本發(fā)明涉及光纖分布式傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種光纖分布式傳感監(jiān)測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，社會(huì)對能源尤其是油氣資源的需求量越來越大。在國家能源戰(zhàn)略中，油氣儲(chǔ)運(yùn)的建設(shè)和發(fā)展關(guān)系到為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展提供長期、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、安全的能源保障的戰(zhàn)略全局。管道運(yùn)輸是繼公路、鐵路、水路、航空運(yùn)輸之后的第五大運(yùn)輸方式，其發(fā)展?fàn)顩r直接體現(xiàn)了一個(gè)國家運(yùn)輸業(yè)的水平。故管道泄漏的監(jiān)測技術(shù)成為科技工作者的研究熱點(diǎn)。

分布式光纖傳感技術(shù)由于具有傳感空間范圍大、傳感與傳光為同一根光纖、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、單位長度內(nèi)信號獲取成本低、性價(jià)比高等優(yōu)選被廣泛地應(yīng)用于管道泄漏的監(jiān)測技術(shù)中?，F(xiàn)有的光纖分布式聲波監(jiān)測系統(tǒng)中，利用傳感光纖上的不同單位長度間的背向瑞利散射信號作為傳感信號的載體，進(jìn)一步完成相應(yīng)位置上的傳感信號的相位變化解析，以測得傳感信號。然而，由于背向瑞利散射信號非常微弱，且環(huán)境噪聲極易改變光在傳輸過程中的偏振態(tài)，導(dǎo)致傳感信號淹沒在噪聲信號中，造成系統(tǒng)無法解調(diào)出相應(yīng)的傳感信號。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種光纖分布式傳感監(jiān)測系統(tǒng)，以有效地改善上述問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種光纖分布式傳感監(jiān)測系統(tǒng)，包括信號光產(chǎn)生裝置、第一光耦合器、傳感光纖、光分束器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一干涉調(diào)制裝置、第二干涉調(diào)制裝置及解調(diào)裝置，所述傳感光纖用于感應(yīng)傳感信號。所述信號光產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的信號光經(jīng)過所述第一光耦合器輸入所述傳感光纖。所述傳感光纖中的攜帶所述傳感信號的背向瑞利散射光返回所述第一光耦合器，經(jīng)所述第一光耦合器輸入所述光分束器，經(jīng)所述光分束器分為第一光束和第二光束。所述第一光束經(jīng)所述第一偏振控制器處理為第一線偏振光后入射到所述第一干涉調(diào)制裝置，所述第二光束經(jīng)所述第二偏振控制器處理為第二線偏振光后也入射到所述第二干涉調(diào)制裝置，其中，所述第一線偏振光和所述第二線偏振光的偏振方向滿足預(yù)設(shè)關(guān)系。所述解調(diào)裝置用于對所述第一干涉調(diào)制裝置輸出的第一干涉信號和所述第二干涉調(diào)制裝置輸出的第二干涉信號進(jìn)行解調(diào)得到所述傳感信號。

在本發(fā)明較佳的實(shí)施例中，上述第一偏振控制器和第二偏振控制器均為光纖線圈偏振控制器，所述光纖線圈偏振控制器包括繞制于筒狀壓電陶瓷的外壁的光纖線圈。所述第一偏振控制器的光纖線圈的輸入端與所述光分束器的第一分束端耦合，所述第一偏振控制器的光纖線圈的輸出端與所述解調(diào)裝置耦合。所述第二偏振控制器的光纖線圈的輸入端與所述光分束器的第二分束端耦合，所述第二偏振控制器的光纖線圈的輸出端與所述解調(diào)裝置耦合。所述系統(tǒng)還包括電壓輸出裝置，所述第一偏振控制器的筒狀壓電陶瓷、所述第二偏振控制器的筒狀壓電陶瓷及所述解調(diào)裝置均與所述電壓輸出裝置電連接。

在本發(fā)明較佳的實(shí)施例中，上述光纖線圈為λ/4光纖線圈。

在本發(fā)明較佳的實(shí)施例中，上述光纖線圈偏振控制器還包括第一殼體，所述繞制于筒狀壓電陶瓷的外壁的光纖線圈封裝于所述第一殼體內(nèi)。

在本發(fā)明較佳的實(shí)施例中，上述光纖線圈偏振控制器還包括電機(jī)及傳動(dòng)軸，所述電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與所述傳動(dòng)軸連接，所述電機(jī)通過所述傳動(dòng)軸與設(shè)置于所述第一殼體底部的轉(zhuǎn)動(dòng)連接口連接。所述第一偏振控制器的電機(jī)與所述第二偏振控制器的電機(jī)均與所述電壓輸出裝置電連接。所述第一偏振控制器的電機(jī)用于帶動(dòng)所述第一偏振控制器的光纖線圈轉(zhuǎn)動(dòng)以使得該光纖線圈輸出所述第一線偏振光。所述第二偏振控制器的電機(jī)用于帶動(dòng)所述第二偏振控制器的光纖線圈轉(zhuǎn)動(dòng)以使得該光纖線圈輸出所述第二線偏振光。

在本發(fā)明較佳的實(shí)施例中，上述光纖線圈偏振控制器還包括第二殼體，封裝有所述繞制于筒狀壓電陶瓷的外壁的光纖線圈的所述第一殼體設(shè)置在所述第二殼體內(nèi)，所述第二殼體設(shè)置有第一開口、第二開口和第三開口，所述第一開口用于穿入所述傳動(dòng)軸，所述第二開口用于穿出所述光纖線圈的線圈入線，所述第三開口用于穿出所述光纖線圈的線圈出線。

