本发明涉及一种高信噪比时域反射长距离分布式白光干涉型声传感技术及装置，用于各类结构声波、声发射、超声波、动态应变、加速度或地震波的分布式传感。可实现对结构声波、开裂、声发射、振动、入侵扰动、动态应变及变形地震波的实时在线分布式探测及定位。
背景技术：
在各类光纤声传感系统中，基于白光干涉的光纤传感系统以其高灵敏度而得到广泛关注。若白光干涉型光纤传感声系统需实现分布式探测，一般采用脉冲光探测方式，通过探测不同时刻光纤反射的低相干光干涉信号实现分布式传感。
但对于分布式光纤白光干涉声传感系统而言，其分布式能力或传感距离与信噪比之间存在固有矛盾，其主要原因在于白光干涉系统采用宽谱低相干光，脉冲峰值功率低，信号弱且信噪比差，需要在光纤不同位置处刻写微结构以增强光信号反射率；但另一方面为保证单根光纤所能容纳微结构反射点足够多以实现长距离分布式传感，微结构的反射率又不能过高，因而导致信噪比提升困难。
为实现高信噪比长距离干涉分布式声传感，目前基本采用两类光纤光栅阵列传感技术：一类采用弱反射率光栅阵列干涉技术，其信噪比提升有限且灵敏度相对较低；另一类采用高反射率光纤光栅阵列技术提高信噪比，但其要求光栅阵列中各光栅的波长之间须保持足够间隔以实现不同波长分离与声波振动信号解调，因而单根光纤所能容纳光栅数目较少，导致传感阵列长度以及解调能力有限。此外，针对传感距离与信噪比之间矛盾，虽然亦可采用前端光纤放大器放大探测信号脉冲，以提高信噪比，但由于光纤放大器自发辐射噪声亦为宽谱低相干光，反而会在白光干涉系统内形成较高基底干涉噪声且放大效果及滤波效果极其有限。因此以上难题极大的限制了白光干涉系统在长距离分布式、高信噪比、高灵敏度等方面性能提升及其工程应用。
白光干涉要么低反射率-降低信噪比提高传感距离，要么高反射率，波分复用降低传感距离提高信噪比。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种高信噪比时域反射长距离分布式白光干涉型声传感装置及方法，用于各类结构声波、微震或地震波的分布式传感，传感系统分布式传感探测距离长，测点数多且系统信噪比及灵敏度高，稳定性与耐久性好，简单且可靠性高，可长期在线监测。
本发明的技术解决方案如下：
一种时域反射长距离分布式白光干涉型声传感系统，其特征在于，包括：
宽带光源，用于发出宽谱低相干连续光；
声光调制器，对所述宽带光源发出的宽谱低相干连续光进行调制后形成低相干脉冲光；
第一光纤耦合器，用于将所述声光调制器调制后形成的低相干脉冲光分为两路输出；
高速光纤拉伸器，用于对输入的一路低相干脉冲光进行调制，形成具有设定频率的载波信号或者相位周期调制型的延迟信号；
第二光纤耦合器，将所述第一光纤耦合器输出的另一路低相干脉冲光和经所述高速光纤拉伸器调制后的载波信号或延迟信号耦合后输出；
宽谱光纤放大器，对经所述第二光纤耦合器输出的两路脉冲信号进行放大；
高反射率光纤布拉格光栅阵列，将经所述宽谱光纤放大器放大后的脉冲信号依次经过光纤不同位置处的各光栅后，满足各光栅布拉格条件的光被分别反射输出；
第三光纤耦合器，将所述高反射率光纤布拉格光栅阵列反射的光信号分为两路输出；
光纤相位延迟器，用于对所述第三光纤耦合器输出的其中一路光信号进行相位延迟调制得到具有相位延迟的一路光信号；通过延迟调制，使该路光信号与所述第三光纤耦合器输出的另一路光信号形成低相干干涉；
第四光纤耦合器，使所述第三光纤耦合器输出的另一路光信号和经所述光纤相位延迟器调制后的光信号形成具有一定载波频率的部分相干干涉信号并输出；
双路光电探测器，分别将所述第四耦合器两个输出端口输出的两路光信号转化为电信号；
信号预处理单元，用于对所述双路光电探测器转化得到的电信号进行滤波和放大处理；
数据采集单元，用于采集经所述信号预处理模块处理后的电信号；
相位调制与提取单元，对所述数据采集单元采集的电信号进行相位调制以及提取；
控制单元，根据所述相位调制与提取单元输出的结果，发出控制信号；
