一种光纤分布式振动传感系统及鉴相非线性误差修正方法与流程

本发明涉及光纤传感、信号处理技术领域，尤其涉及光纤分布式振动传感系统以及对应的鉴相非线性误差修正方法。

背景技术：

近年来，分布式光纤传感技术因其独有的先天优势越来越多的受到产业界和国家安全部门的重视，因而国家安全部门、安全监测行业纷纷对分布式光纤传感技术进行投资和研发，并有望在几年内获得广泛的应用。而这所有的分布式光纤传感系统的基本理论都是基于光纤的弹光效应，利用传感区域的扰动、声波、温度、压力、电磁力等外界参量作用于光纤的某一区域，使得该区域附近的光纤折算率和长度随之而变化，从而通过探测光纤中光信号的光强、偏振状态、相位、波长等参量，即可间接的获知所监测的外界的振动位置和振动频率、温度、气体浓度等参量。随着光通信系统所需的各类器件的成本已经趋于大规模应用的合理范围，这使得长距离分布式光纤传感技术由以前的军用和实验室研究走向广泛的民用领域成为了可能。

光纤分布式传感器是基于光时域反射技术(otdr)的一种分布式应力传感系统。该技术是由于光纤制备工艺的限制，造成光纤上各点的密度不均匀，进而折射率不均匀，这种不均匀性引起光在光纤中传输时发生瑞利散射。同时，光纤受到各种施加的外力(强烈的机械振动或微弱的声波振动)时也会导致局部折射率的变化，也会使得光纤中的散射光发生变化。这样，当在光纤一端注入脉冲激光进行传输时，其中一部分的背向散射光反向传输回光入射端，通常这对于光纤通信来说这是一种反射损耗，然而也正是因为这样的特性，可以通过探测接收到的随时间变化的背向散射光信号，来监测光纤链路上受到的应力变化情况，这就是通常所说的光时域反射技术。作为长距离围栏技术应用的首选，在周界安防、长输油气管道安全、大型结构健康监测等领域发挥重要作用，满足国家在边境线、重要基础设施等方面安全监测的重大需求。

在基于光时域反射技术的光纤分布式传感系统的设计的相关技术中，基于数字外差解调的分布式光纤传感系统利用相干检测方法，提高了检测灵敏度，实现了振动传感和相位检测。

但是数字外差方法需要百兆及以上数量级采样率，同时高速率数据采集和处理对数据处理设备的计算性能和存储性能都有较高的需求。数字外差方案决定了数字外差型φ-otdr系统中的信号检测和处理模块的成本无法降低。并且，数字外差解调方案采用dcm和反正切等传统的数字鉴相处理过程，数据处理过程繁琐复杂，大大影响系统响应能力，限制了系统的实际工程应用领域范围。

技术实现要素：

本发明的目的在于：现有的基于数字外差调解的分布式光纤传感系统的实现存在这些问题：(1)需要较高性能的数字信号检测和处理设备，成本居高不下；(2)采用dcm和反正切等传统的数字鉴相处理过程，导致数据处理过程繁琐复杂，大大影响系统响应能力，限制了系统的实际工程应用领域范围；为了解决这两个问题，本发明提供一种光纤分布式振动传感系统。普通模拟鉴相电路模块只能鉴别0°-180°不能适用于大动态范围的光纤分布式传感系统。

本发明的技术方案如下：

一种光纤分布式振动传感系统，包括依次连接的连续激光光源、第一耦合器、声光调制器、光纤放大器、环形器、光纤耦合器、平衡探测器、模拟鉴相电路模块、控制显示终端和声光调制器驱动器，还包括与模拟鉴相电路模块相连的信号发生器；声光调制器驱动器与声光调制器连接；第一耦合器中输出99％光的一路输出端与声光调制器连接，另一路输出端与光纤耦合器连接；环形器的一路输出端与光纤耦合器连接，另一路输出端依次连接传感光纤和压电陶瓷；模拟鉴相电路模块为双路参考鉴相电路。

具体地，所述模拟鉴相电路模块包括90°电桥芯片、功分芯片、第一鉴相芯片、第二鉴相芯片和解调模块，90°电桥芯片分别与第一鉴相芯片和第二鉴相芯片连接，功分芯片分别与第一鉴相芯片和第二鉴相芯片连接，第一鉴相芯片和第二鉴相芯片均与解调模块连接，解调模块为计算机或者其他终端。

