一种抑制共模噪声的分布式光纤传感系统及其抑制方法与流程

本发明涉及光纤传感技术，具体涉及一种抑制共模噪声的分布式光纤传感系统及其抑制方法。

背景技术：

分布式光纤传感是一种新型的传感技术，传感距离可以从几百米到上百公里。分布式光纤传感因具有抗电磁干扰、高的灵敏度以及长的传感距离等优点在石油管道监护、周界安防等领域得到了广泛的应用。

分布式光纤传感中应用较广的一类是分布式声传感(DAS)，一般是基于干涉原理或者背向散射原理。基于干涉原理较常用的有光纤水听器和光纤加速度传感器，基于背向散射原理的主要是相位敏感型光时域反射仪(Φ-OTDR)。对于干涉型光纤水听器或者加速度传感器，由于传输光纤受到振动、弯曲和温度变化等环境因素的影响时，长度和折射率等参数将发生随机变化。这些参数变化随着传输距离的增加而逐步累积，最终在系统中引入强的背景噪声[1]。此外基于微分延时外差的系统，前端有一非平衡马赫曾德尔干涉仪来产生外差延时脉冲对，而该干涉仪很容易受到振动等环境噪声的影响，从而给系统带来很大的噪声，这些噪声称之为共模噪声。为了消除这些共模噪声，在已有的方案中都是在系统中加入一个参考探头，该探头是声压和加速度不灵敏的，从而只获取共模噪声。之后再将传感探头测得的信号与参考探头测得的信号相减即可消除共模噪声[2]。

在现有技术中，为了消除共模噪声，在系统中加入了一个参考探头，该探头是声压和加速度不灵敏的，从而只获取共模噪声。之后再将传感探头测得的信号与参考探头测得的信号相减即可消除共模噪声。已有技术主要存在以下三点缺陷：(1)需要额外制作一个参考探头，增加了系统的开销；(2)该参考探头需要完全的声压和加速度不灵敏，实现起来相当困难；(3)需要合理设计系统来放置该参考探头，增加了系统复杂性。

技术实现要素：

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种分布式光纤传感系统中共模噪声的抑制方法，通过选取系统中任意一段光纤作为参考即可有效的抑制共模噪声。

本发明的一个目的在于提出一种抑制共模噪声的分布式光纤传感系统。

本发明的抑制共模噪声的分布式光纤传感系统包括：窄线宽激光器、第一耦合器、第一声光调制器、第二声光调制器、延时光纤、第二耦合器、第一掺铒光纤放大器、环形器、第二掺铒光纤放大器、滤波器、光电探测器、数据采集卡、工控机以及隔声隔振装置；其中，选取分布式光纤传感系统中一段光纤置于隔声隔振装置中，进行隔声隔振处理，作为参考光纤；窄线宽激光器发出连续激光；经第一耦合器后，均匀分成两路，一路经过第一声光调制器被移频f₁并被调制成第一脉冲光，另外一路经过第二声光调制器被移频f₂并被调制成第二脉冲光，第一脉冲光与第二脉冲光之间的频率差Δf＝f₁-f₂即为外差频率；第二脉冲光经过长度为L_d的延时光纤，与第一脉冲光在时域上分开；第一脉冲光和第二脉冲光经过第二耦合器合光后，得到一前一后的两个脉冲，形成一个外差脉冲对，外差脉冲对的外差频率为Δf，外差脉冲对的间隔为L_d；外差脉冲对先经过第一掺铒光纤放大器放大后，通过第一口进入环形器，通过环形器的第二口注入基于背向散射原理的分布式光纤传感系统；外差脉冲对在基于背向散射原理的分布式光纤传感系统中产生背向瑞利散射信号，作为外差信号；分布式光纤传感系统接收到的外界信号调制到外差信号的外差频率上；外差信号通过环形器的第三口进入第二掺铒光纤放大器，经过第二掺铒光纤放大器放大后，经过滤波器滤除噪声；然后到达光电探测器，由高速的数据采集卡采集信号，最后在工控机上进行信号的外差解调，从而得到分布式光纤传感系统的信号；选取参考光纤处的信号，此段信号不受外界环境干扰，从而得到共模噪声信号；将分布式光纤传感系统中所有位置得到的信号，减去共模噪声信号，从而得到分布式光纤传感系统中消除共模噪声的外界信号；其中，f₁≠f₂，L_d＞0。

基于背向散射原理的分布式光纤传感系统为光纤水听器阵列系统、加速度传感器阵列系统或传感光纤。

隔声隔振装置包括弹性材料和密闭箱；在参考光纤外包裹弹性材料，置于密闭箱中，从而使得参考光纤免除外界干扰。

外差信号的采样频率即脉冲重复频率应该是外差频率Δf的4倍以上，外差频率要尽量的大，因此一般选4倍关系；外差脉冲对的间隔L_d要大于脉冲宽度w，以保障两个脉冲没有重叠，在这个基础上间隔要尽量小。可探测的外界信号的频率的上限为外差频率的一半，可探测的外界信号的频率的下限由用于时域重构的背向散射曲线的条数决定，频率下限为f_s/M，其中f_s为脉冲重复频率，M为用于时域重构的背向散射曲线的条数。

