基于波束形成的分布式光纖聲波探測裝置及探測方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及分布式光纖聲波探測技術領域，特別是涉及一種基于波束形成的分布 式光纖聲波探測裝置及探測方法。
【背景技術】
[0002] 聲波測量技術是石油、巖土、航空等領域的重要檢測手段和重要研究方向，有著廣 泛的應用和需求。聲波波束形成技術利用傳聲器陣列接收聲場信號，通過對各個傳聲器信 號進行相位處理，使對應真實聲源的聚焦點位置的信號加強形成"主瓣"，而其他聚焦點位 置的信號衰減形成"旁瓣"，從而能高效、高可靠地識別聲源特征。如在油田勘探開發(fā)方面， 通過將多個聲接收器排布成陣列接收聲波信號的聲波測井技術發(fā)揮著重要的作用，在勘探 階段聲波參數(shù)測量用來評價地層孔隙度和巖石力學特性等，在開發(fā)階段可以監(jiān)測套管、壓 裂作業(yè)等狀況。在航空方面，美國NASA、美國波音公司、法國ONERA公司、德國DLR公司等研 制了平面?zhèn)髀暺麝嚵袑崿F(xiàn)民機和戰(zhàn)斗機氣動噪聲源的探測。
[0003] 傳統(tǒng)的基于波束形成的聲波探測多采用基于電學麥克風構建的傳聲器陣列采集 聲場信號。傳統(tǒng)電子傳感器的分立式結構和嚴格的同步采集要求導致傳聲器陣列規(guī)模大為 受限，如美國哈里伯頓公司在聲波測井設備中布置了由32個聲接收器組成的傳感器陣列， 美國波音公司傳聲器陣列中數(shù)量僅約200個。而電磁干擾、高溫高濕等惡劣工作環(huán)境也為 傳統(tǒng)電子傳感器的可靠工作帶來很大困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服上述現(xiàn)有技術的問題，本發(fā)明提出了一種織物圖案創(chuàng)意要素自動提取方 法，結合區(qū)域連通圖和區(qū)域合并規(guī)則處理預分割圖像的對織物圖案幾何元素提取方法；以 及選用五種顏色的集合作為反映該圖案的顏色主題，基于顯著性模型、顏色量化實現(xiàn)了顏 色主題提取。
[0005] 該分布式光纖聲波測量裝置及方法可以用于復雜地質的地震分析、結構聲發(fā)射分 析、油井生產(chǎn)監(jiān)測、邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測和航空噪聲分析等領域
[0006] 本發(fā)明提出了一種基于波束形成的分布式光纖聲波探測裝置，該裝置包括光源1、 1x2耦合器2、控制和信號處理單元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以及平衡探測器陣列15 ;
[0007] 光源1發(fā)出頻率為ω。的連續(xù)激光經(jīng)過1x2耦合器2,分為本地參考光和信號光兩 路光：本地參考光經(jīng)過參考臂光6,到達90°光混合器14 ;信號光經(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制器5,被調制成同時含有頻率為固定頻率成 分和頻率為 ω(]+ω (t)線性掃頻成分的脈沖信號光；脈沖信號光先后經(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度光纖發(fā)生部分反射， 用于標記參考長度光纖的起止位置；脈沖信號在傳感光纖13中，脈沖信號光在前端部分反 射鏡10和后端部分反射鏡12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Φα)和光頻譜信息I (ω)，返回光信號經(jīng)過環(huán)形器9返回后到達90°光混 合器14,與本地參考光混合；輸出光由平衡探測器陣列15接收；經(jīng)過控制和信號處理單元 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相位、強度、頻率信息，然后計 算聲源的方向、位置、頻率、強度參數(shù)。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 本發(fā)明還提出了一種基于波束形成的分布式光纖聲波探測方法，該方法具體包括 以下流程：
