自適應增益均衡型分布式光纖傳感光信號接收方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明是一種自適應增益均衡型分布式光纖傳感光信號接收方法和裝置，設及光 纖測量技術領域W及信號處理領域。
【背景技術】
[0002] 分布式光纖傳感是利用光纖的一維空間連續特性進行傳感的技術。光纖既作傳感 元件，又作傳輸元件，可W在整個光纖長度上對沿光纖分布的環境參數進行連續測量，同時 獲得被測量的空間分布狀態和隨時間變化的信息。由于在光纖中傳播的光的相位、強度、及 偏振態會受到光纖周圍的物理場，比如，溫度、壓力、振動等的影響，通過檢測光的參數，可 W還原出該些物理量。該技術在周界安防、航空航天、船舶工業、電力工業、石油化工業和醫 學等各個領域都有廣泛的應用和廣闊的前景。
[0003] 分布式光纖傳感技術需要對微弱的背向散射光信號進行接收和處理。傳統的處理 方法要么傳感探測距離長，可達幾十公里，但是空間分辨率較低；要么空間分辨率較高，可 達5?10米，但傳感探測范圍僅1?2公里。造成該個問題的原因是因為激光在光線中傳 輸，其強度隨著距離成指數衰減，距離越長，光也越弱。而背向散射光又比正向傳輸的光要 小得多，導致在接收端接收到的光能量很小。為了增強激光脈沖的能量，可W增加它的脈 寬，但是該樣就犧牲了分辨率和靈敏度。
[0004] 為了解決該個問題，提高分布式光纖傳感的探測距離和靈敏度，業內有的采用時 間增益控制（TGC)的方法（如《CN200810024484. 8寬域全光纖擾動定位信號時間增益控制 裝置》），讓光接收機的增益隨著時間的增加而指數增大，從而實現對呈指數衰減的背向散 射光的均衡放大；有的采用將信號強度跟預設闊值比較，信號過強則減小放大倍數，信號過 小則增大放大倍數的自動增益控制方法（如《CN201110286454. 6寬域全光纖傳感系統連續 波自適應大動態范圍信號處理方法》）。
[0005] 但是該些方法沒有對光電轉換器件輸出信號的直流偏置進行消除。不消除直流偏 置就進行時間增益控制，會使直流電壓也被指數放大，導致后級運算放大器或模數轉換器 飽和，光傳感信息被淹沒。不消除直流偏置就進行自動增益控制，會導致直流偏置電壓也被 計入信號強度，使增益控制不正確，損失動態范圍。另外，該些方法沒有考慮到系統實際工 作，光纖上的背向散射光是被周圍環境狀況所調制的，并不是干凈的指數衰減的信號，而是 指數衰減信號和擾動信號的疊加。為了增益均衡，需要對指數衰減信號的數學參數進行提 取。只有在沒有擾動信號的前提下，數學參數的提取才是準確的。該些方法并沒有考慮到 擾動信號對增益均衡控制的影響。
【發明內容】
[0006] 技術問題；本發明提供一種可自動適應不同類型的光纖及激光器，具有擾動判別 功能，消除傳感信息對系統參數控制的影響，可W消除前置放大器輸出的固有偏置并可補 償它的緩慢漂移的自適應增益均衡型分布式光纖傳感光信號接收方法。本發明同時提供一 種實現上述方法的自適應增益均衡型分布式光纖傳感光信號接收裝置。本發明實現分布式 光纖傳感系統的增益自動均衡功能，拓展了系統的空間動態范圍，保證了靈敏度在空間范 圍上的均勻性，同時具有高適應性和穩定性。
[0007] 技術方案；本發明的自適應增益均衡型分布式光纖傳感光信號接收方法，包括W 下步驟：
[000引 1)前置放大器放大原始光電信號后輸出形如下式的電信號Fi(t):
[0009]
【主權項】
