本發(fā)明涉及光纖通信領(lǐng)域，特別是涉及一種相位敏感型光時(shí)域反射計(jì)的分布式光纖聽音器。

背景技術(shù)：

分布式光纖聽音器與傳統(tǒng)電學(xué)聲音傳感器相比，具有頻帶寬、抗射頻干擾(RFI)、探測(cè)距高遠(yuǎn)、能直接接入光傳輸網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)。近30年來，人們對(duì)光纖聲音傳感器進(jìn)行了深入的研究，發(fā)展了大量的聲音傳感器及其相關(guān)技術(shù)，包括基于布拉格光柵的光纖聲音傳感技術(shù)，基于光纖干涉儀的光纖傳感技術(shù)等。其傳感性能已經(jīng)達(dá)到了較高的水平，然而這些傳感器大都屬于點(diǎn)式傳感器，存在布網(wǎng)難度大的問題。從經(jīng)濟(jì)和實(shí)用的角度出發(fā)，研制一款分布式的光纖聲音傳感器具有重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種基于相位敏感型光時(shí)域反射儀(-OTDR)的光纖傳感技術(shù)來實(shí)現(xiàn)分布式聲音傳感，并進(jìn)行了傳感系統(tǒng)的搭建，實(shí)現(xiàn)聽音器的聲音還原。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個(gè)技術(shù)方案是：構(gòu)建基于-OTDR技術(shù)進(jìn)行分布式光纖聽音器的理論框架，并搭建傳感樣機(jī)一臺(tái)。其中，基于-OTDR的原理，我們對(duì)影響傳感系統(tǒng)性能的各種參數(shù)包括激光器線寬、激光器頻率穩(wěn)定性、注入脈沖峰值功率、聲光調(diào)制器性能以及信號(hào)調(diào)節(jié)方法進(jìn)行了分析。

光纖傳感系統(tǒng)一般由探測(cè)光源、傳輸光纖、傳感單元及信號(hào)檢測(cè)等部分組成，依賴于輸入光信號(hào)到輸出調(diào)制光信號(hào)的轉(zhuǎn)換，其中輸出調(diào)制光信號(hào)攜帶了一些信息。如圖1所示，各種類型的光纖傳感器被不斷研發(fā)和應(yīng)用于測(cè)量溫度、壓力、位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、彎曲、聲場(chǎng)等物理量。

聲音是一種極其重要的信息載體，其本質(zhì)是一種壓力波，頻率和振幅是描述聲音的兩個(gè)必要參數(shù)。聲音信號(hào)作為一種微弱的振動(dòng)信號(hào)在人類日常生活和交流中起了極其重要的作用，其在軍事、醫(yī)療、水下等領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)同樣具有十分重要的意義。在聲信號(hào)探測(cè)領(lǐng)域電學(xué)的聲音傳感器一直占主導(dǎo)地位。常用的電學(xué)聲音傳感器有電動(dòng)式傳聲器、壓電式傳聲器、電容式傳聲器和駐極體式傳聲器。由于這些電學(xué)聲音傳感器都是有源結(jié)構(gòu)，使得其在強(qiáng)電磁干擾、易燃易爆等特殊領(lǐng)域中的應(yīng)用受到了極大的限制，而且傳感端輸出的弱電模擬信號(hào)不適合遠(yuǎn)距離傳輸，因此難以進(jìn)行遙感遙測(cè)。相比傳統(tǒng)電學(xué)聲音傳感器，光纖聲音傳感器有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）光信號(hào)具有抗電磁干擾的性能，因此光纖聲音傳感器可在強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境下工作；

（2）光纖損耗低，使得光纖聲音傳感器可進(jìn)行遠(yuǎn)距離遙感；

（3）光纖傳感頭不帶電，本質(zhì)安全適合于水下及易燃易爆環(huán)境應(yīng)用；

（4）體積小、重量收便于安裝和隱蔽；

（5）光纖耐腐蝕，可于特殊的惡劣環(huán)境中鋪設(shè)。

綜合上述優(yōu)點(diǎn)，光纖聲音傳感器在建筑結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)、變壓器局部放電診斷、水聲監(jiān)測(cè)、航空航天安全，以及空氣中聲波的檢測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景領(lǐng)域。

