CN101566497B - 一种基于相位检测和光时域反射的分布式光纤振动传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种基于相位检测和光时域反射的分布式光纤振动传感系统，包括：传感光缆；与所述传感光缆相连接且能形成干涉光信号的远端光模块；激光模块，用于向所述远端光模块提供激光信号；光电转换单元，用于将所形成的干涉光信号转换为电信号；采集器，用于采集所述电信号；控制单元，用于控制所述激光模块，同时还用于向所述采集单元提供时间；数据处理器，用于对采集的电信号和所记录的采集时间进行处理，以确定相应的干涉光信号的相位，并进而确定所述传感光缆所受到的振动及受振之处。本发明的有益效果在于：大幅提高了振动传感系统的灵敏度和定位能力，能够对极微弱的外界振动信号进行检测和定位。

Description

一种基于相位检测和光时域反射的分布式光纤振动传感系统

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，特别涉及一种基于相位检测技术和光时域反射仪技术的分布式光纤振动传感系统。

背景技术

光纤传感已广泛应用于国防及工业各个领域、安防系统及国防边境安全监测中。光纤振动传感系统由于其灵敏度高，不受电磁干扰，成本低等特点，已成为近期研究的热点。

目前已受到广泛研究的分布式光纤振动传感系统分为基于光时域反射仪(OTDR)技术的传感系统和基于相位检测技术的传感系统两种。基于光时域反射仪(OTDR)技术的分布式光纤振动传感系统是利用光波在传感光纤中传输时，会发生拉曼、瑞利和布里渊散射等现象，根据探测背向散射光的强度变化来进行事件的检测。这种技术由于是对瑞利散射光强度进行测量，因此，测量灵敏度比较低，不易于探测小信号振动。

而基于相位检测技术的分布式光纤振动传感系统，一般采用双M-Z光纤干涉仪结构或者Sagnac光纤干涉仪结构，当外界振动信号作用于传感光缆时，由于弹光效应光缆中的光波相位会发生变化，通过对相位信号的检测来判定外界振动信号的发生。这种方案由于采用了相位检测技术，探测灵敏度高，但此方案对于振动事件的定位精度比较低。

因此，如何提供一种高灵敏度、高定位精度的光纤振动传感系统，已成为本技术领域人员需要解决的问题。

发明内容

本发明的所要解决的技术方案是提供一种基于相位检测和光时域反射的分布式光纤振动传感系统，以克服现有技术的不足。

为解决上述技术方案，本发明提供一种基于相位检测和光时域反射的分布式光纤振动传感系统，包括：传感光缆；与所述传感光缆相连接且能形成干涉光信号的远端光模块；激光模块，用于向所述远端光模块提供激光信号，进而使所述激光信号进入所述传输光缆，在所述传输光缆内散射回所述远端光模块的激光信号在所述远端光模块形成干涉光信号；光电转换单元，用于将所形成的干涉光信号转换为电信号；采集器，用于采集所述电信号；控制单元，用于控制所述激光模块，使其在预设时间发出激光，同时还用于向所述采集单元提供时间，以使所述采集模块在采集电信号时记录采集时间；数据处理器，用于对采集的电信号和所记录的采集时间进行处理，以确定相应的干涉光信号的相位，并进而确定所述传感光缆所受到的振动及受振之处。

较佳的，所述数据处理器根据 $L=\frac{1}{2}\·\frac{C}{n}\·t$ 来确定受振之处，其中，L为受振之处距激光信号注入点的距离，C为真空中光速，n为所述传感光缆及所述远端光模块所采用的光纤纤芯的有效折射率，t为探测到的发生相位变化的干涉光信号与相应的激光信号间的时间差。

较佳的，所述远端光模块包括与所述激光模块相连接且用于将所述散射回的激光信号耦合形成干涉光信号的第一耦合器、与所述第一耦合器相连接且用于传输所述激光模块发出的激光信号的延迟光纤和内光纤、以及将所述延迟光纤和内光纤传输至的所述激光模块发出的激光信号进行耦合的第二耦合器，且所述延迟光纤的延迟时间大于所述内光纤。

