一种光源噪声改善的光纤振动测量装置及方法与流程

本公开涉及光纤分布式振动测量领域，特别涉及一种光源噪声改善的光纤振动测量装置及方法。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

光时域反射测量技术是根据光的后向散射与菲涅耳反向原理，利用脉冲光波在光纤中传播时产生的后向散射光波来获取能量(幅度)衰减的信息，可用于测量光纤衰减、接头损耗、光纤故障点定位以及了解光纤沿长度的损耗分布情况等，是光缆施工、维护及监测中必不可少的技术。

随着测量技术的不断改进，出现了如相位敏感光时域反射测量技术、振动测量技术和基于二次差分的测量方法；

发明人发现，对于依据二次差分的测量方法，当被测环境振动发生时，由于受到振动事件的影响，在振动点之后的传感光纤中都会携带振动信息，而振动点之前的传感光纤则未携带振动信息。因此可以选取间距为dab的a点和b点，通过相位做差初步消除由于激光器相位噪声对测量带来的不利影响，其中a点在振动点之后，携带振动信息，而b点在振动点之前，未携带振动信息。进一步，选取振动点之前间距为dcd的c点和d点，进行相位做差，可以得到c、d两点之间的相位变化信息。通过计算间距dab和dcd的比例关系，可以消除激光器相位噪声对传感系统的性能影响，实时补偿频率漂移引起的测量相位漂移，提高外界振动信号的测量精度，但是，其是一种数字信号处理方法，并未根本降低激光器相位噪声，难以进一步提高外界振动信号的测量精度。

技术实现要素：

本公开的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种光源噪声改善的光纤振动测量装置及方法，通过在传统的相位敏感光时域反射测量测量装置中，增加频率跟踪前馈结构，减小出射激光的相位噪声，进一步提高外界振动信号的测量精度。

本公开的第一目的是提供一种光源噪声改善的光纤振动测量装置，采用以下技术方案：

前馈结构，获取连续光并分为两路，一路依次经过干涉仪、光电平衡探测器、跟踪器、前置放大器和压控振荡器后，与另一路共同输入单边带调制器，输出经过相位噪声抑制后的连续光；

测量结构，获取经过相位噪声抑制后的连续光并分为两路，一路经过声光调制器、光放大器和环形器后输入传感光纤，并将携带振动信息的后向瑞利散射光与另一路耦合后，经光电探测器后输出到处理器；

