一种基于PGC和外差混合算法的分布式光纤传感系统的制作方法

本发明涉及分布式光纤传感系统，尤其涉及一种基于pgc和外差混合算法的分布式光纤传感系统。

背景技术：

1、在分布式光纤传感系统中，相位敏感光时域反射仪(phase-sensitivity opticaltime domain reflectometer，φ-otdr)技术不仅具有光纤传感器的抗电磁干扰，耐腐蚀，隐蔽性好等优点，还兼备分布式动态检测、相位定量测量、长探测距离和高空间分辨能力等独特优势，成为近二十年来光纤传感领域的研究热点。其中，外差相干探测型φ-otdr通过相干放大可获得更大的动态范围以及更高的信噪比，且其差分长度可由软件灵活定义，是φ-otdr技术中应用比较广泛的技术方案。经过多年的发展，φ-otdr技术在传感距离、探测带宽、空间分辨率等各方面取得了长足发展，在周界安防、铁路交通、油气勘探等诸多领域发挥了重要的工程应用价值。

2、但是，由于φ-otdr系统采用的是窄线宽的激光光源，光源的高相干性会使得回波信号发生干涉衰落，即相干瑞利噪声。由于干涉衰落的影响，在瑞利散射波形的一些位置处幅度接近于零，此时信号淹没在噪声中，信噪比急剧下降。在相位解调时会产生较大的误差，严重时将导致系统发生误报，严重限制了利用φ-otdr系统获得的数据的可靠性。

3、目前最有效的衰落与噪声抑制方法是利用不同波长、频率、模式光的干涉衰落相互独立的特性，采用分集接收与相位合成的方式，同时实现对干涉衰落的抑制与降噪。然而在实际工程应用中分布式光纤传感系统中采用的外差法为了保证信号不失真至少需要4-6倍拍频信号频率的采样率，这大大增加了系统采样率的负担。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中采用外差法的分布式光纤传感系统采样率的负担过重等问题提供了一种基于pgc和外差混合算法的分布式光纤传感系统。

2、本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

3、一种基于pgc和外差混合算法的分布式光纤传感系统，所述分布式光纤传感系统包括窄线宽激光器、1×2耦合器、相位调制器、声光调制器、光纤放大器、传感光纤、环形器、2×2耦合器、平衡光电探测器、采集卡，所述分布式光纤传感系统还包括：90度电桥，所述90度电桥的输入端与所述平衡光电探测器的输出端相连；模拟低通滤波器，所述90度电桥的输出端与所述模拟低通滤波器的输入端相连，所述模拟低通滤波器的输出端与所述采集卡相连。

4、在本方案中，2×2耦合器输出的两端口和平衡光电探测器相连，将光信号转换为电信号，并传输给90度电桥，与一对相互正交的信号模拟混频。90度电桥和模拟低通滤波器相连，用于滤除高频信号，模拟低通滤波器最终和采集卡相连，将电信号进行模数转换传输给pc进行相位解调。

5、优选地，所述窄线宽激光器的输出端与所述1×2耦合器的输入端相连，所述1×2耦合器的第一输出端与所述相位调制器的输入端相连，所述相位调制器的输出端与所述声光调制器的输入端连接，所述声光调制器的输出端与所述光纤放大器的输入端相连，所述述光纤放大器的输出端与所述环形器的第一口相连，所述环形器的第二口与所述传感光纤相连，所述环形器的第三口与所述2×2耦合器的第二输入端相连，所述2×2耦合器的第一输入端与所述1×2耦合器的第二输出端相连；所述2×2耦合器的输出端与所述平衡光电探测器的输入端相连。

6、在本方案中，窄线宽激光器发出的连续光通过1×2耦合器，1×2耦合器的第一输出端和相位调制器相连，用于在光载波的中心频率附近产生等间隔的频率边带，1×2耦合器的第二输出端和2×2耦合器的第一输入端相连，用于本征光的拍频。相位调制器与声光调制器相连，用于输出一定脉宽和周期的激光脉冲信号。声光调制器和掺铒光纤放大器相连，用于放大脉冲信号的功率。掺铒光纤放大器和环形器的第一口相连，脉冲从环形器的第二口进入传感光纤，产生的后向瑞利散射信号从环形器的第三口输出并和2×2耦合器的第二输入端相连，用于信号光的拍频。