在本發(fā)明較佳的實(shí)施例中，上述第一線偏振光和第二線偏振光的偏振方向相互正交。

在本發(fā)明較佳的實(shí)施例中，上述第一干涉調(diào)制裝置包括第一光纖干涉儀，所述第二干涉調(diào)制裝置包括第二光纖干涉儀，所述解調(diào)裝置包括第一偏振合束器、第一光電探測器和數(shù)據(jù)處理器。所述第一光纖干涉儀的輸入端與所述第一偏振控制器的輸出端耦合，所述第二光纖干涉儀的輸入端與所述第二偏振控制器的輸出端耦合，所述第一光纖干涉儀的輸出端與所述第二光纖干涉儀的輸出端均與所述第一偏振合束器的輸入端耦合，所述第一偏振合束器的輸出端與所述第一光電探測器的輸入端耦合，所述第一光電探測器的輸出端與所述數(shù)據(jù)處理器電連接。所述第一線偏振光進(jìn)入經(jīng)所述第一光纖干涉儀的干涉處理后形成第一干涉信號，所述第二線偏振光經(jīng)所述第二光纖干涉儀的干涉處理后形成第二干涉信號。所述第一干涉信號與所述第二干涉信號均進(jìn)入所述第一偏振合束器，經(jīng)所述第一偏振合束器的合束處理后經(jīng)所述第一光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)入所述數(shù)據(jù)處理器。所述數(shù)據(jù)處理器用于處理所述電信號得到所述傳感信號。

在本發(fā)明較佳的實(shí)施例中，上述第一干涉調(diào)制裝置還包括第二光耦合器，所述第二干涉調(diào)制裝置還包括第三光耦合器，所述解調(diào)裝置還包括第二偏振合束器、第三偏振合束器、第二光電探測器及第三光電探測器，所述第一光纖干涉儀包括第一3×3耦合器，所述第二光纖干涉儀包括第二3×3耦合器。所述第一偏振控制器的輸出端與所述第二光耦合器的第一端口耦合，所述第二光耦合器的第二端口與所述第一3×3耦合器的第一端口耦合，所述第二光耦合器的第三端口與所述第一偏振合束器的輸入端耦合，所述第一3×3耦合器的第二端口與所述第二偏振合束器的輸入端耦合，所述第一3×3耦合器的第三端口與所述第三偏振合束器的輸入端耦合。所述第二偏振控制器的輸出端與所述第三光耦合器的第一端口耦合，所述第三光耦合器的第二端口與所述第二3×3耦合器的第一端口耦合，所述第三光耦合器的第三端口與所述第一偏振合束器的輸入端耦合，所述第二3×3耦合器的第二端口與所述第二偏振合束器的輸入端耦合，所述第二3×3耦合器的第三端口與所述第三偏振合束器的輸入端耦合。所述第二偏振合束器的輸出端與所述第二光電探測器的輸入端耦合，所述第三偏振合束器的輸出端與所述第三光電探測器的輸入端耦合，所述第二光電探測器的輸出端與所述第三光電探測器的輸出端均與所述數(shù)據(jù)處理器電連接。

在本發(fā)明較佳的實(shí)施例中，上述第一光纖干涉儀和第二光纖干涉儀均為邁克爾遜光纖干涉儀。

本發(fā)明實(shí)施例提供的光纖分布式傳感監(jiān)測系統(tǒng)，通過光分束器將攜帶傳感信號的背向瑞利散射光進(jìn)行分束為第一光束和第二光束，通過第一偏振控制器和第二偏振控制器分別將第一光束和第二光束處理為偏振方向滿足預(yù)設(shè)關(guān)系的第一線偏振光和第二線偏振光。分別通過第一干涉調(diào)制裝置和第二干涉調(diào)制裝置對第一線偏振光和第二線偏振光進(jìn)行干涉調(diào)制，再經(jīng)解調(diào)裝置解調(diào)第一干涉調(diào)制裝置輸出的第一干涉信號和第二干涉調(diào)制裝置輸出的第二干涉信號得到相應(yīng)的傳感信號，能夠盡可能地保證傳感信號不丟失，有效地提高了光纖分布式傳感監(jiān)測系統(tǒng)的信噪比。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應(yīng)當(dāng)理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的某些實(shí)施例，因此不應(yīng)被看作是對范圍的限定，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他相關(guān)的附圖。

圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的光纖分布式傳感監(jiān)測系統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的光纖線圈偏振控制器的一種結(jié)構(gòu)在一種視角下的示意圖；

圖3示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的光纖線圈偏振控制器的一種結(jié)構(gòu)在另一種視角下的示意圖；

圖4示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的光纖線圈偏振控制器的另一種結(jié)構(gòu)在一種視角下的示意圖；

圖5示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的光纖線圈偏振控制器的第二殼體在另一種視角下的示意圖；

圖6示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的光纖分布式傳感監(jiān)測系統(tǒng)的另一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的相位載波解調(diào)算法的結(jié)構(gòu)框圖；

圖8示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的光纖分布式傳感監(jiān)測系統(tǒng)的又一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的3×3耦合器解調(diào)算法的結(jié)構(gòu)框圖。

