一種分布式光纖聲波通信方法及裝置制造方法
【專利摘要】該發(fā)明公開了一種一種分布式光纖聲波通信方法及裝置，涉及光纖通信領域。首先發(fā)射攜帶有信息的聲波，該聲波傳播至通信光纜，引起通信光纜內傳播信號光的瑞利散射的變化，通過分布式光纖聲波通信主機檢測出瑞利散射的變化，解調還原出發(fā)射的聲波，從而實現(xiàn)發(fā)明目的。因而具有完全無源特性、分布式通信特性、精確的聲源定位特性；還能達到超長距離無中繼通信，模擬傳輸和數字傳輸可以任意切換，不需要對硬件設備進行調整的效果；并且聲波信源既可以是模擬聲源，也可以是數字聲源，因此該分布式光纖聲波通信系統(tǒng)可以實現(xiàn)直接的聲波通信，也可以實現(xiàn)數字通信。
【專利說明】一種分布式光纖聲波通信方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖通信領域，尤其涉及一種實現(xiàn)分布式光纖聲波通信系統(tǒng)的方法及
目.0
【背景技術】
[0002]目前，分布式聲波探測系統(tǒng)成為最熱門的光纖傳感技術之一。分布式聲波探測系統(tǒng)向光纖周期性注入光脈沖，通過高靈敏度的光探測以及光相位解調技術，實時解調瑞利散射光的相位信息，從而能夠線性解調與外界對光纜產生的擾動。由于其足夠靈敏，靈敏度可達數η ε，因此，可以有效探測聲波對光纜施加的應變，從而能夠有效的還原聲場信息。該技術在石油、安防、電力等多個領域的聲波探測領域得到廣泛的應用。
[0003]目前，在通信領域，無線通信以及光纖通信是較為廣泛應用的通信方式，由于廣闊的市場前景，通信技術迅猛發(fā)展。但同時不論無線通信還是傳統(tǒng)的光纖通信，在某些特定場合仍然具有局限性。例如，由于電磁波在固體和水中衰減較快，因此像水下、封閉的井下巷道這種場合，無線通信無法正常工作；而傳統(tǒng)的光纖通信需要光發(fā)射機和接收機，進行較為復雜的部署后，只能實現(xiàn)點對點的通信，而在光纖鏈路的中間，無法直接上載信息。
【發(fā)明內容】
[0004]本發(fā)明的目的是基于分布式聲波傳感器，來解決以上【背景技術】部分提到的特殊情況下的聲波通信的問題，實現(xiàn)聲波信息的分布式傳輸。
[0005]為達此目的，本發(fā)明一種分布式光纖聲波通信方法及裝置采用以下技術方案，首先發(fā)射攜帶有信息的聲波，該聲波傳播至通信光纜，引起通信光纜內傳播信號光的瑞利散射相位的變化，通過分布式光纖聲波通信主機檢測出瑞利散射相位的變化，進而還原出發(fā)射的聲波，從而實現(xiàn)發(fā)明目的。因而本發(fā)明一種分布式光纖聲波通信方法，該方法包括:
[0006]步驟1:聲波源發(fā)射攜帶有信息的聲波；該聲波可為普通的聲音，也可以聲波作為載波，將數字信息通過聲波進行調制為數字聲波信號；
[0007]步驟2:分布式光纖聲波通信主機發(fā)出信號光入射進通信光纜，發(fā)射的聲波傳播到通信光纜，引起通信光纜內的瑞利散射光相位變化，而該相位的變化是與聲波近似線性對應；
[0008]步驟3:分布式光纖聲波通信主機端發(fā)射探測光脈沖，并同步收集散射回的瑞利散射光，并利用光電探測器對瑞利散射光進行光電轉換，然后利用模數轉換器將模擬電信號轉換成數字信號，并通過光相位解調系統(tǒng)實時解調出瑞利散射光的相位。
[0009]進一步的所述步驟I特征在于，聲源的頻率小于分布式光纖聲波通信主機的帶寬，并根據聲源傳播介質的衰減特性調整頻率大小，以使聲波能量較好的傳遞到光纜；聲波能量的大小以及距離聲波通信光纜的距離，調整到分布式光纖聲波通信主機能以較高的信噪比還原聲波信息為準；某些特定需求，為達到保密聲波通信的目的，可以在聲波源處對聲波信息通過編碼進行加密處理，同時將聲波源盡可能貼近聲波通信光纜，同時將聲波能量調到稍大于分布式光纖聲波通信主機能夠準確探測的最小探測能力，以防止聲波源信息被竊聽；在進行信息傳輸之前以及傳輸信息之后，聲波源傳送固定的標識，以方便分布式光纖聲波通信主機判斷信息的起止。
