CN103954348B - 基于差分脉冲序列的分布式光纤振动传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于差分脉冲序列的分布式光纤振动传感系统，包括：光源、第一耦合器、第一至第N声光调制器、(N-1)个延迟光纤、第二耦合器、掺铒光纤放大器、光滤波器、三端口环形器、长距离传感光纤、第三耦合器、光电探测器、高通滤波器、混频器、函数发生器、低通滤波器和数据采集卡。上述基于差分脉冲序列的分布式光纤振动传感系统可实现对长距离范围内高频振动信号的测量以及精确的位置判断，并能在一定程度上降低系统成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种分布式光纤振动传感系统，特别涉及一种基于差分脉冲序列的分布式光纤振动传感系统。
背景技术
振动量测量在工程领域具有潜在的运用价值，如结构健康监测、航空航天、石油化工、电力系统等安全监测。传统的振动测量方法如机械式测量法、电测量法，都存在灵敏度低、体积大、测量范围受放大器件限制等问题，并且传统的振动测量方法只能进行点式测量，在实际运用中受到限制，因此研制高性能的振动测量系统势在必行。
分布式光纤传感技术是指沿光纤传输路径上的外部信号以一定的方式对光纤中的光波进行不断的调制，以实现对被测量场的连续空间进行实时测量，光纤既是导光介质，同时作为传感元件，感应外界振动信号。
现有技术中基于光纤技术的振动传感系统研究已经非常广泛，但现有的测量手段都存在振动位置精确测量的同时较低频率的测量，或是较高频率的振动测量但空间分辨率较低的问题。为了适应现代大型基础设施健康监测的需求，势必要同时实现对长距离范围内高频振动信号的测量以及精确的位置判断，并且要一定程度降低系统成本。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种可实现对长距离范围内高频振动信号的测量以及精确的位置判断，并能在一定程度上降低系统成本的分布式光纤振动传感系统。
本发明所提供的一种基于差分脉冲序列的分布式光纤振动传感系统，用于对指定空间的振动进行感测，所述基于差分脉冲序列的分布式光纤振动传感系统包括：
光源、第一耦合器、第一声光调制器至第N声光调制器、N-1个延迟光纤、第二耦合器、掺铒光纤放大器、光滤波器、三端口环形器、长距离传感光纤、第三耦合器、光电探测器、高通滤波器、混频器、函数发生器、低通滤波器和数据采集卡，其中N为大于或等于2的自然数；所述长距离传感光纤铺设于被测的指定空间内，所述光源与第一耦合器的输入端光路连接，所述第一耦合器的第一至第N输出端分别与第一至第N声光调制器的输入端相连，所述第一耦合器的第N+1输出端与第二耦合器的第一输入端相连，所述第一声光调制器的输出端与第三耦合器的第一输入端相连，所述第二声光调制器至第N声光调制器的输出端分别对应与N-1个延迟光纤的输入端相连，所述N-1个延迟光纤的输出端分别对应与第三耦合器的第二至第N输入端相连，所述第三耦合器的输出端与掺铒光纤放大器的输入端相连，所述掺铒光纤放大器的输出端与光滤波器的输入端相连，所述光滤波器的输出端与三端口环形器的输入端相连，所述三端口环形器的收发复用端与第二耦合器的第二输入端相连，所述三端口环形器的输出端与长距离传感光纤的一端相连，所述第二耦合器的输出端与光电探测器的输入端相连，所述光电探测器的输出端与高通滤波器的输入端相连，所述高通滤波器的输出端与混频器的第一输入端相连，所述混频器的第二输入端与函数发生器的第一输出端相连，所述函数发生器的第二至第N+1输出端还与第一声光调制器至第N声光调制器连接，所述混频器的输出端与低通滤波器的输入端相连，所述低通滤波器的输出端与数据采集卡相连。
其中，所述第一耦合器为1×(N+1)耦合器。
其中，所述第三耦合器为N×1耦合器。
为了进一步提高第二耦合器输出的信号的信噪比，上述基于差分脉冲序列的分布式光纤振动传感系统中的光电探测器采为平衡光电探测器，所述第二耦合器为2×2耦合器，所述第二耦合器的两个输出端与平衡光电探测器的两个输入端一一连接。
为了进一步提高上述基于差分脉冲序列的分布式光纤振动传感系统的精确性，所述函数发生器对第一声光调制器至第N声光调制器的驱动参数一致；所述函数发生器连接混频器的第一输出端所产生的余弦信号的频率为85MHz。
