CN101324446B - 一种扰动传感定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扰动传感定位方法，包括：由宽谱光源发出光波；光波经光纤耦合器分光后形成两路光波；两路光波从相反的方向经过由单模光纤、多模光纤、单模光纤连接而成的传感臂，两路光波形成传输方向相反的光波；当多模光纤上存在外界扰动时，各模式的光波受到扰动的调制，模式之间产生耦合，被调制后的光波从多模光纤进入单模光纤时，由于空间滤波的作用，多模光纤中模式的耦合转变为输出光波强度的变化，进而由探测器分别接收两路扰动信号；根据两路扰动信号的时延差，可得到扰动点的位置。本发明提高了两路扰动信号的一致性，从而提高了定位精度，同时还提高了传感的灵敏度。

Description

一种扰动传感定位方法

技术领域

本发明涉及传感技术领域，尤其涉及一种扰动传感定位方法。

背景技术

目前，应用于长距离管道监测和周界报警的安防系统主要包括：微波报警系统、主动红外报警系统、泄露电缆周界报警系统、静电感应周界报警系统以及摄像机视频识别系统等。

但上述传统的周界报警系统应用在边境线或输油管道等长距离条件下的监控时，就会存在很多的问题。例如微波报警系统或主动红外报警系统等监控方式只能适用于视距及平坦区域，受地形的高低、曲折、转弯、折弯等环境因素影响很大，而且它们不适合恶劣气候，易受自然气候影响，准确率也较低。同时由于传感器单元一般是有源的，所以在长距离监测的情况下，难以解决野外供电的问题，传感器单元的寿命也较短，在长时间连续使用的情况下，设备的维护成本也较高。

鉴于上述现状，提出了分布式光纤微扰动传感器，其能测量整个光纤长度上的随时间变化的扰动信息，它具有灵敏度高、检测距离长、抗电磁干扰能力强、安装后易维护等优点，成为长距离管道监测和安全防卫领域最具有应用前景的技术之一。

分布式光纤微振动传感器原理主要有：基于光时域反射(OTDR Optica1Time Domain Reflectometer)型、干涉型和强度调制型等。其中，基于光时域反射计(OTDR)原理的分布式光纤传感器能够测量温度和压力等外界环境的变化，但是它们的响应速度慢，无法完成实时检测与定位；干涉型分布式光纤微扰动传感器(如Sagnac/Mach-Zender，Sagnac/Michelson，Sagnac/Sagnac，Mach-Zender/Mach-Zender)利用干涉的方法测量光纤某个位置所受到的微扰动，但是它容易受到环境因素的影响，产生误报警，稳定性差，而且存在偏振衰落和相位缓变的问题，定位的精度不高。

强度调制型的扰动传感器，利用扰动对光进行调制从而输出光强的变化。如图1所示，相干光源1(窄谱激光器)发出的光先由单模光纤2传输，然后单模光纤2与多模传感光纤3熔接，多模传感光纤3的另一端再与一段单模光纤4熔接，最后由探测器5接收第二段单模光纤输出的光，多模光纤中的各模式间产生模间干涉，干涉光斑受到扰动的影响而变化，从而导致输出光强的变化。利用模间干涉原理的强度调制型扰动传感器，传感灵敏度很高，但是没有定位功能。

再如图2所示，强度调制型扰动传感器，采用相干光源用模间干涉的传感原理进行扰动定位。AE为传感臂，其中BD段为传感光纤，AB和DE段是引导光纤，不具有传感作用。在整个传感臂AE上有两个相反向传输的光，一路光由A顺时针传到E，另一路光由E逆时针传到A。当扰动施加在传感光纤BD段的C点时，扰动信号沿CA、CE两个方向传输，通过计算扰动信号到达A和E处的两个探测器的时间差，就可以计算出扰动的位置。由于利用模间干涉的传感原理，两路传感信号的相似性差，存在定位精度低的缺陷。

发明内容

鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种扰动传感定位方法，其定位精度高。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种扰动传感定位方法，其包括：