[0010]進一步的，所述步驟3中，分布式光纖聲波通信主機重復收集散射回的瑞利散射光，實時得到每個發(fā)射周期探測得到的瑞利散射光的相位；將每個散射周期內瑞利散射光以固定間隔進行重采樣，并根據光時域反射儀的原理，將瑞利散射光的相位變化與聲波通信光纜的空間位置相對應，還原出聲波光纜上每個位置處的動態(tài)應變信息；該動態(tài)應變信息是與聲波線性對應的；隨后對每個位置處的原始的相位信息進行去噪處理，以減少光學信號噪聲以及環(huán)境噪聲對聲音信息的影響；將每個位置處的實時動態(tài)應變信息進行掃描，對已經發(fā)送開始標識報頭的位置持續(xù)信息接收或者停止接收；若聲波為數字聲波信號，則根據其調制格式，進行對應的解調。
[0011]一種分布式光纖聲波通信裝置，該裝置包括:聲波發(fā)射器、分布式光纖聲波通信主機、聲波通信光纜；
[0012]所述聲波發(fā)射器用于發(fā)射聲波信號，如果其發(fā)射數字信號聲波，它包括了數字信號發(fā)生器，調制器，以及壓電裝置，數字信號發(fā)生器將產生的數字信號經過調制器進行調制產生載波信號，然后載波信號驅動壓電裝置產生數字聲波；
[0013]所述分布式聲波通信系統(tǒng)主機包括:激光器、光調制器、環(huán)形器、光相位解調器、信息處理器。
[0014]所述激光器用于發(fā)射連續(xù)光，輸出給光調制器；其中激光器為窄線寬激光器，輸出功率根據光纖的長度不同而進行大范圍調節(jié)；
[0015]所述光調制器用于將所述連續(xù)光調制成脈沖光信號，作為探測光脈沖；其中光調制器應為高消光比光調制器；
[0016]所述環(huán)形器用于將脈沖光注入到光纜，脈沖光在光纜中發(fā)生瑞利散射，并接收光纜中反射回的相干光，輸出給光電探測器；
[0017]所述光相位解調器用于將所述瑞利散射相干光轉化為電信號，然后對電信號進行數字信號處理，進而得到瑞利散射相干光的實時相位，并對原始的相位信息進行去噪處理；
[0018]所述的信息處理器用于處理跟蹤每個位置處的聲波信息的開始、結束標識，并對發(fā)送的信息進行處理；如果是數字聲波通信方式，則需要首先對接收到的聲波信號進行數字解調，得到數字信號。
[0019]進一步的，所述光纜內的光纖為單模光纖，并根據需要，對光纜進行聲波增敏處理，使其接收聲波信號的能力增強。
[0020]本發(fā)明提供的分布式光纖聲波通信系統(tǒng)具有如下優(yōu)點:一、完全無源特性。該分布式光纖聲波通信系統(tǒng)由于是完全無源的，因此聲波的調制不需要供電，同時聲波信號的調制和傳輸完全不受電磁場的干擾，可以保證在雷電等惡劣環(huán)境下正常工作，在強電磁干擾以及需要電磁靜默場合仍可照常通信。二、分布式通信特性。該分布式光纖聲波通信系統(tǒng)可實現(xiàn)全分布式的聲波信息調制，當通信主機終端持續(xù)發(fā)射脈沖光，在光纜所有位置，聲波信號都可以調制到散射光波信號上，從而快速組建形成具備完整功能的聲波通信系統(tǒng)。三、精確的聲源定位特性。由于對光纜上的聲波探測是基于光時域反射技術，因此當聲源將聲波信號調制到光纜上時，聲源的位置就可以實時獲取。四、超長距離無中繼通信。由于光纖的低損耗特性，利用光放大技術，在終端進行分布式或分立式應用光放大技術，該分布式光纖聲波通信系統(tǒng)無中繼通信距離可達上百公里，可以滿足長距離聲波通信的需求。五、模擬傳輸和數字傳輸可以任意切換，不需要對硬件設備進行調整。聲波信源既可以是模擬聲源，也可以是數字聲源，因此該分布式光纖聲波通信系統(tǒng)可以實現(xiàn)直接的聲波通信，也可以實現(xiàn)數字通信。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明實施例提供的分布式光纖聲波通信系統(tǒng)結構示意圖；