进一步地，所述第一鉴相芯片和第二鉴相芯片均为ad8302鉴相芯片。

进一步地，所述光纤放大器与环形器之间连接有滤波器。

进一步地，所述第一耦合器为2*1耦合器，所述光纤耦合器为2*2光纤耦合器；所述光纤放大器为edfa放大器。

模拟鉴相电路模块9是基于ad8302鉴相芯片设计，该芯片具有较宽的工作频带，它可对10mhz到2.7ghz频率范围的模拟正弦信号进行鉴相，且具有很高的探测灵敏度，当输入阻抗为50ω时，其可探测信号功率范围为-60dbm-0dbm；理论上可对0°到180°的相位差进行检测，同时理论鉴相精度典型值为0.1°。

在双路ad8302参考鉴相电路的结构中，需要被鉴相的信号将首先经过1：1功率分配器芯片，即功分芯片92，将鉴相信号分为两个同相位且等幅度的信号，另一路参考信号将首先经过90°电桥芯片，90°电桥将会对其中一路信号进行90°相位的置位，即增加90°的相位延迟，而对另一路输出信号直接输出，不增加相位延迟，因此90°电桥芯片输出的两路信号将有90°的相位差，而幅值基本相同。通过两路鉴相结果的特征差就可以得到0°到360°范围内的鉴相结果。

本发明中所述模拟鉴相电路模块是基于ad8302鉴相芯片,ad8302芯片虽然鉴相的范围为0°到180°，但是在-180°到0°工作时，其鉴相特征曲线的斜率与工作在0°到180°时互为相反数；且在0°和±180°附近，其响应特征有一定的非线性效应，其鉴相特征曲线在0°和180°的曲线转折点处存在7°左右的误差，双路ad8302参考鉴相电路的鉴相特征曲线在0°和180°，90°和270°的曲线转折点附近线性度很差，这对于相位差检测带来了很大的误差。为此，根据本发明提供的一种光纤分布式振动传感系统，本发明再提供一种鉴相非线性误差修正方法，包括如下步骤：

s1:对光纤分布式振动传感系统中双路参考鉴相电路进行特征曲线测试，根据测试结果拟合出第一鉴相芯片和第二鉴相芯片输出的电压值和相位差的函数关系。

s2：将数据采集卡采集到的第一鉴相芯片和第二鉴相芯片的输出的电压数据输入解调程序，然后利用拟合函数解调出在两条鉴相特征曲线上各个区段内对应的鉴相结果分别为两个ad8302鉴相芯片在0°-180°和180°–360°范围内输出的相位值。

s3：将与s1中的特征曲线作对比，判断各个鉴相结果是否位于特征曲线的线性区，如果在线性区内则直接将或输出；如果其中一个鉴相芯片的鉴相结果位于特征曲线的非线性区，而另一鉴相芯片的鉴相结果正好位于其线性区，因此就将另一线性区域的鉴相结果赋值给位于非线性区的鉴相器作为输出结果。

s4：将经过修正后的鉴相结果与分别相减，差值最小的与即为鉴相结果，使用与的平均值作为鉴相结果进一步抵消单条特征曲线由于函数拟合误差带来的鉴相误差。

s5：对s4得到的鉴相结果加上修正值补偿抵消在进行鉴相电路测试时信号发生器的相位差存在一定的固定漂移，输出最终鉴相结果。

上述步骤中，所述第一鉴相芯片(93)和第二鉴相芯片(94)均为ad8302鉴相芯片。

采用上述方案后，本发明的有益效果如下：

(1)通过模拟鉴相实现了对混频信号的模拟下变频处理，使得数据采样率由数字外差解调式的数百mhz甚至超过ghz降低到了10msa/s，因此可以极大的降低外差方案的光纤分布式振动传感系统的成本；本发明设计的模拟鉴相电路模块实现了对分布式光纤振动传感系统成本的大幅削减，相较于基于数字外差解调的分布式光纤传感系统中所需的高达数百兆赫兹甚至超过1ghz的高速数据采集卡和高性能数据处理设备，具有较好的批量化生产潜力和较大的实际应用价值，将有利于推动光纤分布式传感系统在周界安防、长输管道安全监测、大型结构健康监测等领域实现更为广泛的应用。

(2)采用双路ad8032实现相位扩展，打破了普通模拟鉴相电路模块只能鉴别0°-180°不能适用于大动态范围的光纤分布式传感系统的限制，实现0°-360°相位鉴定。

