随着科技的发展,安全防范的重要性越显突出。一些重要的保密部门、军事要地、银行、机场等对大范围、长距离、高可靠性的安防技术的需求越来越显著。目前,已有大量的光纤传感技术应用于安防系统,其特点是抗干扰性强、可靠性高,隐蔽性好、可防探测,易于安装和维护^{[1, 2]}。

在实际应用中,常常会遇到需要对多个对象进行监测,而一个被监测对象需要对应一套光纤传感结构,这不仅大大提高了整个监测系统的成本,而且系统的复杂程度也逐级上升,给维护也带来了很大的困难^[3]。为了解决上述问题,通常采用复用的方法,来达到简化系统,降低成本,易于维护的目的。

1 背景技术

在光纤传感所采用的复用技术中,相位载波复用是较常采用的技术,即通过相位载波复用,使不同的感应单元复用共同的光源、光纤光路以及光电探测器等。这种复用方法,如文献^{[4, 5]}所描述,通过对不同的感应单元施以不同频率的相位载波进行调制,每个载波频率对应于一个感应单元,各感应单元产生的干涉信号被共同的光电探测器检测。为了实现复用与解复用的目的,上述的相位载波复用技术一般具有以下特征:

(1)为了使复用的信号不发生混叠,相邻载波频率之间的频率差必须大于外界扰动引起的信号基波频率上限的两倍;

(2)对于光电探测器后的信号,通过信号处理技术,采用载波基波或谐波作为参考信号,对载波基波或谐波边带信号进行处理,以达到将干涉信号解调出来的目的。

在该技术中,由于对相邻频率的间隔要求,同时为了使不同载波的基波、谐波频率不发生混叠,使得调制频率的选择受到较多限制,由此会影响到实际复用的数量;同时,为了使复用的数量足够大,对调制器件的工作点要求可能会很分散,并要求调制器件具有高的工作频率,这不利于实际应用。在信号的解调中,如引入信号处理技术,会增加信号处理部分的技术难度和技术复杂性,并大大提高后端的开发成本和设备成本。

本文提出了一种调制频率的选择限制少、复用的数量足够大、便于实际应用的光纤振动传感复用系统。

2 系统原理

设有一n个感应单元进行复用的系统,其信号的交流部分可以表示为:

将P_i用J_n阶贝塞尔函数展开后^[6],变为

从上式可以看出,2p_iJ₁(_mi)sin(_0i+Δ_i)J₁(_mi)cos(2πf_mit)的频谱是将基波sin(_0i+Δ_ni)的频谱从0频率附近平移到频率f_mi附近,当f_mi(i=1,2,…,N)各不相同,且间距足够大,就可以将其相应的干涉子系统信号的频谱特征通过谱的平移彻底分开。通过同步解调技术,对不同的载波信号采用相应的参考频率,即可获得各干涉子系统独立的时域信号:

在光纤传感系统的许多实际应用场合,两个事件完全同时发生的概率很小,即两个感应单元同时感应到信号的可能性很小。针对这种情况,本文提出一种新型的基于相位载波复用技术的光纤传感复用方法。在光纤干涉系统中,对感应外界扰动的不同感应光纤单元产生的干涉信号,用不同频率的载波进行调制,相邻载波频率之间的频率差无需大于外界扰动引起的信号基波频率上限的两倍,各光纤感应单元形成的信号被共同的光电探测器检测后,利用信号基波来分析扰动信号的物理量,并利用载波基波或谐波的边带判断感应扰动信号的光纤。原理分析如下:

在n个感应单元进行复用的系统中,式(2)为第i个感应单元对应的干涉信号,可以改写成:

由于每次扰动事件只发生在一个感应单元,即只有一个感应单元感应到扰动信号,设该单元为第i个感应单元,从式(4)可以看出,调制频率f_mj(j≠i)的基波和谐波将不会出现边带,而调制频率f_mi的基波和谐波则出现边带,根据这一特点即可判断感应扰动的感应单元。由于仅需观察是否出现边带,仅需相邻的调制频率有一定的间隔,不影响边带判断即可,不需要传统的相位载波复用方案那样要求具有两倍于基波最大频率的要求。图 1为i单元发生扰动时的频谱示示意,在该图中,载波频率f_mi出现了明显的边带,说明感应信号来自于感应单元i。对于出现边带的载波频率的确定,利用一些便捷的分析手段,例如边带的能量、谱线的对称性等,即可实现;信号基波则可用来恢复干涉信号。

