CN101603856A - 一种长距离分布式光纤振动传感系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种长距离分布式光纤振动传感系统及方法，该系统其包括用于感应外界振动事件的感应系统、和对振动信号进行检测控制的检控系统，所述感应系统与检控系统连接。所述感应系统包括光源、脉冲调制器、光纤环形器、第一光纤放大器、第一光纤滤波器光开关。所述检控系统包括若干光电转换器、系统控制单元；系统控制单元采集所述各光电转换器的输出光，并对采集的信号进行分析，根据分析结果判断是否需要报警。本发明采用光开关技术，对反射回来的背向瑞利散射光作分时处理，系统的动态范围大，可传感的距离可高达几十甚至几百公里；采用相位检测技术和光时域反射技术，可极大提高系统的探测灵敏度和可定位精度。

Description

一种长距离分布式光纤振动传感系统及方法

技术领域

本发明涉及一种分布式光纤振动传感系统，尤其涉及一种长距离分布式光纤振动传感系统；此外，本发明还涉及一种长距离分布式光纤振动传感方法。

背景技术

周界安全防范、边境防范、地震检测以及海啸预警等传感报警系统在保障人民生活安定、保护人们生命财产安全方面发挥着巨大的作用，而这类系统的本质在于对振动信号的检测和分析。随着光器件和光通信的发展，光纤传感技术越来越多地应用于传感领域，逐步取代一些传统的电类传感器。

由于光纤的本质特性对振动、应力及声波等信号敏感，基于光纤的振动传感技术尤其是分布式传感受到各国科技工作的重视。光纤式振动传感器是一种采用光纤作为敏感部件的机械振动传感器；其基本构成有发送检测部分、信号传输部分和接收处理部分。发送检测部分是直接利用光纤将检测获得的参数转换成便于传输的光信号，信号传输部分是通过光纤进行信号传输，接收处理部分是对来自光纤的信号进行检测、整形、处理等。

近年来，出现了多种基于不同原理的分布式光纤振动传感技术，例如：中国专利CN200610019376，公开了一种基于双环马赫-泽德干涉的分布式光纤振动传感方法及装置。该方法是：激光器(1)发出直流单色光波，通过光纤耦合器分别沿正向和反向耦合进入两根传感光纤(7、8)，形成正、反向环路马赫-泽德干涉光信号；当在光纤沿线受到外界振动信号扰动时，将引起光纤中传输的光波相位变化，形成基于双环马赫-泽德干涉的光信号相位调制传感信号，分别通过光纤耦合器及光环行器送至光电探测器，检测干涉光信号的光强变化，从而实现分布式光纤振动传感。

然而，这种基于双M-Z干涉仪的分布式光纤振动传感系统，由于其固有属性，具有定位精度低，解调算法复杂等问题，不能满足日益增长的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种长距离分布式光纤振动传感系统，以解决现有技术的不足之处。

另外，本发明同时提供一种长距离分布式光纤振动传感方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种长距离分布式光纤振动传感系统，其包括用于感应外界振动事件的感应系统、和对振动信号进行检测控制的检控系统，所述感应系统与检控系统连接；

所述感应系统包括

-光源；

-脉冲调制器，与所述光源连接，将所述光源发出的连续光调制成脉冲光；

-光纤环形器，与所述脉冲调制器连接，将脉冲调制器调制成的脉冲光注入传感光缆；

-第一光纤放大器，与所述光纤环形器连接，将光纤环形器输出的传感光缆中的背向瑞利散射光信号放大；

-第一光纤滤波器，与所述第一光纤放大器连接，将第一光纤放大器输出光进行滤波；

-光开关，与所述第一光纤滤波器连接，将光纤滤波器输出的光在时域上分为若干个不同的输出信道；

所述检控系统包括

-若干光电转换器，分别接收所述多个输出信道的输出光，并进行光电转换；

-系统控制单元，用以采集所述各光电转换器的输出光，并对采集的信号进行分析，根据分析结果判断是否需要报警。

作为本发明的一种优选方案，所述系统控制单元包括控制器、采集器、信号处理器、计算机；所述控制器发出控制信号给采集器，采集器对光电转换器的输出信号进行信号采集；同时，控制器发出控制信号驱动数据处理器工作，数据处理器将采集器采集的信号进行预处理，将处理结果送入计算机；计算机对数据处理器的输出信号进行分析，并通过分析结果选择是否报警。