由宽谱光源发出光波；

所述光波经第一光纤耦合器分光后形成两路光波；

所述两路光波分别通过与所述第一光纤耦合器光纤连接的第二光纤耦合器及第三光纤耦合器从相反的方向经过连接在所述第二光纤耦合器及第三光纤耦合器之间的传感臂，所述传感臂包括依次连接的单模光纤、多模光纤、单模光纤，进而所述两路光波形成传输方向相反的光波，所述多模光纤是阶跃型多模光纤；

当所述多模光纤上存在外界扰动时，各模式的光波受到扰动的调制，模式之间产生耦合，被调制后的光波从所述多模光纤进入单模光纤时，所述单模光纤截取所述多模光纤端面的一部分光，所述多模光纤中模式的耦合转变为输出光强度的变化，进而由与所述第二光纤耦合器及第三光纤耦合器连接的两个光电探测器接收所述两路传输方向相反的扰动信号；

根据两路扰动信号经两个方向通过所述传感臂到达所述两个光电探测器的时间差，得到扰动点的定位。

其还包括：将所述两路扰动信号进行数字滤波。

其中，将数字滤波后的两路扰动信号送到信号分析系统，所述信号分析系统判断有无扰动发生并计算出两路扰动信号经两个方向到达所述光电探测器的时间差，得到扰动点的定位。

其中，所述第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器为单模光纤耦合器。

其中，所述传感臂至少为一条。

其中，所述传感臂中的多模光纤至少为一段。

其中，各传感臂的多模光纤间交错设置。

其中，各传感臂的多模光纤间并行设置。

其中，各传感臂的多模光纤间交错设置或并行设置。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明的扰动传感定位方法：

1、通过使用宽谱光源，使多模光纤各模式间不发生模间干涉，避免了由模间干涉产生的干涉光斑的影响，而且当多模光纤各个模式的光受到扰动的调制时，模式之间产生功率耦合，利用模式耦合的传感原理，使两路扰动信号更为相似，一致性好，所以提高了定位精度；

2、通过采用数字滤波，在滤除噪声的同时保持两路扰动信号波形的一致性，进一步提高了定位精度；

3、阶跃型多模光纤受到扰动时各模式之间更容易发生耦合，使得传感灵敏度高，而且当光从多模光纤进入单模光纤时，单模光纤截取多模光纤端面的一部分光，利用空间滤波的方法把多模光纤中的模式耦合现象转化为输出光强度的变化，提高了传感灵敏度；

4、扰动传感定位方法广泛适用于长距离管道监测和周界安全防卫等领域。

附图说明

图1为现有技术一的强度调制型的扰动传感器的原理图；

图2为现有技术二的强度调制型的扰动传感器的原理图；

图3为本发明较佳实施例一的光路原理图；

图4为本发明较佳实施例二的光路原理图；

图5为本发明较佳实施例三的光路原理图；

图6为本发明较佳实施例四的光路原理图；

图7为本发明较佳实施例扰动传感定位方法的流程图；

图8为本发明较佳实施例的扰动信号检测原理框图；

图9为本发明较佳实施例中经数字滤波后两路扰动信号的波形图；

图中，标记×表示光纤的熔接点。

具体实施方式

本发明提供一种扰动传感定位方法，其属于强度调制型扰动传感定位原理。本发明通过使用宽谱光源，使多模光纤各模式间不发生模间干涉，并利用模式耦合的传感原理，使两路扰动调制信号的一致性好，提高了定位精度，而且宽谱光源稳定性好，又提高了系统的稳定性；本发明进一步对扰动信号进行数字滤波，使滤波后的扰动信号保持了很好的一致性，更加提高了定位精度；同时，本发明通过采用阶跃型多模光纤，受到扰动时各模式之间更容易发生耦合，使得传感灵敏度高，而且当光从多模光纤进入单模光纤时，单模光纤截取多模光纤端面的一部分光，利用空间滤波的方法把多模光纤中的模式耦合现象转化为输出光强度的变化，提高了传感灵敏度。

实施例一

一种扰动传感定位方法，如图3所示，AE为整个传感臂，多模光纤BD是多模传感光纤，较佳的选择阶跃型多模光纤(即阶跃折射率多模光纤)，阶跃型多模光纤受到扰动时各模式之间更容易发生耦合，使得传感灵敏度较高，其余各段都是单模引导光纤，在实际的施工中需将含多模光纤的那段光缆铺设在所监测的周界上，以敏感扰动信号。