为了进一步提高上述基于差分脉冲序列的分布式光纤振动传感系统的精确性，所述N-1个延迟光纤的长度均不同，且每相邻的两个延迟光纤之间的长度差相同。
进一步的，所述N个声光调制器的移频均不相同，且每相邻的两个声光调制器之间的频移差相同。
本发明基于差分脉冲序列的分布式光纤振动传感系统采用差分脉冲序列技术，使得一列不同频率的窄脉冲光信号在一短时间差内先后进入长距离传感光纤，通过精确设置延迟光纤长度来控制差分时间，N个时差脉冲序列可以在一个采样周期内实现对振动事件的N次测量，由此增加采样点数从而提高系统频率响应，同时，上述系统采用外差解调法有利于提高解调信号信噪比，可同时实现对振动位置信号和较高振动频率信号的高精度检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
图1是本发明基于差分脉冲序列的分布式光纤振动传感系统的第一较佳实施方式的光路图。
图2是本发明基于差分脉冲序列的分布式光纤振动传感系统的第二较佳实施方式的光路图。
具体实施例
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解的是，虽然此处可以使用“第一”、“第二”等术语来描述各种元件，但是这些元件不应当由这些术语所限制。这些术语仅用来区分一个元件和另一个元件。因此，下文所讨论的“第一”元件也可以被称为“第二”元件而不偏离本发明的教导。应当理解的是，当提及一元件“连接”或者“联接”到另一元件时，其可以直接地连接或直接地联接到另一元件或者也可以存在中间元件。相反地，当提及一元件“直接地连接”或“直接地联接”到另一元件时，则不存在中间元件。
在此使用的术语仅仅用于描述具体的实施方式的目的而无意作为对本发明的限定。如此处所使用的，除非上下文另外清楚地指出，则单数形式意图也包括复数形式。
应当进一步理解的是，当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包括有”时，这些术语指明了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是也不排除一个以上其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在和/或附加。
请参见图1及图2，本发明一种基于差分脉冲序列的分布式光纤振动传感系统的较佳实施方式包括光源1、第一耦合器2、第一声光调制器3至第N声光调制器、N-1个延迟光纤5、第二耦合器11、掺铒光纤放大器7、光滤波器8、三端口环形器9、长距离传感光纤10、第三耦合器6、光电探测器12、高通滤波器13、混频器14、函数发生器15、低通滤波器16和数据采集卡17。其中，所述长距离传感光纤10铺设于被测空间内。本实施方式中，所述第一耦合器2为1×(N+1)耦合器，所述第三耦合器6为N×1耦合器，上述N个声光调制器的移频均不相同，且每相邻的两个声光调制器之间的频移差相同，其中N为大于或等于2的自然数。为便于描述，图1中示出了两个声光调制器，即N＝2，此时所述延迟光纤的数量为一个，所述第一耦合器2为1×3耦合器，所述第三耦合器6为2×1耦合器；图2中示出了三个声光调制器，即N＝3，此时所述延迟光纤的数量为两个，所述第一耦合器2为1×4耦合器，所述第三耦合器6为3×1耦合器。
下面将分别对图1及图2进行描述：
请再次参考图1所示，所述光源1与第一耦合器2的输入端光路连接，所述第一耦合器2的第一至第三输出端分别对应与第一声光调制器3、第二声光调制器4的输入端以及第二耦合器11的第一输入端相连。所述第一声光调制器3的输出端与第三耦合器6的第一输入端相连，所述第二声光调制器4的输出端与延迟光纤5的输入端相连，所述延迟光纤5的输出端与第三耦合器6的第二输入端相连。
所述第三耦合器6的输出端与掺铒光纤放大器7的输入端相连，所述掺铒光纤放大器7的输出端与光滤波器8的输入端相连，所述光滤波器8的输出端与三端口环形器9的输入端相连，所述三端口环形器9的收发复用端与第二耦合器11的第二输入端相连，所述三端口环形器9的输出端与长距离传感光纤10的一端相连。
