CN103983342A - 一种确定传感光纤的震动位置的方法及光纤传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤传感设备领域，尤其涉及一种确定传感光纤的震动位置的方法及光纤传感系统。确定传感光纤的震动位置的方法利用新的计算方法，通过对返回的一路干涉信号的强度函数进行级数展开，并在小信号时进行近似，近似的信号强度与信号实际强度误差可以忽略，从而能够直接得到一路信号的干涉相位差Δφ的时间函数，通过对此函数进行傅里叶变换，从而获得震动频率的准确的陷波点频谱强度分布，获取陷波点频率点，从而确定传感光纤的震动位置。该算法能更有效的解调微弱信号，从而能够更精确的定位震动位置，更加适应实际的传感系统。

Description

一种确定传感光纤的震动位置的方法及光纤传感系统

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种确定传感光纤的震动位置的方法及光纤传感系统。

背景技术

传统的基于微分算法的Sagnac长距离光纤传感系统可以用于对震动型传感信号的监测和定位。该技术结构原理图如图1所示。其传感原理为：从光源11发出的光经过耦合器13后分成两路光，一路经过延迟光纤14的延迟后传递到传感光纤15中，一路直接传递到传感光纤15中，在两根平行的距离很近的传感光纤15中传输着有时间延迟差的两束光—经过延迟光纤14输入的光和未经过延迟光纤14输入的光，两束光分别两次经历震动源的调制，并返回耦合器13发生干涉，由于两束光经历同一震动源后具有随时间变化的相位差，耦合器13能够输出时间变化的干涉信号，并由光电探测器12将干涉信号转变为电信号，电信号由读卡器读取并由信号解调模块解调出传感光纤感受震动位置。

现有技术中，对干涉信号的解调一般基于微分算法。首先此算法需要两路干涉信号输出，并且外界对传感光纤的震动要引起大信号，从而能够得到微分算法中的直流常量，进而通过积分过程得到干涉相位差的时间函数，并对时间函数做傅里叶变换得到具有定位信息的频率功率谱。然而，在实际的传感系统中，外界的入侵震动往往是从微弱的小信号开始的，实际的传感系统接收到的信号大多数为微弱信号，然而当信号较小时，无法取得信号直流量。因此，在小信号作用下，微分算法已经不再适用，因为无法获得直流常量。虽然通过多次叠加可以获得定位信息，但是延长了系统的定位时间，并多次叠加的定位精度也不是很高。所以在实际的传感系统中，当震动强度较小时，无法精确定位，如图2所示的小信号，当干涉信号强度小时，无法得到明显陷波点的频谱，如图3所示。

并且微分算法需要两路干涉信号，从而需要两路接收电路和多通道采价卡，从而增加了系统的复杂程度、定位时间以及成本。

针对以上问题，亟需要一种新的确定传感光纤的震动位置的方法，以解决现有技术中存在的定位精度低、定位时间长、成本高的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精确确定传感光纤的震动位置的方法，能更有效的解调微弱信号，从而能够更精确更快的定位震动位置，更加适应实际的传感系统。

并且该确定传感光纤的震动位置的方法也适合对大信号的解调。

该确定传感光纤的震动位置的方法只需要对一路光信号进行解调，可以降低系统的结构复杂性和成本，缩短了定位时间。

本发明的另一个目的在于提供一种光纤传感系统，该系统中的信号解调模块使用上述的信号解调算法解调出传感光纤感受震动位置，提高了定位精度。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种确定传感光纤的震动位置的方法，包括以下步骤：

S20、对干涉信号的时间强度函数P(ω,t)＝A*(1+cos(Δφ+ψ0))进行级数展开，得到干涉相位的时间强度函数P(ω，t)＝A*(1+cos(ψ0))-A*sin(ψ0)Δφ+……；其中，P表示光强，ω为震动频率，t为时间，A与光功率有光，ψ0为由系统决定的初始相位，Δφ为干涉相位差；

S30、在小信号时对信号的时间强度函数P(ω，t)＝A*(1+cos(ψ0))-A*sin(ψ0)Δφ+……进行近似取值,在对强度进行近似取值之后得到干涉相位差的时间函数,对此函数进行傅立叶变换,从而得到震动频率的频谱强度分布，获取陷波点频率点ω，在陷波点频率处其特征相位差为Δφ_w＝0，通过公式L＝50677/ω得到陷波点与震动点的距离L，从而确定传感光纤的震动位置。