如图3、图7所示，扰动传感定位方法包括以下步骤：

发出光波信号的步骤1：由宽谱光源1发出光波，宽谱光源如ASE光纤光源、LED；

对光波信号分路的步骤2：所述光波经第一光纤耦合器2分光后形成两路光波；

两路光波形成相反方向传输的步骤3：所述两路光波一路经单模光纤FB后进入阶跃型多模光纤BD再进入与光电探测器6连接的单模光纤DE(即图中顺时针箭头方向、FB→BD→DE)，另一路光波经单模光纤FD后进入阶跃型多模光纤BD再进入与光电探测器5连接的单模光纤AB(即图中逆时针箭头方向、FD→DB→BA)，两路光波形成传输方向相反的光波；

扰动发生时的传感定位步骤4：当阶跃型多模光纤BD受到外界扰动时，如扰动点C施加在多模光纤BD上时，各个模式的光受到扰动的调制，模式之间产生功率耦合，当光从多模光纤进入单模光纤时，多模光纤中的模式耦合现象转化为输出光强度的变化，两个光电探测器接收该两路扰动信号，根据两路扰动信号到达两个光电探测器的时间差，可以得到扰动点的定位(具体扰动传感定位原理算法稍后叙述)；

对两路扰动信号进行数字滤波的步骤5：两个光电探测器接收所述两路扰动信号后，进一步可以对所述两路扰动信号进行数字滤波；

如图7、8所示，计算两路扰动信号的时延差的步骤6：在数字滤波的步骤之后，进一步可以将所述两路扰动信号送到信号分析系统，信号分析系统根据扰动传感定位原理，计算出两路扰动信号经两个方向到达所述光电探测器的时间差，得到扰动点的定位。

由上述步骤可知，为了实现两路光波通过依次连接的单模光纤、多模光纤、单模光纤并相反方向传输，设置了与第一光纤耦合器2光纤连接的第二光纤耦合器3、第三光纤耦合器4，并且光电探测器5、光电探测器6分别光纤连接第二光纤耦合器3、第三光纤耦合器4。本实施例中，上述光纤耦合器选用2×2单模光纤耦合器，单模光纤耦合器的单位可以1×2、2×2或者大于2×2，不限于此。

下面具体对上述方法如何实现提高定位精度以及传感灵敏度做出说明：

参见图3，两路光波在单模光纤FB、单模光纤FD中只有一个模式能够传输，该模式的光对外界扰动很不敏感，光的强度不易受到外界应力扰动的影响。当光从单模光纤FB、单模光纤FD进入阶跃型多模光纤BD时，可以激励起多个模式的光在阶跃型多模光纤BD中传输。由于宽谱光的相干长度很短，阶跃型多模光纤中各模式的光不会发生模间干涉，避免了由模间干涉产生的干涉光斑的影响，使两路扰动信号的一致性好，可以提高定位精度。

当阶跃型多模光纤BD受到外界扰动时，如扰动点C施加在阶跃型多模光纤BD上时，各个模式的光更容易受到扰动的调制，模式之间产生功率耦合，只有非常少的一部分光会泄露出光纤，产生功率的损失，这部分损失是非常小的，可以忽略不计。各模式的光虽然发生了功率耦合，但仍然在光纤中传输，此时多模光纤端面的功率分布会发生变化，但是总功率不变。两路相反方向传输的光受到的扰动相同，所产生的模式耦合作用相同，所以得到的两路调制信号的一致性很好，可以提高定位精度和可靠性。

当光从阶跃型多模光纤BD进入单模光纤AB、DE时，单模光纤截取多模光纤端面的一部分光，由于多模光纤的纤芯截面积比单模光纤的纤芯截面积要大很多，当多模光纤和单模光纤连接时，只有一部分光能够进入单模光纤继续传输，类似于一个不透光的屏，中间开一个小孔，光照在屏上时只有照到小孔上的光能够透过屏传输，起到了空间滤波的作用。利用空间滤波的方法把多模光纤中的模式耦合现象转化为输出光强度的变化，提高了传感灵敏度。

