
[0008] 所述1x2親合器2包括单模光纤親合器、保偏光纤親合器、偏振分束器。
[0009] 所述特殊排布传感光纤包括一维线型传感光纤、二维方型传感光纤、三维圆锥型 传感光纤。
[0010] 本发明还提出了一种基于波束形成的分布式光纤声波探测方法，该方法具体包括 以下流程：
[0011] 步骤一、光源发出频率为ω。的连续激光经过1x2耦合器分为本地参考光和信号 光两路光；本地参考光经过参考臂光纤到达90°光混合器；信号光经过由任意波形发生器 控制的双路并行马赫增德尔电光调制器，被调制成双边带异构光脉冲，：下边带为固定频率 ，上边带频率为(t)，在脉冲内具有线性扫频的特点；
[0012] 步骤二、脉冲信号光先后经过掺铒光纤放大器放大、光滤波器和环形器，然后被 注入传感光纤中，脉冲信号光在经过的光纤中发生后向瑞利散射，后向瑞利散射沿光纤返 回，含有用于解调相位信息Φ(?)的频率为〇。-(〇"固定频率光和含有用于解调光频信息 Ι(ω)的频率为ω0+ω⑴线性扫频光，经过环形器返回后到达90°光混合器，与本地参考 光混合干涉；
[0013] 步骤三、信号光与本地参考光在90°光混合器中混合干涉后，当采用4路输出的 90°光混合器时，输出的信号分别为X偏振方向的I信号I x cos (ω?+Φ)、X偏振方向的 Q信号Ix sin(c〇t+(i))、Y偏振方向的I信号Iy C〇s(c〇t+(i))和Y偏振方向的Q信号Iy sin(c〇t+(i));当采用2路输出90°光混合器时，输出的信号分别为I信号IQc〇S(c〇t+(i)) 和Q信号Ic sin (ω t+Φ )，光信号由平衡探测器接收转化成电压信号并由控制和信号处理 单元处理，将用于解调相位信息Φα)的调制在固定频率coCT上的信号和用于解调光频信 息I (ω)的调制在线性扫频频率ω⑴上的信号分离；
[0014] 步骤四、处理频率为COct固定频率信号，与任意波形发生器的下边带做数字混频， 对每一个光脉冲提取声波引起的光相位变化信息Φα);对数字混频后的4路输出的90° 光混合器输出信号，对X偏振方向的I、Q信号和Y偏振方向的I、Q信号进行微分、相乘， 得到X偏振方向的计算结果sin2l^(/)j、#(〇/( 和Y偏振方向的计算结果
X偏振方向和Y偏振方向的两式各自相减，分别得到 列和#(〇/〗，再将X偏振方向和Y偏振方向相加得到Φ' (t) I2;再除以4路输入信 号的平方和I2,得到(t);再积分得到所需相位信息Φ (t);对2路输出的90°光混合 器输出的信号处理步骤与上述处理步骤中相同，区别在于2路输出的90°光混合器只处理 一个偏振方向的I、Q信号；利用脉冲时间宽度为T的光脉冲，提取光纤各处由声波引起的 Φ (t)，从而相当于在光纤沿线按^3 = _^空间间隔布置成大规模的传声器阵列，通过波束 2/? 成形算法，实现声源振动频率、幅度的探测和粗定位；
[0015] 步骤五、将同一个光脉冲内获得的线性扫频信号ω (t)与任意波形发生器的原始 线性扫频上边带混频，由于存在时延，因此混频得到一个频率差，根据频率差和线性扫频斜 率即可精确地获得距离信息，从而实现φ (t)所在的各点位置精定位，修正波束形成计算。
[0016] 步骤六、通过将光纤按不同特殊排布光纤布置形成探测波束，利用数据采样稀疏 化和时移控制实现探测波束的灵活配置，完成对声源的位置、频率、幅度和相位信息的提 取。
[0017] 所述特殊排布光纤包括一维线型传感光纤、二维方型传感光纤、三维圆锥型传感 光纤。
[0018] 与现有技术相比，本发明具有以下积极效果：
[0019] 1、将光纤的传感和传输功能合二为一，具有不受电磁干扰、电无源、体积小以及耐 受高温高湿恶劣工作环境的优点；
[0020] 2、布置单根光纤，构成光纤声传感采样点阵列，探测点规模达到数十万个测量点， 相较于传统电子传声器阵列，规模扩大百倍以上，很大程度扩展了传感监测点规模。
[0021] 3、采用单根光纤构成光纤声传感采样点阵列，阵列信号具有光纤脉冲探测的天然 同步性，能利用数据采样稀疏化和时移控制实现声传感采样点阵列排