作为优选，在步骤S20之前，还包括以下步骤：

S10、光源发出的光经耦合器分光成两路，一路经过延迟光纤进入传感光纤，另外一路直接进入传感光纤，外界震动引起传感光纤中两束光都发生两次相位变化，最后返回的两束光经过耦合器发生干涉，干涉信号由耦合器输出，耦合器输出的一路信号由光电探测器转变为电信号，电信号通过隔直放大后由电信号采集卡读取，并将读取的电信号传递给信号解调模块。

作为优选，在步骤S30中，获取陷波点频率点的方法为：

在传感光纤上震动点A的震动所激发的任一频率为ω的震动表示为：φ＝φ0*sin(ωt)，此震动调制第一光束引起的相位变化为：φ0*sin(ω(t+td))+φ0*sin(ω(t+T+td)),调制第二光束引起的相位变化为：φ0*sin(ωt)+φ0*sin(ω(t+T))；最后在两束光引起的干涉相位差为：Δφ＝φ0*sin(ω(t+td))+φ0*sin(ω(t+T+td))-φ0*sin(ωt)+φ0*sin(ω(t+T))，其中，td＝n*Ld/c，Ld为延迟光纤的长度；L₂为从传感光纤上的震动点A到f点的距离，T为光从A点到f点，再回到A点所需要的时间，T＝2*n*L₂/c，其中，n为光纤的有效折射率，c为光速，当此相位差为零时，此震动频率称为陷波点频率，在傅立叶展开的频率强度谱中表现为一个下陷的强度点，称为陷波点。

作为优选，所述光源发出中心波长为1550nm宽带的ASE光。

作为优选，所述耦合器为3*3均分光强耦合器。

一种光纤传感系统，包括：

传感光路，由光源、耦合器、延迟光纤、传感光纤组成，所述耦合器用于将光源发出的光分成两路，一路经过所述延迟光纤进入传感光纤，另外一路直接进入传感光纤，所述传感光纤用于引起两束光发生相位变化并将相位变化后的两束光返回耦合器，所述耦合器还用于将返回的光发生干涉并将干涉信号输出；

传感信号接收电路，由光电探测器、放大隔值电路和电信号采集卡组成，所述光电探测器用于将耦合器输出的信号转变为电信号，所述放大隔值电路用于将所述电信号放大，所述电信号采集卡用于读取放大后的电信号；

信号解调模块，用于根据放大后的电信号解调出传感光纤的震动位置。

作为优选，所述传感光纤用于引起光发生两次相位变化。

作为优选，所述光源为中心波长为1550nm宽带的ASE光源。

作为优选，所述耦合器为3*3均分光强耦合器。

作为优选，所述信号解调模块用于对返回的一路电信号解调。

本发明的有益效果为：

(1)由于本申请的确定传感光纤的震动位置的方法不需要求取信号的直流量，能够通过一路信号得到干涉相位差Δφ，通过傅里叶变换，从而获得准确的陷波点频谱，所以该算法能更有效的解调微弱信号，从而能够更精确的定位震动位置，更加适应实际的传感系统。

(2)由于该确定传感光纤的震动位置的方法只需要对一路光信号进行解调，从而减少了转换电路和电信号采集卡的要求，可以降低系统的结构复杂性和成本，缩短了定位时间。

(3)由于该算法可以从大信号中截取小信号并进行分析，也可以获得频率强度谱的陷波点，并获得定位信息，所以该算法可以选取大信号中具有小信号特点的部分进行解调定位，更加适用于光纤干涉长距离传感系统。

附图说明

图1是现有技术提供的光纤传感系统的结构示意图；

图2是现有技术提供的小信号对应的时间相位图；

图3是现有技术提供的小信号对应的陷波点不明显的频率强度谱；

图4是本发明提供的光纤传感系统的结构示意图；

图5是本发明提供的小信号对应的陷波点明显的频率强度谱。

其中：

11、光源；12、光电探测器；13、耦合器；14、延迟光纤；15、传感光纤；

21、光源；22、光电探测器；23、耦合器；24、延迟光纤；25、传感光纤。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