具体而言参见图3，在阶跃型多模光纤BD上的C点施加扰动后，扰动信号一路传输方向为阶跃型多模光纤BC→单模光纤AB，进而由光电探测器5接收该路扰动信号(即图中逆时针箭头方向、CB→BA)；另一路传输方向为阶跃型多模光纤CD→单模光纤DE，由光电探测器6接收该路扰动信号(即图中顺时针箭头方向、CD→DE)。通过使用宽谱光源和阶跃型多模光纤，利用模式耦合及空间滤波的原理，两路扰动调制信号的一致性好，提高了定位精度及传感灵敏度。

光电探测器5、光电探测器6接收到扰动信号，扰动信号分别经放大处理后，经A/D转换器转换为数字信号，然后分别进行数字滤波处理，最后送到信号分析系统进行扰动的判断和定位计算，信号分析系统包括判断扰动信号的有无和定位计算。

两路扰动信号的相似性决定了定位精度，很难做到使两路模拟滤波器的一致性非常好，而数字滤波器可以做到完全相同的滤波效果，所以在A/D转换后采用数字滤波器，对信号进行滤波处理。如图9所示，通过采用数字滤波器，使滤波后的扰动信号保持了很好的一致性，进一步提高了定位精度。

下面简要介绍一下扰动传感定位原理：

参见图3，AE为整个传感臂，AB、DE为单模光纤，BD为多模光纤。当在C点存在扰动时，扰动信号经两个方向到达光电探测器5、光电探测器6的时间差为：

$\mathrm{\Δt}=\frac{(\mathrm{CD}+\mathrm{DE})-(\mathrm{BC}+\mathrm{AB})}{v}---\left(1\right)$

$=\frac{\mathrm{AE}-\mathrm{AB}-\mathrm{BC}-\mathrm{DE}+\mathrm{DE}-\mathrm{BC}-\mathrm{AB}}{v}---\left(2\right)$

$=\frac{\mathrm{AE}-2(\mathrm{AB}+\mathrm{BC})}{v}---\left(3\right)$

由(3)式得C点距A的距离为

$\mathrm{AC}=\mathrm{AB}+\mathrm{BC}=\frac{\mathrm{AE}-\mathrm{v\Δt}}{2}$

其中v是光在光纤中的传播速度。根据光电探测器光5、电探测器6接收到的两路扰动信号的时延差Δt，就可得到扰动点C的位置。

实施例二

一种扰动传感定位方法，如图4所示，传感臂的多模传感光纤为三段，各段之间用单模光纤连接，这样可以避开一些不需要进行传感的区域，分段布置在监测的周界上，其传感原理和定位原理都不变，在此不作赘述。

另外，当多个不同位置的扰动同时发生在多模光纤上，经过相应的定位算法可以算出同时发生的多个扰动的不同位置，在此不作具体说明。

实施例三

一种扰动传感定位方法，如图5所示，传感臂为两条，利用2×2单模光纤耦合器3、2×2单模光纤耦合器4实现两条传感臂并联连接，各传感臂包括依次连接的单模光纤、多模光纤、单模光纤，而且两条传感臂中的多模光纤并行设置。当多模光纤上有扰动发生时，两段多模光纤中的扰动传感信号在光纤耦合器3、光纤耦合器4中叠加，光电探测器5、光电探测器6接收到的是两段多模光纤中扰动传感信号的和，传感原理和定位原理都不变，在此不作赘述。

具体应用中，可以将两条传感臂的两段多模光纤并行置于同一根传感光缆中，两条传感臂同时敏感扰动信号，可以提高传感的灵敏度，并且使用了光纤耦合器3、光纤耦合器4在实施例一、二中空出的光纤输出端，提高了光源能量的利用率。

实施例四

一种扰动传感定位方法，如图6所示，传感臂为两条，利用2×2单模光纤耦合器3、2×2单模光纤耦合器4实现两条传感臂并联连接，各传感臂包括依次连接的单模光纤、多模光纤、单模光纤，而且两条传感臂中的多模光纤错位设置。当多模光纤上有扰动发生时，两段多模光纤中的扰动传感信号在光纤耦合器3、光纤耦合器4中叠加，光电探测器5、光电探测器6接收到的是两段多模光纤中扰动传感信号的和，传感原理和定位原理都不变，在此不作赘述。