作为本发明的一种优选方案，所述光源包括相连接的激光驱动器及激光器；该激光驱动器连接控制器，接收控制器发出的控制信号，由此驱动激光器发出激光。

作为本发明的一种优选方案，所述激光器为超窄线宽光纤激光器。

作为本发明的一种优选方案，所述激光器还连有第二光纤放大器、和第二滤波器，用以放大其功率。

作为本发明的一种优选方案，所述光纤环形器输出传感光缆背向瑞利散射光，经第一光纤放大器、和第一滤波器后，进入光开关器。

作为本发明的一种优选方案，所述系统控制单元包括控制器、采集器、信号处理器、计算机；所述控制器发出控制信号给采集器，采集器对光电转换器的输出信号进行信号采集；控制器发出控制信号驱动数据处理器工作，数据处理器将采集器采集的信号进行预处理，将处理结果送入计算机；计算机对数据处理器的输出信号进行分析，并通过分析结果选择是否报警；所述光源包括相连接的激光驱动器及激光器；所述激光器还连有第二光纤放大器、和第二滤波器，用以放大其功率；所述光纤环形器输出传感光缆背向瑞利散射光，经第一光纤放大器、和第一滤波器后，进入光开关器；所述光开关将光纤滤波器输出的光在时域上分为N个不同的输出信道，分别为第一输出信道、第二输出信道、......、第N输出信道；所述系统包括N个光电转换器，分别对应接收所述第一输出信道、第二输出信道、......、第N输出信道的输出光，并分别进行光电转换。

上述长距离分布式光纤振动传感系统的振动传感方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

脉冲调制器将所述光源发出的连续光调制成脉冲光；

光纤环形器将脉冲调制器调制成的脉冲光注入传感光缆；

光纤放大器将光纤环形器输出的传感光缆中的背向瑞利散射光信号放大；

光纤滤波器将光纤放大器输出光进行滤波；

光开关将光纤滤波器输出的光在时域上分为若干个不同的输出信道；

若干光电转换器分别接收所述多个输出信道的输出光，并进行光电转换；

系统控制单元采集所述各光电转换器的输出光，并对采集的信号进行分析，根据分析结果判断是否需要报警。

上述长距离分布式光纤振动传感系统的振动传感方法，包括如下步骤：

计算机驱动控制器发出控制信号，激光驱动器接到控制器发出的指令后驱动激光器开始工作；激光驱动器驱动激光器发出激光，激光经第二光纤放大器放大和第二光纤滤波器滤波后，经环形器注入传感光缆；激光在传感光缆中发生瑞利散射现象，背向瑞利散射光经环形器后到达第一光纤放大器，第一光纤放大器输出的光经第一滤波器后，输入光开关中；

光开关选择将背向瑞利散射光注入不同的通道：第一输出信道、第二输出信道、......、第N输出信道，各通道的输出光分别被第一光电转换器、第二光电转换器、......、第N光电转换器接收；同时，采集器收到控制器的驱动信号后，开始对第一光电转换器、第二光电转换器、......、第N光电转换器的输出信号进行数据采集；同时，信号处理器接收到控制器的驱动信号后，对采集器的输出信号进行预处理，并将处理结果送入计算机；计算机对信号处理器输入的信号进行分析，并选择是否报警。

本发明的有益效果在于：本发明提出的长距离分布式光纤振动传感系统及方法，采用光开关技术，对反射回来的背向瑞利散射光作分时处理，系统的动态范围大，可传感的距离可高达几十甚至几百公里；采用相位检测技术和光时域反射技术(OTDR)，可极大提高系统的探测灵敏度和可定位精度。

