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。通过将光纤按不同形状布置形成探测波束，包括一维线型、二维方型、 三维圆锥型等形状，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。
[0048] 实施例3 :应用举例
[0049] 在需要进行边坡稳定监测的施工现场和山区公路地区，采用本发明的基于波束形 成的分布式光纤声波探测装置监测特征低频声波并对其声源进行定位，提前对声源附近即 将发生的事故进行预测和报警。将传感光纤13埋设在需要监测的地区，排布形式包括一维 线型传感光纤20,二维方型传感光纤21，三维圆锥型传感光纤22,然后通过基于波束形成 的分布式光纤声波探测方法进行声信号的提取。
【主权项】
1. 一种基于波束形成的分布式光纤声波探测装置，其特征在于，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); 光源（1)发出频率为的连续激光经过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(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 (11)和传感光纤（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)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巾（t)和光频谱信息I(co)，返回的光信号经 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。2. 如权利要求所述的机遇波束形成的分布式光纤声波探测装置，其特征在于，采用双 路并行马赫增德尔电光调制器（5)和任意波形发生器（4)调制光，产生用于探测的同时含 有固定频率和线性扫频成分的光脉冲信号。3. 如权利要求所述的机遇波束形成的分布式光纤声波探测装置，其特征在于，采用 90°光混频器14作为信号光与参考光混频器件，输出相位相差90°的拍频信号，用于信号 相位解调。4. 如权利要求所述的基于波束形成的分布式光纤声波探测装置，其特征在于，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。5. 如权利要求所述的基于波束形成的分布式光纤声波探测装置，其特征在于，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。6. -种基于波束形成的分布式光纤声波探测方法，其特征在于，该方法具体包括以下 流程： 步骤一、光源发出频率为的连续激光经过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； 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 用于解调相位信息巾（t)的频率为固定频率光和含有用于解调光频信息1(?)的 频率为(t)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； 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Ixcos(〇t+巾）、X偏振方向的Q信号 Ixsin(?t+ (i>)、Y偏振方向的I信号IYcos(?t+ (i>)和Y偏振方向的Q信号IYsin(?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I^osht+ci))和Q信号 Ipin(〇n+巾），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巾（t)的调制在固定频率《"上的信号和用于解调光频信息I(co)的 调制在线性扫频频率co(t)上的信号分离； 步骤四、处理频率为固定频率信号，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4>(t);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-外/)/丨、#(/)/丨cos:|V(y)_!和Y偏振方向的计算结果 -外)/丨sin:L州)j..#(|)与雜s2[#(〇]，X偏振方向和Y偏振方向的两式各自相减，分别得到 和#(/)#*再将X偏振方向和Y偏振方向相加得到巾'（t)I2;再除以4路输入信 号的平方和I2,得到巾'（t);再积分得到所需相位信息巾（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 小（t)，从而相当于在光纤沿线按aZ=f空间间隔布置成大规模的传声器阵列，通过波束 In 成形算法，实现声源振动频率、幅度的探测和粗定位； 步骤五、将同一个光脉冲内获得的线性扫频信号《a)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，从而实现巾a)所在的各点位置精定位，修正波束形成计算； 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。7.如权利要求4所述的基于波束形成的分布式光纤声波探测方法，其特征在于，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。
【专利摘要】本发明公开了一种基于波束形成的分布式光纤声波探测装置及方法，包括光源、1x2耦合器、控制和信号处理单元、任意波形发生器、双路并行马赫增德尔电光调制器、参考臂光纤、掺铒光纤放大器、光滤波器、环形器、前端部分反射镜、参考长度光纤、后端部分反射镜、传感光纤、90°光混合器、平衡探测器，将调制成下边带固定频率上边带扫频的光脉冲的信号光注入传感光纤中，将返回的携带各探测点光相位和光频谱信息的信号光与本地参考光混合，分别解调光相位信息和光频谱信息，得到传感光纤中各探测点处声波的频率、振幅和相位信息，进而计算声源的位置、强度、频率信息。将光纤的传感和传输功能合二为一，探测点规模相较于相关的传统技术扩大百倍以上。
【IPC分类】G01H9/00
【公开号】CN105092014
【申请号】CN201510239881
【发明人】江俊峰, 刘铁根, 刘琨, 陈文杰, 王双
【申请人】天津大学
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年5月12日