CN103278271B - 一种分布式光纤监测系统及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式光纤监测系统及其监测方法，激光光源产生连续光，经声光或电光调制器调制转换为光脉冲，光脉冲由光纤环形器进入3db光耦合器，在3db光耦合器中按功率1:1分为两束光分别注入两路传感光纤中，传播过程中产生的背向传播散射光或菲涅尔反射光沿与所述光脉冲传播相反的方向在传感光纤中传播，并在反向通过3db光耦合器时形成干涉光信号，通过光纤环形器进入光电探测器形成电信号，并输入至信号采集调理模块，信号采集调理模块进行放大、滤波和模数转换处理后，输出数字信号。本发明满足了现有结构健康监测的需求，且在其他领域也拥有一定的应用前景；通过扰动信号可以及时的监测到结构损伤信号，对结构体进行维修。

Description

一种分布式光纤监测系统及其监测方法

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，特别涉及一种分布式光纤监测系统及其监测方法。

背景技术

结构健康监测一直是现代检测领域的重中之中和难点所在，如大型桥梁的桥架摇轴支座等关键受力结构、房屋建筑的重要承重结构等均关系到国民财产及安全，如不能采取有效的监测手段，一旦这些重要结构发生损坏，将造成无法计量的灾难性后果。

目前，针对此种情况，有多种监测手段供人们选择，然而，由于技术手段本身的制约或者相关理论发展依然不够完善等问题，这些监测手段均存在一些缺陷使得问题不能得以圆满的解决。

基于分布式光纤的传感技术因其拥有分布式、灵敏度高、动态范围大、受电磁等外界干扰小等特点，被广泛应用在结构健康监测领域。布放时，需要将传感光纤安装在结构体之中或紧贴结构体表面，当结构体发生损伤时，其产生的扰动信号就会通过传感光纤传播到监控终端，以达到安全预警目的。

发明人在实现本发明的过程中发现，现有技术中至少存在以下缺点和不足：

由于需要检测光脉冲所返回光信号的相干结果，必须使用价格昂贵的长相干光源，且需要光源拥有极小的波长漂移；同时，通常要使用复杂的信号提取和识别系统，才能检测到扰动信号，使得检测的灵敏度受到了限制。

发明内容

本发明提供了一种分布式光纤监测系统及其监测方法，本发明降低了监测成本，克服了传感灵敏度不足的问题，详见下文描述：

一种分布式光纤监测系统，所述系统包括：激光光源，所述激光光源产生连续光，经声光或电光调制器调制转换为光脉冲，所述光脉冲由光纤环形器进入3db光耦合器，在所述3db光耦合器中按功率1:1分为两束光分别注入两路传感光纤中，传播过程中产生的背向传播散射光或菲涅尔反射光沿与所述光脉冲传播相反的方向在所述传感光纤中传播，并在反向通过所述3db光耦合器时形成干涉光信号，通过所述光纤环形器进入光电探测器形成电信号，并输入至信号采集调理模块，所述信号采集调理模块进行放大、滤波和模数转换处理后，输出数字信号。

所述光电探测器为：半导体雪崩光电二极管光电探测器。所述传感光纤为：单模光纤或多模光纤。

一种分布式光纤的监测方法，所述方法包括以下步骤：

（1）上位机选取连续发射N次光脉冲产生的N条数字信号曲线；

（2）选取平均次数M，间隔参数l，对所述N条数字信号曲线进行移动平均，获取平均曲线；

（3）对每条所述平均曲线进行标准化处理；

（4）将经标准化处理后的K条平均曲线组合形成一个K×n的2维矩阵，依次提取矩阵的列向量，将得到n条新的曲线Y={Y₁,Y₂,…,Y_j,…,Y_n}，依次求取每条曲线Y_j的均值和标准差σ'_j；

（5）计算每条曲线Y_j的均值和均方差σ'_j的比值，并作为传感光纤沿线第j点振动情况的估计；

（6）提取所有数字信号曲线r={r₁,r₂,r₃,…,r_i,…,r_N}中每条曲线第j点的数据，得到扰动事件的时域信号；

其中，r_i对应未经处理的第i次光脉冲所得到的数字信号曲线；Y_j为第j个采样点所对应光纤位置处的时域信号。

所述对所述N条数字信号曲线进行移动平均，获取平均曲线的步骤具体为：

对第1条到第M条数字信号曲线、第l+1条到第M+l条数字信号曲线，对第2l+1条到第M+2l条数字信号曲线进行平均，以此类推共得K=int((N-M)/l)+1条平均曲线，即：

$R_k=\frac{1}{M}\underset{i=(k-1)l+1}{\overset{(k-1)l+M}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i,k\∈[1,k]$

