[发明专利]基于布里渊散射的光纤入侵信号的快速解调装置

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感，特别是一种基于布里渊散射的光纤入侵信号的快速解调装置，可用于光纤入侵传感系统、光纤应变传感系统中的信号快速解调。

背景技术

在传统的分布式光纤入侵传感系统中，主要的传感原理是基于光相位干涉技术和光纤光栅技术。基于光相位干涉技术的入侵传感系统，具有很高的灵敏度，但是长传感距离和高空间定位精度无法同时实现，通常的传感距离为几千米量级，空间定位精度为±50米量级。基于光纤光栅技术的入侵传感系统，只能实现点式测量，或者通过组成多点传感网络的模式扩大测量范围，但无法实现真正的分布式测量，而且组网模式会极大地提高系统成本和系统复杂度，不利于应用。

基于布里渊散射技术的光纤传感系统，具有长距离分布式测量(几十千米)，高空间定位精度(几米)的优点，在温度和应变测量方面有很好的应用前景。而在入侵应变信号检测方面，信号快速实时解调是其核心技术之一，该实时解调需要达到秒甚至百毫秒量级的响应速度。传统的基于布里渊散射技术的光纤应变解调方法采用频率步进扫描方式实现，即通过微波扫频技术，发送一个本振频率控制信号，使微波扫频器的本振频率处于某一个频率值，通过本振信号与被测信号拍频，再经过一个频带窗口固定的窄带宽滤波器(通常带宽为几MHz)，将布里渊散射信号频谱上的某一点频率解调出来，重复采集多次并累加平均，得到布里渊散射信号频谱该频率点处的最终信号强度，然后通过控制信号使本振频率产生步进变化，就可以得到布里渊散射信号频谱上的下一个频率点处的信号强度，最终通过逐点改变微波扫频器的本振信号，实现对整个布里渊散射信号频谱的扫描，然后确定布里渊散射频谱的中心频率，从而得到应变引起的布里渊散射信号频率改变量。这类方案的不足在于，通过频率步进扫描得到完整的信号频谱，需要对频谱进行各频率点的逐点扫描检测，布里渊频谱的宽度通常在50MHz左右，扫描步进小(如1MHz)，测量得到的频谱就越精细，但是测量的频率点就多，增加了测量时间，即增加了系统响应时间，增大扫描步进(如5MHz)，可以减少测量的频率点数，提高完成一次完整频谱测量的速度，但是频谱上的频率点间隔增大，降低了频谱精度，也就降低了最后的布里渊散射频移中心的解调精度。通常情况下，扫描一个完整的布里渊频谱，需要扫描100MHz左右的频谱范围，采用步进2MHz，需扫描50个频率点，并在每个频率点对信号重复采集210次(提高信噪比，需要进行累加平均处理)。对于20Km的传感光纤，在一个频率点上，探测信号沿光纤传输一次并完成采集的时间是200微秒，探测信号的占空比为50％，则完成一个频率点上210次重复采集需要409.6毫秒，最终完成50个频率点的完整频谱信号采集，就需要20.48秒。传感距离越长，重复累加平均次数越多，扫频步进越小，扫频范围越宽，则所需的解调时间越长。因此对于采用频率步进扫描的信号解调方法的布里渊光纤传感系统，其完成信号解调的速度通常在几十秒量级，无法满足光纤入侵应变检测的实时性要求，无法应用于光纤入侵应变检测场合。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于布里渊散射的光纤入侵传感系统的信号快速解调装置，该装置可对入侵应变信号进行优于秒量级的快速解调，并减小环境温度变化对该装置的影响，能够完全满足光纤入侵传感系统的需要，具有结构简单，响应快速的特点，为布里渊散射技术在光纤入侵传感领域的应用、同时实现长传感距离和高空间定位精度提供了一种可行的途径。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于布里渊散射的光纤入侵信号的快速解调装置，其特点在于由高速PIN光电探测器、第一SMA连接头、低噪声放大器、第二SMA连接头、带通滤波器、第三SMA连接头、微波下变频器、第四SMA连接头、边缘滤波器、第五SMA连接头、边缘滤波控制电路、串口连接线、中频检波器、同轴屏蔽信号线、数据采集卡、PCI数据总线、计算机和串口连接线组成，其连接关系是：所述的高速PIN光电探测器的输出端和低噪声放大器的输入端经第一SMA连接头连接，所述的低噪声放大器的输出端和所述的带通滤波器的输入端通过第二SMA连接头相连，带通滤波器输出端和所述的微波下变频器的输入端通过第三SMA连接头相连，微波下变频器的输出端通过第四SMA连接头接所述的边缘滤波器的信号输入端，所述的边缘滤波控制电路通过串口连接线连接到边缘滤波器的控制输入端，边缘滤波器的信号输出端通过第五SMA连接头和所述的中频检波器的输入端相连，中频检波器和所述的数据采集卡通过同轴屏蔽信号线相连，数据采集卡通过PCI数据总线与所述的计算机内部直接建立通信互联，计算机通过所述的串口连接线与边缘滤波控制电路实现连接。