圖中：1-光纖分布式傳感監(jiān)測系統(tǒng)；10-信號光產(chǎn)生裝置；20-第一環(huán)形器；30-傳感光纖；40-光分束器；51-第一偏振控制器；52-第二偏振控制器；50-光纖線圈偏振控制器；501-光纖線圈；502-第一殼體；503-轉(zhuǎn)動(dòng)連接口；504-線圈入口；505-電機(jī)；506-第二殼體；507-線圈入線；508-線圈入線固定處；509-傳動(dòng)軸；510-線圈出線；511-線圈出線固定處；512-第一開口；513-第二開口；514-線圈出口；515-第三開口；61-第一干涉調(diào)制裝置；610-第二環(huán)形器；611-第一3×3耦合器；62-第二干涉調(diào)制裝置；620-第三環(huán)形器；621-第二3×3耦合器；70-解調(diào)裝置；701，711-第一偏振合束器；712-第二偏振合束器；713-第三偏振合束器；702，721-第一光電探測器；722-第二光電探測器；723-第三光電探測器；703，730-數(shù)據(jù)處理器；80-電壓輸出裝置。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)有的光纖分布式聲波監(jiān)測系統(tǒng)中，利用傳感光纖上的不同單位長度間的背向瑞利散射信號作為傳感信號的載體，進(jìn)一步完成相應(yīng)位置上的傳感信號的相位變化解析，以測得傳感信號。然而，由于背向瑞利散射信號非常微弱，且環(huán)境噪聲極易改變光在傳輸過程中的偏振態(tài)，導(dǎo)致傳感信號淹沒在噪聲信號中，造成系統(tǒng)無法解調(diào)出相應(yīng)的傳感信號。

鑒于此，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種光纖分布式傳感監(jiān)測系統(tǒng)，以改善上述由于背向瑞利散射信號非常微弱，且環(huán)境噪聲極易改變光在傳輸過程中的偏振態(tài)，導(dǎo)致傳感信號淹沒在噪聲信號中，造成系統(tǒng)無法解調(diào)出相應(yīng)的傳感信號的問題。

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發(fā)明實(shí)施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設(shè)計(jì)。

因此，以下對在附圖中提供的本發(fā)明的實(shí)施例的詳細(xì)描述并非旨在限制要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

應(yīng)注意到：相似的標(biāo)號和字母在下面的附圖中表示類似項(xiàng)，因此，一旦某一項(xiàng)在一個(gè)附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進(jìn)行進(jìn)一步定義和解釋。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術(shù)語“上”、“下”、“左”、“右”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，或者是該發(fā)明產(chǎn)品使用時(shí)慣常擺放的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”等僅用于區(qū)分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發(fā)明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“設(shè)置”、“連接”、“電連接”、“耦合”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是直接連接或耦合，也可以通過中間媒介間接連接或耦合，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。其中，“耦合”表示光學(xué)器件之間的光耦合。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種光纖分布式傳感監(jiān)測系統(tǒng)1，包括信號光產(chǎn)生裝置10、第一光耦合器、傳感光纖30、光分束器40、第一偏振控制器51、第二偏振控制器52、第一干涉調(diào)制裝置61、第二干涉調(diào)制裝置62及解調(diào)裝置70。

本實(shí)施例中，信號光產(chǎn)生裝置10用于產(chǎn)生信號光，并將信號光經(jīng)過第一光耦合器輸入傳感光纖30。信號光產(chǎn)生裝置10可以包括超窄線寬激光器和聲光調(diào)制器，超窄線寬激光器發(fā)出的激光進(jìn)入到聲光調(diào)制器，經(jīng)過聲光調(diào)制器將連續(xù)激光調(diào)制成脈沖脈寬為τ，周期為T的脈沖激光，即上述信號光為脈沖激光。此外，信號光產(chǎn)生裝置10還可以包括第一光放大器和超窄帶寬第一光濾波器依次耦合。其中，第一光放大器用于提高信號光的能量以增加信號光的傳播距離，超窄帶寬第一光濾波器用于濾除信號光中脈寬較大的脈沖。當(dāng)然，信號光產(chǎn)生裝置10也可以采用窄帶寬的脈沖激光器。

傳感光纖30為分布于待測目標(biāo)表面的單根光纖，用于感應(yīng)傳感信號。例如，待測目標(biāo)為輸運(yùn)油、氣的管道時(shí)，傳感光纖30分布于管道表面，當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，在管道內(nèi)外壓差的作用下泄漏點(diǎn)處將有油、氣流出，從而產(chǎn)生聲波。泄漏點(diǎn)油、氣流出產(chǎn)生的聲波即傳感信號將會(huì)對傳感光纖30中傳輸?shù)男盘柟猱a(chǎn)生擾動(dòng)。由于瑞利散射屬于光纖的本征損耗，本實(shí)施例中，以傳感光纖30中的背向瑞利散射光作為傳感信號的載體，通過顯示損耗與傳感光纖30長度的關(guān)系來檢測外界傳感信號分布于傳感光纖30上的擾動(dòng)信息。

第一光耦合器可以為第一環(huán)形器20，第一環(huán)形器20包括第一端口、第二端口和第三端口，由信號光產(chǎn)生裝置10輸出的信號光由第一環(huán)形器20的第一端口輸入第一環(huán)形器20并從第一環(huán)形器20的第二端口輸出至傳感光纖30。從傳感光纖30中返回的攜帶傳感信號的背向瑞利散射光從由第二端口輸入、第三端口輸出至光分束器40。由于背向瑞利散射光較微弱，可以在第一環(huán)形器20與光分束器40之間設(shè)置第二光放大器和超窄帶寬第二光濾波器。

光分束器40可以為1×2耦合器，也可以是其它類型的分束器，用于將入射的信號光分為第一光束和第二光束。優(yōu)選的，1×2耦合器的分束能量比為50:50。光分束器40包括第一分束端和第二分束端，第一光束由第一分束端輸出，第二光束由第二分束端輸出。