其中R_k为第k条移动平均所得曲线，int()为向下取整运算，M<N。

所述对每条所述平均曲线进行标准化处理的步骤具体为：

x_kj为第k条平均曲线的第j个采样点的值，使用标准化方法表示为：

$z_{\mathrm{kj}}=(x_{\mathrm{kj}}-{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_k)/{\mathrm{\&sigma;}}_k,k\&Element;(1,K),j\&Element;(1,n)$

其中，z_kj为经过标准化处理后的各平均曲线中各点的值，为第k条平均曲线的平均值，σ_k为第k条平均曲线的标准差。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明克服了现有系统灵敏度不足、或定位精度不能适应实际需求的问题；且该系统具有分布式光纤监测系统所特有的分布式、灵敏度高、动态范围大、受电磁等外界干扰小等特点，且安装方便，造价相对低廉，可以很好的满足现有结构健康监测的需求，且在其他领域也拥有一定的应用前景；通过扰动信号可以及时的监测到结构损伤信号，对结构体进行维修。

附图说明

图1为本发明提供的一种分布式光纤监测系统的工作原理示意图；

图2为本发明提供的系统组成示意图；

图3为本发明提供的一种分布式光纤实时监测方法的流程图；

图4为本发明所测得结构损伤信号波形图。

(a)图为所得实验数据经平均算法所得的平均曲线；(b)图中的脉冲尖峰，对应损伤所产生的扰动信号，峰值所对应的距离为结构损伤所发生的位置。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：激光光源；                    2：声光或电光调制器；

3：光纤环形器；                  4：3db耦合器；

5：光电探测器；                  6：信号采集调理模块；

7：传感光纤；                    8：计算机；

9：结构体；                      10：分布式光纤监测系统。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了降低监测成本，克服传感灵敏度不足的问题，本发明实施例提供了一种分布式光纤监测系统，本发明的技术思路是：将两根传感光纤布放在结构体内部或者紧贴结构体表面，以传感光纤作为传感器，捕获传感光纤沿线所发生的扰动情况。将连续光通过调制器调制为光脉冲，同时注入两路传感光纤之中。当光脉冲通过传感光纤沿线各点时会因瑞利散射或菲涅尔反射依次产生背向回波信号。通过测量两传感光纤中背向回波信号的相干结果，可以有效获得传感光纤各点的特征。当结构体发生损伤时，其产生的扰动（具体表现为应力或冲击力等）将改变光纤的该点的特性，使得该点所产生的干涉信号发生变化，通过检测干涉信号的变化，即可检得结构体发生损伤时的扰动信号。并最终经由对信号的调理与识别，迅速判断损伤点的情况及位置，实现结构健康安全预警的目的。

一种分布式光纤监测系统，参见图1，该基于干涉原理和瑞利散射原理的系统包括：激光光源1，激光光源1产生连续光，经声光或电光调制器2调制转换为光脉冲，光脉冲由光纤环形器3进入3db光耦合器4，在3db光耦合器4中按功率1:1分为两束光分别注入两路传感光纤7中，传播过程中产生的背向传播散射光或菲涅尔反射光沿与光脉冲传播相反的方向在传感光纤7中传播，并在反向通过3db光耦合器4时形成干涉光信号，通过光纤环形器3进入光电探测器5形成电信号，并输入至信号采集调理模块6，信号采集调理模块6进行放大、滤波和模数转换处理后，输出数字信号。

具体实现时，经由3db光耦合器4注入两路传感光纤7中的光脉冲，会在经过光纤路径的每一点时产生背向的瑞利散射或菲涅尔反射光，该反射光将反向传播并在3db光耦合器4处形成干涉光信号；当两路传感光纤7受到结构体损伤所产生的扰动影响时，会造成输出的干涉光信号的变化，实时监测干涉光信号的变化，则可以检测出两传感光纤7沿线所发生结构体损伤事件。光线路径每一点的信号到达时间等于两倍检测点距离与光速的比值，即由损伤信号的时间就可以准确得到损伤时间发生的位置。其中，光脉冲越窄，监测系统的空间分辨率就越高；消光比越高，监测系统得到的光信号所包含的光噪声越少，即监测系统的性能越好。

其中，激光光源1为大功率光源，以获得高的散射或反射光强，并能有效获得瑞利散射的干涉信号；声光/电光调制器2要有高调制速率和高的消光比；光电探测器5为基于半导体雪崩光电二极管光电探测器，可以检测极其微弱的光信号，并且拥有高的响应速率；传感光纤7要对振动信号敏感，具体为单模光纤或多模光纤，既可以做传感器使用，也可以作为数据通信的链路。