信号发生器；根据所述控制单元的控制信号，同步发出两路信号；其中一路信号为触发电平信号，分别进入声光调制器的控制端口及数据采集单元的触发端口以控制光脉冲形成并确保数据采集单元同步采集；另一路信号为正弦周期模拟信号，进入高速光纤拉伸器的控制端并形成对光纤拉伸器中光纤环的周期性调制。
本发明宽带光源发出宽谱低相干连续光进入声光调制器，经声光调制器调制后形成低相干脉冲光，脉冲光进入第一光纤耦合器后被分为两路，其中一路进入高速光纤拉伸器，经高速光纤拉伸器调制，形成具有一定频率的载波信号或者相位周期调制型的延迟信号后进入第二光纤耦合器，另一路直接进入第二光纤耦合器，两路脉冲信号先后经宽谱光纤放大器放大以及光纤环形器后进入高反射率光纤布拉格光栅阵列，脉冲依次经过光纤不同位置处的各光栅后，满足各光栅布拉格条件的光被分别反射回光纤环形器后进入第三光纤耦合器，反射光信号经第三光纤耦合器后再次被分为两路，其中一路进入光纤相位延迟器后其相位得到一定程度延迟调制后，通过第四光纤耦合器后进入双路光电探测器，另一路直接经第四光纤耦合器后进入双路光电探测器。双路光电探测器分别将两路光信号转化为电信号后并依次通过带通滤波器、信号放大对信号进行预处理后，经双通道高速数据采集卡对相应信号进行采集，并在相位调制与提取单元对所采集信号进行相位调制以及提取后，将结果输送至控制与显示单元。此外，控制与显示单元可通过控制接口控制信号发生器同步发出两路信号，其中一路为触发电平信号，分别进入声光调制器控制端口及双通道高速数据采集卡外触发端口以控制光脉冲形成并确保采集卡同步采集，另一路信号为正弦周期模拟信号，进入高速光纤拉伸器控制端并形成对光纤拉伸器中光纤环的周期性调制。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明利用高反射率窄带光纤光栅阵列结合高速光纤拉伸器形成相位振荡载波后，从高速光纤拉伸器的光信号相位呈周期性变化，变化频率与加载在高速光纤拉伸器上的驱动信号频率一致，因此相对于未经过高速光纤拉伸器的另一路光，亦可等效于其频率发生漂移，或者说两路光具有一定相位差且相位差成周期性变化，当经过光纤相位延迟器适当补偿后，两路光中部分光的光程差近似相等，因而满足低相干干涉条件，即可实现光栅反射光信号部分低相干干涉，且干涉信号能够形成固定频率的载波变化，并用于声传感，且干涉信号解调可通过对声波引起振荡载波相位变化进行解析，与光栅阵列波长间隔无关，因而能够在提高光栅反射率结合宽谱光纤放大器实现高信噪比同时，通过波长密集化高反射率光栅阵列与对应载波相位解调，实现长距离分布式声传感。
2.本发明通过载波信号解调而非光栅波长解调，无需将各光栅波长分离解调，即使不同光栅的波长间隔再小，只要不发生重叠，就能实现分布式传感和解调，进而能够在提升系统信噪比的同时，通过大幅增加光纤光栅数量提高系统分布式能力与传感距离，有效克服现有白光干涉系统信噪比与传感探测距离之间的矛盾。
3.本发明采用低相干干涉且光纤放大器采用后置于高速光纤拉伸器的方式，因此其自发辐射噪声由于存在固有相位延迟且无法补偿，不能产生低相干干涉，且放大信号不会产生非线性畸变，因而通过带通滤波器即可有效分离低相干载波干涉信号及放大器所产生基底噪声，进一步有效提高信噪比。
附图说明
图1是本发明的一种具体结构示意图。
图2是本发明高反射率光纤布拉格光栅阵列的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
下面结合图1具体说明本实施方式。
本发明时域反射长距离分布式白光干涉型声传感系统，包括：
宽带光源1，用于发出宽谱低相干连续光；
声光调制器2，对宽带光源1发出的宽谱低相干连续光进行调制后形成低相干脉冲光；
第一光纤耦合器3，用于将声光调制器2调制后形成的低相干脉冲光分为两路输出；
高速光纤拉伸器4，用于对输入的一路低相干脉冲光进行调制，形成具有设定频率的载波信号或者相位周期调制型的延迟信号；相位周期调制型是指相位呈现周期性规律变化，具有一定频率及规律：比如相位变化是以100hz正弦变化或者比如以1khz三角波变化规律等。
