CN102840909A - 光频域反射分布式振动频率传感与定位装置和解调方法 - Google Patents

光频域反射分布式振动频率传感与定位装置和解调方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光频域反射分布式振动频率传感与定位装置，该装置采用线性调谐超窄线宽回音壁模自注入锁模激光的光频域反射拍频干涉的技术方法，其包括得到传感信号的主干涉仪以及时钟触发信号的辅助干涉仪。解调方法包括通过主干涉仪得到波长域信息，利用快速傅里叶变换将波长域信息转换到的距离域信息。分别采集一组静态参考信号和一组振动信号。利用移动窗依次选定距离域信息即本地距离域信息，对各个位置的本地距离域信息的静态信号与振动信号进行复数互相关，根据复数互相关噪声系数即可得到振动点位置。提取处于振动点位置本地距离域信息的复数互相关的次峰位置，其中次峰位置就是振动频率信息。

Description

光频域反射分布式振动频率传感与定位装置和解调方法
技术领域
本发明属于分布式光纤传感仪器技术领域，具体涉及一种基于光频域反射方法的分布式振动频率传感与定位装置和解调方法。
背景技术
随着社会的不断发展，大型建筑结构如桥梁、涵洞、隧道、大坝的健康安全监测等显得尤为重要。其中结构振动频率信息是结构健康安全监测的重要参数，这是因为本征频率是评价结构健康状况和判断建筑早期损伤的重要指标。
分布式光纤振动传感系统可以实现振动频率检测及对振动点进行定位，具有长距离监控、高精度定位功能、低能源依赖性、高环境耐受性、抗电磁干扰、抗腐蚀等特性。
目前，分布式光纤振动传感主要有两种，第一种方案是基于激光干涉的方法，该方法优点是灵敏度高，成本低，但这种方法缺点有定位精度低50米以上，且定位精度容易受到持续振动的影响，受到需要光缆中两芯以上且终端设备需要架设在传感光缆两端。另一种方案是相位敏感的光时域反射方法或偏振敏感的光时域反射方法用于。该方法特点灵敏度高，需要光缆中一芯且终端设备架设在传感光缆一端。目前文献报道的最佳指标定位精度达到5m。频率响应最大5kHz。测试长度为1km。可以看到这种方法的测试长度还受到很大的限制。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于光频域反射方法的分布式振动频率传感与定位装置和解调方法
为了解决上述技术问题，本发明光频域反射分布式振动频率传感与定位装置予以实现的技术方案是：包括：可调谐激光器、1：99光分束器、调谐信号控制模块、基于辅助干涉仪的时钟触发系统、主干涉仪和计算机；其中：
可调谐激光器：用于为系统提供光源，光源采用超窄线宽线性调谐回音壁模式自注入锁模激光光源，其光频能够进行线性扫描，光源由调谐信号控制模块控制，所述调谐信号控制模块根据要求产生三角波或锯齿波来驱动可调谐激光器；
1：99光分束器：可调谐激光器的出射光由所述1:99光分束器的a端口进入，并以1：99的比例分别从所述1：99光分束器的b端口和c端口分配到基于辅助干涉仪的时钟触发系统和主干涉仪；
基于辅助干涉仪的时钟触发系统：实现等光频间距采样，其目的是抑制光源的非线性扫描；包括隔离器、第一50：50耦合器、第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜、延迟光纤、探测器和时钟倍频电路模块；隔离器用于防止第一50：50耦合器的b端口的反射光进入可调谐激光器；所述第一50：50耦合器用于光干涉，光从第一50：50耦合器的b端口进入，从第一50：50耦合器的c端口和d端口出射，分别被辅助干涉仪的时钟触发系统两臂的第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜反射，并返回到第一50：50耦合器的c端口和d端口，两束光在第一50：50耦合器中发生干涉，从第一50：50耦合器的a端口输出；第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜用于为干涉仪提供反射，且能够消除干涉仪的偏振衰落现象；延迟光纤用于实现非等臂的拍频干涉，能够根据拍频和延迟光纤长度得到光频；探测器用于采集第一50：50耦合器a端口的出射光，从而辅助干涉仪的时钟触发系统的干涉拍频信号；时钟倍频电路模块的一端接入探测器用于将辅助干涉仪的时钟触发系统的干涉拍频信号倍频；