本發(fā)明提出了-OTDR技術(shù)的分布式光纖聽音器的信號(hào)處理方法。

附圖說明

圖1是本發(fā)明分布式光纖聽音器光纖傳感器基本工作原理圖；

圖2是本發(fā)明分布式光纖聽音器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明分布式光纖聽音器激光器線寬測(cè)試圖；

圖4是本發(fā)明分布式光纖聽音器正交調(diào)節(jié)過程 。

具體實(shí)施方式

以下描述中，為了說明而不是為了限定，提出了諸如特定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、接口、技術(shù)之類的具體細(xì)節(jié)，以便透徹理解本申請(qǐng)。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，在沒有這些具體細(xì)節(jié)的其它實(shí)施方式中也可以實(shí)現(xiàn)本申請(qǐng)。在其它情況中，省略裝置、電路以及方法的詳細(xì)說明，以免不必要的細(xì)節(jié)妨礙本申請(qǐng)的描述。

請(qǐng)參閱圖2，本發(fā)明采用的光源為窄線寬單頻光纖激光器，參數(shù)為1550nm，1kHz的連續(xù)光，經(jīng)分束器分為兩路，其中5%的光為本振光，95%的光作為探測(cè)光。探測(cè)光經(jīng)過光纖聲光調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，聲光調(diào)制器參數(shù)為：移頻150MHz，脈寬30ns。傳感光纖中的后向瑞利散射光經(jīng)過環(huán)形器與本振光經(jīng)過50:50的耦合器進(jìn)行拍頻，拍頻信號(hào)經(jīng)過雙平衡探測(cè)器（DB-PD）轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)。隨后數(shù)據(jù)采集卡對(duì)模擬電信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并進(jìn)入工控機(jī)處理信息。

在分布式傳感系統(tǒng)中為了盡可能的提高傳感系統(tǒng)的傳感距離，應(yīng)使光波盡可能的遠(yuǎn)距離傳播，需要使光的衰減減小，故采用1550nm的光源波長(zhǎng)。

因采用后向瑞利散射光相干干涉，故要求注入脈沖光的相干性足夠，這樣才可以使靈敏度提高。

假設(shè)第i個(gè)散射點(diǎn)的散射光場(chǎng)表示為：

脈沖寬度內(nèi)的干涉光強(qiáng)度為：

假設(shè)單頻激光光源的光場(chǎng)表達(dá)式為，中心頻率為，譜寬為，根據(jù)準(zhǔn)單色光源獨(dú)立傳播原理，可以將其在頻域進(jìn)行分解，將其進(jìn)行傅里葉變換：

其頻率的功率分布，且為高斯分布。

則第i個(gè)散射點(diǎn)的散射光場(chǎng)可以再領(lǐng)域上分解為

干涉光強(qiáng)可表達(dá)為：

是關(guān)于中心譜線和譜寬的函數(shù)，其為高斯函數(shù)，積分換算后可得：

當(dāng)=0時(shí)，，干涉密度輸出達(dá)到最大，但是實(shí)際情況中＞0，，且輸出下降的幅度由決定，越大，其干涉輸出的包絡(luò)下降越迅速。所以應(yīng)使得盡量小，本發(fā)明中我們使用的光纖激光器現(xiàn)款測(cè)試結(jié)果如圖3所示，現(xiàn)款為3.03kHz。

對(duì)光源的另一個(gè)要求是頻率漂移低，因?yàn)橄到y(tǒng)采用想干外差接收，頻率表飄逸會(huì)轉(zhuǎn)化為接收信號(hào)光的相位上，使系統(tǒng)的基底噪聲增大。

假設(shè)激光器出射的相鄰兩個(gè)脈沖的頻率漂移量為，在第一個(gè)周期，脈沖光的頻率為，對(duì)于第L米處的散射光，光脈沖從入纖到瑞利散射回到探測(cè)器，其相位延遲可以表示為