第一偏振控制器51的輸入端與光分束器40的第一分束端耦合，第二偏振控制器52的輸入端與光分束器40的第二分束端耦合。第一光束由第一分束端輸出至第一偏振控制器51，第二光束由第二分束端輸出至第二偏振控制器52。第一偏振控制器51用于控制第一光束的偏振方向，將第一光束轉(zhuǎn)換為第一線偏振光輸出。相應(yīng)地，第二偏振控制器52也用于控制第二光束的偏振方向，將第二光束轉(zhuǎn)換為第二線偏振光輸出。通過調(diào)節(jié)第一偏振控制器51和第二偏振器，使得上述第一線偏振光和第二線偏振光的偏振方向滿足預(yù)設(shè)關(guān)系。優(yōu)選的，上述第一線偏振光和第二線偏振光的偏振方向滿足的預(yù)設(shè)關(guān)系為：第一線偏振光的偏振方向和第二線偏振光的偏振方向相互正交。需要說明的是，由于受到第一偏振控制器51和第二偏振控制器52調(diào)節(jié)精度的影響，第一線偏振光和第二線偏振光的偏振方向可能并不是絕對的正交，存在一定的誤差。

本實(shí)施例中，第一偏振控制器51和第二偏振控制器52可以均采用光纖線圈偏振控制器。下面將對光纖線圈偏振控制器的具體結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行介紹。

如圖2所示，光纖線圈偏振控制器50包括繞制于筒狀壓電陶瓷的外壁的光纖線圈501。光纖線圈501的彎曲半徑R(m，N)與纏繞匝數(shù)、分波系數(shù)的關(guān)系式如下：

式(1)中，a為常數(shù)，例如，對于二氧化硅作纖芯和包層的單模光纖，a＝0.133；r為光纖的半徑；N為纏繞匝數(shù)；m為分波系數(shù)。

本實(shí)施例中，光纖線圈501為λ/4光纖線圈，能夠等效于四分之一波片。具體的，選定半徑為R的筒狀壓電陶瓷，對于λ/4光纖線圈，m＝4，根據(jù)式(1)計(jì)算出相應(yīng)的纏繞匝數(shù)N。光纖線圈501中的光纖優(yōu)選采用單模耐彎曲光纖。將單模耐彎曲光纖在筒狀壓電陶瓷的外壁按照周向方向在壓電陶瓷外壁上繞制N匝，利用光纖彎曲引起光纖橫截面內(nèi)的應(yīng)力具有各向異性的分布，由于光彈效應(yīng)，使光纖材料折射率分布發(fā)生變化，從而產(chǎn)生附加的應(yīng)力雙折射，引起導(dǎo)波偏振態(tài)的變化，以實(shí)現(xiàn)對偏振態(tài)的控制，使得光纖線圈501輸出用戶所需要的偏振方向的線偏振光。

然而，一方面，由于上述第一光束和第二光束可能并不是標(biāo)準(zhǔn)的橢圓偏振光，而是部分偏振光，此時(shí)現(xiàn)有的λ/4光纖線圈無法得到較準(zhǔn)確的線偏振光；另一方面，由于光纖線圈501的彎曲半徑R不精確，影響了光纖線圈501的線偏振態(tài)輸出，不利于光纖分布式傳感監(jiān)測系統(tǒng)1的解調(diào)。因此，本發(fā)明實(shí)施例中，λ/4光纖線圈繞制于筒狀壓電陶瓷的外壁，由于壓電陶瓷具有電磁伸縮效應(yīng)，在壓電陶瓷的正負(fù)極通電時(shí)可以引起纏繞在外壁的單模耐彎曲光纖的長度、彎曲半徑發(fā)生變化，并能夠通過擠壓光纖產(chǎn)生附加的應(yīng)力雙折射。因此，通過控制施加到壓電陶瓷上的電壓數(shù)值能夠?qū)饫w線圈501參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)光纖線圈501的線偏振態(tài)輸出。

進(jìn)一步的，光纖線圈偏振控制器50還包括第一殼體502，繞制于筒狀壓電陶瓷的外壁的光纖線圈501封裝于第一殼體502內(nèi)。圖2示出了光纖線圈偏振控制器50的主視圖，圖3示出了圖2的左視圖。具體的，將纏繞完畢后的壓電陶瓷放置在第一殼體502內(nèi)，如圖3所示，第一殼體502設(shè)置有線圈入口504和線圈出口514，將光纖線圈501的線圈入線507穿出線圈入口504，將光纖線圈501的線圈出線510穿出線圈出口514。其中，線圈入線507包括單模耐彎曲光纖的入線和壓電陶瓷的正電極入線，線圈出線510包括單模耐彎曲光纖的出線和壓電陶瓷的負(fù)電極出線。將環(huán)氧樹脂膠灌入到第一殼體502內(nèi)，從而將繞制于筒狀壓電陶瓷的外壁的光纖線圈501封裝在第一殼體502內(nèi)。第一殼體502能夠起到隔聲、隔振、固定功能。

進(jìn)一步的，為了更準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)光纖線圈501輸出的線偏振光的偏振方向，如圖4所示，光纖線圈偏振控制器50還包括電機(jī)505及傳動(dòng)軸509，第一殼體502的底部設(shè)置有轉(zhuǎn)動(dòng)連接口503。電機(jī)505的轉(zhuǎn)軸與傳動(dòng)軸509連接，電機(jī)505通過傳動(dòng)軸509與設(shè)置于第一殼體502底部的轉(zhuǎn)動(dòng)連接口503連接。此時(shí)，控制電機(jī)505的轉(zhuǎn)軸沿著ω方向轉(zhuǎn)動(dòng)即可以控制光纖線圈501的偏轉(zhuǎn)角度，從而控制光纖線圈501輸出的線偏振光的偏振方向。本實(shí)施例中，電機(jī)505可以為步進(jìn)電機(jī)。