附图说明

图1为本发明长距离分布式光纤振动传感系统的结构示意图。

图2-1为激光器线宽Δf＜＜1/τ且激光器中心频率漂移＜＜1/τ时，前后两个脉冲的背向瑞利散射光信号示意图。

图2-2为前后背向瑞利散射光信号之差。

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。

实施例一

请参阅图1，本发明揭示了一种长距离分布式光纤振动传感系统，其包括用于感应外界振动事件的感应系统、和对振动信号进行检测控制的检控系统，所述感应系统与检控系统连接。

【感应系统】

所述感应系统包括光源、脉冲调制器、光纤环形器、第一光纤放大器、第一光纤滤波器光开关。优选地，所述激光器为超窄线宽光纤激光器。

此外，所述激光器还可以连有第二光纤放大器、和第二滤波器，用以放大其功率。

所述光源包括相连接的激光驱动器及激光器；该激光驱动器连接控制器，接收控制器发出的控制信号，由此驱动激光器发出激光。

脉冲调制器与所述光源连接，将所述光源发出的连续光调制成脉冲光。

光纤环形器与所述脉冲调制器连接，将脉冲调制器调制成的脉冲光注入传感光缆。所述光纤环形器输出传感光缆背向瑞利散射光，经第一光纤放大器、和第一滤波器后，进入光开关器。

第一光纤放大器与所述光纤环形器连接，将光纤环形器输出的传感光缆中的背向瑞利散射光信号放大。

第一光纤滤波器与所述第一光纤放大器连接，将第一光纤放大器输出光进行滤波。

光开关与所述第一光纤滤波器连接，将光纤滤波器输出的光在时域上分为若干个不同的输出信道。

【检控系统】

所述检控系统包括若干光电转换器、系统控制单元。

各光电转换器分别接收所述多个输出信道的输出光，并进行光电转换。

如，所述光开关将光纤滤波器输出的光在时域上分为N个不同的输出信道，分别为第一输出信道、第二输出信道、......、第N输出信道。所述系统包括N个光电转换器，分别对应接收所述第一输出信道、第二输出信道、......、第N输出信道的输出光，并分别进行光电转换。

系统控制单元用以采集所述各光电转换器的输出光，并对采集的信号进行分析，根据分析结果判断是否需要报警。

所述系统控制单元包括控制器、采集器、信号处理器、计算机；所述控制器发出控制信号给采集器，采集器对光电转换器的输出信号进行信号采集；同时，控制器发出控制信号驱动数据处理器工作，数据处理器将采集器采集的信号进行预处理，将处理结果送入计算机；计算机对数据处理器的输出信号进行分析，并通过分析结果选择是否报警。

以上介绍了本发明传感系统的组成，以下介绍本发明的传感方法。上述长距离分布式光纤振动传感系统的振动传感方法，该方法包括如下步骤：

脉冲调制器将所述光源发出的连续光调制成脉冲光；

光纤环形器将脉冲调制器调制成的脉冲光注入传感光缆；

光纤放大器将光纤环形器输出的传感光缆中的背向瑞利散射光信号放大；

光纤滤波器将光纤放大器输出光进行滤波；

光开关将光纤滤波器输出的光在时域上分为若干个不同的输出信道；

若干光电转换器分别接收所述多个输出信道的输出光，并进行光电转换；

系统控制单元采集所述各光电转换器的输出光，并对采集的信号进行分析，根据分析结果判断是否需要报警。

具体地，上述长距离分布式光纤振动传感系统的振动传感方法，包括如下步骤：

计算机驱动控制器发出控制信号，激光驱动器接到控制器发出的指令后驱动激光器开始工作；

激光驱动器驱动激光器发出激光，激光经第二光纤放大器放大和第二光纤滤波器滤波后，经环形器注入传感光缆；

激光在传感光缆中发生瑞利散射现象，背向瑞利散射光经环形器后到达第一光纤放大器，第一光纤放大器输出的光经第一滤波器后，输入光开关中；

光开关选择将背向瑞利散射光注入不同的通道：第一输出信道、第二输出信道、......、第N输出信道，各通道的输出光分别被第一光电转换器、第二光电转换器、......、第N光电转换器接收；

采集器收到控制器的驱动信号后，开始对第一光电转换器、第二光电转换器、......、第N光电转换器的输出信号进行数据采集；

同时，信号处理器接收到控制器的驱动信号后，对采集器的输出信号进行预处理，并将处理结果送入计算机；计算机对信号处理器输入的信号进行分析，并选择是否报警。

综上所述，本发明提出的长距离分布式光纤振动传感系统及方法，采用光开关技术，对反射回来的背向瑞利散射光作分时处理，系统的动态范围大，可传感的距离可高达几十甚至几百公里；采用相位检测技术和光时域反射技术(OTDR)，可极大提高系统的探测灵敏度和可定位精度。