所述第二耦合器11的输出端与光电探测器12的输入端相连，所述光电探测器12的输出端与高通滤波器13的输入端相连，所述高通滤波器13的输出端与混频器14的第一输入端相连，所述混频器14的第二输入端与函数发生器15的第一输出端相连，所述函数发生器15的第二输出端与第一声光调制器3连接，所述函数发生器15的第三输出端还与第二声光调制器4连接。所述混频器14的输出端与低通滤波器16的输入端相连，所述低通滤波器16的输出端与数据采集卡17相连。
所述第一耦合器2将输入光分为三路：第一路光作为检测光信号输出至第一声光调制器3、第二路光作为检测光信号输出至第二声光调制器4、第三路光作为参考光信号输出至第二耦合器11的第一输入端。所述第一声光调制器3对输入光进行调制处理后将光输出至第三耦合器6，同时第二声光调制器4对输入光进行调制后将光输出至延迟光纤5。本实施方式中，上述两个声光调制器的光信号移频量不同。依序经由第二声光调制器4及延迟光纤5输出的光信号相对于经由所述第一声光调制器3输出的光信号具有一短时间的延迟。该两个具有一定时差的光信号均被输入至第三耦合器6，经由第三耦合器6耦合处理之后，光信号被输入至掺饵光纤放大器7以进行放大处理。之后，被进行放大处理后的光信号被输入至光滤波器8进行消噪处理。经过消噪处理后的光信号由光滤波器8传输至三端口环形器9，所述三端口环形器9用于提取长距离传感光纤10中由两个声光调制器所产生的探测光信号产生的后向瑞利散射光。
之后，分别由两个声光调制器所产生的探测光信号所产生的后向瑞利散射信号分别先后与参考光信号在第二耦合器11中发生拍频干涉。所述高通滤波器13用于提取检测光信号和参考信号的干涉信号中的交流相，所述混频器14用于对检测信号和参考信号的干涉信号中的交流相与函数发生器15所输出的余弦信号在混频器14内进行混频。所述低通滤波器16用于滤除来自混频器14的信号内的高频噪声以得到下变频信号，所述数据采集卡17用于串行采集调解后的瑞利散射信号，采集到的瑞利散射信号可用于后续的分析计算。
下面将对上述基于差分脉冲序列的分布式光纤振动传感系统的工作原理进行详细说明：
由所述光源1所输出的光被第一耦合器2分为三束光，其中两束作为检测光分别被第一声光调制器3及第二声光调制器4分别调制为第一窄脉冲光信号及第二窄脉冲信号，其中，第二窄脉冲信号经过一段延迟光纤5后与第一窄脉冲信号形成一具有一短时间差的不同频率的脉冲对，所述脉冲对通过第三耦合器6进入掺铒光纤放大器7进行光放大，光信号随后通过三端口环形器9注入长距离传感光纤10，并在长距离传感光纤10中分别激发出两条有一短时间差的不同频率的后向瑞利散射光，当外界振动作用在长距离传感光纤10上时，将会引起光脉冲宽度范围内后向瑞利散射光的相位发生变化，两条有一短时间差的不同频率的瑞利后向散射与参考光在第二耦合器11处发生拍频干涉，光电探测器12每间隔一定周期就从第二耦合器11的输出端采集拍频后的后向瑞利散射光，每个采集周期内可以采集到两条不同频率的后向散射光信号，两散射光信号由于频率不相同因此不会发生混叠，并且在计算机中通过包络检波法可以将两条散射光信号区分开；经过多个采样周期后可以采集到大量散射信号，由于两条被分开的散射信号有一短时间差，按照采样时间先后顺序排列所有采样散射信号，并且保证采样散射信号的长距离传感光纤10位置一一对应，对排列好的散射信号做移动平均与移动差分处理，可以得出振动的位置信息。取出振动位置的时域信号，对其做非均匀傅里叶变换即可得出振动的频率信息。
为了提高所述第二耦合器11所输出的信号的信噪比，本实施方式中，所述光电探测器12采用平衡光电探测器，所述第二耦合器11采用2×2耦合器，所述第二耦合器11的两个输出端与光电探测器12的两个输入端一一连接。另外，所述函数发生器15连接第一声光调制器3的第二输出端及连接第二声光调制器4的第三输出端所产生的电脉冲信号的频率均为80KHz、脉宽均为100ns、高电平幅值均为1V、低电平幅值均为0V，即所述函数发生器15对第一及第二声光调制器的驱动参数一致；所述延迟光纤5的长度为120米，所述函数发生器15连接混频器14的第一输出端所产生的余弦信号的频率为85MHz。
