本发明涉及光纤安防通信领域，特别是涉及一种基于瑞利散射的降噪分布式光纤水听的系统、装置。
背景技术：
在海洋网络安防系统中，光纤水听器阵列是其中重要的应用之一。他本质应用大多是压电探测系统。但传统的压电探测系统易受到海洋中各种气流以及海洋生物和人为的损坏。这种大规模的压电探测系统的应用，一旦发生破坏将很难修复，花费的人力物力较多。因此光纤传感水听技术成为了海洋安防中最好的解决方案。相对于传统的压电探测系统来说，光纤水听应用具有成本低、易维护、监听距离超长等优点。是当前人们的重点研究对象。
技术实现要素：
本发明主要解决的技术问题是提供一种基于瑞利散射的降噪分布式光纤水听应用的方法。通过降低光纤中各种扰动噪声以及在光纤中应用瑞利散射等。能够实现海洋水听智能检测，提高海洋中水听的识别效率。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：为实现光纤水听器中扰动噪声的降低，需要采用光放大系统以及扰动噪声的过滤中和。
其中，所述采用光放大系统对所述光纤振动噪声信号降低的步骤包括：光放大系统的选择，首先要查看系统使用的光的功率，当各种噪声造成的损耗较大时就需要引入合适的光放大器。光放大器有多种，包括但不限于半导体光放大器、拉曼光纤放大器(fra)、布里渊光纤放大器(fba)、掺铒光纤放大器(edfa)等。根据放大器光的稳定性和与光纤的耦合性来看，edfa技术相对成熟，所以成本较低，系统方案选择较多。且与光纤中瑞利散射机制相吻合。故edfa应是降噪光纤水听应用的首选。
其中。所述将所述光纤扰动噪声的产生和自我调制消除。当光纤水听放到实际应用场景时，特别是海洋等复杂环境地带，光缆通常会由于海潮、气流、海洋生物的影响产生不必要的扰动噪声。该扰动噪声主要分为两种，一个是机制频调调节噪声和偏振噪声。他的来源分别是较大强度的应力作用导致光纤长度变化的，非平衡相位调制噪声。另一类为光纤受弯曲后，从海洋水听器引入的偏振噪声。对于偏振噪声之前已有人尝试进行消除，例如garoszewicz通过各种干涉推导出的消除公式，用来消除偏振噪声，但在消除后仍然会有部分的偏振噪声未消除。吴越丰将frm等旋转到合适的角度来进行光纤中扰动噪声的消除，实验效果存在偏差。本专利是使用的是自我调制消除噪声技术来进行消除干扰噪声。该经过很长时间的发展已在雷达等领域广泛应用。在分布式光纤水听系统中，实现高可用低感光的具有参考值的探针和设计滤波器算法，对扰动噪声进行消除。
其中，为解决开头所述问题，在各种噪声消除后。本发明采用的再一个技术方案是基于瑞利散射的频谱识别。瑞利散射在光纤中的应用最早是在otdr中，otdt依赖瑞利散射对光纤中的光路的衰减情况进行诊断。本专利采用的是基于瑞利反射的光时域反射计。
其中，所述将所述光时域反射计应用于接收信号进行检测，与常规的光时域反射技术相比，该技术使得各点的背向瑞利散射光之间具备了强性。到达光纤首端的散射呈现共振叠加的形式。在瑞利散射技术中，具有强背向散射光在光纤链路沿线的扰动事件的相位调制的作用下，表现出共振技术所特有的明暗条纹相交替的特征，具有对动态事件的响应能力。通过匹配声波扰动前的某一个点，然后匹配声波扰动后的该点的散射。将多个这样的点连接最终得到的多个数组即为识别水听所需要的曲线。
其中，所述将所述瑞利曲线的识别为以下步骤，通过检测两个点差异前向传播过程中所产生的后向瑞利反射的叠加共振获取信号，同时利用光时域技术获取扰动点的空间位置信息。瑞利反射中返回光脉冲的共振时序。同时后向瑞利散射脉冲的共振叠加光波为加载有散射区两点之间相位信息的差频项。
附图说明
图1是本发明采用的光放大系统的内部结构图；
图2是本发明自我调制消除抑制扰动噪声的抑制效果；
图3是本发明在真实环境中采集并计算出的sr和sp的时域信号；
图4是本发明基于瑞利散射光的光时域反射计(cotdr)。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、接口、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请。然而，对光纤安防领域熟悉的同行人员来说，在没有这些具体细节的其它实施方式中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对大家熟悉的装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
请参阅图1，图1为采用的光放大系统的内部结构图，包括：