1. 一種自適應增益均衡型分布式光纖傳感光信號接收方法，其特征在于，該方法包括 W下步驟： 1) 前置放大器（1)放大原始光電信號后輸出形如下式的電信號Fi(t):
其中，指數部分為無擾動時背向散射光本身的衰減信號，。為直流偏置電壓， Di(t)為擾動疊加信號，i是激光脈沖發送周期的序號，t是激光脈沖發送周期內的計時，Ai 為接收到的光信號的初始強度，Bi為光纖指數衰減因子，Ai和Bi的大小與光纖的型號、激光 的波長和功率有關； 2) 將所述電信號Fi(t)輸入至主放大器（2)，得到放大信號Gi(t)為：
其中，k為主放大器放大倍數； 3) 將所述放大信號Gi(t)同時輸入第一模數轉換器（3)和減法器（7)的同相輸入端 (701)，并將偏置校正信號C' i輸入減法器（7)的反相輸入端（702)，根據下式得到減法器 (7)輸出信號Ii(t):
其中，所述偏置校正信號C' i是由比例積分（PI)控制器（11)通過第一數模轉換器 (13)輸出的； 4) 將所述減法器（7)輸出信號輸入增益可控運算放大器巧）的信號輸入端，同時將參 數提取模塊（5)提取到的光信號的初始強度A' i和光纖指數衰減因子B' i經處理后輸入 增益可控運算放大器巧）的增益控制電壓輸入端，然后將增益可控運算放大器巧）的輸出 經（9)模數轉換后輸出信號Ji(t):
其中
I A' i是參數提取模塊（5)提取到的光信號的初始強度， B' i是參數提取模塊（5)提取到的光纖指數衰減因子，g為增益可控運算放大器在控制電 壓為0時的增益。
2. 根據權利要求1所述的自適應增益均衡型分布式光纖傳感光信號接收方法，其特征 在于，所述步驟3)中的偏置校正信號C' i根據W下方法確定： 31)第二模數轉換器（9)將采集到的上一周期的增益可控運算放大器巧）的輸出信號 Jh a)送至偏置提取模塊（10)和擾動判別模塊（12);擾動判別模塊（12)根據W下規則判 斷信號Jw(t)中是否存在擾動信息： 如果存在tG (0，T)，使得則信號Jy(t)中存在擾動信息，否則不存在擾 動信息； 其中T是激光脈沖發送周期；
同時規定當信號Jh a)中存在擾動信息時擾動判別模塊（12)輸出0,不存在擾動信息 時擾動判別模塊（12)輸出1，即擾動判別模塊輸出信號由下式確定：
其中e為擾動判別闊值； 32) 將上一周期的增益可控運算放大器輸出信號和本周期的擾動判別模塊輸 出信號Ky輸入至偏置提取模塊（10)，在Ky= 1時，偏置提取模塊的輸出C" i由下式確 定：
其中T為激光脈沖的周期； 在Kh= 0時，則直接將上一個激光脈沖周期中偏置提取模塊的輸出作為本周期偏置 提取模塊的輸出，即C" i=C" 33) 將所述偏置提取模塊的輸出C" i輸至PI控制器（11)，PI控制器（11)通過第一 數模轉換器（13)輸出信號C' 1，即有： C' i=KpC"片1 其中Kp為比例系數，I 1= K iTC"片1_1，K巧積分系數，i = 1時，I。= 0。
3.根據權利要求1或2所述的自適應增益均衡型分布式光纖傳感光信號接收方法，其 特征在于，所述步驟4)中光信號的初始強度A' i和光纖指數衰減因子B' i根據如下方法 提取： 數據平均模塊（4)根據第一模數轉換器（3)輸出的數字信號，在擾動判別模塊（12)的 調控下對當前激光脈沖周期之前的共N個激光脈沖周期中第一模數轉換器（3)采集到的主 放大器似的輸出信號取平均，輸出信號Li(t)為：
其中，j是從i-N至Ij i-1的求和序數； 將信號Li(t)輸入至參數提取模塊巧），參數提取模塊（5)通過下式提取得到參數：