在第二個(gè)周期，脈沖光的頻率為，對(duì)于第L米處的散射光，光脈沖從入纖到瑞利散射回到探測(cè)器，其相位延遲可以表示為：

在系統(tǒng)無任何擾動(dòng)的情況下，在第L米處的散射點(diǎn)帶來附加相位噪聲為：

隨著傳感位置的后移，由于頻率抖動(dòng)帶來的相位噪聲就越大，所以激光器的頻率穩(wěn)定性對(duì)系統(tǒng)噪聲抑制至關(guān)重要。

在OTDR傳感系統(tǒng)中，系統(tǒng)的傳感距離與注入脈沖光的脈沖功率有關(guān)，脈沖的功率越高，系統(tǒng)傳感距離越遠(yuǎn)。要提高脈沖功率，可以采取兩種方法提高脈沖寬度和提高脈沖峰值功率。但提高脈沖寬度將影響系統(tǒng)的空間分辨率，所以實(shí)際運(yùn)用中一般通過提高脈沖峰值功率來提高脈沖功率。但過高的峰值功率會(huì)激發(fā)非線性效應(yīng)，使得脈沖功率迅速下降，致使后向散射光強(qiáng)度下降，這將極大的影響了系統(tǒng)信噪比及傳感距離大大影響系統(tǒng)傳感性能。在光纖非線性效應(yīng)中，受激布里淵散射閾值最低，對(duì)傳感的影響最為顯著。因此在基于瑞利散射的干涉型分布式光纖傳感系統(tǒng)中，首先應(yīng)盡量避免受激布里淵散射的出現(xiàn)。對(duì)脈寬為的脈沖光，注入連續(xù)光時(shí)的受激布里淵閾值為:

其中為受激布里淵散射增益系數(shù)，為有效模場(chǎng)面積。位脈沖寬度。脈沖光的受激布里淵閾值為3.8w，在本實(shí)驗(yàn)中我們采用的脈沖峰值功率為3.4w。

-OTDR分布式聲音傳感器系統(tǒng)采用光時(shí)域反射原理進(jìn)行定位，為了減少基底光對(duì)信號(hào)的串?dāng)_，注入傳感光纖中的必須為消光比較高的脈沖光，直接內(nèi)調(diào)制會(huì)發(fā)生啁啾效應(yīng)，造成光信號(hào)畸變，需要采用聲光調(diào)制器（AOM)消光比為50dB，具有更優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性和更好的光點(diǎn)質(zhì)量。且發(fā)明采用外差接收法，需要信號(hào)光與本振光之間存在頻率差，所以采用聲光調(diào)制器的另一個(gè)目的是對(duì)探測(cè)脈沖光進(jìn)行移頻。另外還要求聲光調(diào)制器漂移頻率穩(wěn)定，以減少上述分折中的頻率擾動(dòng)引起的相位噪聲。

后向瑞利投射光信號(hào)經(jīng)雙平衡探測(cè)器后轉(zhuǎn)換成光電流信號(hào)，光電流經(jīng)由工控機(jī)數(shù)據(jù) 采集忙進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，本發(fā)明，從光電探測(cè)器輸出的光電流為：

如圖4所示，分別乘以頻率為的正弦余弦信號(hào)，經(jīng)過一個(gè)低通濾波后，得到和兩路信號(hào)。

和兩路信號(hào)的輸出結(jié)果分別為：

有：

和即為我們所求的后向瑞利散射光光幅度值和相位值。若外界沒有擾動(dòng)，則和其不會(huì)隨時(shí)問發(fā)生改變，若外界有擾動(dòng)，則和也將隨擾動(dòng)變化，這種變化通過差分可以獲得。

本發(fā)明從光纖中的瑞利散射和OTDR技術(shù)的角度出發(fā)，對(duì)中-OTDR技術(shù)的原理進(jìn)行了介紹，具有高靈敏度特性進(jìn)行。外界振動(dòng)對(duì)后向瑞利散射光相位的影響，是后續(xù)使用-OTDR傳感系統(tǒng)進(jìn)行聲音傳感提供了理論支持。對(duì)-OTDR傳感系統(tǒng)的搭建過程中的光路設(shè)計(jì)中關(guān)鍵器件選擇進(jìn)行了介紹，在傳統(tǒng)-OTDR的結(jié)構(gòu)上做出了改進(jìn)，引入相干外差接收法進(jìn)行信號(hào)接收，得到了與聲音擾動(dòng)相關(guān)的后向瑞利解射光的幅度信息以及相位信息，實(shí)現(xiàn)聲音還原。