(3)采用双向非线性校正方法修正鉴相非线性误差，利用鉴相解调程序对鉴相特征曲线的非线性区域进行修正，降低ad8302的鉴相误差，鉴相特征曲线的鉴相最大误差由7°左右下降至1.1795°，最大误差概率由1.97％下降至0.33％。

附图说明

图1是本发明的分布式光纤振动传感系统结构图；

图2是双路ad8302鉴相电路的结构图；

图3是ad8302特征曲线的非线性误差；

图4是双路ad8302鉴相电路特征曲线测试结果；

图5是双路ad8302鉴相非线性误差修正方法流程图；

图6是双路ad8302鉴相电路解调误差；

图7是双路ad8302鉴相电路对应相位解调测试结果；

图8是施加周期调制信号时，振动点的相位解调时域波形；

图中标记：1-连续激光光源，2-第一耦合器，3-声光调制器，，4-光纤放大器，5-滤波器，6-环形器，7-光纤耦合器，8-平衡探测器，9-模拟鉴相电路模块，10-信号发生器，11-采集和控制终端，12-压电陶瓷，13-传感光纤，14-声光调制器驱动器。

具体实施方式

下面，将结合附图和实施例对本发明进行更加清楚详细的说明。

一种光纤分布式振动传感系统，包括依次连接的连续激光光源1、第一耦合器2、声光调制器3、光纤放大器4、滤波器5、环形器6、光纤耦合器7、平衡探测器8、模拟鉴相电路模块9、控制显示终端11和声光调制器驱动器14，还包括与模拟鉴相电路模块9相连的信号发生器10；声光调制器驱动器14与声光调制器3连接；第一耦合器2中输出99％光的一路输出端与声光调制器3连接，另一路输出端与光纤耦合器7连接；环形器6的一路输出端与光纤耦合器7连接，另一路输出端依次连接传感光纤13和压电陶瓷12；模拟鉴相电路模块9为双路参考鉴相电路。

模拟鉴相电路模块9包括90°电桥芯片91、功分芯片92、第一鉴相芯片93、第二鉴相芯片94和解调模块95，90°电桥芯片91分别与第一鉴相芯片93和第二鉴相芯片94连接，功分芯片92分别与第一鉴相芯片93和第二鉴相芯片94连接，第一鉴相芯片92和第二鉴相芯片93均与解调模块95连接，解调模块95为计算机或者其他终端。

第一鉴相芯片93和第二鉴相芯片94均为ad8302鉴相芯片。

在本实施例中，连续激光光源1为最大线宽5000hz的窄线宽的1550nm连续光光源；连续光经过99:1耦合器2后，99％的光进入声光调制器3后将连续光调制成固定频率的脉冲光信号。声光调制器3的工作频率为80mhz，由控制显示终端11控制声光调制器驱动器驱动其产生调制信号，该声光调制器将连续光调制成固定频率固定占空比的脉冲光信号；因为经过声光调制器3调制后的脉冲光功率将会急剧减小，为了获得较强的后向瑞利散射光，在进行声光调制后使用脉冲型光纤放大器4对光脉冲进行放大。光纤放大器4的工作波长范围1525-1565nm；放大后的脉冲光再经过滤波器5，5对探测脉冲进行光学滤波；探测光纤中的背向瑞利散射光依次经过环形器7的2端口、3端口耦合进另一50:50的2x2光纤耦合器7的其中一个端口；经耦合器2的1％端口出来的连续光直接耦合进耦合器7的另一端口，最后耦合器7与平衡探测器8构成相干平衡探测结构，将平衡探测的混频信号与信号发生器10产生的标准正弦信号同时输入模拟鉴相电路模块9，对混频信号进行相位检测，然后将鉴相模块9输出结果通过采集和控制终端11进行数据的采集以完成鉴相结果解算和对光纤上振动信号的检测和定位。

图2是双路ad8302参考鉴相电路的结构图，在双路ad8302参考鉴相电路的结构中，需要被鉴相的信号将首先经过1：1功率分配器芯片，将鉴相信号分为两个同相位且等幅度的信号s1(t)和s2(t)，假设输入的被鉴相信号为：