所述步驟4)中對光信號的初始強度A' i和光纖指數衰減因子B' i的進行如下處理 后再輸入增益可控運算放大器巧）的增益控制電壓輸入端： 增益控制曲線發生器（6)根據輸入的所述光信號的初始強度A' i和光纖指數衰減因 子B' 1，根據下式確定增益控制電壓Ui(t);
其中1為增益可控運算放大器的增益比例系數； 最后將所述增益控制電壓Ui(t)進行數模轉換。
4. 根據權利要求3所述的自適應增益均衡型分布式光纖傳感光信號接收方法，其特征 在于，若擾動判別模塊（12)的輸出為1，則數據平均模塊（4)計算輸出信號Li(t)時，將主 放大器似的本周期放大信號Gi(t)也納入取平均的范圍，若擾動判別模塊的輸出為 0,則舍棄主放大器（2)的本周期放大信號Gi(t)，數據平均模塊（4)的輸出保持不變。
5. -種自適應增益均衡型分布式光纖傳感光信號接收裝置，其特征在于，該裝置包括 前置放大器（1)、主放大器（2)、第一模數轉換器（3)、數據平均模塊（4)、參數提取模塊巧）、 增益控制曲線發生器化）、減法器（7)、增益可控運算放大器巧）、第二模數轉換器巧）、擾動 判別模塊（12)、偏置提取模塊（10)、比例積分控制器（11)、第一數模轉換器（13)、第二數模 轉換器（14); 所述前置放大器（1)的輸出接口與主放大器（2)的輸入接口連接，主放大器（2)的輸 出接口同時與第一模數轉換器（3)的輸入接口和減法器（7)的同相輸入端口連接，減法器 (7)的輸出接口與增益可控運算放大器巧）的信號輸入接口連接， 所述第一模數轉換器（3)的輸出接口與數據平均模塊（4)的數據輸入接口（401)連 接，所述數據平均模塊（4)的輸出接口與參數提取模塊（5)的輸入接口連接，所述參數提取 模塊巧）的輸出接口與增益控制曲線發生器化）的輸入接口連接，所述增益控制曲線發生 器化）的輸出接口與第二數模轉換器（14)的輸入接口連接，所述第二數模轉換器（14)的 輸出接口與增益可控運算放大器巧）的增益控制接口相連，所述增益可控運算放大器巧） 的輸出接口與第二模數轉換器巧）的輸入接口連接； 所述第二模數轉換器巧）的輸出接口同時與擾動判別模塊（12)的輸入接口和偏置提 取模塊（10)的數據輸入接口連接，所述擾動判別模塊（12)的輸出接口同時與數據平均模 塊（4)的控制接口和偏置提取模塊（10)的控制接口連接，所述偏置提取模塊（10)的輸出 接口與PI控制器（11)的輸入接口相連，所述PI控制器（11)的輸出接口與第一數模轉換 器（13)的輸入接口相連，所述第一數模轉換器（13)的輸出接口與減法器（7)的反相輸入 端相連。
【專利摘要】本發明公開了一種自適應增益均衡型分布式光纖傳感光信號接收方法和裝置，可自動適應不同類型的光纖及激光器，具有擾動判別功能，消除傳感信息對系統參數控制的影響，可以消除前置放大器輸出的固有偏置并可補償它的緩慢漂移，實現分布式光纖傳感系統的增益自動均衡功能，拓展了系統的空間動態范圍，保證了靈敏度在空間范圍上的均勻性，同時具有高適應性和穩定性。
【IPC分類】G01D5-353
【公開號】CN104596558
【申請號】CN201510024489
【發明人】孫小菡, 潘超, 侍海峰, 葉紅亮, 黃新銳, 王廣禎, 王爍, 李明銘, 趙澍慧
【申請人】東南大學
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2015年1月16日