根据光放大器在海洋水听以及降噪的要求，可分为功率放大(ba),线路放大(la)，前置预防大三种类型(pa)，还需要在湿端光缆中加入级联la用来补偿光在光纤传输的损耗。
其中，所述该装置作用是构建一个光纤水听器网络中，防止光损耗超过了系统可用的功率极限。同时，为解决低噪声多级光放大技术。
请结合图2举例说明，复杂的海洋中会引入多种不必要的噪声，影响检测效果。这其中的噪声可分为机制频调调节噪声和偏振噪声，偏振噪声产生的原因是光纤收到弯曲等非水听光纤接收到的声波信息的噪声。传输光场产生的噪声是频率调制噪声，也叫作fm噪声。通过研究发现，偏振噪声是首先要中和的噪声源。首先利用琼斯矩阵法对水听器的偏振进行分析过滤。将光纤中的光波比对为平面电磁波。图2示出的是自我调制消除抑制扰动噪声的抑制效果，其中r为参考信号，a1为低感光的具有参考值的探针，经过a1后，同等赫兹下的可见噪声抑制到了5～30db。
图3示出的是在真实环境中采集并计算出的sr和sp的时域信号，根据图中所示，该时域产生的的随机偏振噪声峰值在0.02rad附近，且变化速度较快(～0.02s),在算法的选择上使用恢复速度更快的rls算法进行噪声的查找和自适应处理。综合考虑信号和噪声的频率和幅度特点，并兼顾自适应滤波噪声与收敛速度之间的平衡，设rls滤波后噪声和信号的频谱，为评估滤波效果，同样也给出了sr和sp的原始频谱，以及将两信号直接相减的噪声抑制结果进行对比。偏振噪声主要集中在
600hz以下的低频段，经过rls算法噪声的查找和自适应处理之后，600hz以下的随机噪声在整体中得到了大部分的清楚，在380hz附近噪声降低了约20db，大致消除了偏振噪声对光纤水下监听的影响。并且rls滤波后1khz的信号幅度没有明显变化。
综上可得：nlms算法简单，运算速度快，使用高阶的nlms滤波可对大幅度连续干扰噪声进行抑制；而rls算法的优点是收敛速度快，对随机脉冲干扰噪声也实现了较好的消除。因此，利用进行自我调制消除的灵活多变的特性，采用不同的算法并调整滤波参数，对不同环境和不同声波下噪声进行抑制。
另外，对于采用空分、时分等多重载体的光纤传输系统，在某个复用通道接入低敏感固定值探头可获得响应的不同时域的传输噪声，经自我调制消除噪声处理后即可实现多通道噪声的同时抑制。并且理论上自我调制消除噪声并不仅限于消除传输噪声，对于系统中其余的相关噪声(如干扰光源产生的噪声)也可以进行抑制，因此该方法将有可能实现水听器阵列自噪声的综合抑制。由于自我调制消除噪声的方法在光学上的结构较为简单，适合大规模产出。在生产中可将该装置放在任何需要的位置，没有空间的限制。将在瑞利散射的光纤水听器的噪声抑制方面发挥很大的作用。
cotdr是一种利用瑞利散射光的共振特性对光路各种信号进行检测。在cotdr中，接收进行信号检测，能够极大地提高系统的灵敏度和音可检测范围。光时域反射技术，实现了光纤链路中的损耗测量，在传感距离为60km、脉宽为5μs的情况下，实现了单程动态范围为24db，损耗精度0.2db的测量效果。系统采用频率稳定性高的激光器作为光源，通过调节驱动单边带调制器(sbs)的微波移频器实现对激光频率的控制。经ssb输出的连续光经耦合器分成两路，一路作为本振光，另一路经电光调制器(eom)调制成脉冲光，经脉冲edfa放大后注入传感光纤，脉冲光在传播过程中产生的后向瑞利散射光与本振光经3db耦合器合并产生共振，加载到光电探测器上进行共振检测，经a/d转换后进行信号处理输出。利用微波移频器以特定的步长改变探测光频率，依次获得一组不同频率脉冲注入产生的时域光强波形，将多组波形在计算机中按距离-频率-强度拟合为三维图形，获得沿整个传感光纤的瑞利散射功率谱。在数据处理部分，对不同时刻测得的瑞利散射功率谱进行相关处理，从探测光频移变化量与温度和应变的关系获取传感光纤的外部信息。
当海水中有声波扰动时，光脉冲会在传感光纤中传播时，在光纤的每一位置处会产生后向瑞利散射光，后向瑞利散射光会通过会回环光进行返回，经非平衡的m-z仪进行匹配。若m-z仪的臂差为δl，则发生匹配的两束后向散射光来自于光纤上两个相距δl/2的散射区域。如果有外界振动信号施加在这两散射区域中，那么外界信号将引起后向瑞利散射光的相位变化，后向瑞利散射光经非平衡仪匹配后将携带有这种相位变化。对共振光利用光学信号检测方法进行解调，可以获取光波的相位变化信息，在获取的信息中可以提取到各种声波的变化信息。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。