其中，a表示被鉴相信号幅度，ω表示信号频率，表示被鉴相信号的相位。那么s1(t)和s2(t)可表示为：

式中ks表示振幅衰减系数。

另一路参考信号r(t)将首先经过90°电桥芯片，90°电桥将会对其中一路信号进行90°相位的置位，即增加90°的相位延迟，而对另一路输出信号直接输出，不增加相位延迟，因此90°电桥芯片输出的两路信号将有90°的相位差，而幅值基本相同。若假设参考信号为：

其中，b表示参考信号幅度，ω表示信号频率，表示参考信号的相位。经过90°电桥芯片后两路信号可分别表示为：

然后，将上述s1(t)与r2(t)、s2(t)与r1(t)分别使用两片ad8302进行鉴相检测，由上述鉴相特征曲线推算，s1(t)与r2(t)的鉴相结果为：

而s2(t)与r1(t)的鉴相结果为：

若参考信号与被鉴相的信号的真实相位差为60°，那么将会为150°；反之若参考信号与被鉴相的信号的真实相位差为300°，那么将会为390°(即30°)。因此可以通过另一路参考鉴相结果就可以得到0°到360°范围内的鉴相结果。

本发明中所述模拟鉴相电路模块基于ad8302鉴相芯片,ad8302鉴相芯片虽然鉴相的范围为0°到180°，但是在-180°到0°工作时，其鉴相特征曲线的斜率与工作在0°到180°时互为相反数；且在0°和±180°附近，其响应特征有一定的非线性效应，ad8302特征曲线的非线性误差如图3所示,其鉴相特征曲线在0°和180°的曲线转折点处存在7°左右的误差；双路ad8302参考鉴相电路特征曲线测试结果如图4所示,双路ad8302参考鉴相电路的鉴相特征曲线在0°和180°，90°和270°的曲线转折点附近线性度很差，这对于相位差检测带来了很大的误差。为此，本发明利用双向非线性校正，修正鉴相非线性误差，通过鉴相解调程序对鉴相特征曲线的非线性区域进行修正，降低ad8302的鉴相误差。

本发明根据图4测试结果拟合出两路ad8302输出的电压值与相位差的函数关系。设两路输出电压值分别为va和vb时，两路输入信号的相位差检测结果分别为和时，拟合的函数关系和表示为：

图5是双路ad8302参考鉴相电路解调程序流程图。由于使用了一个预置90°相位延迟作为鉴相结果的参照，因此需要同时对两片ad8302的输出电压结果进行鉴相解调。首先，将数据采集卡采集到的两路ad8302鉴相输出的电压数据输入解调程序，然后利用式(8)和式(9)所示的拟合函数解调出在两条鉴相特征曲线上各个区段内对应的鉴相结果随后将得到的上述四个鉴相结果分别与图4所示的特征曲线作对比，判断各个鉴相结果是否位于特征曲线的线性区，如果在线性区内则直接将或输出；如果此时的鉴相结果位于特征曲线的非线性区，而另一路ad8302输出的鉴相结果正好位于其线性区，因此就将另一线性区域的鉴相结果赋值给位于非线性区域的鉴相器作为输出结果。

最后，将经过修正后的鉴相结果与分别相减，差值最小的与即为鉴相结果，为了进一步抵消单条特征曲线由于函数拟合误差带来的鉴相误差，此处使用与的平均值作为鉴相结果。此外，由于在进行鉴相电路测试时信号发生器的相位差存在一定的固定漂移，因此在最后输出时，需要对输出结果加上修正值，最后输出鉴相结果。将鉴相模块输出结果使用高速数据采集卡进行数据的采集以完成鉴相结果解算和对振动信号的定位分析。

双路ad8302参考鉴相电路解调误差结果如图7所示。当电路工作于80mhz时，在0°到360°范围内，鉴相结果的最大误差为1.1795°，其线性度为：

而如图3所示的ad8302特征曲线的最大误差为7°左右，其线性度为1.97％。双路ad8302参考鉴相电路对应相位解调测试结果如图6所示，图中可以看出，实际解调输出相位差与理想状态输出相位差的对应关系整体良好，通过双路ad8302参考鉴相电路解调程序的误差修正，大幅度的提高了鉴相精度。

在对指定位置压电陶瓷施加标准的周期振动信号，并通过本发明进行该位置的相位解调，振动点的相位解调时域结果如图8所示，信号的相位特征基本可以辨别出来，进一步说明了，本发明设计的模拟鉴相电路模块用于光纤分布式传感系统中，有效的实现了对振动信号的相位解调和分析，充分证明了模拟鉴相电路模块应用于光纤分布式振动传感系统的可行性。