光纖線圈501為λ/4線圈，當(dāng)線圈平面轉(zhuǎn)過α?xí)r，λ/4光纖線圈輸出的線偏振光的方向轉(zhuǎn)過β，α與β的關(guān)系如式(2)所示。

β＝4(1-t)α (2)

式(2)中，t為反映光纖材料特性的常數(shù)，對于所有摻雜二氧化硅，t＝0.08。如圖4所示，電機(jī)505的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)第一預(yù)設(shè)角度時(shí)，帶動(dòng)傳動(dòng)軸509沿ω方向轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)光纖線圈501沿著ω方向轉(zhuǎn)動(dòng)第二預(yù)設(shè)角度，從而使得光纖線圈501的線圈平面由圖4所示的初始位置轉(zhuǎn)動(dòng)至預(yù)設(shè)位置，實(shí)現(xiàn)所需偏振方向的線偏振光輸出。其中，第二預(yù)設(shè)角度根據(jù)所需偏振方向設(shè)置，第一預(yù)設(shè)角度根據(jù)電機(jī)505的轉(zhuǎn)軸與λ/4光纖線圈之間的傳動(dòng)比設(shè)置。

進(jìn)一步的，如圖4所示，光纖線圈偏振控制器50還包括第二殼體506，上述封裝有繞制于筒狀壓電陶瓷外壁的光纖線圈501的第一殼體502設(shè)置在第二殼體506內(nèi)。第二殼體506具有隔離聲音的功能，能夠有效地避免外界聲音信號對光纖線圈501的偏振態(tài)調(diào)制的干擾。需要說明的是，圖4為光纖線圈偏振控制器50的主視圖，圖5為圖4中所示的第二殼體506的左視圖。如圖5所示，為了穿過傳動(dòng)軸509、線圈入線507和線圈出線510，第二殼體506設(shè)置有第一開口512、第二開口513和第三開口515。其中，第一開口512用于穿入傳動(dòng)軸509，第二開口513用于穿出光纖線圈501的線圈入線507，第三開口515用于穿出光纖線圈501的線圈出線510。為了避免線圈入線507和線圈出線510發(fā)生竄動(dòng)，如圖4所示，將線圈入線507和線圈出線510分別使用環(huán)氧樹脂膠點(diǎn)固在線圈入線固定處508和線圈出線固定處511。

使用時(shí)，第一偏振控制器51的光纖線圈501的輸入端(單模耐彎曲光纖的入線)與光分束器40的第一分束端耦合，第一偏振控制器51的光纖線圈501的輸出端(單模耐彎曲光纖的出線)與解調(diào)裝置70耦合。第二偏振控制器52的光纖線圈501的輸入端與光分束器40的第二分束端耦合，第二偏振控制器52的光纖線圈501的輸出端與解調(diào)裝置70耦合。

此時(shí)，為了保證第一偏振控制器51和第二偏振控制器52輸出線偏振光，并使得第一偏振控制器51輸出的第一線偏振光和第二偏振控制器52輸出的第二線偏振光的偏振方向滿足上述預(yù)設(shè)關(guān)系。需要分別對第一偏振控制器51和第二偏振控制器52進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，本實(shí)施例提供的光纖分布式傳感監(jiān)測系統(tǒng)1還包括電壓輸出裝置，電壓輸出裝置與解調(diào)裝置70電連接。第一偏振控制器51與第二偏振控制器52均與電壓輸出裝置電連接，具體的，第一偏振控制器51中的壓電陶瓷與第二偏振控制器52中的壓電陶瓷也均與電壓輸出裝置電連接，且第一偏振控制器51中的電機(jī)505與第二偏振控制器52中的電機(jī)505均與電壓輸出裝置電連接。

電壓輸出裝置向第一偏振控制器51的壓電陶瓷輸入第一電壓，向第二偏振控制器52的壓電陶瓷輸入第二電壓，利用壓電陶瓷具有的電磁伸縮效應(yīng)，對第一偏振控制器51和第二偏振控制器52的光纖線圈501參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)第一偏振控制器51的光纖線圈501的線偏振態(tài)輸出和第二偏振控制器52的光纖線圈501的線偏振態(tài)輸出。

此外，電壓輸出裝置向第一偏振控制器51的電機(jī)505輸入第三電壓，使得第一偏振控制器51的線圈平面偏轉(zhuǎn)第一角度，此時(shí)，第一偏振控制器51將輸入的第一光束處理為第一線偏振光。相應(yīng)地，電壓輸出裝置向第二偏振控制器52的電機(jī)505輸入第四電壓，使得第二偏振控制器52的線圈平面偏轉(zhuǎn)第二角度，此時(shí)，第二偏振控制器52將輸入的第二光束處理為第二線偏振光，并使得第一線偏振光和所述第二線偏振光的偏振方向相互正交。其中，第一電壓、第二電壓、第三電壓和第四電壓根據(jù)需要設(shè)置。

本實(shí)施例中，第一偏振控制器51和第二偏振控制器52采用上述的光纖線圈偏振控制器50相比于現(xiàn)有的偏振控制器，通過設(shè)置電機(jī)505和壓電陶瓷能夠有效地提高偏振態(tài)和偏振方向的控制精度，有利于提高本實(shí)施例提供的光纖分布式傳感監(jiān)測系統(tǒng)1的信噪比。