[0022]圖2為本發(fā)明實施例提供的分布式光纖聲波通信主機結構框圖；
[0023]圖3為本發(fā)明實施例提供的模擬聲波通信的幅度調制的解調結果圖；
[0024]圖4為本發(fā)明實施例提供的模擬聲波通信的頻率調制的解調結果圖；
[0025]圖5為本發(fā)明實施例提供的數字聲波通信BFSK的解調結果圖；
[0026]圖6為本發(fā)明實施例提供的數字聲波通信裝置測試時井下人員具體位置示意圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明?？梢岳斫獾氖牵颂幩枋龅木唧w實施例僅僅用于解釋本發(fā)明，而非對本發(fā)明的限定。另外還需要說明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本發(fā)明相關的部分而非全部內容。
[0028]請參照圖1所示，圖1為本發(fā)明分布式光纖聲波通信系統(tǒng)結構示意圖。
[0029]本實施例中分布式光纖聲波通信系統(tǒng)具體包括聲波信源101，分布式光纖聲波通信主機102和聲波通信光纜103。在所述分布式光纖聲波通信主機102位于本系統(tǒng)的接收端。所述聲波通信光纜103內的光纖為單模光纖，并根據需要，可以對該光纜進行聲波增敏處理，使其接收聲波信號的能力增強。
[0030]所述分布式光纖聲波通信主機102與聲波通信光纜103連接，用于發(fā)出脈沖光信號注入到聲波通信光纜103，并對光纜103中反射回的相干光進行處理，并對聲波通信光纜103中反射回的相干瑞利散射光進行處理，獲得位于光纜任意位置處的聲波信息。
[0031]分布式光纖聲波通信主機102發(fā)出脈沖光在光纜102中傳輸時發(fā)生瑞利散射，當聲波信源101發(fā)出聲波時，聲波將引起聲波通信光纜103的折射率發(fā)生改變，近而影響后向散射瑞利散射光相位的變化，反射回來的瑞利散射相干光傳入分布式光纖聲波通信主機102。分布式光纖聲波通信主機102對光信號進行信號處理，沿光纖各點的動態(tài)應變信息，從而解調得到聲波信源101發(fā)送的聲波信息。
[0032]如圖2所示，圖2為本發(fā)明實施例所提供的分布式光纖聲波通信主機結構框圖。于本實施例，所述分布式光纖聲波通信主機102包括激光器(Laser)、光調制器(AOM)、驅動器(Driver)、環(huán)形器(Circulator)、光相位解調器(Phase Demodulator)。
[0033]所述激光器201用于發(fā)射連續(xù)光，輸出給光調制器202。所述連續(xù)光為滿足相應要求的窄線寬、低頻漂的連續(xù)光，其輸出功率可以根據光纖的長度不同而進行大范圍調節(jié)
[0034]所述光調制器202用于將所述連續(xù)光調制成脈沖光信號。
[0035]所述驅動器203用于產生電脈沖，然后將電脈沖驅動光調制器202以完成調制。
[0036]所述環(huán)形器204用于將202輸出的脈沖光信號注入到聲波通信光纜103，光在聲波通信光纜103中發(fā)生瑞利散射，并接收聲波通信光纜103中反射回的相干瑞利散射光，通過環(huán)形器204的第三端口輸出給光相位解調器205。
[0037]所述光相位解調器205用于將所述瑞利散射相干光轉化為電信號，然后對電信號進行數字信號處理，進而獲得瑞利散射相干光的實時相位，并根據光時域反射儀的原理將相位信息與光纖每個位置相對應，從而獲得光纜各個位置處的聲場。如果是數字聲波信源，則需要對接收到的聲波信號進行數字解調，從而得到最后的數字信號。