主干涉仪系统包括环行器、50：50分束器，第二50：50耦合器、参考臂、测试臂、偏振控制器、传感光缆和一个平衡探测器以及采集装置；辅助干涉仪的时钟触发系统即使采用较短的延迟光纤时，钟倍频电路模块将辅助干涉仪的时钟触发系统输出的干涉信号倍频，，将倍频后的信号接入采集装置，作为采集装置的外部时钟信号；50：50分束器作用是马赫泽德干涉仪分束，光从50：50分束器的a端口进入，经过50：50分束器的b端口进入参考臂的偏振控制器，经过50：50分束器的c端口进入测试臂的环行器的a端口；参考臂上的偏振控制器：调节参考光偏振态，使其在偏振分束时两个正交方向上光强基本一致；测试臂上的环行器：光从环行器的a端口进入，从环行器的c端口进入传感光缆，而传感光缆的背向散射光从环行器的c端口进入，从环行器的b端口输出；第二50：50耦合器：将参考臂上的参考光与测试臂上背向散射光通过第二50：50耦合器的a端口和b端口进入该第二耦合器进行合束，形成拍频干涉并从该第二50：50耦合器的c端口和d端口输出；平衡探测器分别接入第二50：50耦合器的c端口和d端口；采集装置将平衡探测器输出的模拟电信号采集到计算机，其中采集装置的时钟源来自基于辅助干涉仪的时钟触发系统；
计算机：对采集装置采集的干涉信号进行数据处理，实现基于瑞利散射光谱相关系数的分布式扰动传感。
本发明一种光频域反射分布式振动频率传感与定位的解调方法，包括以下步骤：
步骤一：在主干涉仪中由传感光缆中背向散射形成的拍频干涉信号，利用快速傅里叶变换得到对应光缆各个位置的距离域信息，并依据此，分别采集一组静态参考信号和一组振动信号，并将该两组的主干涉信号分别从波长域转换到距离域信息；
步骤二：利用一个定长度的移动窗依次选定本地距离域信息，对各个位置的静态参考本地距离域信息与振动信号本地距离域信息进行复数互相关，根据复数互相关的相关系数或相关图的噪声系数即可得到振动点位置；其中，静态参考本地距离域信息和振动信号本地距离域信息互相关图的噪声系数评价为：以互相关图的互相关峰的二分之一，三分之一为或四分之一阈值，互相关图中超过此阈值的点数为噪声系数；其中这一互相关峰比例系数决定与系统的信噪比，实际操作中根据振动点误判率和灵敏度综合考量；
若未发生振动的参考信号超过此阈值的点数少，则噪声系数低；
当发生振动时，参考信号超过此阈值的点数多，则噪声系数高；
计算出整个传感光缆中各个位置块的本地距离域信息互相关噪声系数；
当噪声系数发生突变时，利用小波变换的方法确定突变点位置，利用小波层系数的极值得到振动点位置；
步骤三：提取处于振动点位置本地距离域信息的复数互相关图的次峰位置，其中，次峰位置就是振动频率信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明测试距离可达120km-150km，振动点定位精度可达1m甚至更低达到厘米级。只利用光缆中的一芯，且终端设备只在传感光缆一端。普通通讯光缆亦可作为传感光缆。频率响应可达0-5kHz。
附图说明
图1是本发明光频域反射分布式振动频率传感与定位装置构成示意图；
图2是整个光缆的参考信号与振动洗信号距离域互相关噪声系数图；
图3是在光缆10.6km处施加50Hz振动的互相关图；
图4是一种基于光频域反射方法的分布式振动频率传感与定位的解调方法及步骤；
图5是在光缆10.6km处施加2000Hz振动的互相关图；
图6是在光缆10.6km处施加2Hz振动的互相关图；
图7是在光缆10.6km处施加2Hz振动的互相关图的局部放大图。
图中：