请再次参考图2所示，为了节省文字的篇幅，下面将只对两者的区别进行描述，其与图1的区别在于还包括第三声光调制器40及另一延迟光纤50，所述第一耦合器2的第一至第四输出端分别对应与第一声光调制器3、第二声光调制器4、第三声光调制器40的输入端以及第二耦合器11的第一输入端相连。所述第一声光调制器3的输出端与第三耦合器6的第一输入端相连，所述第二声光调制器4及第三声光调制器40的输出端分别对应与延迟光纤5及50的输入端相连，所述延迟光纤5及50的输出端分别对应与第三耦合器6的第二及第三输入端相连。所述函数发生器15的第二输出端、第三输出端和第四输出端还分别与第一声光调制器3、第二声光调制器4及第三声光调制器40连接。
所述第一耦合器2将输入光分为四路：第一路光作为检测光信号输出至第一声光调制器3、第二路光作为检测光信号输出至第二声光调制器4、第三路光作为检测光信号输出至第三声光调制器40、第四路光作为参考光信号输出至第三耦合器11的第一输入端。所述第一声光调制器3对输入光进行调制处理后将光输出至第二耦合器6，同时第二声光调制器4及第三声光调制器40分别对输入光进行调制后将光对应输出至延迟光纤5及50。本实施方式中，上述三个声光调制器中的每一个声光调制器的光信号移频量均不同，且每相邻的两个声光调制器之间的频移差相同；上述两个延迟光纤的长度亦不相同。依序经由第二声光调制器4及延迟光纤5输出的光信号相对于经由所述第一声光调制器3输出的光信号具有一短时间的延迟，依序经由第三声光调制器40及延迟光纤50输出的光信号相对于依序经由所述第二声光调制器4及延迟光纤5输出的光信号具有一短时间的延迟。该三个具有一定时差的光信号均被输入至第二耦合器6，经由第二耦合器6耦合处理之后，光信号被输入至掺饵光纤放大器7以进行放大处理。之后，被进行放大处理后的光信号被输入至光滤波器8进行消噪处理。经过消噪处理后的光信号由光滤波器8传输至三端口环形器9，所述三端口环形器9用于提取长距离传感光纤10中由三个声光调制器所产生的探测光信号产生的后向瑞利散射光。
之后，分别由三个声光调制器所产生的探测光信号所产生的后向瑞利散射信号分别先后与参考光信号在第二耦合器11中发生拍频干涉。所述高通滤波器13用于提取检测光信号和参考信号的干涉信号中的交流相，所述混频器14用于对检测信号和参考信号的干涉信号中的交流相与函数发生器15所输出的余弦信号在混频器14内进行混频。所述低通滤波器16用于滤除来自混频器14的信号内的高频噪声以得到下变频信号，所述数据采集卡17用于串行采集调解后的瑞利散射信号，采集到的瑞利散射信号可用于后续的分析计算。
本发明基于差分脉冲序列的分布式光纤振动传感系统采用差分脉冲序列技术，使N个不同频率的窄脉冲光信号(即差分脉冲系列)在一短时间差内先后进入长距离传感光纤，通过精确设置延迟光纤的长度来控制差分时间，N个时差脉冲信号可以在一个采样周期内实现对振动事件的多次测量，由此增加采样点数从而提高系统频率响应。同时，整个分布式光纤振动传感系统采用外差解调法，有利于提高解调信号的信噪比。上述基于差分脉冲序列的分布式光纤振动传感系统可同时实现对振动位置信号和较高振动频率信号的高精度检测。
当然，其他实施方式中，所述声光调制器的数量可以更多，只要其大于或等于两个即可，对应的，所述延迟光纤的数量亦要增加，其中所述延迟光纤的数量比声光调制器的数量少一个。同时，所述第一耦合器及第三耦合器的规格亦要对应进行调整。综上，本发明基于差分脉冲序列的分布式光纤振动传感系统包括光源、第一耦合器、第一至第N声光调制器、N-1个延迟光纤、第二耦合器、掺铒光纤放大器、光滤波器、三端口环形器、长距离传感光纤、第三耦合器、光电探测器、高通滤波器、混频器、函数发生器、低通滤波器和数据采集卡。其中，所述第一耦合器为1*(N+1)耦合器，所述第三耦合器为N*1耦合器，上述N个声光调制器的移频均不相同且每相邻的两个声光调制器之间的频移差相同，上述N-1个延迟光纤的长度均不同且每相邻的两个延迟光纤之间的长度差相同，其中N为大于或等于2的自然数。
所述光源与第一耦合器的输入端光路连接，所述第一耦合器的第一至第N输出端分别对应与第一至第N声光调制器的输入端相连，所述第一耦合器的第N+1输出端与第二耦合器的第一输入端相连。所述第一声光调制器的输出端与第三耦合器的第一输入端相连，所述第二至第N声光调制器的输出端分别对应与N-1个延迟光纤的输入端相连，所述N-1个延迟光纤的输出端分别对应与第三耦合器的第二至第N输入端相连。
