宽谱后向散射光干涉光纤声波传感技术研究

余云飞

(芜湖职业技术学院 电气工程学院，安徽 芜湖 241006)

引 言

分布式光纤声波传感[1-3]具有结构简单、探测距离长、不受电磁干扰等优点，已成为近年来光纤传感领域的研究热点。分布式光纤声波传感是国防、地震、石油、电力等领域迫切需求的技术，可用来实现海防边界水下声呐探测、电缆故障放电声呐探测、地震波探测、石油勘探振动波探测等。声波也是一种振动波，分布式光纤声波传感可借鉴分布式光纤振动传感技术方案，主要是通过激光在光纤中干涉原理实现对声波信号的探测。

近年来，基于激光干涉原理的分布式光纤声波传感技术,主要是基于光纤马赫曾德干涉[4-7]、萨格纳克干涉[8-10]或相位敏感光时域反射[11]等原理实现声波信号探测。

国内外已有多家机构开展了基于马赫曾德干涉原理的分布式光纤声波传感技术研究工作，如光子晶体光纤马赫增德干涉仪低频声波信号探测研究[12]，双马赫增德干涉仪水声探测中光学路径补偿方法研究[13]，三光纤马赫增德干涉仪声波探测定位技术研究等[14]。基于萨格纳克干涉原理的分布式光纤声波传感器[15-16]的研究工作主要从以下几个方面开展：高灵敏度Sagnac干涉型光纤声波传感技术研究[17]，Sagnac干涉型光纤声波传感定位技术研究[18]，Sagnac干涉型光纤声波传感信号降噪技术研究[19]等。

基于激光干涉原理的分布式光纤声波传感实现了声波信号的长距离、高灵敏度探测，但它无法对声波信号进行定位。随后，有学者在Sagnac干涉仪和马赫增德干涉仪的基础上增加信号定位算法对声波信号进行定位[20]。但这种定位方法受声波信号信噪比和带宽影响较大，导致声波信号定位不准确，定位误差在几十米到数百米。

基于相位性感光时域反射原理的声波传感技术,通过光纤中瑞利后向散射光在同一脉冲内相位干涉实现对声波信号探测[21-22]，通过光时域反射技术对声波信号进行定位。该系统需要使用窄线宽激光器，系统结构复杂、成本较高，且周围环境复杂时现场应用容易造成定位不准确。

1 系统设计及原理

1.1 系统设计

如图1所示,采用宽谱激光器发出连续脉冲光信号，经光纤放大器(EDFA)放大后通过环形器经由干涉单元中的耦合器按照等比例注入到传感光纤和参考光纤中。传感光纤和参考光纤中返回的宽谱后向散射光信号进入干涉单元在耦合器处产生干涉，并经环形器的返回端输入到光电探测器中转换成模拟电信号。模拟电信号由采集卡(DAQ)转换成数字信号后输送到计算机中进行处理。当传感单元受声波信号影响时，光信号相位会发生变化，导致干涉后的光强度发生变化，从而解调出声波信号。

图1 基于后向散射光干涉原理的光纤声波传感系统结构图

1.2 声波信号解调原理

光波的频率很高，通常在1014Hz量级，很难直接测量光波的相位变化。光电探测器只能探测到光强度的变化。因此，我们需要将光波相位变化信息转换成光强度变化量，再通过探测器进行探测,最终根据光强间接解调出声波信息。

如图1所示，环形器输出的光信号被耦合器等分成两份，分别注入到传感光纤和参考光纤中。传感光纤和参考光纤中产生的后向散射光强分别为I1(x)和I2(x)，两路后向散射光信号在返回耦合器时发生干涉，根据光波的干涉公式[23]，可得

(1)

式中，I1(x)、I2(x)为两路后向散射光信号强度随距离x变化函数，φs(t)表示两路后向散射光信号对应位置相位差(Δφ1-Δφ2)，φ0为两路光的初始相位差。

根据式(1)即可计算出作用在光纤传感单元上的声波信号的强度变化量。

1.3 信号定位原理

声波信号的定位是通过光时域反射(OTDR)原理实现的[24]。如图2所示，光源(Laser)向传感光纤中注入脉冲光信号，脉冲信号在声波传感单元处产生后向散射，后向散射光携带声波变化信息。通过计算发出脉冲到收到携带声波变化信息的后向散射信号所经过的时间Δt就可以计算出声波信号的位置。

图2 OTDR定位原理图

设c为真空中光速，n为光纤的纤芯折射率，则声波信号距离脉冲发出点的距离d为

Agilent 1290 InfinityⅡ超高效液相质谱仪；Agilent 6470 Triple Quad LC/MS串联四极杆液质联用仪（安捷伦科技（中国）有限公司）；XS205DU电子天平（梅特勒-特利多电子有限公司）。

(2)

根据式(2)可知，只要测得Δt，即可实现对声波信号的定位。根据上述分析，散射曲线在未受到外界扰动时是稳定的。当光纤某位置处受到声波作用时，对应位置的散射曲线的相位发生变化，干涉后输出信号强度也会随之变化。

常规的定位算法是通过光时域反射原理对声波信号进行定位。当外界环境复杂时，噪声信号容易导致定位不准确。为了提高系统定位准确性，本文设计了一种分布式光纤声波信号的多重差值定位算法。具体算法如下：