1-可调谐激光器        2-探测器                3-50:50分束器
4-1：99分束器         5-第一50:50耦合器       6-时钟倍频电路模块
7-延迟光纤            8-第一法拉第旋转镜      9-第二法拉第旋转镜
10-隔离器             11-计算机               12-偏振控制器
13-环形器        14-第二50:50耦合器    15-传感光缆
16-平衡探测器    17-采集装置           18-参考臂
19-测试臂        20-主干涉系统
21-基于辅助干涉仪的时钟触发系统        22-调谐信号控制模块。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
如图1所示，本发明提供的一种光频域反射分布式振动频率传感与定位装置，包括：可调谐激光器1、1：99光分束器4、调谐信号控制模块22、基于辅助干涉仪的时钟触发系统21、主干涉仪20和计算机11。
可调谐激光器1：用于为光频域反射系统提供光源，光源采用超窄线宽线性调谐回音壁模式自注入锁模激光光源，其光频能够进行线性扫描，光源由调谐信号控制模块22控制，所述调谐信号控制模块22根据要求产生三角波或锯齿波来驱动可调谐激光器1。
1：99光分束器4：可调谐激光器1的出射光由所述1:99光分束器4的a端口进入，并以1：99的比例分别从所述1：99光分束器4的b端口和c端口分配到基于辅助干涉仪的时钟触发系统21和主干涉仪20。
基于辅助干涉仪的时钟触发系统21：实现等光频间距采样，其目的是抑制光源的非线性扫描；包括隔离器10、第一50：50耦合器5、第一法拉第旋转镜8和第二法拉第旋转镜9、延迟光纤7、探测器2和时钟倍频电路模块6。
其中，隔离器10用于防止第一50：50耦合器5的b端口的反射光进入可调谐激光器1。所述第一50：50耦合器5用于光干涉，光从第一50：50耦合器5的b端口进入，从第一50：50耦合器5的c端口和d端口出射，分别被基于辅助干涉仪的时钟触发系统21的第一法拉第旋转镜8和第二法拉第旋转镜9反射，并返回到第一50：50耦合器5的c端口和d端口，两束光在第一50：50耦合器5中发生干涉，从第一50：50耦合器5的a端口输出。第一法拉第旋转镜8和第二法拉第旋转镜9用于为干涉仪20提供反射，且能够消除干涉仪20的偏振衰落现象。延迟光纤7用于实现非等臂的拍频干涉，能够根据拍频和延迟光纤长度得到光频。探测器2用于采集第一50：50耦合器5a端口的出射光，从而基于辅助干涉仪的时钟触发系统21的的干涉拍频信号。时钟倍频电路模块6的一端接入探测器2用于基于辅助干涉仪的时钟触发系统21的干涉拍频信号倍频；倍频目的是辅助干涉仪中采用较短的延迟光纤也可以产生较高的时钟信号。
主干涉系统20是系统的核心，其为改进型马赫泽德干涉仪，包括环行器13、50：50分束器3，第二50：50耦合器14、参考臂18、测试臂19、偏振控制器12、传感光缆15和一个平衡探测器16以及采集装置17。
50：50分束器3作用是马赫泽德干涉仪分束，光从50：50分束器3的a端口进入，经过50：50分束器3的b端口进入参考臂18的偏振控制器12，经过50：50分束器3的c端口进入测试臂19的环行器13的a端口。参考臂18上的偏振控制器12：调节参考光偏振态，使其在偏振分束时两个正交方向上光强基本一致。测试臂19上的环行器13：光从环行器13的a端口进入，从环行器13的c端口进入传感光缆15，而传感光缆15的背向散射光从环行器13的c端口进入，从环行器13的b端口输出。第二50：50耦合器14：将参考臂18上的参考光与测试臂19上背向散射光通过第二50：50耦合器14的a端口和b端口进入该第二耦合器14进行合束，形成拍频干涉并从该第二50：50耦合器14的c端口和d端口输出。平衡探测器16分别接入第二50：50耦合器14的c端口和d端口。采集装置17将平衡探测器16输出的模拟电信号采集到计算机11，其中采集装置17的时钟源来自基于辅助干涉仪的时钟触发系统21。
