CN102494756A - 单光源分布式光纤微振动传感与定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单光源分布式光纤微振动传感与定位装置，属于光纤传感及安防监控领域。该装置采用单光源发射脉冲光信号，包括脉冲光源、光电转换及放大电路、传感信号处理电路、位置信号处理电路、光路、传感光缆和光路尾端，传感信号处理电路给脉冲光源和传感信号解调提供同步信号，并使脉冲光源输出特定频率的脉冲光信号，光电转换及放大电路接收光路中的背向散射光，并将输出的原始信号进行位置信号处理和传感信号处理，同时实现振动定位与传感。本发明可同时实现振动位置判定和低频振动检测，成本低、可靠性高、判定准确率高。

Description

单光源分布式光纤微振动传感与定位装置

技术领域

本发明涉及一种分布式光纤传感与定位装置，尤其涉及一种单光源分布式光纤微振动传感与定位装置，属于光纤传感及安防监控领域。

背景技术

随着光纤和光通信产业的迅速发展，光纤作为传递光这个敏感信息的媒质，光纤传感技术的应用也越来越广泛。而分布式光纤传感技术又是光纤传感技术中最具前途的技术之一，其在长距离、大范围的安全监控等方面有很好的应用前景。

分布式光纤传感与定位装置是用普通的通信光纤(G.652)作为传感器，当外界施加在光纤上的物理量诸如应力等发生变化的时候，光纤中的光的各个参量，如相位、振幅、频率等将会发生相应的变化，背向瑞利散射光带着这些变化的信息回到传感系统的接收端。背向瑞利散射光信号非常微弱，需要解调出这些变化的信息非常困难，因此对系统的接收机要求很高。接收机把接收到的瑞利散射光转换为电信号后再进行处理，最后送入后台机，判定相应物理量的变化。

分布式光纤传感与定位装置在安防监控领域的应用包括两方面，定位与传感，即判定传感光缆受振动的位置和振动的模式(如切割光缆、攀爬围栏等)。目前，分布式光纤传感与定位装置中振动位置的判定需要光源发送脉冲光信号，振动引起背向瑞利散射光强度发生变化，产生振动脉冲，从而判定振动的位置；而振动模式的判定则需要光源发送连续光信号，连续光信号的背向瑞利散射光携带着振动的传感信息回到系统的接收端，从而进行振动模式的判定。因此为了同时实现振动位置和振动模式的判定，目前此类装置主要采用两种方案：一种方案是使用两个光源分别发送脉冲光信号和连续光信号，两个接收机分别接收不同的光信号，在光电转换及处理后得到振动位置和振动模式；另一种方案是使用单个光源发送脉冲光信号，有振动脉冲被捕捉时，在判定振动位置的同时切换光源输出连续光信号，捕捉振动的传感信息，进行振动模式判定，完成后光源再继续发送脉冲光信号。第一种方案中两个光源同时工作，使系统成本及维护费用增加，也降低了系统长时间工作的可靠性；第二种方案中单个光源分时工作，切换光源输出时会有延时，且振动时延很短，必然造成了很大一部分振动的传感信息丢失，降低了系统对振动模式判定的准确性，容易造成系统误报。

发明内容

本发明针对现有技术存在的缺陷，而提出一种成本低、误报率低的单光源分布式光纤微振动传感与定位装置。

该传感与定位装置包括脉冲光源、光电转换及放大电路、位置信号处理电路、传感信号处理电路、光路、传感光缆和光路尾端，其中：脉冲光源的输出连接光路，光电转换及放大电路的输入连接光路，光路通过传感光缆连接光路尾端，光电转换及放大电路的一路输出通过位置信号处理电路产生位置信号，传感信号处理电路的输入连接光电转换及放大电路的另一路输出，传感信号处理电路的一路输出连接脉冲光源的输入，另一路输出产生传感信号。

所述脉冲光源输出脉冲光信号的重复频率至少是传感信号频率的两倍；所述传感信号处理电路包括同步信号产生电路、选择性去噪电路、信号偏置调整电路、滤波解调电路和信号放大电路，其中：同步信号产生电路分别给脉冲光源和选择性去噪电路提供同步信号，选择性去噪电路的输入接进光电转换及放大电路的输出信号，选择性去噪电路的输出依次串接信号偏置调整电路、滤波解调电路和信号放大电路后产生传感信号；所述选择性去噪电路是一个电子开关。