相应于上述复用方法的实现系统,其结构如图 2所示:

图 1

Fig. 1

图 1 发生扰动时的频谱示意图 Fig. 1 Schematic diagram of the power spectrum of the disturbance signal

图 2

Fig. 2

图 2 基于载波调制的光纤振动传感复用系统 Fig. 2 Fiber vibration sensing system multiplexed by carrier modulation

第一耦合器1,1a(1)、1a(2)、…、1a(N)、1b(1)、1b(2)为其端口,其中1a(1)、1a(2)、…、1a(N)为同向端口,1b(1)、1b(2)为同向端口;

光纤延迟器3,延迟为τ;

第二耦合器2,2a(1)、2a(2)、2b(1)、2b(2)、…、2b(N)为其端口,其中2a(1)、2a(2)为同向端口,2b(1)、2b(2)、…、2b(N)为同向端口;

N个感应光纤4(1)、4(2)、…、4(N),分别连接于第二耦合器2的 2b(1)、2b(2)、…、2b(N)个同向端口;

N个反馈装置6(1)、6(2)、…、6(N),分别加在感应光纤4(1)、4(2)、…、4(N)末端;

N个相位调制器7(1)、7(2)、…、7(N),相位调制载波经相位调制器7(1)、7(2)、…、7(N)分别给感应光纤4(1)、4(2)、…、4(N)对应的干涉信号施加调制;这N个相位调制器7(1)、7(2)、…、7(N)可以分别设置于第二耦合器2的N个同向端口2b(1)、2b(2)、…、2b(N)与N个感应光纤4(1)、4(2)、…、4(N)之间(也可以分别设置于N个感应光纤4(1)、4(2)、…、4(N)与N个反馈装置6(1)、6(2)、…、6(N)之间(如图 3所示);

图 3

Fig. 3

图 3 相位调制器连在感应光纤与反射装置间的光纤振动传感复用系统结构 Fig. 3 Fiber vibration sensing system multiplexed by carrier modulation device which was linked between sensing fiber and reflected unit

一个光电检测装置8,将由第一耦合器1输出的光干涉信号转变为电信号,并进行放大、调理等;

低通滤波装置9,对光电检测装置8输出的电信号进行滤波,得到基波信号,即恢复出干涉信号。

图 3中标号:1为第一耦合器,1a(1)、1a(2)、…、1a(N)、1b(1)、1b(2)为其端口,其中1a(1)、1a(2)、…、1a(N)为同向端口,1b(1)、1b(2)为同向端口; 3为光纤延迟器(延迟为τ),2为第二耦合器,2a(1)、2a(2)、2b(1)、2b(2)、…、2b(N)为其端口,其中2a(1)、2a(2)为同向端口,2b(1)、2b(2)、…、2b(N)为同向端口; 4(1)、4(2)、…、4(N)为N个感应光纤,即感应单元;7(1)、7(2)、…、7(N)为相位调制器,用于相位载波的施加;6(1)、6(2)、…、6(N)为加在感应光纤末端的反馈装置,5为干涉单元上的一感应点;8为光电检测装置,9为低通滤波装置。

在光路结构中,每个干涉单元对应一组相互干涉的光路,设光从端口1a(1)输入,干涉单元i(i=1，2，…，N)对应的相干涉光路为:

Ⅰ:第一耦合器1的端口1b(1)→光纤延迟器3→第二耦合器2的端口2a(1)→第二耦合器2的端口2b(i)→相位调制器7(i)→感应光纤4(i)→反馈装置6(i)→感应光纤4(i)→相位调制器7(i)→第二耦合器2的端口2b(i)→第二耦合器2的端口2a(2)→第一耦合器1的端口1b(2);

Ⅱ:第一耦合器1的端口1b(2)→第二耦合器2的端口2a(2)→第二耦合器2的端口2b(i)→相位调制器7(i)→感应光纤4(i)→反馈装置6(i)→感应光纤4(i)→相位调制器7(i)→第二耦合器2的端口2b(i)→第二耦合器2的端口2a1→光纤延迟器3→第一耦合器1的端口1b(1)。

