基于布里渊散射原理的分布式光纤传感器信号解调方法

基于布里渊散射原理的分布式光纤传感器信号解调方法

1布里渊传感技术由于色散色散的波长位移与光纤的内应力和室温有关，因此可以利用布里源纤维分布传感器技术进行室温和应力监测。在工程实践中,基于布里渊的光纤分布式传感技术的关键在于布里渊频移和布里渊频谱信号的提取,以及对信号的解调计算,并最终获得环境温度、光纤应变数据。常用布里渊频移信号提取有多种方案,也都存在一些不足之处,下面,在总结了常用布里渊频移信号提取方案的基础上,提出了基于工程实现的新的可行性方案。2布里源频率转移信号的提取2.1微波光相干检测技术应用这种方法通过微波电光调制(EOM)技术产生具有可调频差的本地参考光,再和后向布里渊散射光进行光相干外差检测。如图1所示,采用频宽小于1MHz的分布反馈式半导体激光器(DFB-LD)作为光源,通过光纤耦合器进行光功率分配,一路光作为激励光用于脉冲调制,另一路光作为本地参考光。对于激励光,先由脉冲调制形成脉宽10ns、重复频率为10kHz的光脉冲,经掺铒光纤放大器(EDFA)进行光放大,再通过光纤光栅和环形器进行滤波,滤掉EDFA产生的ASE噪声,最后由环形器输入到一定长度的普通单模光纤。本地参考光由微波电光调制器(MicrowaveEOM)调制后用于相干检测,调制后产生的上下边带频移取决于微波频率。把从环形器出来的传感光纤布里渊散射光,和通过微波电光调制产生的本地频移参考光进行光相干检测,并采用外差检测技术,通过调整微波频率(10.740GHz左右)使得布里渊散射光和本地频移光的频率差约为90MHz,即使光电处理单元的输出信号波形的中心频率约为90MHz。原始的光电信号是一带通的幅度调制信号,并包含有丰富的噪声。再把光电信号与本地90MHz射频信号相乘,进行混频,通过低通滤波器得到低频的幅度基带信号,对基带信号进行高速A/D转换,采用数字采样累加平均技术进行叠加处理来提高信噪比,最后把信号送到计算机进行存储、显示。通过改变微波调制频率(即完成一次频率扫描)得到布里渊散射信号。重复上述过程即可完成整个有效频带的扫描,最终获得各位置的布里渊频移值。(2)光干涉提取法如图2所示,这种方法与光干涉提取法大体类似,都是采用超外差的方法检测频移信号。不同的地方在于,光干涉提取法采用的是光学超外差的方法完成频移信号的提取,需要改变微波调制频率(作用于参考光)完成整个有效频带的扫描;而高频混频法采用的是电子超外差的方法提取的频移信号,在系统中有专用的频率合成器提供外差检测的参考频率,并通过调节频率合成器的输出频率完成整个有效频带的扫描。2.2基于光学超外差的hz信号综合方法对比分析以上两种方法,可以看到两种方法的根本差别就是分别采用了光学超外差检测和电学超外差检测。实际上两者都是有缺陷的,对于光学超外差检测的精确度完全依赖于微波电光调制的精确度,这在实际中很难做到,因为电光调谐相对比较困难且精度不高。对于电学超外差检测法,同样也很难保证测试精度。因为11GHz的超高频率调谐比较困难,代价也较昂贵。为此,根据两种方案的优点,提出了一种综合方案。首先利用光学超外差的方法将超高频的布里渊频移值转换到常见频率合成器的频带上来,然后再通过电学超外差的方法获得最终频移信号。如图2所示,通过调制器将参考光源的频率调制到频率v0-vL,使vL接近于vB,其中vB为常温环境,无应变条件下的布里渊频移,保持该频率恒定。然后将该参考光送入光相干检测单元与布里渊后向散射信号进行光相干外差检测,使光电转换信号中出现频率成份Δv=vL-vB,该频率差即为相对布里渊频移,并最终将该信号送入混频器与频率合成器送入参考信号进行混频、滤波,完成一次信号扫描。