[0011] 步驟一、光源發(fā)出頻率為ω。的連續(xù)激光經(jīng)過1x2耦合器分為本地參考光和信號 光兩路光；本地參考光經(jīng)過參考臂光纖到達90°光混合器；信號光經(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制器，被調制成雙邊帶異構光脈沖，：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；
[0012] 步驟二、脈沖信號光先后經(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，含有用于解調相位信息Φ(?)的頻率為〇。-(〇"固定頻率光和含有用于解調光頻信息 Ι(ω)的頻率為ω0+ω⑴線性掃頻光，經(jīng)過環(huán)形器返回后到達90°光混合器，與本地參考 光混合干涉；
[0013] 步驟三、信號光與本地參考光在90°光混合器中混合干涉后，當采用4路輸出的 90°光混合器時，輸出的信號分別為X偏振方向的I信號I x cos (ω?+Φ)、X偏振方向的 Q信號Ix sin(c〇t+(i))、Y偏振方向的I信號Iy C〇s(c〇t+(i))和Y偏振方向的Q信號Iy sin(c〇t+(i));當采用2路輸出90°光混合器時，輸出的信號分別為I信號IQc〇S(c〇t+(i)) 和Q信號Ic sin (ω t+Φ )，光信號由平衡探測器接收轉化成電壓信號并由控制和信號處理 單元處理，將用于解調相位信息Φα)的調制在固定頻率coCT上的信號和用于解調光頻信 息I (ω)的調制在線性掃頻頻率ω⑴上的信號分離；
[0014] 步驟四、處理頻率為COct固定頻率信號，與任意波形發(fā)生器的下邊帶做數(shù)字混頻， 對每一個光脈沖提取聲波引起的光相位變化信息Φα);對數(shù)字混頻后的4路輸出的90° 光混合器輸出信號，對X偏振方向的I、Q信號和Y偏振方向的I、Q信號進行微分、相乘， 得到X偏振方向的計算結果sin2l^(/)j、#(〇/( 和Y偏振方向的計算結果
X偏振方向和Y偏振方向的兩式各自相減，分別得到 列和#(〇/〗，再將X偏振方向和Y偏振方向相加得到Φ' (t) I2;再除以4路輸入信 號的平方和I2,得到(t);再積分得到所需相位信息Φ (t);對2路輸出的90°光混合 器輸出的信號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 一個偏振方向的I、Q信號；利用脈沖時間寬度為T的光脈沖，提取光纖各處由聲波引起的 Φ (t)，從而相當于在光纖沿線按^3 = _^空間間隔布置成大規(guī)模的傳聲器陣列，通過波束 2/? 成形算法，實現(xiàn)聲源振動頻率、幅度的探測和粗定位；
[0015] 步驟五、將同一個光脈沖內(nèi)獲得的線性掃頻信號ω (t)與任意波形發(fā)生器的原始 線性掃頻上邊帶混頻，由于存在時延，因此混頻得到一個頻率差，根據(jù)頻率差和線性掃頻斜 率即可精確地獲得距離信息，從而實現(xiàn)φ (t)所在的各點位置精定位，修正波束形成計算。
[0016] 步驟六、通過將光纖按不同特殊排布光纖布置形成探測波束，利用數(shù)據(jù)采樣稀疏 化和時移控制實現(xiàn)探測波束的靈活配置，完成對聲源的位置、頻率、幅度和相位信息的提 取。
[0017] 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。
[0018] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下積極效果：
[0019] 1、將光纖的傳感和傳輸功能合二為一，具有不受電磁干擾、電無源、體積小以及耐 受高溫高濕惡劣工作環(huán)境的優(yōu)點；
[0020] 2、布置單根光纖，構成光纖聲傳感采樣點陣列，探測點規(guī)模達到數(shù)十萬個測量點， 相較于傳統(tǒng)電子傳聲器陣列，規(guī)模擴大百倍以上，很大程度擴展了傳感監(jiān)測點規(guī)模。
[0021] 3、采用單根光纖構成光纖聲傳感采樣點陣列，陣列信號具有光纖脈沖探測的天然 同步性，能利用數(shù)據(jù)采樣稀疏化和時移控制實現(xiàn)聲傳感采樣點陣列排