第二光纤耦合器5，将第一光纤耦合器3输出的另一路低相干脉冲光和经高速光纤拉伸器4调制后的载波信号或延迟信号耦合后输出；
宽谱光纤放大器6，对经第二光纤耦合器5输出的两路脉冲信号进行放大；
高反射率光纤布拉格光栅阵列8，将经宽谱光纤放大器6放大后的脉冲信号依次经过光纤不同位置处的各光栅后，满足各光栅布拉格条件的光被分别反射输出；
第三光纤耦合器9，将高反射率光纤布拉格光栅阵列8反射的光信号分为两路输出；
光纤相位延迟器10，用于对第三光纤耦合器9输出的其中一路光信号进行相位延迟调制得到具有相位延迟的一路光信号；通过延迟调制，使该路光信号与所述第三光纤耦合器输出的另一路光信号形成低相干干涉；
第四光纤耦合器11，使第三光纤耦合器9输出的另一路光信号和经光纤相位延迟器10调制后的光信号形成具有一定载波频率的部分相干干涉信号并输出；载波频率可灵活设置比如100mhz、200mh在等，部分相干是指两路光中只有满足光程差近似相等的一部分光才能干涉，其余部分光无法干涉。
双路光电探测器12，分别将第四耦合器11两个输出端口输出的两路光信号转化为电信号；
信号预处理单元，用于对双路光电探测器12转化得到的电信号进行滤波和放大处理。在一个实施例中，信号预处理单元包括带通滤波器13和信号放大器14。
数据采集单元，用于采集经所述信号预处理模块处理后的电信号。在一个实施例中，数据采集单元采用双通道高速数据采集卡15。
相位调制与提取单元16，对数据采集单元采集的电信号进行相位调制以及提取；该部分主要是实现相位解调：相位调制是指通过比如正交解调或3*3耦合的方式把载波消除掉，只剩下相位信号，这样就可解调出相位变化。相位调制技术方案很多，以上说明仅概括其基本思路。
控制单元，根据相位调制与提取单元16输出的结果，发出控制信号；
信号发生器18；根据控制单元的控制信号，同步发出两路信号；其中一路信号为触发电平信号，分别进入声光调制器的控制端口及数据采集单元的触发端口以控制光脉冲形成并确保数据采集单元同步采集；另一路信号为正弦周期模拟信号，进入高速光纤拉伸器的控制端并形成对光纤拉伸器中光纤环的周期性调制。
宽带光源1发出的宽谱连续低相干光经声光调制器2调制后形成低相干脉冲光，脉冲光信号经第一光纤耦合器3后分为两路，其中一路通过高速光纤拉伸器4后进入第二光纤耦合器5，另一路直接进入第二光纤耦合器5，第二光纤耦合器5输出的两路脉冲光信号经宽谱光纤放大器6以及光纤环形器7后进入高反射率光纤布拉格光栅阵列8，形成一系列反射脉冲光信号并返回至光纤环形器7后经第三光纤耦合器9分为两路，其中一路进入光纤相位延迟器10进行相位延迟补偿后进入第四光纤耦合器11，另一路则直接进入第四光纤耦合器11。第四光纤耦合器11的两路输出信号同时分别进入双路光电探测器12进行光电探测与转换，双路光电探测器12对应输出的电信号依次经过带通滤波器13滤波以及信号放大器14放大后，通过双通道高速数据采集卡15对信号进行采集，相位调制与提取单元16对采集信号进行处理以及分析后在控制与显示单元17进行显示。控制与显示单元17可通过控制接口控制信号发生器18同步发出两路信号，其中一路为触发数字电平信号，同时进入声光调制器2及双通道高速数据采集卡15以实现光脉冲形成及采集卡采集之间的同步性，另一路信号为周期性模拟信号，进入高速光纤拉伸器4以形成对进入高速光纤拉伸器4中的光脉冲信号的载波或对其相位的周期性调制。
本发明传感方法是：宽带光源1发出的宽谱连续低相干光进入声光调制器2，控制与显示单元17通过控制信号发生器18发出触发数字电平脉冲信号，控制声光调制器2的开关状态，将宽谱连续低相干光调制形成低相干脉冲光。脉冲光信号经第一光纤耦合器3后被分为两路，第一路通过高速光纤拉伸器4进入第二光纤耦合器5，第二路直接进入第二光纤耦合器5，由于高速光纤拉伸器4的存在，一方面使得两路光之间存在由高速光纤拉伸器4自身光纤长度所引起的固定光程差，另一方面控制与显示单元17通过控制信号发生器17产生正弦调制信号加载于高速光纤拉伸器4，使得第一路光信号产生固定频率相位调制且相位调制频率与正弦调制信号频率一致。