一种带光源频移校准辅助通道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，特别涉及一种带光源频移校准辅助通道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；但是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；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，对于数字信号处理方法而言，比如基于二次差分的测量方法，会受到数据采集卡有效位(量化噪声)的制约，其仅仅是数字信号处理方法布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，提供一种带光源频移校准辅助通道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，增加使用频移校准辅助通道，作为测量装置的辅助通道，对光源频率漂移进行完全补偿，消除激光器相位噪声，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带光源频移校准辅助通道的光纤振动测量装置，采用以下技术方案：

测量结构，获取分路器输出的第一路和第二路连续光，第一路连续光经过处理后通过环形器输入传感光纤，并将环形器输出的携带振动信息的后向瑞利散射光与第二路连续光耦合后，经光电探测器输出到数据采集卡；

辅助通道，获取分路器输出的第三路连续光，依次经过干涉仪、光电平衡探测器后进行处理，提取相位信息后输入数据采集卡；

处理器，获取数据采集卡内部的数据进行处理，得到沿传感光纤的环境振动信息。

进一步地，所述干涉仪将获取的第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。

进一步地，对两路干涉电信号进行运算处理，提取相位信息并输入数据采集卡。

进一步地，第一连续光经过带有移频声光调制器转换为具有设定宽度和周期的脉冲光，然后经过光放大器、环形器进入传感光纤。

进一步地，第二路连续光作为本地参考光，与瑞利散射光耦合输出干涉信号进入光电探测器，以声光调制器的频率偏移量为参考，对干涉信号进行降频处理，提取干涉信号中的相位信息并输出到数据采集卡。

本公开的第二目的是提供一种带光源频移校准辅助通道的光纤振动测量方法，包括以下步骤：

将分路器输出的第一路连续光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；

瑞利散射光与分路器输出的第二路连续光耦合后，通过光电探测器输入数据采集卡；

将分路器输出的第三路连续光作为校准光，进入辅助通道进行频移校准，提取相位信息并输入数据采集卡；

对数据采集卡内的数据进行处理，获取沿传感光纤的环境振动信息。

进一步地，瑞利散射光与第二路连续光进行耦合生成干涉信号，以声光调制器的频率偏移量为参考，对干涉信号进行降频处理，然后利用希尔伯特变换和反正切方法，提取干涉信号中的相位信息。

进一步地，第三路连续光在辅助通道内进行的处理过程具体为：

通过干涉仪得到互为正交的i路干涉信号和q路干涉信号；

i路干涉信号取时间平均后与i路原信号相乘，q路干涉信号取时间平均后与q路原信号相乘，将得到的两路信号利用加法器相加；

对加法器输出的信号进行希尔伯特变换和反正切运算，提取相位信息。

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，通过环形器端口出射。

进一步地，激光器输出连续光，经分路器将连续光分为三路，分别进行处理。

与现有技术相比，本公开具有的优点和积极效果是：

(1)使用频移校准辅助通道，作为测量装置的辅助通道，对光源频率漂移进行完全补偿，消除激光器相位噪声，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；避免基于单路信号测量光频漂移量时存在的测量结果收到光频初始相位随机变化的影响，提高了光频漂移测量精度，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中辅助通道的结构图。

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，会受到数据采集卡有效位(量化噪声)的制约，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，本公开提出了一种带光源频移校准辅助通道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，提出了一种带光源频移校准辅助通道的光纤振动测量装置。

其装置包括：激光器、分路器、声光调制器、光放大器、环形器、传感光纤、耦合器1、光电探测器1、频移校准辅助通道、光电探测器2、数据采集卡和处理器。

激光器出射窄线宽连续光，经过分路器分为3路，其中1路连续光经过具有移频功能的声光调制器，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分路器之后分出的第2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1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，转换为数字信号后送给处理器进行数据处理，获取沿光纤的环境振动信息。

光源发出的连续光经过分路器之后分出的第3路连续光作为校准光，进入频移校准辅助通道，得到光源频率偏移电信号，传输给数据采集卡。

频移校准辅助通道包括：耦合器2、延迟光纤、90度光混频器、光电平衡探测器1、光电平衡探测器2、平均器1、平均器2、乘法器1、乘法器2、加法器。

进入频移校准辅助通道的耦合器1输出的第3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(i路)和光电平衡探测器2(q路)，转换为两路干涉电信号。i路和q路干涉电信号分别经过平均器1和平均器2，与i路和q路原信号，同时进入乘法器1和乘法器2，两个乘法器输出给加法器，两路信号相加后传输给数据采集卡。

数据采集卡将两路输入电信号转换为数字信号传输给处理器。处理器对含有沿光纤环境振动信息的瑞利散射相干信号进行希尔伯特变换，提取相位信息；在振动点前、后各选择一点进行单次相位差分，消除瑞利散射光、本地参考光初始相位不同带来的相位噪声，降低光源频率漂移对测量信号的影响。