这两路光在第一耦合器1处会合相互干涉,从端口1a(1)、1a(2)、…、1a(N)可获得干涉信号。相位调制载波经相位调制器7(1)、7(2)、…、7(N)分别给感应光纤4(1)、4(2)、…、4(N)对应的干涉信号施加调制,调制频率分别为f_m1、f_m2、…、f_mN。设信号基波的最大频率为fsmax,调制频率为:

f_mi>f_smax,    f;_mi≠f_mj,(i≠j)

从第一耦合器1输出的干涉信号输入光电检测装置8,获得电信号,电信号经低通滤波装置9,得到基波信号,即恢复出干涉信号,可用于分析扰动发生的位置、扰动的性质等。通过对光电转换装置8输出信号中的调制频率基波或谐波边带的情况分析即可判断扰动发生的感应单元,即是哪根感应光纤感应到的扰动。

如图 3所示,图 2中的相位调制器也可以连在感应光纤与反射装置之间。

由于仅用信号基波来恢复干涉信号信息,无需像传统相位载波复用那样用载波基波或谐波作为参考信号来解调干涉信号,相应的信号处理手段简单,由于这个特点,也可以很方便地应用于施加载波的调制端远离解调端的情况下(例如图 3的结构中),而无需将调制信号引回解调端或在解调端恢复出解调所用的参考信号。

3 数据分析

本文采用的是图 2的结构。所使用的第一耦合器1为3×3均分耦合器,第二耦合器2为2×2耦合器,有2个复用的感应单元:4(1)、4(2),使用的是光缆中的一芯,相应的光缆长度分别为21 km、14 km。光源为中国电子科技集团公司第44所生产的SO3-B型超辐射发光管(SLD)型稳定光源。光纤延迟器3使用的是美国 “康宁”生产的G652型单模光纤,光电检测装置8中使用的光电探测器为中国电子科技集团公司第44所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器。使用的相位调制器是将光纤绕在压电陶瓷上制作而成。经测试,信号基波的最高频率小于80 kHz,施加在相位调制器7(1)、7(2)上的频率分别为100 kHz、110 kHz。低通滤波器9的带宽为80 kHz,从光电检测装置8输出的信号经低通滤波器输出的信号,经信号采集卡采样后,进行扰动位置以及扰动性质的判断。同时,对光电检测装置8输出的信号进行采样,对载波基波的边带,即频率100 kHz、110 kHz的边带进行分析,即可判断扰动来自那根感应光纤。系统中所使用的采集卡为NI公司产品。

当敲击加有100 kHz载波频率的传感光纤时,所得到的的信号依次如下,图 4(a)为加载波后信号波形。图 4(b)为其频谱图,可以看到,100 kHz左右的边带有信号,而110 kHz左右边带比较干净,所以可以判定敲击信号是加在100 kHz所在的传感光纤上的。图 4(c)为经过80 kHz低通滤波器后得到的振动信号。

图 4

Fig. 4

图 4 加100 Hz载波频率后各波形 Fig. 4 The signals with carrier at the frequency of 100 kHz

当敲击加有110 kHz载波频率的传感光纤时,所得到的信号依次如下,图 5(a)为加载波后信号波形。图 5(b)为其频谱图,可以看到,110 kHz左右的边带有信号,而100 kHz左右边带比较干净,所以可以判定敲击信号是加在110 kHz所在的传感光纤上的。图 5(c)为经过80 kHz低通滤波器后得到的振动信号。

图 5

Fig. 5

图 5 加110 Hz载波频率后各波形 Fig. 5 The signals with carrier at the frequency of 110 kHz

由以上数据分析可以看出,可以用载波基波或谐波的边带来判断信号发生的感应单元,可以通过低通滤波器解调出相应的线路上的信号。

4 结 论

本论文使用载波基波或谐波的边带来判断信号发生的感应单元,这种判断方法简单易行,系统结构简化。本方法的另一优点是相邻载波的频率差无需大于信号基波的频率上限的两倍,这方便了载波频率的选取以及相位调制器件的选择,也使得复用单元的数量更大。