当两路光先后进入依次通过第二光纤耦合器5、宽谱光纤放大器6及光纤环形器7后进入高反射率光纤布拉格光栅阵列8，不同位置处的光栅分别反射两路脉冲光内满足布拉格条件波长的光，反射光沿原路返回至光纤环形器7后通过第三光纤耦合器9分别再次分为两路，一路经光纤相位延迟器10后进入第四光纤耦合器11，另一路则直接进入第四光纤耦合器11，由于光纤相位延迟器10的存在使得两路光之间产生一定的相位延迟，在第四光纤耦合器11的输出端，当两路光混合后满足光程差为0或接近条件的光则形成低相干干涉，且由于正弦调制信号加载于高速光纤拉伸器4使得干涉信号为具有固定频率的载波，第四光纤耦合器11输出的两路光载波信号经双路光电探测器12探测转换为电信号后依次经过带通滤波器13滤波消除噪声并通过信号放大器14对其放大后，通过信号发生器18控制双通道高速数据采集卡15对两路载波信号进行同步采集后，由相位调制与提取单元16对所采集信号进行相位处理以及分析，当声波作用于任一光栅前端处，则对应两路载波脉冲信号相位会产生变化，通过对比分析不同脉冲内相同位置的光栅反射光干涉载波的相对相位变化，即可探测得到声波信号，并最终在控制与显示单元17显示探测结果。
本发明的工作原理是：当宽带光源1发出的宽谱连续低相干光经声光调制器调制为宽谱脉冲光后，由第一光纤耦合器3分为两路，由于其中一路光经过高速光纤拉伸器4，高速光纤拉伸器4一方面生成高频载波信号，另一方面将导致两路光具有较大光程差，因而不满足低相干条件，因此两路光汇合于第二光纤耦合器5处时无法产生干涉，当两路光脉冲信号进入高反射率光栅阵列某光栅处时，两路光脉冲信号内满足该光栅布拉格条件的光波长均被反射，光脉冲内其余波长的光将透射过该光栅继续向前传播，当外界声波施加于该光栅及其前端光纤时，两路光脉冲信号之间的相位差会发生对应变化。该光栅反射的两路脉冲信号经光纤环形器7以及第三光纤耦合器9分别再次分为两路，其中一路光经过光纤相位延迟器10后，会产生一定的相位补偿，以抵消由于光纤拉伸器4所产生的光程差。因此第四光纤耦合器11内的两路光中的一部分光由于满足光程差为0或接近0，因此在第四光纤耦合器11输出端能够形成具有一定载波频率的部分相干干涉信号，而其余部分的光则无法形成干涉白光，即通过单个高反射率布拉格光栅即可形成高频低相干白光干涉且该载波信号不依赖于光栅波长，并通过布拉格光栅高反射率可极大提高信噪比。此外由于不同光栅之间的反射信号波长不同，因而不会在不同光栅之间产生反复振荡串扰，因而能够进一步有效降低系统噪声。由于光频段较高，其干涉信号相位难以直接分析，因此通过信号发生器18产生正弦调制信号，通过高速光纤拉伸器4施加于光脉冲信号上，使得第四光纤耦合器11输出端所形成低相干干涉成为具有固定频率的高频载波，当外界声波施加于对应光栅及其前端光纤时，高频载波信号的相位会发生对应变化，变化频率与外界声波频率一致。通过双路光电探测器12、双通道高速数据采集卡15、相位调制与提取单元16探测并分析低频载波信号相位变化，即可实现对对应光栅处外界声波的探测与解析。由于不同波长的光栅位于高反射率光纤布拉格光栅阵列8的不同位置，即不同时刻反射信号对应于不同位置的光栅，因此通过分析脉冲内不同时刻所干涉信号相位变化，即可实现分布式传感，因此该技术方案将通过载波信号解调而非光栅波长解调，无需将各光栅波长分离解调，即使不同光栅的波长间隔再小，只要不发生重叠，就能实现分布式传感和解调，进而能够在提升系统信噪比的同时，通过大幅增加光纤光栅数量提高系统分布式能力与传感距离，有效克服现有白光干涉系统信噪比与传感探测距离之间的矛盾。此外，由于采用低相干干涉且光纤放大器6采用后置于高速光纤拉伸器4的方式，因此其自发辐射噪声由于存在固有相位延迟且无法补偿，不能产生低相干干涉，且放大信号不会产生非线性畸变，因而通过带通滤波器13即可有效分离低相干载波干涉信号及放大器所产生基底噪声，进一步有效提高信噪比。
1.一种时域反射长距离分布式白光干涉型声传感系统，其特征在于，包括：