根据频移校准辅助信号，对测量信号进行进一步的光源频率漂移补偿，完全消除光源频率漂移对测量信号的影响，提高外界振动信号的测量精度。

实施例2

本公开的另一典型实施例中，如图1-图2所示，提出一种带光源频移校准辅助通道的光纤振动测量方法。

包括以下步骤：

激光器输出连续光，频率为v0+δv0(t)，v0代表光波频率理想值，为常数，但是由于激光器难免存在噪声，光波频率含有频率漂移成分δv0(t)，t表示时间；

激光器连续光经过分路器分为3路，其中第1路连续光经过具有移频功能的声光调制器，转换为具有特定宽度和周期的脉冲光，再经过光放大器、环形器进入传感光纤，获取瑞利散射光波er(zi，t)，zi表示传感光纤发生瑞利散射的位置；

第2路连续光作为本地参考光eref(zref，t)，zref代表参考通路的光纤长度；

瑞利散射光与本地参考光在耦合器中发生干涉后进入光电探测器，信号表示为i(zi，t)；

以声光调制器的频率偏移量为参考，对干涉信号进行降频处理，然后利用希尔伯特变换和反正切方法，提取干涉信号中的相位信息

第4步，选择振动点之后位置为za的a点，和振动点之前位置为zb的b点，对a、b两点的相位做差，得到单次差分相位

其中，dab表示a、b两点的间距，表示外界振动信号引入的相位变化；

消除了瑞利散射光、本地参考光初始相位不同带来的相位噪声；

并且，单次差分相位将光源频率漂移对测量信号的影响，从减小到

光源发出的连续光经过分路器之后分出的第3路连续光作为校准光，进入频移校准辅助通道，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路干涉信号取时间平均后与i路原信号相乘，q路干涉信号取时间平均后与q路原信号相乘；

然后将得到的两路信号利用加法器相加；

对加法器输出的信号进行希尔伯特变换和反正切运算，提取相位信息

其中，表示频移校准辅助通道中马赫-增德尔干涉仪的干涉臂长差；

根据单次差分时a、b两点的间距dab，和频移校准辅助通道中马赫-增德尔干涉仪的干涉臂长差ddif之间的比例关系，确定频率漂移校正系数对单次差分相位进行频率漂移校准，得到精度更高的外界振动信号测量值

具体的，在本实施例中，测量方法包括以下步骤：

第1步，激光器输出波长为1550nm或1330nm的连续光：

e(t)＝acos(2π(v0+δv0(t))t)(1)

其中，a代表光波幅度，v0代表光波频率理想值，为常数193.5thz(对应1550nm波长)或者229.0thz(对应1310nm波长)，但是由于激光器难免存在噪声，光波频率含有频率漂移成分δv0(t)，t表示时间。

第2步，激光器连续光经过分路器分为3路，其中第1路连续光经过具有移频功能的声光调制器，转换为具有特定宽度和周期的脉冲光，再经过光放大器、环形器进入传感光纤，获取瑞利散射光波：

其中，b表示瑞利散射光波幅度，zi表示传感光纤发生瑞利散射的位置，表示光波数，由于光源光波频率漂移成分相比于光速c很小，光波数k可以看作仅由v0决定，n表示光纤折射率，c表示光速，fplus表示脉冲频率，faom表示声光调制器的频率偏移量，表示外界振动信号引入的相位变化，θr表示瑞利散射光的初始相位。

第2路连续光作为本地参考光：

eref(zref，t)＝bcos(kzref-2π(v0+δv0(t))t+θref)(3)

其中，b表示参考光波幅度，通过调节分路器的分光比使参考光波幅度和瑞利散射光波幅度相等，zref代表参考通路的光纤长度，θref表示本地参考光的初始相位。

瑞利散射光与本地参考光在耦合器中发生干涉后进入光电探测器，信号可以表示为：

第3步，以声光调制器的频率偏移量为参考，对干涉信号进行降频处理，然后利用希尔伯特变换和反正切方法，提取干涉信号中的相位信息：

第4步，选择振动点之后位置为za的a点，和振动点之前位置为zb的b点，对a、b两点的相位做差，得到单次差分相位：

其中，dab表示a、b两点的间距。与第3步相比，第4步消除了瑞利散射光、本地参考光初始相位不同带来的相位噪声。

由于装置仅关注交流振动信号的测量，可以忽略光波频率直流成分v0引起的相位常量，仅保留交流成分δv0(t)引起的相位噪声。并且，单次差分相位将光源频率漂移对测量信号的影响，从成小到

第5步，光源发出的连续光经过分路器之后分出的第3路连续光作为校准光，进入频移校准辅助通道，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)＝ccos(2π(v0+δv0(t))τ)(7)

q(t)＝csin(2π(v0+δv0(t))τ)(8)

其中，c表示干涉信号幅度，τ表示马赫-增德尔干涉仪干涉臂长引起的时间延迟。

i路干涉信号取时间平均后与i路原信号相乘，q路干涉信号取时间平均后与q路原信号相乘，得到：

其中，t表示求平均的时间长度。由于光源频率漂移引起的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：

将上一步得到的两路信号相加，得到：

对加法器输出的信号进行希尔伯特变换和反正切运算，提取相位信息：

表示频移校准辅助通道中马赫-增德尔干涉仪的干涉臂长差。

根据单次差分时a、b两点的间距dab，和频移校准辅助通道中马赫-增德尔干涉仪的干涉臂长差ddif之间的比例关系，确定频率漂移校正系数对单次差分相位进行频率漂移校准，得到精度更高的外界振动信号测量值：

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。