传感光纤，与环形器连接，获取沿光纤的环境振动信息。

进一步地，所述干涉仪将获取的一路连续光分为正交的两路干涉光信号，并分别输入第一光平衡探测器和第二光平衡探测器转化为两路干涉电信号后，输入跟踪器。

进一步地，跟踪器将获取的两路干涉电信号共同输入前置放大器后，驱动压控振荡器产生连续光信号输出到单边带调制器。

进一步地，连续光的另一路通过第一延迟光纤后输出到单边带调制器，干涉仪内设有第二延迟光纤，用于调节跟踪器获取的一次差分的时间差。

进一步地，测试结构获取的连续光分为两路后，传感光纤获取一路连续光并通过环形器端口出射后向瑞利散射光，与另一路作为本地参考光的连续光进行耦合，产生相干信号。

本公开的第二目的是提供一种光源噪声改善的光纤振动测量方法，包括以下步骤：

获取连续光并在前馈结构内分为两路；

对两路连续光分别进行处理后共同进行单边带调制，抑制光源相位噪声；

经过光源相位噪声抑制的连续光分为两路；

一路经过声光调制和光放大后通过环形器输入传感光纤；

环形器将传感光纤中产生的带有环境振动信息的后向瑞利散射光输出，并与另一路连续光进行耦合产生相干信号；

对相干信号进行处理，获取沿传感光纤的环境振动信息。

进一步地，前馈机构对连续光的处理具体为：

将一路连续光通过干涉仪处理得到两路正交的干涉信号，分别为i路和q路；

i路干涉信号取时间平均后与q路信号相乘，q路干涉信号取时间平均并且取反后与i路信号相乘；

将上一步得到的两路信号相加，并进行幅度归一化处理，可以得到一阶差分光源相位噪声的估计值；

对提取的一阶差分光源相位噪声估计值进行放大，驱动压控振荡器输出振荡信号；

压控振荡器输出的振荡信号和另一路连续光经过延迟光纤后，共同进入单边带调制器进行调制。

进一步地，通过调节压控振荡器的灵敏度和一节差分光源噪声的估计值，对光源相位噪声进行调整。

进一步地，后向瑞利散射光携带有传感光纤收到的环境振动信息，并通过环形器端口出射。

进一步地，与后向瑞利散射光耦合的另一路连续光作为本地参考光。

与现有技术相比，本公开具有的优点和积极效果是：

(1)使用光源噪声抑制前馈结构，对激光器输出的连续光进行相位噪声抑制，添加在经典的测量装置中，减小激光器相位噪声，进一步提高外界振动信号的测量精度；

(2)在光源噪声抑制前馈结构的前馈环路中，基于光纤干涉仪、90度光混频器得到相互正交的两路干涉光信号，分别输出给光电平衡探测器1和光电平衡探测器2，转换为两路干涉电信号，输出给跟踪器。避免了采用单路干涉光信号进行一阶差分光源相位噪声估计时存在的频率漂移问题，提高了一阶差分光源相位噪声测量精度，从而有利于光源相位噪声的抑制，改善外界振动信号的测量精度。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例1、2中光纤振动测量的结构及流程示意图；

图2为本公开实施例1、2中跟踪器的结构图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步地说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本公开中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

正如背景技术中所介绍的，现有技术中二次差分的测量方法是一种数字信号处理方法，并未根本降低激光器相位噪声，难以进一步提高外界振动信号的测量精度；针对上述问题，本公开提出了一种光源噪声改善的光纤振动测量装置及方法。

光源噪声：激光器的线宽不可能无限窄，总是存在一定的相位噪声(或称之为“频率漂移”)。脉冲光在光纤中传播时，后向瑞利散射信号的强度会受到探测光相位噪声的影响而发生抖动，造成测量信号信噪比的下降，引起被测振动信号的定位和测量误差甚至失败。

对系统来说，激光器的相位噪声会降低系统的测量精度，降低系统的空间分辨率。因此，改善光波的相位噪声至关重要。一方面，可以通过改进激光器材料、保持环境温湿度和大气压力稳定等方法提高光波频率稳定性，降低相位噪声；另一方面，可以通过设计新的光路结构和数据处理方法，抑制光波相位噪声对振动测量精度和空间定位的不利影响。

对于前者，在现有激光器制作工艺和恒温恒湿恒压处理技术的基础上，获得显著进步并不是短期内容易实现的技术方法；对于后者，比较通用的方法是采用二次差分方法，是一种纯粹数字信号处理的改进方法。

基于二次差分的测量方法详细工作原理如下：

在经典系统结构的基础上，使窄线宽激光器发出的连续光，经过具有特定功率比的耦合器分为两路，其中一路连续光经过具有移频功能的声光调制器(acousticopticmodulator，aom)，转换为具有特定宽度和周期的脉冲光，再经过光放大器(通常是掺铒光纤放大器(erbiumdopedopticalfiberamplifier，edfa))进行功率补偿后进入环形器1端口，再通过环形器3端口出射进入传感光纤，获取光纤沿线的振动测量信息，传感光纤中产生的携带环境振动信息的后向瑞利散射光再次经过环形器3端口，并从环形器2端口出射。

光源发出的连续光经过具有特定功率比耦合器之后分出的另一路连续光作为本地参考光。本地参考光与环形器2端口出射的后向瑞利散射光经过50:50的耦合器产生相干信号，经过光电探测器转换为电信号进入数据采集卡，得到数字信号进行数据处理，获取沿光纤的环境振动信息。