一种分布式光纤实时监测方法，参见图2和图3，本方法使用改进型移动平均差分算法用于噪声信号抑制，使用标准化处理去除本底光强随传播衰减对信号波动幅值的影响，使用扰动情况评价算法快速准确定位结构损伤所产生扰动信号的位置，详见下文描述：

101：上位机8选取连续发射N次光脉冲产生的N条数字信号曲线；

其中，每条数字信号曲线共包括n个采样点，n=f_s/f，f_s为采样频率，f为光脉冲频率；第j个采样点的数据对应从光脉冲发出算起第j/f_s时刻所返回的散射信号，该信号表征了距光纤首段L=(c·j)/(2·n_c·f_s)距离的散射点的情况；n_c为传感光纤的折射率，c为真空中的光速。设r={r₁,r₂,r₃,…,r_i,…,r_N}，r_i对应未经处理的第i次光脉冲所得到的数字信号曲线；N的取值范围根据实际应用中的需要进行设定，本发明实施例优选N大于500。

由计算机8和分布式光纤监测系统10共同实现本发明功能。布设于结构体9内部的分布式光纤监测系统10，可以有效的对结构体10内部的各种损伤进行监测。结构体损伤所产生的扰动信号会经由分布式光纤监测系统10进行传感，并最终转换为电信号，实时送入计算机8中进行处理、计算和分析，得到结构损伤信号及其位置信息，可以快速有效地捕获损伤事件所产生的扰动并进行精准的定位。

102：选取平均次数M，间隔参数l，对N条数字信号曲线进行移动平均，获取平均曲线；

该步骤具体为：对第1条到第M条数字信号曲线、第l+1条到第M+l条数字信号曲线，对第2l+1条到第M+2l条数字信号曲线进行平均，以此类推共得K=int((N-M)/l)+1条平均曲线，即：

$R_k=\frac{1}{M}\underset{i=(k-1)l+1}{\overset{(k-1)l+M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{r}_i,k\&Element;[1,K]$

其中R_k为第k条移动平均所得曲线，int()为向下取整运算，M<N，优选M>100，l=5。

例如：选取平均次数M为150，间隔参数l为5，N的取值为600，则对第1条到第150条数字信号曲线进行平均，第6条到第155条数字信号曲线进行平均，第11条到第160条数字信号曲线进行平均，以此类推共得到91条平均曲线。

103：对每条平均曲线进行标准化处理；

其中，设x_kj为第k条平均曲线的第j个采样点的值，使用标准化方法表示为：

$z_{\mathrm{kj}}=(x_{\mathrm{kj}}-{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_k)/{\mathrm{\&sigma;}}_k,k\&Element;(1,K),j\&Element;(1,n)$

其中，z_kj为经过标准化处理后的各平均曲线中各点的值，为第k条平均曲线的平均值，σ_k为第k条平均曲线的标准差。

104：将经标准化处理后的K条平均曲线组合形成一个K×n的2维矩阵，依次提取矩阵的列向量，将得到n条新的曲线Y={Y₁,Y₂,…,Y_j,…,Y_n}，依次求取每条曲线Y_j的均值和标准差σ'_j；

其中，K×n2维矩阵的形式为z_kj的定义同步骤103，即经过标准化处理后第k条曲线中第j点的值。

其中，Y_j为矩阵A中第j列数据所组成数据曲线，即Y_j={z_1jz_2j…z_kj}。依次求取每条曲线Y_j的均值和标准差σ'_j；Y_j的实质为第j个采样点所对应光纤位置处的时域信号。

105：计算每条曲线Y_j的均值和均方差σ'_j的比值并作为传感光纤沿线第j点振动情况的估计；

其中，估计值越大，表征该点的扰动越剧烈，并可由式L=(c·j)/(2·n_c·f_s)得到扰动事件距光纤首段的距离。

106：提取所有数字信号曲线r={r₁,r₂,r₃,…,r_i,…,r_N}中每条曲线第j点的数据，得到扰动事件的时域信号。

下面以具体的试验来验证本发明提供的光纤监测系统和监测方法的可行性，详见下文描述：

实验地点为大港-枣庄成品油管道，管道实测长度约为35km。将实验设备放置于大港-枣庄成品油输油站内，系统采用的传感光缆为2006年建设该成品油管道时敷设的GYTA六芯单模通讯光缆，位于管道正上方约30cm，与地面垂直距离约1.5m。在距光纤首端约12km，采用人工夯砸模拟入侵事件所产生振动信号。系统所用光源为普通LD激光器，最大功率为80mW。光电探测器采用THORLABS公司生产的基于APD雪崩光电二极管光电探测器，以探测微弱的背向散射光。信号采集调理模块6（DAQ）使用NI公司生产的NI-5122高速采集卡，最高采样频率可以达到100Ms/s。系统采用频率为1KHz、脉宽为200ns的调制脉冲以适应35km的检测距离。系统理论空间分辨率为20m。对所得实验数据，采用如本发明所描述的方法进行处理。取原始曲线数量N=500（即0.5s内采集到的数据），平均次数M=100，间隔参数l=5。