[0038]光相位解調器205進行數據處理的具體過程如下:一、對探測瑞利散射光進行光電轉換，得到瑞利散射信號；二、根據瑞利散射信號，對光纖上每一點的瑞利散射信號的相位進行解調。三、重復發(fā)射探測光脈沖后，光相位解調系統(tǒng)得到光纖上每個位置相位的變化，從而形成光纖范圍內的聲場圖。四、光相位解調系統(tǒng)對每個位置處的聲波信號進行去噪處理。五、當聲波信源是模擬聲波信號時，光相位解調系統(tǒng)直接還原得到的聲波信號，就完成了對聲波信源的；當聲波信源是模擬聲波信號時，光相位解調系統(tǒng)對接收到的聲波信號作數字解調，從而恢復得到聲波信源發(fā)送的數字信息。
[0039]本發(fā)明經過井下通信實驗，將井下的聲波源的信息傳遞到井上，起到井下人員的信息上傳以及井下人員定位功能的作用。當井下人員手持2kHz的聲波信源線性調幅時，分布式光纖聲波通信主機解調得到的調幅信號如圖3所示。當井下人員手持聲波信源靠近聲波通信光纜進行周期性線性調頻時，分布式光纖聲波通信主機接收到的原始調幅信號，解調得到的瞬時頻率分別如圖4(a)、圖4(b)所示。圖3，圖4證明了該系統(tǒng)有效的還原了模擬聲波信號。當井下人員手持數字聲波信源，用聲波作為載波進行二進制頻移鍵控BFSK調制，發(fā)送了一串數字信號0110001110010001111。分布式光纖聲波通信主機解調得到的原始信號如圖5(a)所示，隨后用過零點檢測法對其進行解調，在抽樣判決前得到的信號如圖5(b)所示，抽樣判決后的數字信號，如圖5(c)所示，與聲波信源發(fā)送的數字信息完全一致，證明該系統(tǒng)有效的還原了聲波信源發(fā)出的數字信息。當井下人員的聲波信源持續(xù)發(fā)出聲波信號時，井上的分布式通信主機準確的檢測到井下人員的精確位置，如圖6中陰影處所示。
[0040]上述實施例表明所有具有分布式聲波檢測的分布式振動傳感器，利用本專利所述的調制和解調方法進行分布式聲波通信，上述的分布式光纖聲波通信主機只是其中的一種。在不脫離本發(fā)明的精神或者本質特征的情況下，本發(fā)明可以通過基于其它原理的、具有分布式聲波檢測功能的分布式振動傳感器來實現(xiàn)。
[0041]本發(fā)明的技術方案具有如下優(yōu)點:一、完全無源特性。該分布式光纖聲波通信系統(tǒng)由于是完全無源的，因此聲波的調制不需要供電，同時聲波信號的調制和傳輸完全不受電磁場的干擾，可以保證在雷電等惡劣環(huán)境下正常工作，在強電磁干擾以及需要電磁靜默場合仍可照常通信。二、分布式調制特性。該分布式光纖聲波通信系統(tǒng)可實現(xiàn)全分布式的聲波信息調制，當通信主機終端持續(xù)發(fā)射脈沖光，在光纜所有位置，聲波信號都可以調制到散射光波信號上，從而快速組建形成具備完整功能的聲波通信系統(tǒng)。三、精確的聲源定位特性。由于對光纜上的聲波探測是基于光時域反射技術，因此當聲源將聲波信號調制到光纜上時，聲源的位置就可以實時獲取。四、超長距離無中繼通信。由于光纖的低損耗特性，利用光放大技術，在終端進行分布式或分立式應用光放大技術，該分布式光纖聲波通信系統(tǒng)無中繼通信距離可達上百公里，可以滿足長距離聲波通信的需求。五、模擬傳輸和數字傳輸可以任意切換，不需要對硬件設備進行調整。聲波信源既可以是模擬聲源，也可以是數字聲源，因此該分布式光纖聲波通信系統(tǒng)可以實現(xiàn)直接的聲波通信，也可以實現(xiàn)數字通信。
[0042]注意，上述僅為本發(fā)明的較佳實施例及所運用技術原理。本領域技術人員會理解，本發(fā)明不限于這里所述的特定實施例，對本領域技術人員來說能夠進行各種明顯的變化、重新調整和替代而不會脫離本發(fā)明的保護范圍。因此，雖然通過以上實施例對本發(fā)明進行了較為詳細的說明，但是本發(fā)明不僅僅限于以上實施例，在不脫離本發(fā)明構思的情況下，還可以包括更多其他等效實施例，而本發(fā)明的范圍由所附的權利要求范圍決定。
【權利要求】