但是，基于二次差分的测量方法是一种数字信号处理方法，并未根本降低激光器相位噪声，未考虑光路结构改进抑制测量相位噪声的可行方案。

实施例1

本公开的一种典型的实施方式中，如图1-图2所示，提出了一种光源噪声改善的光纤振动测量装置。

其装置包括：激光器、光源噪声抑制前馈结构、耦合器3、声光调制器、掺铒光纤放大器、环形器、传感光纤、耦合器4、光电探测器、数据采集卡、信号发生器和处理器。

激光器出射窄线宽连续光，经过光源噪声抑制前馈结构后，进入经过具有特定功率比的耦合器3，分为两路，其中一路连续光经过具有移频功能的声光调制，转换为具有特定宽度和周期的脉冲光，再经过光放大器进行功率补偿后进入环形器1端口，再通过环形器3端口出射进入传感光纤，获取光纤沿线的振动测量信息，传感光纤中产生的携带环境振动信息的后向瑞利散射光再次经过环形器3端口，并从环形器2端口出射。

光源发出的连续光经过具有特定功率比耦合器3之后分出的另一路连续光作为本地参考光。本地参考光与环形器2端口出射的后向瑞利散射光经过50:50的耦合器4产生相干信号，经过光电探测器转换为电信号进入数据采集卡，得到数字信号在处理器中进行数据处理，获取沿光纤的环境振动信息。

使用光源噪声抑制前馈结构，对激光器输出的连续光进行相位噪声抑制，添加在经典的测量装置中，减小激光器相位噪声，进一步提高外界振动信号的测量精度。

光源噪声抑制前馈结构包括：耦合器1、延迟光纤1、前馈环路、单边带调制器。

激光器出射窄线宽连续光，经过50:50的耦合器1分为两路，第1路经过延迟光纤1直接进入单边带调制器，第2路经过前馈环路进入单边带调制器。延迟光纤1实现第1路连续光的传播延迟控制，保证从耦合器1到单边带调制器的两路连续光具有相同的延迟时间。

前馈环路包括：耦合器2、延迟光纤2、90度光混频器、光电平衡探测器1、光电平衡探测器2、跟踪器、前置放大器、压控振荡器。

耦合器1输出的第2路连续光，经过50:50的耦合器2再分为两路，其中一路直接进入90度光混频器，另一路经过延迟光纤2进入90度光混频器。耦合器2、不带延迟光纤的传输用光纤、带有延迟光纤2的传输光纤，以及90度光混频器组成了经典的马赫-增德尔光纤干涉仪，干涉臂长差由延迟光纤2决定。基于马赫-增德尔光纤干涉仪，90度光混频器得到相互正交的两路干涉光信号，分别输出给光电平衡探测器1和光电平衡探测器2，转换为两路干涉电信号，输出给跟踪器。跟踪器得到一次差分的光源相位噪声，传输给前置放大器，一次差分的时间差由延迟光纤2决定。前置放大器对一次差分的光源相位噪声进行放大，驱动压控振荡器，产生连续光信号输出给单边带调制器。

单边带调制器接收经过延迟光纤1的连续光，以及前馈环路的连续光，进行频率综合，输出光源相位噪声改善的连续光进入耦合器3。

基于马赫-增德尔光纤干涉仪，90度光混频器得到相互正交的两路干涉光信号，分别输出给光电平衡探测器1和光电平衡探测器2，转换为两路干涉电信号，输出给跟踪器。避免了采用单路干涉光信号进行一阶差分光源相位噪声估计时存在的频率漂移问题，提高了一阶差分光源相位噪声测量精度，从而有利于光源相位噪声的抑制，改善外界振动信号的测量精度。

90度光混频器将两路正交(i路和q路)的干涉电信号，输出给跟踪器。

对于跟踪器，在本实施例中，其包括：平均器1、平均器2、乘法器1、反相器、乘法器2和加法器。i路干涉电信号经过平均器1，求取时间t内的信号平均值，传输给乘法器1。乘法器1对平均器1输出的信号平均值和q路信号进行乘法运算，输出给加法器。q路干涉电信号经过平均器2，求取时间t内的信号平均值，反相器，进行取反后，传输给乘法器2。乘法器2对平均器2输出的信号平均值和i路信号进行乘法运算，输出给加法器。加法器对两路输入信号进行相加运算，得到一次差分的光源相位噪声，传输给前置放大器。