所述第三耦合器的输出端与掺铒光纤放大器的输入端相连，所述掺铒光纤放大器的输出端与光滤波器的输入端相连，所述光滤波器的输出端与三端口环形器的输入端相连，所述三端口环形器的收发复用端与第二耦合器的第二输入端相连，所述三端口环形器的输出端与长距离传感光纤的一端相连。
所述第二耦合器的输出端与光电探测器的输入端相连，所述光电探测器的输出端与高通滤波器的输入端相连，所述高通滤波器的输出端与混频器的第一输入端相连，所述混频器的第二输入端与函数发生器的第一输出端相连，所述函数发生器的第二至第N+1输出端还与第一声光调制器至第N声光调制器连接。所述混频器的输出端与低通滤波器的输入端相连，所述低通滤波器的输出端与数据采集卡相连。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (9)
1.一种基于差分脉冲序列的分布式光纤振动传感系统，用于对指定空间的振动进行感测，其特征在于：所述基于差分脉冲序列的分布式光纤振动传感系统包括：
光源(1)、第一耦合器(2)、第一声光调制器(3)至第N声光调制器、N-1个延迟光纤、第二耦合器(11)、掺铒光纤放大器(7)、光滤波器(8)、三端口环形器(9)、长距离传感光纤(10)、第三耦合器(6)、光电探测器(12)、高通滤波器(13)、混频器(14)、函数发生器(15)、低通滤波器(16)和数据采集卡(17)，其中N为大于或等于2的自然数；所述长距离传感光纤(10)铺设于被测的指定空间内，所述光源(1)与第一耦合器(2)的输入端光路连接，所述第一耦合器(2)的第一至第N输出端分别与第一至第N声光调制器的输入端相连，所述第一耦合器(2)的第N+1输出端与第二耦合器(11)的第一输入端相连，所述第一声光调制器(3)的输出端与第三耦合器(6)的第一输入端相连，所述第二声光调制器至第N声光调制器的输出端分别对应与N-1个延迟光纤的输入端相连，所述N-1个延迟光纤的输出端分别对应与第三耦合器(6)的第二至第N输入端相连，所述第三耦合器(6)的输出端与掺铒光纤放大器(7)的输入端相连，所述掺铒光纤放大器(7)的输出端与光滤波器(8)的输入端相连，所述光滤波器(8)的输出端与三端口环形器(9)的输入端相连，所述三端口环形器(9)的收发复用端与第二耦合器(11)的第二输入端相连，所述三端口环形器(9)的输出端与长距离传感光纤(10)的一端相连，所述第二耦合器(11)的输出端与光电探测器(12)的输入端相连，所述光电探测器(12)的输出端与高通滤波器(13)的输入端相连，所述高通滤波器(13)的输出端与混频器(14)的第一输入端相连，所述混频器(14)的第二输入端与函数发生器(15)的第一输出端相连，所述函数发生器(15)的第二至第N+1输出端还与第一声光调制器(3)至第N声光调制器连接，所述混频器(14)的输出端与低通滤波器(16)的输入端相连，所述低通滤波器(16)的输出端与数据采集卡(17)相连。
2.如权利要求1所述的基于差分脉冲序列的分布式光纤振动传感系统，其特征在于：所述第一耦合器为1×(N+1)耦合器。
3.如权利要求1所述的基于差分脉冲序列的分布式光纤振动传感系统，其特征在于：所述第三耦合器为N×1耦合器。
4.如权利要求1所述的基于差分脉冲序列的分布式光纤振动传感系统，其特征在于：所述光电探测器(12)为平衡光电探测器。
5.如权利要求4所述的基于差分脉冲序列的分布式光纤振动传感系统，其特征在于：所述第二耦合器(11)为2×2耦合器，所述第二耦合器(11)的两个输出端与平衡光电探测器的两个输入端一一连接。
6.如权利要求1所述的基于差分脉冲序列的分布式光纤振动传感系统，其特征在于：所述函数发生器(15)对第一声光调制器至第N声光调制器的驱动参数一致。
7.如权利要求1所述的基于差分脉冲序列的分布式光纤振动传感系统，其特征在于：所述函数发生器(15)连接混频器(14)的第一输出端所产生的余弦信号的频率为85MHz。
8.如权利要求1所述的基于差分脉冲序列的分布式光纤振动传感系统，其特征在于：所述N-1个延迟光纤的长度均不同，且每相邻的两个延迟光纤之间的长度差相同。
9.如权利要求1所述的基于差分脉冲序列的分布式光纤振动传感系统，其特征在于：所述N个声光调制器的移频均不相同，且每相邻的两个声光调制器之间的频移差相同。
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