具体应用中，可以将两条传感臂的两段多模光纤错位布置于同一根传感光缆中，各传感臂中多模光纤相互错位布置实际相当于增大了最大传感距离。

由上述实施例可以知道：传感臂中的多模光纤可以为一段及一段以上，鉴于多模传感光纤分段越多，则光的损耗越大，较佳地多模传感光纤为2、3段；而且，传感臂可以为两条以上，布置于同一根传感光缆中，各条传感臂中的多模光纤可以并行或交错布置，提高传感的灵敏度，增大传感距离。

以下以为具体试验实例：

光源采用宽谱光源，光源波长为1550nm，使多模光纤的传输损耗降到1dB/km以内，单模光纤损耗在0.2dB/km以内；多模光纤采用芯径为40um的阶跃型多模光纤，使对扰动的传感灵敏度比较高。通过对信号的分析计算，得到定位精度可以达到±50米。

综上，本发明的扰动传感定位方法：

1、通过使用宽谱光源，使多模光纤各模式间不发生模间干涉，两路扰动信号一致性好，而且当多模光纤各个模式的光受到扰动的调制时，模式之间产生功率耦合，利用模式耦合的传感原理，两路扰动信号更为相似，一致性好，所以提高了定位精度；

2、通过采用数字滤波，在滤除噪声的同时保持两路扰动信号波形的一致性，进一步提高了定位精度；

3、阶跃型多模光纤受到扰动时各模式之间更容易发生耦合，使得传感灵敏度高，当光从多模光纤进入单模光纤时，单模光纤截取多模光纤端面的一部分光，利用空间滤波的方法把多模光纤中的模式耦合现象转化为输出光强度的变化，提高了传感灵敏度；

4、宽谱光源价格较低，降低了成本，而且宽谱光源比窄谱光源的稳定性好，提高了传感定位的稳定性；

5、扰动传感定位方法广泛适用于长距离管道监测和周界安全防卫等领域。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种扰动传感定位方法，其特征在于，其包括：

由宽谱光源发出光波；

所述光波经第一光纤耦合器分光后形成两路光波；

所述两路光波分别通过与所述第一光纤耦合器光纤连接的第二光纤耦合器及第三光纤耦合器从相反的方向经过连接在所述第二光纤耦合器及第三光纤耦合器之间的传感臂，所述传感臂包括依次连接的单模光纤、多模光纤、单模光纤，进而所述两路光波形成传输方向相反的光波，所述多模光纤是阶跃型多模光纤；

当所述多模光纤上存在外界扰动时，各模式的光波受到扰动的调制，模式之间产生耦合，被调制后的光波从所述多模光纤进入单模光纤时，所述单模光纤截取所述多模光纤端面的一部分光，所述多模光纤中模式的耦合转变为输出光强度的变化，进而由与所述第二光纤耦合器及第三光纤耦合器连接的两个光电探测器接收两路传输方向相反的扰动信号；

根据两路扰动信号经两个方向通过所述传感臂到达所述两个光电探测器的时间差，得到扰动点的定位。

2.根据权利要求1所述的扰动传感定位方法，其特征在于，其还包括：将所述两路传输方向相反的扰动信号进行数字滤波。

3.根据权利要求2所述的扰动传感定位方法，其特征在于，将数字滤波后的两路扰动信号送到信号分析系统，所述信号分析系统判断有无扰动发生并计算出两路扰动信号经两个方向到达所述两个光电探测器的时间差，得到扰动点的定位。

4.根据权利要求1、2或3所述的扰动传感定位方法，其特征在于，所述第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器为单模光纤耦合器。

5.根据权利要求1、2或3所述的扰动传感定位方法，其特征在于，所述传感臂至少为一条。

6.根据权利要求1、2或3所述的扰动传感定位方法，其特征在于，所述传感臂至少为一条，所述传感臂中的多模光纤至少为一段。

7.根据权利要求5所述的扰动传感定位方法，其特征在于，所述传感臂为多条时，各传感臂的多模光纤间交错设置。

8.根据权利要求5所述的扰动传感定位方法，其特征在于，所述传感臂为多条时，各传感臂的多模光纤间并行设置。

9.根据权利要求6所述的扰动传感定位方法，其特征在于，所述传感臂为多条时，各传感臂的多模光纤间交错设置或并行设置。

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