由于存在時(shí)延，因此混頻得到一個(gè)頻率差，根據(jù)頻 率差和線性掃頻斜率即可精確地獲得距離信息，從而實(shí)現(xiàn)Φ (t)所在的各點(diǎn)位置精定位， 修正波束形成計(jì)算。通過將光纖按不同形狀布置形成探測(cè)波束，包括一維線型、二維方型、 三維圓錐型等形狀，利用數(shù)據(jù)采樣稀疏化和時(shí)移控制實(shí)現(xiàn)探測(cè)波束的靈活配置，完成對(duì)聲 源的位置、頻率、幅度和相位信息的提取。
[0048] 實(shí)施例3 :應(yīng)用舉例
[0049] 在需要進(jìn)行邊坡穩(wěn)定監(jiān)測(cè)的施工現(xiàn)場(chǎng)和山區(qū)公路地區(qū)，采用本發(fā)明的基于波束形 成的分布式光纖聲波探測(cè)裝置監(jiān)測(cè)特征低頻聲波并對(duì)其聲源進(jìn)行定位，提前對(duì)聲源附近即 將發(fā)生的事故進(jìn)行預(yù)測(cè)和報(bào)警。將傳感光纖13埋設(shè)在需要監(jiān)測(cè)的地區(qū)，排布形式包括一維 線型傳感光纖20,二維方型傳感光纖21，三維圓錐型傳感光纖22,然后通過基于波束形成 的分布式光纖聲波探測(cè)方法進(jìn)行聲信號(hào)的提取。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于波束形成的分布式光纖聲波探測(cè)裝置，其特征在于，該裝置包括光源（1)、 1x2耦合器（2)、控制和信號(hào)處理單元（3)、任意波形發(fā)生器（4)、雙路并行馬赫增德爾電光 調(diào)制器（5)、參考臂光纖（6)、摻鉺光纖放大器（7)、光濾波器（8)、環(huán)形器（9)、前端部分反射 鏡（10)、參考長度光纖（11)、后端部分反射鏡（12)、傳感光纖（13)、90°光混合器（14)以 及平衡探測(cè)器陣列（15); 光源（1)發(fā)出頻率為的連續(xù)激光經(jīng)過1x2耦合器（2)，分為本地參考光和信號(hào)光兩 路光：本地參考光經(jīng)過參考臂光（6)，到達(dá)90°光混合器（14);信號(hào)光經(jīng)過由任意波形發(fā)生 器（4)控制的雙路并行馬赫增德爾電光調(diào)制器（5)，被調(diào)制成同時(shí)含有頻率為固定 頻率成分和頻率為(t)線性掃頻成分的脈沖信號(hào)光；脈沖信號(hào)光先后經(jīng)過摻鉺光纖 放大器（7)放大、光濾波器（8)濾波和環(huán)形器（9)單向環(huán)形傳輸，然后被注入?yún)⒖奸L度光纖 (11)和傳感光纖（13)中，脈沖信號(hào)光在前端部分反射鏡（10)和后端部分反射鏡（12)發(fā)生 部分反射，用于標(biāo)記參考長度光纖的起止位置；脈沖信號(hào)在傳感光纖（13)中形成后向瑞利 散射沿光纖返回，含有不同位置的光相位信息巾（t)和光頻譜信息I(co)，返回的光信號(hào)經(jīng) 過環(huán)形器（9)返回后到達(dá)90°光混合器（14)，與本地參考光混合；輸出光由平衡探測(cè)器陣 列（15)接收；經(jīng)過控制和信號(hào)處理單元（3)處理，得到傳感光纖（13)中的特殊排布傳感光 纖各位置振動(dòng)相位、強(qiáng)度、頻率信息，然后計(jì)算聲源的方向、位置、頻率、強(qiáng)度參數(shù)。2. 如權(quán)利要求所述的機(jī)遇波束形成的分布式光纖聲波探測(cè)裝置，其特征在于，采用雙 路并行馬赫增德爾電光調(diào)制器（5)和任意波形發(fā)生器（4)調(diào)制光，產(chǎn)生用于探測(cè)的同時(shí)含 有固定頻率和線性掃頻成分的光脈沖信號(hào)。3. 如權(quán)利要求所述的機(jī)遇波束形成的分布式光纖聲波探測(cè)裝置，其特征在于，采用 90°光混頻器14作為信號(hào)光與參考光混頻器件，輸出相位相差90°的拍頻信號(hào)，用于信號(hào) 相位解調(diào)。4. 如權(quán)利要求所述的基于波束形成的分布式光纖聲波探測(cè)裝置，其特征在于，所述 1x2親合器（2)包括單模光纖親合器、保偏光纖親合器、偏振分束器。5. 如權(quán)利要求所述的基于波束形成的分布式光纖聲波探測(cè)裝置，其特征在于，所述特 殊排布傳感光纖包括一維線型傳感光纖、二維方型傳感光纖、三維圓錐型傳感光纖。6. -種基于波束形成的分布式光纖聲波探測(cè)方法，其特征在于，該方法具體包括以下 流程： 步驟一、光源發(fā)出頻率為的連續(xù)激光經(jīng)過1x2耦合器分為本地參考光和信號(hào)光 兩路光；本地參考光經(jīng)過參考臂光纖到達(dá)90°光混合器；信號(hào)光經(jīng)過由任意波形發(fā)生器 控制的雙路并行馬赫增德爾電光調(diào)制器，被調(diào)制成雙邊帶異構(gòu)光脈沖：下邊帶為固定頻率 ，上邊帶頻率為(t)，在脈沖內(nèi)具有線性掃頻的特點(diǎn)； 步驟二、脈沖信號(hào)光先后經(jīng)過摻鉺光纖放大器放大、光濾波器和環(huán)形器，然后被注入傳 感光纖中，脈沖信號(hào)光在經(jīng)過的光纖中發(fā)生后向瑞利散射，后向瑞利散射沿光纖返回，含有 用于解調(diào)相位信息巾（t)的頻率為固定頻率光和含有用于解調(diào)光頻信息1(?)