1.一種分布式光纖聲波通信方法，該方法包括: 步驟1:聲波源發(fā)射攜帶有信息的聲波；該聲波可為普通的聲音，也可以聲波作為載波，將數字信息通過聲波進行調制為數字聲波； 步驟2:分布式光纖聲波通信主機發(fā)出信號光入射進通信光纜，發(fā)射的聲波傳播到通信光纜，引起通信光纜內的瑞利散射光相位變化，而該相位的變化是與聲波近似線性對應; 步驟3:分布式光纖聲波通信主機端發(fā)射探測光脈沖，并同步收集散射回的瑞利散射光，并利用光電探測器對瑞利散射光進行光電轉換，然后利用模數轉換器將模擬電信號轉換成數字信號，并通過光相位解調系統(tǒng)實時解調出瑞利散射光的相位。
2.如權利要求1所述的一種分布式光纖聲波通信方法，所述步驟I特征在于，聲源的頻率小于分布式光纖聲波通信主機的帶寬，并根據聲源傳播介質的衰減特性調整頻率大小，以使聲波能量較好的傳遞到光纜；聲波能量的大小以及距離聲波通信光纜的距離，調整到分布式光纖聲波通信主機能以較高的信噪比還原聲波信息為準；某些特定需求，為達到保密聲波通信的目的，可以在聲波源處對聲波信息通過編碼進行加密處理，同時將聲波源盡可能貼近聲波通信光纜，同時將聲波能量調到稍大于分布式光纖聲波通信主機能夠準確探測的最小探測能力，以防止聲波源信息被竊聽；在進行信息傳輸之前以及傳輸信息之后，聲波源傳送固定的報頭，以方便分布式光纖聲波通信主機判斷信息的起止。
3.如權利要求1所述的一種分布式光纖聲波通信方法，其特征在于所述步驟3中，分布式光纖聲波通信主機重復收集散射回的瑞利散射光，實時得到每個發(fā)射周期探測得到的瑞利散射光的相位；將每個散射周期內瑞利散射光以固定間隔進行重采樣，并根據光時域反射儀的原理，將瑞利散射光的相位變化與聲波通信光纜的空間位置相對應，還原出聲波光纜上每個位置處的動態(tài)應變信息；該動態(tài)應變信息是與聲波線性對應的；隨后對每個位置處的原始的相位信息進行去噪處理，以減少光學信號噪聲以及環(huán)境噪聲對聲音信息的影響；將每個位置處的實時動態(tài)應變信息進行掃描，對已經發(fā)送開始標識報頭的位置持續(xù)信息接收或者停止接收；若聲波為數字聲波信號，則根據其調制格式，進行對應的解調。
4.一種采用分布式光纖聲波通信方法的裝置，該裝置包括:聲波發(fā)射器、分布式光纖聲波通信主機、聲波通信光纜； 所述聲波發(fā)射器用于發(fā)射聲波信號，如果其發(fā)射數字信號聲波，它包括了數字信號發(fā)生器，調制器，以及壓電裝置，數字信號發(fā)生器將產生的數字信號經過調制器進行調制產生載波信號，然后載波信號驅動壓電裝置產生數字聲波； 所述分布式聲波通信系統(tǒng)主機包括:激光器、光調制器、環(huán)形器、光相位解調器、信息處理器。
5.如權利要求書4所述的一種采用分布式光纖聲波通信方法的裝置，其特征在于所述激光器用于發(fā)射連續(xù)光，輸出給光調制器；其中激光器為窄線寬激光器，輸出功率根據光纖的長度不同而進行大范圍調節(jié)； 所述光調制器用于將所述連續(xù)光調制成脈沖光信號，作為探測光脈沖；其中光調制器應為尚消光比光調制器； 所述環(huán)形器用于將脈沖光注入到光纜，脈沖光在光纜中發(fā)生瑞利散射，并接收光纜中反射回的相干光，輸出給光電探測器； 所述光相位解調器用于將所述瑞利散射相干光轉化為電信號，然后對電信號進行數字信號處理，進而得到瑞利散射相干光的實時相位，并對原始的相位信息進行去噪處理；所述的信息處理器用于處理跟蹤每個位置處的聲波信息的開始、結束標識，并對發(fā)送的信息進行處理；如果是數字聲波通信方式，則需要首先對接收到的聲波信號進行數字解調，得到數字信號。
6.如權利要求書4所述的一種采用分布式光纖聲波通信方法的裝置，其特征在于所述光纜內的光纖為單模光纖，并根據需要，對光纜進行聲波增敏處理，使其接收聲波信號的能力增強。
【文檔編號】H04B10/2537GK104467984SQ201410753163
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月10日 優(yōu)先權日:2014年12月10日
【發(fā)明者】彭飛, 饒云江, 王子南 申請人:電子科技大學