宽带光源，用于发出宽谱低相干连续光；
声光调制器，对所述宽带光源发出的宽谱低相干连续光进行调制后形成低相干脉冲光；
第一光纤耦合器，用于将所述声光调制器调制后形成的低相干脉冲光分为两路输出；
高速光纤拉伸器，用于对输入的一路低相干脉冲光进行调制，形成具有设定频率的载波信号或者相位周期调制型的延迟信号；
第二光纤耦合器，将所述第一光纤耦合器输出的另一路低相干脉冲光和经所述高速光纤拉伸器调制后的载波信号或延迟信号耦合后输出；
宽谱光纤放大器，对经所述第二光纤耦合器输出的两路脉冲信号进行放大；
高反射率光纤布拉格光栅阵列，将经所述宽谱光纤放大器放大后的脉冲信号依次经过光纤不同位置处的各光栅后，满足各光栅布拉格条件的光被分别反射输出；
第三光纤耦合器，将所述高反射率光纤布拉格光栅阵列反射的光信号分为两路输出；
光纤相位延迟器，用于对所述第三光纤耦合器输出的其中一路光信号进行相位延迟调制得到具有相位延迟的一路光信号；通过延迟调制，使该路光信号与所述第三光纤耦合器输出的另一路光信号形成低相干干涉；
第四光纤耦合器，使所述第三光纤耦合器输出的另一路光信号和经所述光纤相位延迟器调制后的光信号形成具有一定载波频率的部分相干干涉信号并输出；
双路光电探测器，分别将所述第四耦合器两个输出端口输出的两路光信号转化为电信号；
信号预处理单元，用于对所述双路光电探测器转化得到的电信号进行滤波和放大处理；
数据采集单元，用于采集经所述信号预处理模块处理后的电信号；
相位调制与提取单元，对所述数据采集单元采集的电信号进行相位调制以及提取；
控制单元，根据所述相位调制与提取单元输出的结果，发出控制信号；
信号发生器；根据所述控制单元的控制信号，同步发出两路信号；其中一路信号为触发电平信号，分别进入声光调制器的控制端口及数据采集单元的触发端口以控制光脉冲形成并确保数据采集单元同步采集；另一路信号为正弦周期模拟信号，进入高速光纤拉伸器的控制端并形成对光纤拉伸器中光纤环的周期性调制。
2.根据权利要求1所述的时域反射长距离分布式白光干涉型声传感系统，其特征在于，所述高反射率光纤布拉格光栅阵列由一系列波长不完全重叠、具有空间间隔r的反射率大于90%的窄带光纤光栅组成。
3.根据权利要求2所述的时域反射长距离分布式白光干涉型声传感系统，其特征在于，空间间隔r满足：
r＞n*t*c/2
式中，n为光纤折射率，t为脉冲宽度，c为光速。
4.一种基于权利要求1-3任一所述时域反射长距离分布式白光干涉型声传感系统的传感方法，其特征在于，步骤为：
宽带光源发出宽谱连续低相干光；
宽谱连续低相干光经声光调制器调制为宽谱脉冲光；
宽谱脉冲光由第一光纤耦合器分为两路；其中一路光经过高速光纤拉伸器，高速光纤拉伸器一方面生成高频载波信号，另一方面将导致两路光具有较大光程差；
两路光脉冲信号进入高反射率光栅阵列进行反射，当两路光脉冲信号进入某光栅处时，两路光脉冲信号内满足该光栅布拉格条件的光波长均被反射，光脉冲内其余波长的光将透射过该光栅继续向前传播，当外界声波施加于该光栅及其前端光纤时，两路光脉冲信号之间的相位差会发生对应变化；
光栅反射的两路脉冲信号经光纤环形器以及第三光纤耦合器分别再次分为两路，其中一路光经过光纤相位延迟器后，会产生一定的相位补偿，以抵消由于光纤拉伸器所产生的光程差；
在第四光纤耦合器输出端能够形成具有一定载波频率的部分相干干涉信号，而其余部分的光则无法形成干涉白光；
通过信号发生器产生正弦调制信号，通过高速光纤拉伸器施加于光脉冲信号上，使得第四光纤耦合器输出端所形成低相干干涉成为具有固定频率的高频载波，当外界声波施加于对应光栅及其前端光纤时，高频载波信号的相位会发生对应变化，变化频率与外界声波频率一致；
通过双路光电探测器、数据采集单元、相位调制与提取单元探测并分析低频载波信号相位变化，即可实现对对应光栅处外界声波的探测与解析。
5.根据权利要求4所述的传感方法，其特征在于，所述相位调制与提取单元通过如正交解调或3*3耦合的方式把载波消除掉，只剩下相位信号，从而解调出相位变化。
技术总结