通过改变频率合成器的输出频率,完成对整个有效频带的扫描,获得布里渊频移分布曲线,由信号处理系统处理(在新方案中,需要将～90MHz的中频信号发生单元由宽频频率合成器取代)。这样,通过光、电两级式的外差解调形式,降低了频率扫描步长,提高了分辨率和解调精度,于是就提高了温度、应力的测试精度。3布里渊散射光功率pb时应变和温度设定了pb布里渊散射不仅与光纤应变有关,还与环境温度有关,这就意味着布里渊散射系统可以同时检测光纤应变和光纤所处环境温度,但也存在信号交叉敏感的问题。为此可以利用布里渊峰值功率同温度和应变的关系,结合布里渊频移同温度和应变的关系实现应变和温度的同时测量。在这里采用Rayleigh散射光功率解调布里渊散射光功率,消除由熔接损耗,微弯等情况对布里渊散射光功率造成的影响。引入Landau-Placzek率(LPR)概念,其定义为Rayleigh散射光功率Pr与布里渊散射光功率Pb之比:布里渊频移和峰值功率同应变和温度的关系可表示为:Pb是布里渊峰值功率。设,与作为参考的最初状态下的系统特性有关。在该状态下获得Rayleigh散射曲线和布里渊峰值功率的分布,算出Crb(z)。在测量时通过实测Rayleigh散射曲线和Crb(z)求得布里渊峰值功率,再由实际线路中由于应变或温度的影响所测量的布里渊峰值功率减去算出的布里渊峰值功率即可得到由于应变和温度所引起的功率的变化,消除光纤线路中其他因素的变化对功率的影响。布里渊峰值功率的相对变化率随应变和温度的变化的关系可进一步表示为:式中:Pb(ref)—参考位置的布里渊功率;Pr(ref)—参考位置的瑞利功率;Pb(z)—空间位置z处的布里渊散射光功率;Pr(z)—空间位置z处的Rayleigh散射光功率。由于分别是频移应变系数、频移温度系数、功率应变系数和功率温度系数,与光纤特性有关,可设为常数。综合(2)(3)、(4)可获得以下方程组:其中A、B、C和D皆为常数,可由系统定标来确定,通过对上述方程组求解即可获得温度、应力数据。4布里渊频谱的获取根据以上的设计方案,建立如图3的系统结构。光源采用窄谱宽的DFB激光器,激光器输出的2mW左右1550nm的连续光,经光纤耦合器分成两路。一路经由电光调制器形成宽度10ns的脉冲探测光,通过EDFA放大后注入传感光纤;另一路经由微波调制器,形成相对于探测光有一定频移的参考光(与布里渊频移相近),并保持恒定。相干检测单元主要由高带宽光探测器、低通滤波器和高带宽运放构成,负责干涉信号的光电转换及信号调理,获得布里渊后向散射光与参考光干涉获得的高频信号,该信号正是布里渊频移与参考光频移的差频信号。由于各采样点之间的间隔时间非常短,不足以直接测出各采样点的频率值。故而本系统采用了外差扫描的方法,将相干检测单元输出的高频信号输入到混频器与频率合成器输出的参考频率信号进行混频处理,经低频滤波,获得各采样点在参考频率处的布里渊谱值。在整个布里渊频谱范围内,按照精度要求逐步调整频率合成器输出频率,完成一次扫描,实现全光纤布里渊频谱的获取。信号处理单元主要由高速采集模块和数字处理系统构成,高速采集模块的采集速度主要由系统空间分辨率决定,以1m的空间分辨率来算至少要求100MHz的采集速度;数字处理系统需要对采集数据进行累加平均以滤除系统噪声,累加平均次数根据精度要求和探测时间折中确定。至此,我们已经能够获得时间(光纤位置)-频率-幅度三维布里渊频谱曲线图。再根据公式5便可以解调出光纤应变和环境温度,当然公式中的常数必须提前定标获得。定标就是在已知的温度和应变下,测得上述曲线图,利用公式5求得常数的过程。5微波光调制器、光调器、频率合成器的选择无论是单一的光干涉提取法还是高频混频提取法,在技术原理上都需要有大频率范围的扫频动作,这一方面实现比较困难,能