装置实施例

图4是本发明提供的光纤传感系统的结构示意图。如图4所示，本申请提供的光纤传感系统，包括：传感光路、传感信号接收电路以及信号解调模块。所述传感光路由光源21、耦合器23、延迟光纤24、传感光纤25组成，所述耦合器23用于将光源21发出的光分成两路，一路经过所述延迟光纤24进入传感光纤24，另外一路直接进入传感光纤25，所述传感光纤25用于引起光发生相位变化并将相位变化后的光返回耦合器23，所述耦合器23还用于将返回的光发生干涉并将干涉信号输出。所述传感信号接收电路由光电探测器22、放大隔值电路和电信号采集卡组成，所述光电探测器22用于将耦合器23输出的信号转变为电信号，所述放大隔值电路用于将所述电信号放大，所述电信号采集卡用于读取放大后的电信号。所述信号解调模块用于根据放大后的电信号解调出传感光纤25的震动位置。

本发明提供的光纤传感系统的具体工作过程为：光源21发出的进入耦合器23，经过耦合器23分成两束光，即第一光束和第二光束，第一光束经过带有延迟光纤24的路径进入传感光纤25；第二光束直接进入传感光纤25，外界震动引起传感光纤25中光的相位变化，两束光返回时与进入时所经历的路径相反，第一光束直接返回耦合器23中，第二光束经过带有延迟光纤24的路径返回耦合器23中。所以两束光在不同时刻经过延迟光纤24。返回到耦合器23中的光经过耦合器23发生干涉，并由耦合器23输出。耦合器23输出的干涉信号被光电探测器22接收并转化为电信号。电信号通过放大隔值电路隔直放大后由信号采集卡读取，电信号采集卡将读取信号传递给信号解调模块，信号解调模块根据放大后的电信号解调出传感光纤25的震动位置。

于本实施例中，作为优选方案，所述光电探测器22的个数为1个，光电探测器22用于将耦合器23输出的一路信号转变为电信号，所述信号解调模块用于对返回的一路电信号解调。

由于该确定传感光纤的震动位置的方法只需要对一路光信号进行解调，从而减少了转换电路和电信号采集卡的要求，可以降低系统的结构复杂性和成本，缩短了定位时间。

于本实施例中，作为优选方案，外界震动引起传感光纤25中光的相位发生两次变化，并且每束光经历两次震动源的调制。

于本实施例中，作为优选方案，所述光源21为中心波长为1550nm宽带的ASE光源。

于本实施例中，作为优选方案，所述耦合器23为3*3均分光强耦合器。

于本实施例中，作为优选方案，所述信号解调模块由计算机及labview软件组成。

方法实施例

本申请提供的方法应用在以上装置实施例所提供的光纤传感系统中。光源发出的光通过步骤S10的一系列过程后转化为电信号传递到信号解调模块，信号解调模块根据所接收的电信号确定传感光纤的震动位置。

以下对步骤S10进行详细描述：

S10、光源发出的光经耦合器分光成两路，即第一光束和第二光束，第一光束经过延迟光纤进入传感光纤，第二光束直接进入传感光纤，外界震动引起传感光纤中的光发生相位变化，两束光返回时与进入时所经历的路径相反，第一光束直接返回耦合器中，第二光束经过带有延迟光纤的路径返回耦合器中。所以两束光在不同时刻经过延迟光纤。返回的光经过耦合器发生干涉，干涉信号由耦合器输出，耦合器输出的信号由光电探测器转变为电信号，电信号通过隔直放大后由信号采集卡读取，信号采集卡将读取的电信号传递给信号解调模块。

于本实施例中，作为优选方案，外界震动引起传感光纤中光的相位发生两次变化，并且每束光经历两次震动源的调制。

于本实施例中，作为优选方案，1个所述光电探测器将耦合器输出的一路信号转变为电信号，所述信号解调模块用于对返回的一路电信号解调。

由于该确定传感光纤的震动位置的方法只需要对一路光信号进行解调，从而减少了转换电路和电信号采集卡的要求，可以降低系统的结构复杂性和成本，缩短了定位时间。

以下对信号解调模块根据所接收的电信号确定传感光纤的震动位置的方法做详细描述，在如图4所示的传感系统中，利用新的计算方法，不需要求取信号的直流量，通过对返回的一路干涉信号的强度函数的进行级数展开，并在小信号时进行近似取值，近似的信号强度与信号实际强度误差可以忽略，从而能够直接得到一路信号的干涉相位差Δφ的时间函数，通过对时间函数进行傅里叶变换，从而获得震动频率的准确的陷波点频谱强度分布，获取陷波点频率点，从而确定传感光纤的震动位置。

