[发明专利]一种光纤分布式振动传感系统及鉴相非线性误差修正方法

说明书

本发明公开一种光纤分布式振动传感系统及鉴相非限行误差修正方法，涉及信号处理技术领域，包括依次连接的连续激光光源、第一耦合器、声光调制器、光纤放大器、环形器、光纤耦合器、平衡探测器、模拟鉴相电路模块、控制显示终端和声光调制器驱动器，还包括与模拟鉴相电路模块相连的信号发生器；声光调制器驱动器与声光调制器连接；第一耦合器中的输出端分别与声光调制器和光纤耦合器连接；环形器的输出端与光纤耦合器连接，另一输出端依次连接传感光纤和压电陶瓷；模拟鉴相电路模块为双路参考鉴相电路。本发明解决的问题为：(1)需要较高性能的数字信号检测和处理设备，成本高；(2)采用DCM和反正切等传统的数字鉴相处理过程，过程繁琐复杂。

技术领域

本发明涉及光纤传感、信号处理技术领域，尤其涉及光纤分布式振动传感系统以及对应的鉴相非线性误差修正方法。

背景技术

近年来，分布式光纤传感技术因其独有的先天优势越来越多的受到产业界和国家安全部门的重视，因而国家安全部门、安全监测行业纷纷对分布式光纤传感技术进行投资和研发，并有望在几年内获得广泛的应用。而这所有的分布式光纤传感系统的基本理论都是基于光纤的弹光效应，利用传感区域的扰动、声波、温度、压力、电磁力等外界参量作用于光纤的某一区域，使得该区域附近的光纤折算率和长度随之而变化，从而通过探测光纤中光信号的光强、偏振状态、相位、波长等参量，即可间接的获知所监测的外界的振动位置和振动频率、温度、气体浓度等参量。随着光通信系统所需的各类器件的成本已经趋于大规模应用的合理范围，这使得长距离分布式光纤传感技术由以前的军用和实验室研究走向广泛的民用领域成为了可能。

光纤分布式传感器是基于光时域反射技术(OTDR)的一种分布式应力传感系统。该技术是由于光纤制备工艺的限制，造成光纤上各点的密度不均匀，进而折射率不均匀，这种不均匀性引起光在光纤中传输时发生瑞利散射。同时，光纤受到各种施加的外力(强烈的机械振动或微弱的声波振动)时也会导致局部折射率的变化，也会使得光纤中的散射光发生变化。这样，当在光纤一端注入脉冲激光进行传输时，其中一部分的背向散射光反向传输回光入射端，通常这对于光纤通信来说这是一种反射损耗，然而也正是因为这样的特性，可以通过探测接收到的随时间变化的背向散射光信号，来监测光纤链路上受到的应力变化情况，这就是通常所说的光时域反射技术。作为长距离围栏技术应用的首选，在周界安防、长输油气管道安全、大型结构健康监测等领域发挥重要作用，满足国家在边境线、重要基础设施等方面安全监测的重大需求。

在基于光时域反射技术的光纤分布式传感系统的设计的相关技术中，基于数字外差解调的分布式光纤传感系统利用相干检测方法，提高了检测灵敏度，实现了振动传感和相位检测。

但是数字外差方法需要百兆及以上数量级采样率，同时高速率数据采集和处理对数据处理设备的计算性能和存储性能都有较高的需求。数字外差方案决定了数字外差型φ-OTDR系统中的信号检测和处理模块的成本无法降低。并且，数字外差解调方案采用DCM和反正切等传统的数字鉴相处理过程，数据处理过程繁琐复杂，大大影响系统响应能力，限制了系统的实际工程应用领域范围。

发明内容

本发明的目的在于：现有的基于数字外差调解的分布式光纤传感系统的实现存在这些问题：(1)需要较高性能的数字信号检测和处理设备，成本居高不下；(2)采用DCM和反正切等传统的数字鉴相处理过程，导致数据处理过程繁琐复杂，大大影响系统响应能力，限制了系统的实际工程应用领域范围；为了解决这两个问题，本发明提供一种光纤分布式振动传感系统。普通模拟鉴相电路模块只能鉴别0°-180°不能适用于大动态范围的光纤分布式传感系统。

本发明的技术方案如下：