7、优选地，所述一种基于pgc和外差混合算法的分布式光纤传感系统包括如下步骤：

8、s1：所述窄线宽激光器发出的连续光通过所述1×2耦合器，信号发生器给所述相位调制器施加正弦信号，所述信号发生器给所述声光调制器驱动以施加脉冲信号；所述信号发生器给所述压电陶瓷施加正弦波信号；

9、s2：光信号通过所述相位调制器和所述声光调制器形成一定脉宽和周期的激光脉冲信号后，从所述光纤放大器输出端进入所述环形器的第一口，并从所述环形器的第二口进入所述传感光纤中，产生的瑞利散射信号从所述环形器的第三口进入所述2×2耦合器中；

10、s3：所述2×2耦合器输出端与所述平衡光电探测器的输入端相连，将所述光信号转换为电信号；

11、s4：所述电信号进入所述90度电桥后与一对相互正交的信号混频后进入所述模拟低通滤波器滤除高频分量；

12、使用所述采集卡对所述电信号进行数据采集，并以数字信号的形式送入计算机进行后续处理；

13、s5：将步骤s4中得到的两路相互正交的信号分别与相位调制器产生的载波信号的倍频项cos nω0t(n为倍数，n取1，2，3......)相乘后，再通过数字低通滤波器滤除高频分量；

14、s6：利用反正切算法和相位解卷绕算法解调出位于载波信号相应倍频边带的待测信号，并对分别得到的待测信号进行累加平均，得到最终的待测信号φ。

15、本方案中，将原有的iq解调融合了调相和pgc算法，并在模拟电路上实现，同时保留了多频探测信号。在数字电路上根据pgc和外差混合算法，分别解调出各个频率的探测信号所携带的相位信息，在大大降低系统采样率的基础上实现了分集降噪与衰落抑制。

16、优选地，所述步骤s3包括如下步骤：

17、s31：所述平衡光电探测器输出的电信号为：

18、i＝a+b cos(c cos(ω0t)+2πδft+φ)

19、其中a是与输入光强、偏振器和耦合器插入损耗等有关的直流项；b是散射信号的光强；c是相位调制深度；ω0是由相位调制器产生的载波角频率；δf为瑞利散射光与本地光的频率差即声光调制器的频移量；φ为待测信号；

20、优选地，所述步骤s4包括如下步骤：

21、s41：所述电信号进入所述90度电桥后与一对相互正交的信号cos(2πδft)与sin(2πδft)混频，进入所述模拟低通滤波器，得到

22、i1＝-b sin(c cosω0t+φ)

23、i2＝b cos(c cosω0t+φ)

24、优选地，所述步骤s5包括如下步骤：

25、s51：将步骤s41中得到的所述i1和所述i2与cos nω0t(n为倍数，n取1，2，3......)混频后，再通过所述数字低通滤波器后得到

26、

27、

28、优选地，包括如下步骤：

29、s61：利用反正切算法和相位解卷绕解调出位于载波信号1倍频边带的待测信号φ1；

30、s62：利用反正切算法和相位解卷绕解调出位于载波信号2倍频边带的待测信号φ2；

31、s63：利用反正切算法和相位解卷绕解调出位于载波信号3倍频边带的待测信号φ3；

32、将上述解调得到的各个待测信号进行累加平均，得到最终的待测信号φ。

33、本发明的积极效果在于：

34、2×2耦合器输出的两端口和平衡光电探测器相连，将光信号转换为电信号，并传输给90度电桥，用于模拟混频。90度电桥和模拟低通滤波器相连，用于滤除高频信号，模拟低通滤波器最终和采集卡相连，将电信号进行模数转换传输给pc进行相位解调。将原有的iq解调融合了调相和pgc算法，并在模拟电路上实现，同时保留了多频探测信号。在数字电路上根据pgc和外差混合算法，分别解调出各个频率的探测信号所携带的相位信息，在大大降低系统采样率的基础上实现了分集降噪与衰落抑制。