实施例2

本公开的另一典型实施例中，如图1-图2所示，提出一种光源噪声改善的光纤振动测量方法。

第1步，激光器输出波长为1550nm或1330nm的连续光：

其中，a代表光波幅度，v0代表光波频率，为常数193.5thz(对应1550nm波长)或者229.0thz(对应1310nm波长)，θ(t)代表光源相位噪声，t表示时间。

第2步，激光器连续光分为两路，其中1路利用经典的马赫-增德尔干涉仪，得到两路(i路和q路)正交的干涉信号：

i(t)＝bcos(2πν0τ+δθ(t))(2)

q(t)＝bsin(2πν0τ+δθ(t))(3)

δθ(t)＝θ(t)-θ(t-τ)(4)

其中，b表示干涉信号幅度，δθ(t)表示一阶差分光源相位噪声，τ表示马赫-增德尔干涉仪干涉臂长引起的时间延迟。并且，τ选择为较短时间，使δθ(t)满足：

δθ(t)＜＜1(5)

第3步，i路干涉信号取时间平均后与q路信号相乘，q路干涉信号取时间平均并且取反后与i路信号相乘，得到：

其中，t表示求平均的时间长度。由于激光器相位噪声是一种有界零均值随机过程，取时间平均后为零，得到：

第4步，将上一步得到的两路信号相加，得到：

对上式进行幅度归一化处理，由于τ选择为较短时间，根据公式(5)，可以得到一阶差分光源相位噪声的估计值：

第5步，对提取的一阶差分光源相位噪声进行放大，驱动压控振荡器输出振荡信号：

其中，v1表示压控振荡器的自然振动频率，kvco表示压控振荡器的灵敏度，kamp表示放大倍数。

第6步，压控振荡器输出的连续光进入单边带调制器，激光器连续光的另一路经过延迟光纤同样进入单边带调制器，并且延迟光纤确保两路连续光经过的时间延迟相等。单边带调制器利用压控振荡器输出的振荡信号，对激光器连续光进行调制，得到：

通过调整参数kvco和kamp，使2πkvcokampτ＝1，可以显著抑制光源相位噪声θ(t)。

第7步，光源连续光经过光源噪声抑制的前馈结构后，进入经过具有特定功率比的耦合器3，分为两路，其中一路连续光经过具有移频功能的声光调制，转换为具有特定宽度和周期的脉冲光，再经过光放大器进行功率补偿后进入环形器1端口，再通过环形器3端口出射进入传感光纤，获取光纤沿线的振动测量信息，传感光纤中产生的携带环境振动信息的后向瑞利散射光再次经过环形器3端口，并从环形器2端口出射。

光源发出的连续光经过具有特定功率比耦合器3之后分出的另一路连续光作为本地参考光。本地参考光与环形器2端口出射的后向瑞利散射光经过50:50的耦合器4产生相干信号，经过光电探测器转换为电信号进入数据采集卡，得到数字信号在处理器中进行数据处理，获取沿光纤的环境振动信息。

当被测环境振动发生时，由于受到振动事件的影响，在振动点之后的传感光纤中都会携带振动信息，而振动点之前的传感光纤则未携带振动信息；

因此可以选取间距为dab的a点和b点，通过相位做差初步消除由于激光器相位噪声对测量带来的不利影响，其中a点在振动点之后，携带振动信息，而b点在振动点之前，未携带振动信息。

进一步，选取振动点之前间距为dcd的c点和d点，进行相位做差，可以得到c、d两点之间的相位变化信息。通过计算间距dab和dcd的比例关系，可以进一步消除残余激光器相位噪声对传感系统的性能影响，实时补偿频率漂移引起的测量相位漂移，进一步提高外界振动信号的测量精度。

其中，表示需要测量的外界振动，表示a点和b点的相位差，表示c点和d点的相位差。

需要特别指出的是，如果间距为dcd的c点和d点均在振动点之后，则c点和d点的相位信息均会附加一个传感光纤探测到的外界振动引起的相位信息，相位做差后会得到与c点和d点均在振动点之前相同的信号

因此，c点和d点无论选择在振动点之前还是振动点之后，都可以对激光器残余相位噪声引起的测量相位漂移进行实时补偿。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。