较佳的，所述控制单元包括控制所述激光模块的同步控制器、及受所述同步控制器控制且与所述采集模块连接的时序控制器。

较佳的，所述数据处理器为FPGA高速数据处理器。

较佳的，所述激光模块包括脉冲激光器、及激光驱动器。

较佳的，所述光电转换单元包括将所转换的电信号进行放大的放大器。

较佳的，处理显示器，所述处理显示器控制数据处理器的启动，并显示所述数据处理器的处理结果。

本发明的有益效果在于：本发明综合了相位检测技术的高灵敏度但空间分辨率低，和光时域反射仪(OTDR)技术空间分辨率(定位)高但灵敏度低特点，大幅提高振动传感系统的灵敏度和定位能力，能够对极微弱的外界振动信号进行检测和定位。

附图说明

图1为本发明提供的基于相位检测和光时域反射的分布式光纤振动传感系统结构框图。

图2为基于相位检测和光时域反射的分布式光纤震动传感系统工作原理示意图。

图3为与激光器、光电转换器及传感光缆连接的远端光模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

请参阅图1，本发明提供的基于相位检测和光时域反射的光纤振动传感系统包括顺次连接的计算机1、数据处理器2、同步控制器3、激光驱动器4、激光器5、远端光模块6、光电转换器7、放大器8及采集器9，还包括与同步控制器3及采集器9连接的时序控制器10、及与远端光模块6连接的传感光缆D，采集器9与数据处理器2连接。其中，计算机1及传感光缆D为外围设备，其他设备封闭在一个箱体内，计算机1通过数据通讯接口和数据处理器2进行通讯读取内部数据，并显示在计算机1上，数据处理器2为FPGA高速数据处理器，激光器5为脉冲激光器，计算机1实际上为一处理显示器，激光驱动器4及激光器5并称为激光模块，同步控制器3及时序控制器10并称为控制单元，光电转换器7及放大器8并称为光电转换单元。

请参阅图2，当计算机1发送开始测量命令给数据处理器2时，数据处理器2立刻驱动同步控制器3发出同步脉冲，使得激光驱动器4和时序控制器10同时开始工作。激光驱动器4接收到同步控制器3发来的同步脉冲后就开始驱动激光器5发射激光信号，激光信号经远端光模块6耦合后向光纤中传输。由于采用脉冲激光器5作为传感光源，激光脉冲在传输过程中会产生瑞利散射，向后发射背向散射光，由于外界振动的影响，振动点的散射光相位将发生变化。不同时刻的瑞利散射光，经远端光模块6后，会发生干涉，产生干涉光信号。将该干涉光信号传送给光电转换器7，光电转换器7将光信号转换成电信号，然后再将电信号传送给放大器8进行信号放大处理，放大后的电信号进入采集器9，采集器9在时序控制器10的控制下，在合适的时间采集放大后的电信号，并将采集后的数据传送至数据处理器2进行处理，将干涉光信号解调出来。由于当某点瑞利散射光相位发生变化时，干涉光信号会发生变化，通过对干涉光信号的变化分析，就能够得知传感光缆的振动及受振之处。最后，将分析结果送计算机1显示。