具体的，确定传感光纤的震动位置的方法，包括以下步骤：

S20、对一路干涉信号的时间强度函数P(ω,t)＝A*(1+cos(Δφ+ψ0))进行级数展开，得到函数P(ω，t)＝A*(1+cos(ψ0))-A*sin(ψ0)Δφ-1/2*Acos(ψ0)Δφ²+1/6*sin(ψ0)Δφ³+……,在小信号时进行近似取值，近似的信号强度与信号实际强度误差可以忽略，从而能够直接得到近似的干涉相位的时间强度函数Δφ(t)＝f[P(ω，t)]；其中，P表示光强，ω为震动频率，t为时间，A与光功率有光，ψ0为由系统决定的初始相位，Δφ为干涉相位差。

S30、通过傅立叶变换时间强度函数Δφ(t)＝f[P(ω，t)]得到震动频率的频谱强度分布，获取陷波点频率点。图5是本发明提供的小信号对应的陷波点明显的频率强度谱。如图5所示，对一特殊震动频率ω，使得此特征频率引起的相位差Δφ_w＝0，则此时频率强度谱中对应的频率强度要小于其它周边频率，因而在频谱上表现为强度下陷的频率点，此频率点的频率与L₂的关系为：L2＝50677/ω,通过公式L＝50677/ω得到陷波点与震动点的距离L，并在频谱中找到陷波点，从而确定传感光纤的震动位置。

在步骤S30中，获取陷波点频率点的原理为：

设传感光纤总长度为L，设震动点为A，其中A到f点的距离为L₂，A到d点的距离为L₁，其中光从A点到f点，再回到A点所需要的时间为T＝2*n*L₂/c，n为光纤的有效折射率，c为光速。A点的震动可以激发多个正旋频率震动，其中任一频率为ω的震动可以表示为：φ＝φ0*sin(ωt)，由于传感光纤为靠的很近的两根光纤，所以对于同一频率的ω震动，同一束光经历两次调制，对于第一光束调制引起的相位为：φ0*sin(ω(t+td))+φ0*sin(ω(t+T+td)),其中td＝n*Ld/c，Ld为延迟光纤的总长度；对于第二光束调制引起的相位为：φ0*sin(ωt)+φ0*sin(ω(t+T))；其中，对于第一光束和第二光束引起的干涉相位差为：Δφ＝φ0*sin(ω(t+td))+φ0*sin(ω(t+T+td))-(φ0*sin(ωt)+φ0*sin(ω(t+T)))；光电探测器接收到光强为：P(ω,t)＝A*(1+cos(Δφ+ψ0)),对光强度函数进行技术展开并取前两项为：P(ω，t)＝A*(1+cos(ψ0))-A*sin(ψ0)Δφ，当在特征频率ω处引起的相位差Δφ_ω为零时，此展开式中在此特征频率处对应的交流量始终为零，在频域谱上表现为对应的该特征扰动频率对应的光强明显小于周边频率对应的光强，存在所谓“陷波点”。P表示光强，A与光功率有光，ψ0为由系统决定的初始相位。

由于本申请的确定传感光纤的震动位置的方法不需要求取信号的直流量，能够通过一路信号得到干涉相位差Δφ，通过傅里叶变换，从而获得准确的陷波点频谱，所以该算法能更有效的解调微弱信号，从而能够更精确的定位震动位置，更加适应实际的传感系统。

利用本方法也可以对于大信号解调，选取大信号中具有小信号特点的部分进行解调定位，也可以获得频率强度谱的陷波点，并获得定位信息，所以该算法可以选取大信号中具有小信号特点的部分进行解调定位，更加适用于光纤干涉长距离传感系统。