实施例二

一种长距离分布式光纤振动传感系统传感方法，系统开始工作时，计算机驱动控制器发出控制信号，激光驱动器收到控制信号后驱动激光器开始工作，发出激光；同时，控制器驱动脉冲调制器工作，将激光器发出的连续光调制成一定周期的脉冲光；脉冲光经光纤环形器后注入传感光缆；激光在传感光缆中会发生瑞利散射现象，背向瑞利散射光经光纤环形器后被光纤放大器放大，经滤波器滤波后，输入光开关；同时，控制器发出控制信号给关开关，驱动光开关在不同的时刻选择不同的输出通道；第一、第二、......第N输出通道的输出光分别被第一、第二、......第N光电转换器进行光电转换；同时，控制器发出控制信号给采集器，采集器对光电转换器的输出信号进行信号采集；同时，控制器发出控制信号驱动数据处理器工作，数据处理器将采集器采集的信号进行预处理，将处理结果送入计算机；计算机对数据处理器的输出信号进行分析，并通过分析结果选择是否报警。

本发明的原理如下：

请参阅图1，激光器为超窄线宽光纤激光器，其发出的光，经脉冲调制器调制后，变成具有一定周期和脉冲宽度的脉冲光；脉冲光纤环形器后注入传感光缆，在传感光缆中产生的背向散射光，经光纤环形器后，被光纤放大器放大和滤波器滤波后，再经过光开关，光开关将传感光缆不同地点的瑞利散射光分别注入不同的探测通道，被各自的光电探测器接收，转换为电信号；光电探测器输出的电信号，经信号采集器采集后，输入数据处理器进行处理，并将处理结果输入计算机；计算机对数据处理器输出的信号进行分析，并选择是否报警。

系统采用的是超窄线宽激光器，激光器线宽为Δf，激光器输出激光被脉冲调制后脉冲宽度为τ，脉冲周期为T，且T大于脉冲光在传感光缆中一个传输一个来回所需的时间。当Δf＜＜1/τ且激光器中心频率漂移＜＜1/τ时，光缆中一个脉冲宽度内的背向瑞利散射光，同时到达探测器探测面，会发生干涉现象。当外界有振动信号施加于传感光缆上时，会引起光缆长度及折射率发生变化，导致光缆中传输的光相位发生变化，经探测器光电转化后，光强会发生变化。将前后两个脉冲的背向瑞利散射光相减，将获得有用的外界振动信息，并据此选择是否报警。

图2-1为激光器线宽Δf＜＜1/τ且激光器中心频率漂移＜＜1/τ时，前后两个脉冲的背向瑞利散射光信号示意图；图2-2为前后背向瑞利散射光信号之差。

设传感光缆的长度为L(Km)，在当前的工艺水平下，传感光缆的损耗在1550nm时一般为0.5dB/Km，则光电转换器端接收到的背向瑞利散射光最大值与最小值之差为：2×0.5dB/Km×L。在通常分布式光纤振动传感系统种，传感光缆的长度一般在几十公里至上百公里。若传感光缆长度为50Km，则光电转换器端光功率的动态范围高达50dB，这给后端电路信号处理带来了困难。

采用本发明独特的光开关分路处理技术，对于50Km的传感光缆，若光开关均分五路处理，则每路光电转换器输出信号的动态范围都为10dB，信号处理较容易。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (9)