请参阅图3，远端光模块包括第一耦合器61、第二耦合器62及与上述两者连接的延迟光纤B及内光纤C，激光器5发出的激光信号，经过第一耦合器61后分成两束，分别由内光纤C及延迟光纤B经第二耦合器62进入传感光缆D，在传感光缆D内形成背向散射光，背向散射光经过第二耦合器62后分成两束，由内光纤C及延迟光纤B进入第一耦合器61，则在第一耦合器61处会接收到四束不同的背向散射光，其光路分别为BDB，BDC，CDB，CDC，且延迟光纤B的长度不小于传感光缆D，则四束反射光中只有BDC，CDB同时到达第一耦合器61，发生干涉。当没有外界振动信号时，两束光的相位差恒定；当外界振动信号作用于传感光缆D时，会引起光缆中光波相位发生变化，由于产生干涉的两束光到达振动发生事件点的时间不同，因此分别产生的相位变化不同，相位差会发生变化，导致探测系统输出电信号变化，由此进行信号解调，即可得知振动事件的发生地点。具体地说，探测到的发生相位变化的干涉光信号距脉冲光发出时间为t，则振动事件发生点距激光注入点距离L为： $L=\frac{1}{2}\·\frac{C}{n}\·t,$ 其中C为真空中光速，n为光纤纤芯有效折射率。激光器5脉冲宽度为τ，则系统定位精度为 $\mathrm{\ΔL}=\frac{1}{2}\·\frac{C}{n}\·\mathrm{\τ}.$

本发明综合了相位检测技术的高灵敏度但空间分辨率低，和光时域反射仪(OTDR)技术空间分辨率(定位)高但灵敏度低特点，大幅提高振动传感系统的灵敏度和定位能力，能够对极微弱的外界振动信号进行检测和定位。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。不脱离本发明精神和范围的任何修改或局部替换，例如，将计算机替换为其他处理显示器等，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于相位检测和光时域反射的分布式光纤振动传感系统，其特征在于，包括：

传感光缆；

与所述传感光缆相连接且能形成干涉光信号的远端光模块；

激光模块，用于向所述远端光模块提供激光信号，进而使所述激光信号进入所述传感光缆，在所述传感光缆内散射回所述远端光模块的激光信号在所述远端光模块形成干涉光信号；

光电转换单元，用于将所形成的干涉光信号转换为电信号；

采集器，用于采集所述电信号；

控制单元，用于控制所述激光模块，使其在预设时间发出激光，同时还用于向所述采集器提供时间，以使所述采集器在采集电信号时记录采集时间；

数据处理器，用于对采集的电信号和所记录的采集时间进行处理，以确定相应的干涉光信号的相位，并进而确定所述传感光缆所受到的振动及受振之处；

所述远端光模块包括与所述激光模块相连接且用于将所述散射回的激光信号耦合形成干涉光信号的第一耦合器、与所述第一耦合器相连接且用于传输所述激光模块发出的激光信号的延迟光纤和内光纤、以及将所述延迟光纤和内光纤传输至的所述激光模块发出的激光信号进行耦合的第二耦合器，且所述延迟光纤的延迟时间不小于所述内光纤，所述延迟光纤的长度大于所述传感光缆。

2.如权利要求1所述的基于相位检测和光时域反射的分布式光纤振动传感系统，其特征在于：所述数据处理器根据来确定受振之处，其中，L为受振之处距激光信号注入点的距离，C为真空中光速，n为所述传感光缆及所述远端光模块所采用的光纤纤芯的有效折射率，t为探测到的发生相位变化的干涉光信号与相应的激光信号间的时间差。

3.如权利要求1所述的基于相位检测和光时域反射的分布式光纤振动传感系统，其特征在于：所述控制单元包括控制所述激光模块的同步控制器、及受所述同步控制器控制且与所述采集器连接的时序控制器。

4.如权利要求1所述的基于相位检测和光时域反射的分布式光纤振动传感系统，其特征在于：所述数据处理器为FPGA高速数据处理器。

5.如权利要求1或3所述的基于相位检测和光时域反射的分布式光纤振动传感系统，其特征在于：所述激光模块包括脉冲激光器及激光驱动器。

6.如权利要求1所述的分布式光纤振动传感系统，其特征在于：所述光电转换单元包括将所转换的电信号进行放大的放大器。

7.如权利要求1所述的基于相位检测和光时域反射的分布式光纤振动传感系统，其特征在于，还包括：处理显示器，所述处理显示器控制数据处理器的启动，并显示所述数据处理器的处理结果。

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