于本实施例中，作为优选方案，所述光源发出中心波长为1550nm宽带的ASE光。

于本实施例中，作为优选方案，所述耦合器为3*3均分光强耦合器。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种确定传感光纤的震动位置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S20、对干涉信号的时间强度函数P(ω,t)＝A*(1+cos(Δφ+ψ0))进行级数展开，得到干涉相位的时间强度函数P(ω，t)＝A*(1+cos(ψ0))-A*sin(ψ0)Δφ+……；其中，P表示光强，ω为震动频率，t为时间，A与光功率有光，ψ0为由系统决定的初始相位，Δφ为干涉相位差；

S30、在小信号时对信号的时间强度函数P(ω，t)＝A*(1+cos(ψ0))-A*sin(ψ0)Δφ+……进行近似取值,在对强度进行近似取值之后得到干涉相位差的时间函数,对此函数进行傅立叶变换,从而得到震动频率的频谱强度分布，获取陷波点频率点ω，在陷波点频率处其特征相位差为Δφw＝0，通过公式L＝50677/ω得到陷波点与震动点的距离L，从而确定传感光纤的震动位置。

2.根据权利要求1所述的确定传感光纤的震动位置的方法，其特征在于，在步骤S20之前，还包括以下步骤：

S10、光源发出的光经耦合器分光成两路，一路经过延迟光纤进入传感光纤，另外一路直接进入传感光纤，外界震动引起传感光纤中两束光都发生两次相位变化，最后返回的两束光经过耦合器发生干涉，干涉信号由耦合器输出，耦合器输出的一路信号由光电探测器转变为电信号，电信号通过隔直放大后由电信号采集卡读取，并将读取的电信号传递给信号解调模块。

3.根据权利要求2所述的确定传感光纤的震动位置的方法，其特征在于，在步骤S30中，获取陷波点频率点的方法为：

在传感光纤上震动点A的震动所激发的任一频率为ω的震动表示为：φ＝φ0*sin(ωt)，此震动调制第一光束引起的相位变化为：φ0*sin(ω(t+td))+φ0*sin(ω(t+T+td)),调制第二光束引起的相位变化为：φ0*sin(ωt)+φ0*sin(ω(t+T))；最后在两束光引起的干涉相位差为：Δφ＝φ0*sin(ω(t+td))+φ0*sin(ω(t+T+td))-φ0*sin(ωt)+φ0*sin(ω(t+T))，其中，td＝n*Ld/c，Ld为延迟光纤的长度；L₂为从传感光纤上的震动点A到f点的距离，T为光从A点到f点，再回到A点所需要的时间，T＝2*n*L₂/c，其中，n为光纤的有效折射率，c为光速，当此相位差为零时，此震动频率称为陷波点频率，在傅立叶展开的频率强度谱中表现为一个下陷的强度点，称为陷波点。

4.根据权利要求2所述的确定传感光纤的震动位置的方法，其特征在于，所述光源发出中心波长为1550nm宽带的ASE光。

5.根据权利要求2所述的确定传感光纤的震动位置的方法，其特征在于，所述耦合器为3*3均分光强耦合器。

6.一种光纤传感系统，其特征在于，包括：

传感光路，由光源、耦合器、延迟光纤、传感光纤组成，所述耦合器用于将光源发出的光分成两路，一路经过所述延迟光纤进入传感光纤，另外一路直接进入传感光纤，所述传感光纤用于引起两束光发生相位变化并将相位变化后的两束光返回耦合器，所述耦合器还用于将返回的光发生干涉并将干涉信号输出；

传感信号接收电路，由光电探测器、放大隔值电路和电信号采集卡组成，所述光电探测器用于将耦合器输出的信号转变为电信号，所述放大隔值电路用于将所述电信号放大，所述电信号采集卡用于读取放大后的电信号；

信号解调模块，用于根据放大后的电信号解调出传感光纤的震动位置。

7.根据权利要求6所述的光纤传感系统，其特征在于，所述传感光纤用于引起光发生两次相位变化。

8.根据权利要求7所述的光纤传感系统，其特征在于，所述光源为中心波长为1550nm宽带的ASE光源。

9.根据权利要求8所述的光纤传感系统，其特征在于，所述耦合器为3*3均分光强耦合器。

10.根据权利要求9所述的光纤传感系统，其特征在于，所述信号解调模块用于对返回的一路电信号解调。