1、一种长距离分布式光纤振动传感系统，其特征在于，其包括

用于感应外界振动事件的感应系统、和对振动信号进行检测控制的检控系统，所述感应系统与检控系统连接；

所述感应系统包括

-光源；

-脉冲调制器，与所述光源连接，将所述光源发出的连续光调制成脉冲光；

-光纤环形器，与所述脉冲调制器连接，将脉冲调制器调制成的脉冲光注入传感光缆；

-第一光纤放大器，与所述光纤环形器连接，将光纤环形器输出的传感光缆中的背向瑞利散射光信号放大；

-第一光纤滤波器，与所述第一光纤放大器连接，将第一光纤放大器输出光进行滤波；

-光开关，与所述第一光纤滤波器连接，将光纤滤波器输出的光在时域上分为若干个不同的输出信道；

所述检控系统包括

-若干光电转换器，分别接收所述多个输出信道的输出光，并进行光电转换；

-系统控制单元，用以采集所述各光电转换器的输出光，并对采集的信号进行分析，根据分析结果判断是否需要报警。

2、根据权利要求1所述的长距离分布式光纤振动传感系统，其特征在于：

所述系统控制单元包括控制器、采集器、信号处理器、计算机；

所述控制器发出控制信号给采集器，采集器对光电转换器的输出信号进行信号采集；

同时，控制器发出控制信号驱动数据处理器工作，数据处理器将采集器采集的信号进行预处理，将处理结果送入计算机；

计算机对数据处理器的输出信号进行分析，并通过分析结果选择是否报警。

3、根据权利要求1或2所述的长距离分布式光纤振动传感系统，其特征在于：

所述光源包括相连接的激光驱动器及激光器；

该激光驱动器连接控制器，接收控制器发出的控制信号，由此驱动激光器发出激光。

4、根据权利要求3所述的长距离分布式光纤振动传感系统，其特征在于：

所述激光器为超窄线宽光纤激光器。

5、根据权利要求3所述的长距离分布式光纤振动传感系统，其特征在于：

所述激光器还连有第二光纤放大器、和第二滤波器，用以放大其功率。

6、根据权利要求1所述的长距离分布式光纤振动传感系统，其特征在于：

所述光纤环形器输出传感光缆背向瑞利散射光，经第一光纤放大器、和第一滤波器后，进入光开关器。

7、根据权利要求1所述的长距离分布式光纤振动传感系统，其特征在于：

所述系统控制单元包括控制器、采集器、信号处理器、计算机；

所述控制器发出控制信号给采集器，采集器对光电转换器的输出信号进行信号采集；

控制器发出控制信号驱动数据处理器工作，数据处理器将采集器采集的信号进行预处理，将处理结果送入计算机；

计算机对数据处理器的输出信号进行分析，并通过分析结果选择是否报警；

所述光源包括相连接的激光驱动器及激光器；

所述激光器还连有第二光纤放大器、和第二滤波器，用以放大其功率；

所述光纤环形器输出传感光缆背向瑞利散射光，经第一光纤放大器、和第一滤波器后，进入光开关器；

所述光开关将光纤滤波器输出的光在时域上分为N个不同的输出信道，分别为第一输出信道、第二输出信道、......、第N输出信道；

所述系统包括N个光电转换器，分别对应接收所述第一输出信道、第二输出信道、......、第N输出信道的输出光，并分别进行光电转换。

8、权利要求1所述的长距离分布式光纤振动传感系统的振动传感方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

脉冲调制器将所述光源发出的连续光调制成脉冲光；

光纤环形器将脉冲调制器调制成的脉冲光注入传感光缆；

光纤放大器将光纤环形器输出的传感光缆中的背向瑞利散射光信号放大；

光纤滤波器将光纤放大器输出光进行滤波；

光开关将光纤滤波器输出的光在时域上分为若干个不同的输出信道；

若干光电转换器分别接收所述多个输出信道的输出光，并进行光电转换；

系统控制单元采集所述各光电转换器的输出光，并对采集的信号进行分析，根据分析结果判断是否需要报警。

9、权利要求8所述的长距离分布式光纤振动传感系统的振动传感方法，其特征在于：

计算机驱动控制器发出控制信号，激光驱动器接到控制器发出的指令后驱动激光器开始工作；激光驱动器驱动激光器发出激光，激光经第二光纤放大器放大和第二光纤滤波器滤波后，经环形器注入传感光缆；激光在传感光缆中发生瑞利散射现象，背向瑞利散射光经环形器后到达第一光纤放大器，第一光纤放大器输出的光经第一滤波器后，输入光开关中；

光开关选择将背向瑞利散射光注入不同的通道：第一输出信道、第二输出信道、......、第N输出信道，各通道的输出光分别被第一光电转换器、第二光电转换器、......、第N光电转换器接收；同时，采集器收到控制器的驱动信号后，开始对第一光电转换器、第二光电转换器、......、第N光电转换器的输出信号进行数据采集；同时，信号处理器接收到控制器的驱动信号后，对采集器的输出信号进行预处理，并将处理结果送入计算机；计算机对信号处理器输入的信号进行分析，并选择是否报警。

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