技术效果：

1、与现有双光源方案相比，省去了一个光源，成本大大降低，维护费用也随之降低，提高了长时间工作的可靠性。

2、与现有单光源分时工作方案相比，光源无需切换，振动信息不会丢失，提高了振动模式判定的准确性，降低了误报率。

附图说明

图1为本发明装置的结构框图。

图2为传感信号处理电路的电路结构框图。

图3为选择性去噪电路的电路示意图。

图4为有振动时位置信号处理电路的输出波形及同步信号波形图。

图5为有振动时选择性去噪电路的输出波形及同步信号波形图。

图6为无振动时传感信号处理电路的输出波形图。

图7为有振动时传感信号处理电路的输出波形图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步说明。

在分布式光纤传感与定位装置中，在传感光缆受到振动时，接收端收到振动脉冲，能够实现定位，同时，此振动脉冲中也携带有部分振动传感信号。根据此原理，本发明装置采用单光源实现，其结构如图1所示，包括脉冲光源、光电转换及放大电路、位置信号处理电路、传感信号处理电路、光路、传感光缆和光路尾端，其中：脉冲光源的输出通过光纤连接光路，光路通过传感光缆连接光路尾端，光电转换及放大电路的输入尾纤连接光路，光电转换及放大电路的一路输出通过位置信号处理电路产生位置信号。所述传感信号处理电路的电路结构如图2所示，包括同步信号产生电路、选择性去噪电路、信号偏置调整电路、滤波解调电路和信号放大电路，同步信号产生电路分别给脉冲光源和选择性去噪电路提供同步信号，选择性去噪电路的输入连接光电转换及放大电路的另一路输出，选择性去噪电路的输出依次串接信号偏置调整电路、滤波解调电路和信号放大电路后产生传感信号，此传感信号即振动传感信号，下同。

根据奈奎斯特采样定律：为了不失真地恢复模拟信号，采样频率应该不小于模拟信号频谱中最高频率的两倍。因此，把振动脉冲的频率等效于采样频率，振动传感信号等效于所需还原的模拟信号，当振动脉冲的频率是捕捉的振动传感信号频率的两倍或两倍以上时，可以完全还原振动传感信号，而振动脉冲的频率取决于光源发射脉冲光信号的重复频率。所以在本装置中，脉冲光源在同步信号的控制下输出重复频率至少为振动传感信号频率两倍的脉冲光信号，光信号进入光路并通过传感光缆进入光路尾端，光电转换及放大电路接收到光路中的背向散射光，然后将其光电转换为电信号并放大，再分别送入位置信号处理电路和传感信号处理电路，得到位置信号和传感信号，实现定位和传感。在传感信号处理电路中，选择性去噪电路在同步信号的同步下对光电转换并放大后的信号进行选择性去噪，提取出振动脉冲信号，信号偏置调整电路对振动脉冲信号的零基准线进行调整，再经过滤波解调电路进行解调，得到传感信号，最后经过信号放大电路放大后输出。

选择性去噪电路如图3所示，其是一个受同步信号控制的电子开关，高电平时，线路1选通，低电平时，线路2选通，电压V的大小由光电转换并放大后的信号的最小值确定。在同步信号发出时，光源发出脉冲光信号，光电转换及放大电路同时接收到背向散射光，光电转换及放大电路将转换放大后的原始信号送入电子开关，当同步信号处于高电平时，线路1选通，输出电压V信号，当同步信号处于低电平时，线路2选通，输出原始信号，这样就滤除了原始信号中的无关脉冲信号，保留了振动脉冲信号，使后续传感信号能够被解调出来。

有振动时位置信号处理电路的输出波形及同步信号波形如图4所示，后台机可根据振动脉冲信号与前2个固定脉冲信号的时间差判定振动的位置。所述前2个固定脉冲信号是在光路上衰减较大的位置上形成，此位置固定，可当作参考位置来确定振动脉冲的位置。

有振动时选择性去噪电路的输出波形及同步信号波形如图5所示，这里已经滤除了振动无关的脉冲信号，只保留了振动脉冲信号。

无振动时传感信号处理电路的输出波形如图6所示，信号波动较小，分布式光纤传感系统没有受到振动。

有振动时传感信号处理电路的输出波形如图7所示，信号波动明显，分布式光纤传感系统受到振动，此波形为振动传感信号。

Claims (4)

1.一种单光源分布式光纤微振动传感与定位装置，包括光电转换及放大电路、位置信号处理电路、光路、传感光缆和光路尾端，其中：光电转换及放大电路的输入连接光路，光电转换及放大电路的一路输出通过位置信号处理电路产生位置信号，光路通过传感光缆连接光路尾端，其特征在于：还包括脉冲光源和传感信号处理电路，脉冲光源的输出连接光路，传感信号处理电路的输入连接光电转换及放大电路的另一路输出，传感信号处理电路的一路输出连接脉冲光源的输入，另一路输出产生传感信号。

2.根据权利要求1所述的单光源分布式光纤微振动传感与定位装置，其特征在于：所述脉冲光源输出脉冲光信号的重复频率至少是传感信号频率的两倍。

3.根据权利要求1所述的单光源分布式光纤微振动传感与定位装置，其特征在于：所述传感信号处理电路包括同步信号产生电路、选择性去噪电路、信号偏置调整电路、滤波解调电路和信号放大电路，其中：同步信号产生电路分别给脉冲光源和选择性去噪电路提供同步信号，选择性去噪电路的输入接进光电转换及放大电路的输出信号，选择性去噪电路的输出依次串接信号偏置调整电路、滤波解调电路和信号放大电路后产生传感信号。

4.根据权利要求3所述的单光源分布式光纤微振动传感与定位装置，其特征在于：所述选择性去噪电路是一个电子开关。

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