具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明实施例提供的一种基于零差探测的分布式光纤声波传感装置，如图1所示，主要包括脉冲光发生模块、传感光纤模块、载波调制模块和信号解调模块。

具体地，脉冲光发生模块包括窄线宽激光器1、光纤隔离器2、半导体光放大器3、掺铒光纤放大器Ⅰ4、四端口光纤环形器5以及光纤光栅6，其中，窄线宽激光器1的尾纤输出端与光纤隔离器2的输入端相连；光纤隔离器2的输出端与半导体光放大器3的输入端相连；半导体光放大器3的输出端与掺铒光纤放大器Ⅰ4的输入端相连；四端口光纤环形器的第一端口5-1与掺铒光纤放大器Ⅰ4的输出端相连，四端口光纤环形器的第三端口5-3与光纤耦合器Ⅰ的第一端口8-1相连，四端口光纤环形器的第四端口5-4与光纤光栅6相连。传感光纤模块包括传感光纤7，其与四端口光纤环形器的第二端口5-2相连。光纤耦合器Ⅰ8输出端口分别连接载波调制模块和信号解调模块。光纤耦合器Ⅰ的第二端口8-2连接载波调制模块，其包括光纤耦合器Ⅱ9、直波导相位调制器10、第一法拉第旋转镜11、第二法拉第旋转镜12。其中，光纤耦合器Ⅱ的第一端口9-1与光纤耦合器Ⅰ的第二端口8-2相连，光纤耦合器Ⅱ的第二端口9-2与直波导相位调制器10的输入端相连；直波导相位调制器10的输出端与第一法拉第旋转镜11相连；光纤耦合器Ⅱ的第三端口9-3与第二法拉第旋转镜12相连。光纤耦合器Ⅰ的第三端口8-3连接信号解调模块，其包括掺铒光纤放大器Ⅱ13，光电探测器Ⅰ14，光电探测器Ⅱ15，数据采集单元16，数据处理单元17。其中，光电探测器Ⅰ14的输入端与光纤耦合器Ⅰ的第三端口8-3相连，掺铒光纤放大器Ⅱ13的输入端口与光纤耦合器Ⅱ的第四端口9-4相连，输出端口与光电探测器Ⅱ15的输入端相连；光电探测器Ⅰ14和光电探测器Ⅱ15的输出端均与数据采集单元16相连，最终进入数据处理单元17。

特别地，本发明增加了由光纤耦合器Ⅰ8、光电探测器Ⅰ14组成的一路信号，用于对声波发生事件位置的定位；同时考虑到在载波调制模块损耗较大的问题，引入掺铒光纤放大器Ⅱ13用于对信号的放大。此外，也可在传感光纤前端提前预置一段距离的参考光纤，该段光纤内的采样点用作后续解调使用。进一步地，基于两路信号，本发明提出改进的相位解调方法，使得既可以实现高频调制和宽频探测，又可实现系统的全分布式传感。

下面通过本发明的具体传感过程对本发明作进一步说明。在本实施例中，窄线宽激光器1的中心波长在1550nm波段，线宽小于3kHz，激光功率达20mW。在其他实施例中也可以采用其它类型的窄线宽激光器，但要求满足线宽小于10kHz，功率达10mW以上。光纤隔离器2采用工作波段为1550nm的普通单模光纤，以防止后向散射光影响激光光源的稳定性。光纤环形器5为四端口光纤环形器并且单向导通。光纤光栅6采用工作波段为1550nm的光纤布拉格光栅，以抑制掺铒光纤放大器Ⅰ4的自发辐射噪声。传感光纤7采用普通的单模光纤，纤芯直径8～10μm，包层直径125μm。光纤耦合器Ⅰ8为1×2的单模光纤耦合器，分光比50：50。光纤耦合器Ⅱ9为2×2的保偏光纤耦合器，分光比50：50，此处需要注意，光纤耦合器Ⅱ9可根据具体实施时的光功率来设定实际分光比。保偏直波导相位调制器10的工作波段为1550nm。保偏的第一法拉第旋转镜11和第二法拉第旋转镜12的工作波段为1550nm，两者性能参数一致，均由旋转角45°的法拉第旋转器与反射镜组成，用来实现光偏振态的旋转和光的反射。光电探测器Ⅰ14和光电探测器Ⅱ15选用可探测到nW量级光功率的探测器。数据采集单元16与数据处理单元17用于整个系统的数据信号采集和处理，用来实现分布式实时声波监测和还原。