采集L条后向散射曲线，记作x={x1,x2,x3,…,xL}。

首先，对这L条后向散射曲线间隔m条做移动差值处理，获得J条移动差值曲线，J=L-m。

Δx=xi+m-xii∈(1,J)

(3)

其次，将每条差值曲线差值中的Q个数据点,记作Δxi={yi,1,yi,2,yi,3,…,yi,Q}，i∈(1,J)。每次步进n条曲线，依次从J条后向散射曲线中取N条计算时域方差，得到K条方差曲线,K=J/n。

(4)

其中，k∈(1,K)，yave,Q表示第Q个点处的N条曲线的平均值。

然后，将K条方差后向散射曲线做累加平均，得到最终的方差平均值曲线如下：

(5)

最后，检索累加平均后曲线X中的峰值，再根据式(2)计算得到对应光纤上的声波信号位置。

2 实验研究及数据分析

2.1 实验装置及参数设置

实验装置结构如图3所示。采用中心波长为1550nm的宽谱激光器作为光源，光脉冲宽度100ns，光脉冲重复频率为8kHz。传感光纤总长度6.5km，光纤型号为G652单模光纤。声波传感单元为均匀缠绕10米单模光纤的塑料圆柱体，圆柱体直径10cm，声波传感单元距离光纤始端的距离为1550米。数据采集卡的采样率为100MHz，对应1m的空间采样间隔。

图3 实验装置结构图

实验时，采用标准语音信号(从TIMIT标准数据库中下载)作为声波源。使用扬声器在传感单元处播放标准语音信号,光纤声波传感装置连续采集12700条后向散射曲线数据。

2.2 声波信号定位实验

对光纤声波传感装置采集到的12700条原始宽谱后向散射数据进行定位计算并分析。首先，对宽谱后向散射进行移动差值处理，获得差值曲线集。然后，对差值曲线集进行时域方差处理，并将方差曲线集进行累加平均处理。最后，检索累加平均处理后的方差曲线的峰值，并根据方差曲线峰值位置计算并对声波信号进行定位，如图4所示。

图4 声波信号定位数据图

如图4所示，左图为系统定位曲线，右图为左图有声波信号位置的局部放大。结果显示，系统计算出来的声波信号位置为1540m。传感单元设置在光纤的1550m处，该误差主要受系统的空间分辨率影响。本系统光源输出的光脉冲宽度为100ns，对应的空间分辨率为10m，这就造成了声波信号的定位误差为10m。

2.3 语音探测实验及数据分析

将光纤声波传感装置采集的12700条原始数据进行矩阵排列，截取声波信号位置前后10个数据点并做累加平均处理。将累加平均处理后的声波传感数据进行滑动相减处理，获得光纤声波传感信号曲线。然后，将光纤声波传感装置采集到的声波信号与标准语音信号进行对比分析，判断该声波传感装置的性能。图5和图6分别为标准语音信号及本装置采集到的声波信号的时域波形和频谱图。

图5 标准语音信号时域波形和频谱图

图6 光纤语音信号时域波形和频谱图

从图5和图6可得，光纤声波传感装置采集到的信号与标准语音信号很相似，但仍然含有噪声信号。通过对标准语音信号和光纤语音信号进行频谱分析得知，噪声信号主要集中在200Hz以下和2200Hz以上的频段，噪声主要来自于环境噪声和系统噪声，通过带通滤波处理可滤除这两部分噪声信号。

将处理后的光纤声波信号与标准语音信号进行对比分析，如图7和图8所示。

图7 标准语音信号时域波形

图8 光纤语音信号时域波形

图7和图8分别为标准语音信号和光纤语音信号时域波形图，从图中可知，光纤声波传感装置采集到的声波信号和标准语音信号非常接近，虽然部分位置信号强度偏低，但语音信号仍然能很好地还原。

图9和图10分别为标准语音信号和光纤语音信号频谱图。通过对比分析可得，光纤声波传感装置采集到的语音信号与标准语音信号频谱图比较相近。虽然在部分频段信号强度稍低，但语音质量基本不受影响，能够较好地还原。

图9 标准语音信号频谱图

图10 光纤语音信号频谱图

图11和图12分别为标准语音信号和光纤语音信号时频图谱。从图中可知，光纤声波传感装置能很好地探测并还原高强度语音信号。即便含有一定的低强度噪声信号，也对语音信号的还原质量影响不大,总体能够很好地还原。

图11 标准语音信号时频图谱

图12 光纤语音信号时频图谱

3 结束语

本文设计了一种基于宽谱后向散射光干涉原理的光纤声波传感装置，通过传感光纤与参考光纤中的宽谱后向散射光干涉实现对声波信号传感。使用标准语音信号作为声波源，采集12700条干涉后的后向散射信号，提取声波信号并对声波进行时域、频域和时频分析处理。通过与标准语音信号进行对比分析得知，光纤采集的语音信号即便含有一定的低强度噪声，语音信号也能够很好地还原。设计采用多重差值定位算法对声波信号进行定位分析，系统定位误差较小，能够较准确定位声波信号。实验结果表明，该光纤声波传感装置能够很好地探测标准语音信号，并且能够对声波信号进行定位。该方法可应用于水下声呐探测、电缆故障放电探测等场所，实现对声波信号进行探测和精确定位。