[发明专利]基于多模光纤的高信噪比声传感器

说明书

本发明公开了一种基于多模光纤的高信噪比声传感器，包括：光源部分、调制部分、模式多路复用/解复用部分、参考光部分、检测部分、数据采集部分、传感部分。光源部分、调制部分、模式多路复用/解复用部分、传感部分依次相连，光源部分通过参考光部分的第一光纤耦合器分出参考光，检测部分将模式多路复用/解复用部分输出的信号与参考光进行拍频，输出信号连接进入数据采集部分。本发明将传感光纤由单模光纤更改为多模光纤，利用多模光纤中的多个模式对外界声波/振动信息进行感知，然后在探测端或信号端进行解复用，并将N个模式探测到的信号进行合并叠加，通过分集后平均，可降低底噪，提高系统信噪比，进而提升系统的灵敏度和应变分辨率。

技术领域

本发明涉及高信噪比的声传感器领域，特别是一种基于多模光纤的高信噪比声传感器。

背景技术

分布式光纤声传感技术是利用作用在传感光纤上的声波信号导致后向瑞利散射光的相位变化来实现声波信号的分布式探测的。近年来，随着分布式光纤传感技术的迅速发展，光纤分布式声波检测也成为光纤传感领域的一个热点研究方向。相位敏感光时域反射计作为其中最具代表性的一类光纤分布式声传感技术，可实现对光纤链路振动与声波的分布式、长距离和实时定量检测。目前基于相位敏感光时域反射计的光纤分布式声传感技术已经应用到很多领域，它在传感探测器距离、事件精确定位、重大基础设施的安防监测、油气资源勘探等方面具有无可替代的优势，是近年来国内外重点发展的战略性高技术。但是，当前声传感技术的灵敏度和信噪比受限，与传统点式或干涉仪型传感器相比还有一定差距，无法满足微弱声信号检测等应用需求。因此，提高光纤传感系统的灵敏度和信噪比是当务之急。

自从1993年H.F.Taylor提出相位敏感光时域反射计(Phase sensitive opticaltime domain reflectometry,以下简称Phase-OTDR)以来，大大提高了光纤传感的灵敏度【美国专利US5194847】。

Robert M.Payton等提出在Phase-OTDR中应用伪随机序列对连续探测光进行相位调制，并在接收端进行相关运算，解调出相位信息，提高了系统的灵敏度和信噪比【美国专利US7268863】。

Bao Xiaoyi等人提出通过非线性光学环型镜或调制器级联的方式，提升了消光比进而提高了系统的信噪比【Ren,M.Q.,et al.(2016).Influence of finite extinctionratio on performance of phase-sensitive optical time-domain reflectometry.Optics Express 24(12):13325-13333.】

但是，由于Phase-OTDR系统中利用的是瑞利散射光进行传感，受限于光纤中的非线性效应，瑞利散射光的幅度弱，功率受限，导致相位噪声项很大，对于提高系统的信噪比和应变分辨率有很大限制。此外，由于外界温度变化引起光纤链路上折射率的随机分布，导致瑞利噪声的的随机分布无法消除，是系统的本征噪声。

目前提出的有基于频率分集的方法，通过传输许多不同的频率，由于不同脉冲频率的衰落位置不同，将得到的不同频率的背散射信号结合起来，可以减小衰落的影响，降低系统整体噪声并提高信噪比。【Chen,D.A.,et al.(2017).Phase-detection distributedfiber-optic vibration sensor without fading-noise based on time-gated digitalOFDR.Optics Express 25(7):8315-8325.】，但频率分集的数目受系统带宽限制，难以做到大规模复用。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于多模光纤的高信噪比的声传感器，以期突破目前基于Phase-OTDR的声传感技术，由于单模光纤面临的由瑞利散射幅度过低和瑞利噪声的统计随机分布而导致的灵敏度受限问题，无法满足微弱声信号检测的应用需求。