另外，基于辅助干涉仪的时钟触发系统21中即使采用较短的延迟光纤7时，钟倍频电路模块6将基于辅助干涉仪的时钟触发系统输出的干涉信号倍频，，将倍频后的信号接入采集装置17，作为采集装置17的外部时钟信号。
计算机11：对采集装置17采集的干涉信号进行数据处理，实现基于瑞利散射光谱相关系数的分布式扰动传感。
本发明同时提供了一种光频域反射分布式振动频率传感与定位的解调方法，如图4所示，该解调方法的步骤是：
步骤一：在主干涉仪中由传感光缆中背向散射形成的拍频干涉信号，利用快速傅里叶变换得到对应光缆各个位置的距离域信息，并依据此，分别采集一组静态参考信号和一组振动信号，并将该两组的主干涉信号分别从波长域转换到距离域信息；
步骤二：利用一个定长度的移动窗依次选定本地距离域信息，对各个位置的静态参考本地距离域信息与振动信号本地距离域信息进行复数互相关，根据复数互相关的相关系数或相关图的噪声系数即可得到振动点位置；其中，静态参考本地距离域信息和振动信号本地距离域信息互相关图的噪声系数评价为：以互相关图的互相关峰的二分之一，三分之一为或四分之一阈值，互相关图中超过此阈值的点数为噪声系数；其中这一互相关峰比例系数决定与系统的信噪比，实际操作中根据振动点误判率和灵敏度综合考量；
若未发生振动的参考信号的超过此阈值的点数少，则噪声系数低，当发生振动时参考信号超过此阈值的点数多，则噪声系数高。这样计算出整个传感光缆中各个位置块（用移动窗一次选出的位置块）的本地距离域信息互相关噪声系数，图2是整个光缆的参考信号与振动洗信号距离域互相关噪声系数图。
当噪声系数发生突变时即为振动点位置。如图3所示，在光缆的10.6km处施加50Hz振动，图中反映出在10.6km处噪声系数发生突变，即得到振动点位置。其中突变点位置可以利用小波变换的方法确定，并利用小波层系数的极值得到振动点位置。
步骤三：提取处于振动点位置本地距离域信息的复数互相关图的次峰位置，其中，次峰位置就是振动频率信息。如图3所示，当施加50Hz振动时，次峰移动50Hz；如图5当施加2000Hz时，次峰移动2000Hz.如图6和图7所示，当施加2Hz振动时，次峰移动2Hz
本发明测试距离可达120km-150km，振动点定位精度可达1m甚至更低达到厘米级。只利用光缆中的一芯，且终端设备只在传感光缆一端。普通通讯光缆亦可作为传感光缆。频率响应可达0-5kHz
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种光频域反射分布式振动频率传感与定位装置，其特征在于，包括：可调谐激光器（1）、1：99光分束器（4）、调谐信号控制模块（22）、基于辅助干涉仪的时钟触发系统（21）、主干涉仪系统（20）和计算机（11）；其中：
可调谐激光器（1）：用于为系统提供光源，光源采用超窄线宽线性调谐回音壁模式自注入锁模激光光源，其光频能够进行线性扫描，光源由调谐信号控制模块（22）控制，所述调谐信号控制模块（22）根据要求产生三角波或锯齿波来驱动可调谐激光器（1）；
1：99光分束器（4）：可调谐激光器（1）的出射光由所述1:99光分束器（4）的a端口进入，并以1：99的比例分别从所述1：99光分束器（4）的b端口和c端口分配到基于辅助干涉仪的时钟触发系统（21）和主干涉仪系统（20）；
基于辅助干涉仪的时钟触发系统（21）：实现等光频间距采样，其目的是抑制光源的非线性扫描；包括隔离器（10）、第一50：50耦合器（5）、第一法拉第旋转镜（8）和第二法拉第旋转镜（9）、延迟光纤（7）、探测器（2）和时钟倍频电路模块（6）；
隔离器（10）用于防止第一50：50耦合器（5）的b端口的反射光进入可调谐激光器（1）；