下面明确几个基本概念：

脉冲宽度：连续光经过声光调制器后被调制成脉冲光的宽度，时域上表示的脉冲宽度为τ，空间域上表示的脉冲宽度为w，外差脉冲对中两个脉冲的脉冲宽度是一样的。

脉冲重复频率：每次生成脉冲都会同时生成一个外差脉冲对，脉冲重复频率即为生成外差脉冲对的频率。

外差信号的采样频率：待测光纤上一个位置的背向瑞利散射信号在时域上重构后的采样频率，外差信号的采样频率与脉冲重复频率相等。

数据采集卡的采样频率：数据采集卡采集数据的速率，该采样频率与空间分辨率有关。

采样深度：数据采集卡一次触发后采集数据的长度，该值与待测光纤的长度和数据采集卡的采样频率有关。

本发明的另一个目的在于提供一种抑制分布式光纤传感系统中的共模噪声的方法。

本发明的抑制分布式光纤传感系统中的共模噪声的方法，包括以下步骤：

1)基于背向散射原理的分布式光纤传感系统中的光纤长度为L，脉冲重复频率为f_s，则有f_s＜c/2nL，其中，c为真空中的光速，n为待测光纤的折射率，数据采集卡的采样频率为f_c，采样深度为N，则有N＝f_c/f_s；

2)选取分布式光纤传感系统中一段光纤置于隔声隔振装置中，进行隔声隔振处理，作为参考光纤；

3)窄线宽激光器发出连续激光，经第一耦合器后，均匀分成两路，一路经过第一声光调制器被移频f₁并被调制成第一脉冲光，另外一路经过第二声光调制器被移频f₂并被调制成第二脉冲光，第一脉冲光与第二脉冲光之间的频率差Δf＝f₁-f₂即为外差频率；第二脉冲光经过长度为L_d的延时光纤，与第一脉冲光在时域上分开；第一脉冲光和第二脉冲光经过第二耦合器合光后，得到一前一后的两个脉冲，形成一个外差脉冲对，外差脉冲对的外差频率为Δf，外差脉冲对的间隔为L_d；

4)外差脉冲对先经过第一掺铒光纤放大器放大后，通过第一口进入环形器，通过环形器的第二口注入待测光纤；外差脉冲对在基于背向散射原理的分布式光纤传感系统中产生背向瑞利散射信号，作为外差信号，分布式光纤传感系统接收到的外界信号调制到外差信号的外差频率上，通过环形器的第三口进入第二掺铒光纤放大器，经过第二掺铒光纤放大器放大后，经过滤波器滤除噪声；然后到达光电探测器，由高速的数据采集卡来采集信号，传输至工控机；

5)一个外差脉冲对得到一条背向散射曲线，连续采集M条背向散射曲线，M≥50；

6)选取所有背向散射曲线的参考光纤处的信号进行时域重构，得到参考光纤处随时间变化的信号，参考光纤不受外界环境的干扰，只有共模噪声信号，因此得到共模噪声信号；

7)将分布式光纤传感系统中除参考光纤以外的一个位置的信号进行时域重构，得到此位置处随时间变化的信号；

8)将步骤7)中得到的信号减去共模噪声信号，从而此位置处的信号消除了共模噪声；

9)遍历分布式光纤传感系统中的所有位置，重复步骤7)～8)，从而得到分布式光纤传感系统中消除了共模噪声的外界信号。

其中，在步骤2)中，根据分布式光纤传感系统的实际布局进行选取，择优选取最容易进行隔声隔振的一段作为参考光纤；在符合上述条件的基础上，该参考光纤可以任意选取。

在步骤6)中，选取所有背向散射曲线的参考光纤处的信号进行时域重构，得到参考光纤处随时间变化的信号，具体包括以下步骤：

a)选取所有背向散射曲线的参考光纤处的信号进行时域重构，该信号的表达式为：I＝A+Bcos[2πΔft+Φ_n(t)]，其中Δf为外差频率，Φ_n(t)为共模噪声信号引起的光相位的变化量；

b)将上述信号滤除直流成分后将得到待解调信号y_s＝Bcos[2πΔft+Φ_n(t)]，然后对待解调信号进行外差解调算法，最后得到光相位的变化量Φ_n(t)，从而得到共模噪声信号。

在步骤7)中，将分布式光纤传感系统中除参考光纤以外的一个位置的信号进行时域重构，得到此位置处随时间变化的信号，具体包括以下步骤：

a)选取所有背向散射曲线的同一个位置的信号进行时域重构，将会得到同一位置处随时间变化的信号，该信号的表达式为：I＝A+Bcos[2πΔft+Φ(t)+Φ_n(t)]，其中Δf为外差频率，Φ(t)为外界信号引起的光相位的变化量，该值与此位置信号的幅度成正比，Φ(t)的频率与外界信号的频率一致，Φ_n(t)为共模噪声信号引起的光相位的变化量；

b)将上述信号滤除直流成分后将得到待解调信号y_s＝Bcos[2πΔft+Φ(t)+Φ_n(t)]，然后对待解调信号进行外差解调算法，最后得到光相位的变化量Φ(t)+Φ_n(t)，减去步骤6)中得到的共模噪声Φ_n(t)后即得到消除了共模噪声的信号。