當(dāng)然，除了上述光纖線圈偏振控制器50外，第一偏振控制器51和第二偏振控制器52也可以采用1/4波片、1/4波片和1/2波片的組合或其他偏振控制器件。

進(jìn)一步的，第一干涉調(diào)制裝置61接收由第一偏振控制器51輸出的第一線偏振光，將第一線偏振光調(diào)制為第一干涉信號并輸出至解調(diào)裝置70。第二干涉調(diào)制裝置62接收由第二偏振控制器52輸出的第二線偏振光，將第二線偏振光調(diào)制為第二干涉信號并輸出至解調(diào)裝置70。

解調(diào)裝置70用于對第一干涉調(diào)制裝置61輸出的第一干涉信號和第二干涉調(diào)制裝置62輸出的第二干涉信號進(jìn)行解調(diào)得到傳感信號。

本發(fā)明實(shí)施例主要提供了兩種解調(diào)方式，兩種解調(diào)方式分別對應(yīng)于干涉調(diào)制裝置和解調(diào)裝置70的兩種具體實(shí)施方式。下面將分別對這兩種具體實(shí)施方式下的光纖分布式傳感監(jiān)測系統(tǒng)1進(jìn)行描述。

作為一種具體實(shí)施方式，如圖6所示，第一干涉調(diào)制裝置61包括第一光纖干涉儀，第二干涉調(diào)制裝置62包括第二光纖干涉儀，解調(diào)裝置70包括第一偏振合束器701、第一光電探測器702和數(shù)據(jù)處理器703。

第一光纖干涉儀的輸入端與第一偏振控制器51的輸出端耦合，第二光纖干涉儀的輸入端與所述第二偏振控制器52的輸出端耦合，第一光纖干涉儀的輸出端與第二光纖干涉儀的輸出端均與第一偏振合束器701的輸入端耦合，第一偏振合束器701的輸出端與第一光電探測器702的輸入端耦合，第一光電探測器702的輸出端與數(shù)據(jù)處理器703電連接。

本實(shí)施例中，第一光纖干涉儀和第二光纖干涉儀均優(yōu)選為邁克爾遜光纖干涉儀。

第一光纖干涉儀包括第一2×2耦合器、第一相位調(diào)制器、第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡和第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡。第二光纖干涉儀包括第二2×2耦合器、第二相位調(diào)制器、第三法拉第旋轉(zhuǎn)鏡和第四法拉第旋轉(zhuǎn)鏡。

如圖6所示，超窄線寬激光器輸出的激光進(jìn)入到聲光調(diào)制器，經(jīng)過聲光調(diào)制器將連續(xù)激光調(diào)制成脈沖脈寬為τ，周期為T的脈沖激光，脈沖激光依次經(jīng)過第一光放大器和超窄線寬第一光濾波器后形成信號光。信號光進(jìn)入第一環(huán)形器20的C11端、經(jīng)過第一環(huán)形器20的C13端注入長度為Y的傳感光纖30。傳感光纖30中攜帶傳感信號的背向瑞利散射光返回到第一環(huán)形器20的C13端，經(jīng)第一環(huán)形器20的C12端輸出，依次經(jīng)過第二光放大器、超窄線寬第二光濾波器進(jìn)入光分束器40的E31端。經(jīng)光分束器40分束為第一光束和第二光束，第一光束由光分束器40的第一分束端E32端輸出進(jìn)入到第一偏振控制器51的Q11端，第二光束由和光分束器40的第二分束端E33輸出進(jìn)入到第二偏振控制器52的Q21端。

第一偏振控制器51的Q12端輸出的第一線偏振光進(jìn)入到第一2×2耦合器的E11端，經(jīng)第一2×2耦合器分光后，第一2×2耦合器E13端輸出的光經(jīng)過長度為L1的光纖進(jìn)入到第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡。第一2×2耦合器E14端輸出的光經(jīng)過第一相位調(diào)制器進(jìn)入到第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡。連接第一相位調(diào)制器和第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的是長度為L2的光纖，其中，L1＞L2，且L1-L2＝S。兩束光分別經(jīng)第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡和第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡反射返回到第一2×2耦合器處發(fā)生干涉形成第一干涉信號，第一干涉信號經(jīng)第一2×2耦合器E12端進(jìn)入到第一偏振合束器701的P41端。

第二偏振控制器52的Q22端輸出的第二線偏振光進(jìn)入到第二2×2耦合器的E21端，經(jīng)第二2×2耦合器分光后，第二2×2耦合器E23端輸出的光經(jīng)過長度為L1的光纖進(jìn)入到第三法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，第二2×2耦合器E24端輸出的光經(jīng)過第二相位調(diào)制器進(jìn)入到第四法拉第旋轉(zhuǎn)鏡。連接第二相位調(diào)制器和第四法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的是光纖長度為L2的光纖，其中，L1-L2＝S。兩束光分別經(jīng)第三法拉第旋轉(zhuǎn)鏡和第四法拉第旋轉(zhuǎn)鏡反射返回到第二2×2耦合器處發(fā)生干涉形成第二干涉信號。第二干涉信號經(jīng)第二2×2耦合器E22端進(jìn)入到第一偏振合束器701的P42端。在此過程中，電壓輸出裝置80相位載波信號F5到第一相位調(diào)制器和第二相位調(diào)制器進(jìn)行載波調(diào)制。