所述第一50：50耦合器（5）用于光干涉，光从第一50：50耦合器（5）的b端口进入，从第一50：50耦合器（5）的c端口和d端口出射，分别被基于辅助干涉仪的时钟触发系统（21）的两臂的第一法拉第旋转镜（8）和第二法拉第旋转镜（9）反射，并返回到第一50：50耦合器（5）的c端口和d端口，两束光在第一50：50耦合器（5）中发生干涉，从第一50：50耦合器（5）的a端口输出；
第一法拉第旋转镜（8）和第二法拉第旋转镜（9）用于为干涉仪（20）提供反射，且能够消除干涉仪（20）的偏振衰落现象；
延迟光纤（7）用于实现非等臂的拍频干涉，能够根据拍频和延迟光纤长度得到光频；
探测器（2）用于采集第一50：50耦合器（5）a端口的出射光，从而基于辅助干涉仪的时钟触发系统（21）的干涉拍频信号；
时钟倍频电路模块（6）的一端接入探测器（2）用于将基于辅助干涉仪的时钟触发系统（21）的干涉拍频信号倍频；
主干涉仪系统（20）包括环行器（13）、50：50分束器（3），第二50：50耦合器（14）、参考臂（18）、测试臂（19）、偏振控制器（12）、传感光缆（15）和平衡探测器（16）以及采集装置（17）；
基于辅助干涉仪的时钟触发系统（21）中即使采用较短的延迟光纤（7）时，钟倍频电路模块（6）将基于辅助干涉仪的时钟触发系统（21）输出的干涉信号倍频，将倍频后的信号接入采集装置（17），作为采集装置（17）的外部时钟信号；
50：50分束器（3）作用是马赫泽德干涉仪分束，光从50：50分束器（3）的a端口进入，经过50：50分束器（3）的b端口进入参考臂（18）的偏振控制器（12），经过50：50分束器（3）的c端口进入测试臂（19）的环行器（13）的a端口；
参考臂（18）上的偏振控制器（12）：调节参考光偏振态，使其在偏振分束时两个正交方向上光强基本一致；
测试臂（19）上的环行器（13）：光从环行器（13）的a端口进入，从环行器（13）的c端口进入传感光缆（15），而传感光缆（15）的背向散射光从环行器（13）的c端口进入，从环行器（13）的b端口输出；
第二50：50耦合器（14）：将参考臂（18）上的参考光与测试臂（19）上背向散射光通过第二50：50耦合器（14）的a端口和b端口进入该第二耦合器（14）进行合束，形成拍频干涉并从该第二50：50耦合器（14）的c端口和d端口输出；
平衡探测器（16）分别接入第二50：50耦合器（14）的c端口和d端口；
采集装置（17）将平衡探测器（16）输出的模拟电信号采集到计算机（11），其中采集装置（17）的时钟源来自基于辅助干涉仪的时钟触发系统（21）；
计算机（11）：对采集装置（17）采集的干涉信号进行数据处理，实现基于瑞利散射光谱相关系数的分布式扰动传感。
2.一种光频域反射分布式振动频率传感与定位的解调方法，其特征在于，采用如权利要求1所述光频域反射分布式振动频率传感与定位装置的解调包括以下步骤：
步骤一：在主干涉仪中由传感光缆中背向散射形成的拍频干涉信号，利用快速傅里叶变换得到对应光缆各个位置的距离域信息，并依据此，分别采集一组静态参考信号和一组振动信号，并将该两组的主干涉信号分别从波长域转换到距离域信息；
步骤二：利用一个定长度的移动窗依次选定本地距离域信息，对各个位置的静态参考本地距离域信息与振动信号本地距离域信息进行复数互相关，根据复数互相关的相关系数或相关图的噪声系数即可得到振动点位置；其中，静态参考本地距离域信息和振动信号本地距离域信息互相关图的噪声系数评价为：以互相关图的互相关峰的二分之一，三分之一为或四分之一阈值，互相关图中超过此阈值的点数为噪声系数；
若未发生振动的参考信号超过此阈值的点数少，则噪声系数低；
当发生振动时，参考信号超过此阈值的点数多，则噪声系数高；
计算出整个传感光缆中各个位置块的本地距离域信息互相关噪声系数；
当噪声系数发生突变时，利用小波变换的方法确定突变点位置，利用小波层系数的极值得到振动点位置；
步骤三：提取处于振动点位置本地距离域信息的复数互相关图的次峰位置，其中，次峰位置就是振动频率信息。
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