Φ(t)与外界信号的幅度成正比，得到光相位的变化量Φ(t)，从而得到外界信号的幅度和频率。

本发明的优点：

本发明选取分布式光纤传感系统中的一段光纤进行隔声隔振处理，作为参考光纤，得到此段参考光纤的信号，由于不受外界环境干扰，只包含共模噪声信号，再将分布式光纤传感系统中其他位置的信号减去参考光纤得到的信号，从而消除分布式光纤传感系统中的共模噪声；参考光纤可以任意选择，并适用于光纤水听器阵列系统、加速度传感器阵列系统或传感光纤等基于背向散射原理的分布式光纤传感系统；在不额外添加结构的基础上，有效抑制分布式光纤传感系统中的共模噪声信号。

附图说明

图1为本发明的抑制共模噪声的分布式光纤传感系统的一个实施例的示意图；

图2为本发明的抑制共模噪声的分布式光纤传感系统的一个实施例得到的抑制效果图，选取100m处的一段光纤作为参考光纤，其中，(a)为分布式光纤传感系统中50m到450m距离范围内所有位置上得到的带有共模噪声的信号，(b)为分布式光纤传感系统中50m到450m距离范围内所有位置上得到的消除了共模噪声的信号，(c)为分布式光纤传感系统中250m位置处含有共模噪声信号与去除共模噪声信号后的效果对比图；(d)为(c)的相应的频谱。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，在本实施例中分布式光纤传感系统采用传感光纤，本实施例的抑制共模噪声的分布式光纤传感系统包括：窄线宽激光器S、第一耦合器OC1、第一声光调制器AOM1、第二声光调制器AOM2、延时光纤DF、第二耦合器OC2、第一掺铒光纤放大器EDFA1、环形器C、第二掺铒光纤放大器EDFA2、滤波器F、光电探测器PD、数据采集卡DAQ、工控机IPC和隔声隔振装置INS；其中，窄线宽激光器S发出连续激光；经第一耦合器OC1后，均匀分成两路，一路经过第一声光调制器AOM1被移频f₁并被调制成第一脉冲光，另外一路经过第二声光调制器AOM2被移频f₂并被调制成第二脉冲光，第一脉冲光与第二脉冲光之间的频率差Δf＝f₁-f₂即为外差频率；第二脉冲光经过长度为L_d的延时光纤DF，与第一脉冲光在时域上分开；第一脉冲光和第二脉冲光经过第二耦合器OC2合光后，得到一前一后的两个脉冲，形成一个外差脉冲对，外差脉冲对的外差频率为Δf，外差脉冲对的间隔为L_d；外差脉冲对先经过第一掺铒光纤放大器EDFA1放大后，通过第一口进入环形器C，通过环形器C的第二口注入传感光纤SF；外差脉冲对在传感光纤SF中产生背向瑞利散射信号，作为外差信号，传感光纤SF上的外界信号调制到外差信号的外差频率上；外差信号通过环形器C的第三口进入第二掺铒光纤放大器EDFA2，经过第二掺铒光纤放大器EDFA2放大后，经过滤波器F滤除噪声；然后到达光电探测器PD，由高速的数据采集卡DAQ来采集信号，最后在工控机IPC上进行信号的外差解调。第一声光调制器AOM1和第二声光调制器AOM2分别连接至声光调制器的驱动器AOMD。

本实施例中，外差频率Δf为50kHz，系统可以探测幅度从0.1rad到100rad的信号，同时可以探测频率从10Hz到25kHz的信号。其中可探测频率的上限为外差频率的一半，可探测频率的下限由用于时域重构的背向散射曲线的条数决定。弹性材料采用海绵。

本实施例中，传感光纤SF的长度为470m，选取100m处的一段光纤作为参考光纤。在AOM1、AOM2和延时光纤DF附近有一个较强的噪声源，从而给系统中引入较强的共模噪声。从图2(a)可以看出，传感光纤所有位置得到的信号都有很大的抖动，这些抖动就是共模噪声引起的。图2(b)为选取100m处的一段光纤作为参考光纤，并采用上述共模噪声抑制方法后得到的信号，可以看到传感光纤中的共模噪声得到了很好的抑制。此外图2(c)为传感光纤上250m处含共模噪声信号与滤除共模噪声信号后的信号效果对比，图2(d)为其相应的频谱图。从图2中也可以看出共模噪声得到了很好的抑制。

参考文献：

[1]曹春燕,吴艳群,熊水东,等.光纤水听器系统光纤传输噪声的自适应消除[J].光电工程,2012,(10):83～88.

[2]Liu F,Xie S,Qiu X,et al.Efficient Common-Mode Noise Suppression for Fiber-Optic Interferometric Sensor Using Heterodyne Demodulation[J].Journal of Lightwave Technology,2016,34(23):5453～5461.

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。