自第一偏振合束器701的P41端進(jìn)入的第一干涉信號和自P42端進(jìn)入第二干涉信號經(jīng)第一偏振合束器701合束后形成總干涉信號?？偢缮嫘盘栍傻谝黄窈鲜?01的P43端進(jìn)入到第一光電探測器702。第一光電探測器702將合束后的第一干涉信號和第二干涉信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出到數(shù)據(jù)處理器703，進(jìn)行相位載波解調(diào)(Phase Generated Carrier，PGC)，解調(diào)出相應(yīng)的傳感信號。其中，相位載波解調(diào)可以通過硬件實(shí)現(xiàn)，也可以通過軟件實(shí)現(xiàn)，當(dāng)通過硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，數(shù)據(jù)處理器703可以集成電路模塊，當(dāng)通過軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)，數(shù)據(jù)處理器703可以為計(jì)算機(jī)或具有數(shù)據(jù)處理功能的芯片。

根據(jù)第一光電探測器702探測到的光強(qiáng)大小，數(shù)據(jù)處理器703可以控制電壓輸出裝置80發(fā)出電信號F1控制第二偏振控制器52的壓電陶瓷，發(fā)出電信號F3控制第一偏振控制器51的壓電陶瓷，以實(shí)現(xiàn)第一線偏振光和第二線偏振光的輸出。此外，數(shù)據(jù)處理器703可以控制電壓輸出裝置80發(fā)出電信號F2控制第一偏振控制器51的電機(jī)505，發(fā)出電信號F4控制第二偏振控制器52的電機(jī)505，以分別調(diào)節(jié)第一線偏振光和第二線偏振光的偏振方向，使得第一線偏振光和第二線偏振光的偏振方向相互正交。

圖7示出了本實(shí)施例中采用的相位載波解調(diào)算法的模塊框圖。如圖7所示，探測器信號與基頻信號在第一乘法器相乘進(jìn)入到第一低通濾波器，信號送至第一微分器，與第二低通濾波后的信號相乘，進(jìn)入到減法器一端，與第四乘法器之后的信號進(jìn)行減法運(yùn)算；探測器信號與倍頻信號在第二乘法器相乘進(jìn)入到第二低通濾波器，信號送至第二微分器，與第一低通濾波后的信號相乘，進(jìn)入到減法器一端，與第三乘法器之后的信號進(jìn)行減法運(yùn)算；兩路信號同時(shí)送入減法器，運(yùn)算后送入積分器、高通濾波器后，解調(diào)出傳感信號。

根據(jù)光的相干原理，第一光電探測器702接收到的光強(qiáng)I可表示為：

I＝A+BcosΦ(t) (3)

式(3)中，A是上述總干涉信號的平均光功率，B是上述總干涉信號幅值，B＝κA，κ≤1為干涉條紋可見度。Φ(t)是總干涉信號的相位差。設(shè)則式(3)可寫為：

式(4)中，Ccosω₀t是相位載波，C是幅值，ω₀是載波頻率；+Ψ(t)。當(dāng)傳感信號為聲場信號時(shí)，Dcosω_st是傳感光纖30感應(yīng)到的聲場信號引起的相位變化。其中，D是幅值，ω_s是聲場信號頻率，Ψ(t)是環(huán)境擾動(dòng)等引起的初始相位的緩慢變化。將式(4)用Bessel函數(shù)展開得：

式(5)中，J_n(m)表示m調(diào)制深度下的n階Bessel函數(shù)值。如圖7所示，相位載波調(diào)制示意圖利用Bessel函數(shù)展開后的信號I作為探測器信號，分別與基頻信號(幅值是G)、二倍頻信號(幅值是H)相乘。為了克服信號隨外部的干擾信號的漲落而出現(xiàn)的消隱和畸變現(xiàn)象，對兩路信號進(jìn)行了微分交叉相乘(DCM)，微分交叉相乘后的信號經(jīng)過差分放大、積分運(yùn)算處理后轉(zhuǎn)換為：

將代入式(6)有：

由式(7)可見，積分后得到的信號包含了待測信號Dcosω_st和外界的環(huán)境信息。后者通常是個(gè)慢變信號，且幅度可以很大，可通過高通濾波器加以濾除，系統(tǒng)的最后輸出為

B²GHJ₁(C)J₂(C)Dcosω_st (8)

由式(8)可以求解出傳感光纖30感應(yīng)到的聲場信號即傳感信號引起的相位變化的Dcosω_st信號。

作為另一種具體實(shí)施方式，如圖8所示，第一干涉調(diào)制裝置61包括第二光耦合器和第一光纖干涉儀，第二干涉調(diào)制裝置62包括第三光耦合器和第二光纖干涉儀。解調(diào)裝置70包括第一偏振合束器711、第二偏振合束器712、第三偏振合束器713、第一光電探測器721、第二光電探測器722、第三光電探測器723和數(shù)據(jù)處理器730。

本實(shí)施例中，第一光纖干涉儀包括第一3×3耦合器611、第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡和第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡、第三法拉第旋轉(zhuǎn)鏡和第四法拉第旋轉(zhuǎn)鏡。第二光耦合器可以為第二環(huán)形器610，第三光耦合器可以為第三環(huán)形器620。

此時(shí)，與上述實(shí)施方式的不同之處在于，第一偏振控制器51的Q12端輸出的第一線偏振光依次經(jīng)第二環(huán)形器610的C21端和C23端，進(jìn)入到第一3×3耦合器611的B11端，經(jīng)過第一3×3耦合器611分束，自第一3×3耦合器611的B14端輸出的光經(jīng)過長度為L1的光纖進(jìn)入到第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，自第一3×3耦合器611的B15端輸出的光經(jīng)過長度為L2的光纖進(jìn)入到第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，其中，L1-L2＝S。兩束光分別經(jīng)第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡和第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡反射返回到第一3×3耦合器611處發(fā)生干涉形成第一干涉信號。第一干涉信號分為三束光，第一束光經(jīng)過第一3×3耦合器611的B11端進(jìn)入到第二環(huán)形器610的C23，經(jīng)第二環(huán)形器610的C22端進(jìn)入到第一偏振合束器711的P11端，第二束光經(jīng)第一3×3耦合器611的B12端進(jìn)入到第二偏振合束器712的P21端，第三束光經(jīng)第一3×3耦合器611的B13端進(jìn)入到第三偏振合束器713的P31端。