的 頻率為(t)線性掃頻光，經(jīng)過環(huán)形器返回后到達(dá)90°光混合器，與本地參考光混合干 涉； 步驟三、信號(hào)光與本地參考光在90°光混合器中混合干涉后，當(dāng)采用4路輸出的90° 光混合器時(shí)，輸出的信號(hào)分別為X偏振方向的I信號(hào)Ixcos(〇t+巾）、X偏振方向的Q信號(hào) Ixsin(?t+ (i>)、Y偏振方向的I信號(hào)IYcos(?t+ (i>)和Y偏振方向的Q信號(hào)IYsin(?t+ (i>); 當(dāng)采用2路輸出90°光混合器時(shí)，輸出的信號(hào)分別為I信號(hào)I^osht+ci))和Q信號(hào) Ipin(〇n+巾），光信號(hào)由平衡探測(cè)器接收轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)并由控制和信號(hào)處理單元處理， 將用于解調(diào)相位信息巾（t)的調(diào)制在固定頻率《"上的信號(hào)和用于解調(diào)光頻信息I(co)的 調(diào)制在線性掃頻頻率co(t)上的信號(hào)分離； 步驟四、處理頻率為固定頻率信號(hào)，與任意波形發(fā)生器的下邊帶做數(shù)字混頻，對(duì) 每一個(gè)光脈沖提取聲波引起的光相位變化信息4>(t);對(duì)數(shù)字混頻后的4路輸出的90° 光混合器輸出信號(hào)，對(duì)X偏振方向的I、Q信號(hào)和Y偏振方向的I、Q信號(hào)進(jìn)行微分、相乘， 得到X偏振方向的計(jì)算結(jié)果-外/)/丨、#(/)/丨cos:|V(y)_!和Y偏振方向的計(jì)算結(jié)果 -外)/丨sin:L州)j..#(|)與雜s2[#(〇]，X偏振方向和Y偏振方向的兩式各自相減，分別得到 和#(/)#*再將X偏振方向和Y偏振方向相加得到巾'（t)I2;再除以4路輸入信 號(hào)的平方和I2,得到巾'（t);再積分得到所需相位信息巾（t);對(duì)2路輸出的90°光混合 器輸出的信號(hào)處理步驟與上述處理步驟中相同，區(qū)別在于2路輸出的90°光混合器只處理 一個(gè)偏振方向的I、Q信號(hào)；利用脈沖時(shí)間寬度為T的光脈沖，提取光纖各處由聲波引起的 ?。╰)，從而相當(dāng)于在光纖沿線按aZ=f空間間隔布置成大規(guī)模的傳聲器陣列，通過波束 In 成形算法，實(shí)現(xiàn)聲源振動(dòng)頻率、幅度的探測(cè)和粗定位； 步驟五、將同一個(gè)光脈沖內(nèi)獲得的線性掃頻信號(hào)《a)與任意波形發(fā)生器的原始線性 掃頻上邊帶混頻，由于存在時(shí)延，因此混頻得到一個(gè)頻率差，根據(jù)頻率差和線性掃頻斜率即 可精確地獲得距離信息，從而實(shí)現(xiàn)巾a)所在的各點(diǎn)位置精定位，修正波束形成計(jì)算； 步驟六、通過將光纖按不同特殊排布光纖布置形成探測(cè)波束，利用數(shù)據(jù)采樣稀疏化和 時(shí)移控制實(shí)現(xiàn)探測(cè)波束的靈活配置，完成對(duì)聲源的位置、頻率、幅度和相位信息的提取。7.如權(quán)利要求4所述的基于波束形成的分布式光纖聲波探測(cè)方法，其特征在于，所述 特殊排布光纖包括一維線型傳感光纖、二維方型傳感光纖、三維圓錐型傳感光纖。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于波束形成的分布式光纖聲波探測(cè)裝置及方法，包括光源、1x2耦合器、控制和信號(hào)處理單元、任意波形發(fā)生器、雙路并行馬赫增德爾電光調(diào)制器、參考臂光纖、摻鉺光纖放大器、光濾波器、環(huán)形器、前端部分反射鏡、參考長度光纖、后端部分反射鏡、傳感光纖、90°光混合器、平衡探測(cè)器，將調(diào)制成下邊帶固定頻率上邊帶掃頻的光脈沖的信號(hào)光注入傳感光纖中，將返回的攜帶各探測(cè)點(diǎn)光相位和光頻譜信息的信號(hào)光與本地參考光混合，分別解調(diào)光相位信息和光頻譜信息，得到傳感光纖中各探測(cè)點(diǎn)處聲波的頻率、振幅和相位信息，進(jìn)而計(jì)算聲源的位置、強(qiáng)度、頻率信息。將光纖的傳感和傳輸功能合二為一，探測(cè)點(diǎn)規(guī)模相較于相關(guān)的傳統(tǒng)技術(shù)擴(kuò)大百倍以上。
【IPC分類】G01H9/00
【公開號(hào)】CN105092014
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510239881
【發(fā)明人】江俊峰, 劉鐵根, 劉琨, 陳文杰, 王雙
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)
【公開日】2015年11月25日
【申請(qǐng)日】2015年5月12日