本发明的基于零差探测的分布式光纤声波传感系统传感过程如下：

窄线宽激光器1发射的连续激光经光纤隔离器2后注入半导体光放大器3，半导体光放大器3将激光器发出的连续光调制成一定脉冲间隔和脉冲宽度的脉冲光，掺铒光纤放大器Ⅰ4将脉冲光放大后注入四端口光纤环形器5并通过四端口光纤环形器的第二端口5-2注入传感光纤7中，在传感光纤7传播返回的发生自干涉并携带有待测声波信号的后向瑞利散射光通过四端口光纤环形器的第三端口5-3注入到光纤耦合器Ⅰ8的第一端口8-1，四端口光纤环形器的第四端口5-4连接光纤光栅6；携带有待测声波信息的瑞利散射光信号经光纤耦合器Ⅰ8分成两路，分别经过光纤耦合器Ⅰ的第二端口8-2和光纤耦合器Ⅰ的第三端口8-3注入载波调制模块和信号解调模块。第一路直接进入光电探测器Ⅰ14；第二路进入光纤耦合器Ⅱ9，需要经过后端非平衡迈克尔逊干涉仪的调制作用，非平衡迈克尔逊干涉仪存在固定大小臂差5～10m，与脉冲光宽度共同决定系统的空间分辨率。光纤耦合器Ⅱ9的第二端口9-2由直波导相位调制器10载波调制后经第一法拉第旋转镜11反射回来，光纤耦合器Ⅱ9的第三端口9-3经第二法拉第旋转镜12反射回来，返回的两束光在光纤耦合器Ⅱ9处发生干涉，干涉光经掺铒光纤放大器Ⅱ13放大后，进入光电探测器Ⅱ15。最终，两路信号光经光电转换后，均进入数据采集单元16，最终由数据处理单元17处理后可得待测声波信号的频率和幅值。

特别地，信号解调模块中第一路信号光即光电探测器Ⅰ14所探测到的光信号未经调制，相位信息容易被噪声淹没，不能反映真实相位变化，不便提取，一般只做差分处理确定声波事件发生的位置；第二路信号光即光电探测器Ⅱ15所探测到的光信号经过载波调制后，可以进行相位解调，有效提取相位信息。光电探测器Ⅱ15所探测到的光强信号I₂可以表示为：

式中，A为信号中所含的直流信号成分的幅值；B为交流信号成分的幅值，Ccos(w₀t)为载波调制信号；为待测信号与环境漂移共同引起的相位变化。可分为频率为w_s的待测声波信号和由环境漂移等外界干扰引起的相位变化。D为待测声波信号的幅值，w_s为待测声波信号的频率，t为时间，为环境噪声引起的相位变化。为提高信噪比和解调精确度，通常选用相位生成载波-反正切PGC-Arctan算法，实现对待测信号的还原。

因此，进一步地，本发明结合两路信号的特征，提出一种改进的信号解调方法，包括如下步骤：

S1：对经光电探测器Ⅰ得到的第一路信号进行差分运算处理，计算出在传感光纤上所有声波事件发生的位置Z₁，Z₂，…，Z_n；

S2：对经光电探测器Ⅱ得到的第二路信号，选取传感光纤上除Z₁，Z₂，…，Z_n外的未发生声波事件的一段距离内的采样点，或在传感光纤前提前预置一段距离的参考光纤内的采样点，至少包含一个脉冲宽度内的采样点数；

S3：解调声波事件发生位置Z₁处的信息，将第二路每个周期的信号除Z₁处其他位置的采样点全部由S2中得到的点替代；

S4：将经S3后得到的处理过的第二路信号进行全局PGC-Arctan相位解调处理，得到的即是Z₁位置处的声波信息；

S5：同样地，对Z₂，…，Z_n位置依据S3和S4进行处理，最终即得到每个声波事件发生位置处的幅值和频率信息。

最终，本发明可提供一种基于零差探测的分布式光纤声波传感系统，包括本发明提供的上述装置和解调方法。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。