附图4（a）显示了由信号采集调理模块所得原始曲线经本平均算法处理后的结果。各平均曲线在约12km处出现了明显的不一致，与此同时在其他位置保持了良好的一致性，各平均曲线的差异由人工夯砸所引起的扰动造成。附图4（b）为数据经扰动情况评价算法所得结果，图中曲线幅值的大小显示了对应位置处扰动的剧烈程度，尖峰信号所对应位置为11830m，信噪比为9.5dB，与实际人工夯砸位置相一致。重复上述实验，经计算50次的实验结果的平均信噪比为8.9dB，定位结果的标准差仅为5.89m。

本系统可以准确捕获光纤周围的扰动信号，并实现对扰动事件的高精度定位，较现有光纤监测系统拥有更高的灵敏度、更精准定位精度。通过利用现有通讯光纤中的冗余光纤或架设新的光纤链路，可以提供稳定、可靠、效果良好的结构健康监测或如入侵预警解决方案。

综上所述，本发明实施例提供了一种分布式光纤监测系统及其监测方法，本发明克服了现有系统灵敏度不足、或定位精度不能适应实际需求的问题；且该系统具有分布式光纤监测系统所特有的分布式、灵敏度高、动态范围大、受电磁等外界干扰小等特点，且安装方便，造价相对低廉，可以很好的满足现有结构健康监测的需求，且在其他领域也拥有一定的应用前景；通过扰动信号可以及时的监测到结构损伤信号，对结构体进行维修。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种分布式光纤监测系统的监测方法，所述系统包括：激光光源，

所述激光光源产生连续光，经声光或电光调制器调制转换为光脉冲，所述光脉冲由光纤环形器进入3db光耦合器，在所述3db光耦合器中按功率1:1分为两束光分别注入两路传感光纤中，传播过程中产生的背向传播散射光或菲涅尔反射光沿与所述光脉冲传播相反的方向在所述传感光纤中传播，并在反向通过所述3db光耦合器时形成干涉光信号，通过所述光纤环形器进入光电探测器形成电信号，并输入至信号采集调理模块，所述信号采集调理模块进行放大、滤波和模数转换处理后，输出数字信号；其特征在于，所述监测方法包括以下步骤：

(1)上位机选取连续发射N次光脉冲产生的N条数字信号曲线；

(2)选取平均次数M，间隔参数l，对所述N条数字信号曲线进行移动平均，获取平均曲线；

(3)对每条所述平均曲线进行标准化处理；

(4)将经标准化处理后的K条平均曲线组合形成一个K×n的2维矩阵，依次提取矩阵的列向量，将得到n条新的曲线Y＝{Y₁,Y₂,…,Y_j,…,Y_n}，依次求取每条曲线Y_j的均值和标准差σ'_j；

(5)计算每条曲线Y_j的均值和均方差σ'_j的比值并作为传感光纤沿线第j点振动情况的估计；

(6)提取所有数字信号曲线r＝{r₁,r₂,r₃,…,r_i,…,r_N}中每条曲线第j点的数据，得到扰动事件的时域信号；

其中，r_i对应未经处理的第i次光脉冲所得到的数字信号曲线；Y_j为第j个采样点所对应光纤位置处的时域信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述N条数字信号曲线进行移动平均，获取平均曲线的步骤具体为：

对第1条到第M条数字信号曲线、第l+1条到第M+l条数字信号曲线，对第2l+1条到第M+2l条数字信号曲线进行平均，以此类推共得K＝int((N-M)/l)+1条平均曲线，即：

$R_k=\frac{1}{M}\underset{i=(k-1)l+1}{\overset{(k-1)l+M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{r}_i,k\&Element;[1,K]$

其中R_k为第k条移动平均所得曲线，int()为向下取整运算，M<N。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对每条所述平均曲线进行标准化处理的步骤具体为：

x_kj为第k条平均曲线的第j个采样点的值，使用标准化方法表示为：

$z_{\mathrm{kj}}=(x_{\mathrm{kj}}-{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_k)/{\mathrm{\&sigma;}}_k,k\&Element;(1,K),j\&Element;(1,n)$

其中，z_kj为经过标准化处理后的各平均曲线中各点的值，为第k条平均曲线的平均值，σ_k为第k条平均曲线的标准差。