第二偏振控制器52的Q22端輸出的第二線偏振光依次經(jīng)第三環(huán)形器620的C31端和C33端進(jìn)入到第二3×3耦合器621的B21端，經(jīng)過第二3×3耦合器621分束，自第二3×3耦合器621的B24端輸出的光經(jīng)過長度為L1的光纖進(jìn)入到第三法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，自第二3×3耦合器621的B25端輸出的光經(jīng)過長度為L2的光纖進(jìn)入到第四法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，其中，L1-L2＝S，兩束光分別經(jīng)第三法拉第旋轉(zhuǎn)鏡和第四法拉第旋轉(zhuǎn)鏡反射返回到第二3×3耦合器621處發(fā)生干涉形成第二干涉信號。第二干涉信號也分為三束光，第一束光經(jīng)過第二3×3耦合器621的B21端輸出至第三環(huán)形器620的C33端，經(jīng)過第三環(huán)形器620的C32端進(jìn)入到第一偏振合束器711的P12端；第二束光經(jīng)過第二3×3耦合器621的B22端進(jìn)入到第二偏振合束器712的P22端；第三束光經(jīng)過第二3×3耦合器621的B23端進(jìn)入到第三偏振合束器713的P32端。

輸入第一偏振合束器711的P11端和P12端的光在第一偏振合束器711合束后經(jīng)P13端進(jìn)入到第一光電探測器721、經(jīng)第一光電探測器721轉(zhuǎn)換為第一電信號輸入至數(shù)據(jù)處理器730。輸入第二偏振合束器712的P21端和P22端的光在第二偏振合束器712合束后經(jīng)P23端進(jìn)入到第二光電探測器722、經(jīng)第二光電探測器722轉(zhuǎn)換為第二電信號輸入至數(shù)據(jù)處理器730。輸入第三偏振合束器713的P31端和P32端的光在第三偏振合束器713合束后經(jīng)P33端進(jìn)入到第三光電探測器723、經(jīng)第三光電探測器723轉(zhuǎn)換為第三電信號輸入至數(shù)據(jù)處理器730。第一電信號、第二電信號和第三電信號同時(shí)送入數(shù)據(jù)處理器730進(jìn)行3×3耦合器算法解調(diào)，解調(diào)出相應(yīng)傳感信號。

根據(jù)第一光電探測器721、第二光電探測器722、第三光電探測器723接收到的光強(qiáng)大小，數(shù)據(jù)處理器730可以控制電壓輸出裝置80發(fā)出電信號F6、F8分別控制第一偏振控制器51和第二偏振控制器52的壓電陶瓷，以實(shí)現(xiàn)第一線偏振光和第二線偏振光的輸出。此外，數(shù)據(jù)處理器730可以控制電壓輸出裝置80發(fā)出電信號F7和F9控制第一偏振控制器51和第二偏振控制器52的電機(jī)505，以分別調(diào)節(jié)第一線偏振光和第二線偏振光的偏振方向，使得第一線偏振光和第二線偏振光的偏振方向相互正交。

需要說明的是，本實(shí)施例優(yōu)選采用改進(jìn)后的3×3耦合器解調(diào)算法。改進(jìn)后的3×3耦合器解調(diào)算法能夠有效地改善因?yàn)?×3耦合器夾角存在誤差導(dǎo)致相位解調(diào)的失真的問題，其解調(diào)原理如下：

其中，A，B，C分別表示3×3耦合器的三路輸出，其中，D為直流信號，I₀為信號幅值，是傳感信號，θ是3×3耦合器的夾角。

式(9)(10)(11)可以寫為：

根據(jù)式(12)可以進(jìn)一步求解得到式(13)：

式(13)中，T為關(guān)于耦合器的夾角的矩陣，由式(13)可以看出，的求取已經(jīng)不依賴于普通3×3耦合器的120度。

進(jìn)一步，如圖9所示，將信號A和信號B經(jīng)過微分器進(jìn)行如式(14)和式(15)所示的微分處理。

然后，再將經(jīng)過微分處理后的信號經(jīng)過減法器，進(jìn)行式(16)所示的減法處理：

同時(shí)，將信號A和信號B依次經(jīng)過平方器、加法器處理得到：

進(jìn)一步，將式(16)除以式(17)后，再經(jīng)過積分器的積分處理就可以得出

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提供的光纖分布式傳感監(jiān)測系統(tǒng)1，通過光分束器40將攜帶傳感信號的背向瑞利散射光進(jìn)行分束為第一光束和第二光束，通過第一偏振控制器51和第二偏振控制器52分別將第一光束和第二光束處理為偏振方向滿足預(yù)設(shè)關(guān)系的第一線偏振光和第二線偏振光。分別通過第一干涉調(diào)制裝置61和第二干涉調(diào)制裝置62對第一線偏振光和第二線偏振光進(jìn)行干涉調(diào)制，再經(jīng)解調(diào)裝置70解調(diào)第一干涉調(diào)制裝置61輸出的第一干涉信號和第二干涉調(diào)制裝置62輸出的第二干涉信號得到相應(yīng)的傳感信號，能夠盡可能地保證傳感信號不丟失，有效地提高了光纖分布式傳感監(jiān)測系統(tǒng)1的信噪比。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)所述以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。