CN104198030A - 基于相干瑞利散射的多路振动检测方法及其检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于相干瑞利散射的多路振动检测方法及其检测系统，针对基于相干瑞利的光纤振动检测方法中采集卡利用率较低的问题对检测系统进行了改进，采用延迟器和光开关错时检测多路传感光纤中振动信号的方法，通过控制延迟器的时间来对每条传感光纤进行分时振动检测，实现了多路振动信号的检测；并且检测模块中的采集卡不需要接入脉冲控制信号，可以在一个脉冲周期内实时进行数据采集，提高了采集卡的利用率。

Description

基于相干瑞利散射的多路振动检测方法及其检测系统

技术领域

本发明涉及光纤传感信号处理技术领域，特别涉及基于相干瑞利散射的多路振动检测方法及其检测系统。

背景技术

相干瑞利散射又称为相位敏感光时域反射技术(Φ-OTDR)，该技术将分布式光纤传感技术和干涉型光纤传感技术的优势相结合，既实现了全范围的检测又具有较高的灵敏度。

该技术的实现原理如下：窄线宽激光经过调制器之后变为脉冲光，经过放大的脉冲光进入传感光纤，在光源的相干长度内脉冲光的后向瑞利散射光相互干涉，干涉信号经过环形器进入探测器，一般干涉信号比较弱需要经过放大和滤波之后再进行探测，然后进行数据的采集和处理。当有振动信号作用在传感光纤时，干涉信号会产生较大的扰动，对该扰动实时捕捉从而实现了振动信号的检测与定位。

为了提高系统分辨率，被调制器调制后的光源脉冲占空比越来越小，而且为了避免测量光纤中激光脉冲之间的相互干扰，需要保证测量光纤中始终只有一个激光脉冲存在。在没有脉冲光时光纤中没有瑞利散射光，为了减少不必要数据的采集，通常做法是将调制器的触发信号接入采集卡，有脉冲光时触发采集卡采集数据，没有脉冲光时采集卡不采集数据，这样导致采集卡的利用效率较低。同时，目前基于该技术的振动检测装置都是一套系统对应一条传感光纤，对于需要多路检测的地域比如城市管网、分区域周界安防等需要安装多套系统，成本较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于相干瑞利散射的多路振动检测方法及其检测系统，以提高基于相干瑞利散射系统中采集卡的利用率较，实现对多路振动信号的检测。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于相干瑞利散射的多路振动检测方法，包括如下步骤：

1)光源模块发出的脉冲光经1×N耦合器分为N路脉冲光；

2)各路脉冲光经延迟器和环形器后产生后向瑞利散射光信号；

第i路脉冲光经过环形器和/或延迟器后在长度为L_i的传感光纤i中传输时间为t_i；所述第i路脉冲光在传感光纤i中的传输时间t_i计算公式为：

$t_i=\frac{{2L}_{i}n}{c},(i=\mathrm{1,2},...N)$

第i+1路脉冲光经过延迟器i和环形器之后进入传感光纤i+1，所述延迟器i的延迟时间Δt_i与第i路脉冲光在传感光纤i中的传输时间为t_i相等，即t_i＝Δt_i；且各路脉冲光在传感光纤中的传输时间与脉冲光的脉冲周期T满足：

t₁+t₂+…+t_N＝T

其中，n为传感光纤纤芯折射率，L_i为传感光纤i的长度，c为真空中光速，T为脉冲光的脉冲周期，i＝1,2,3，…N；

3)传感光纤中的后向瑞利散射光信号经过1×N光开关后进入检测模块，检测模块的采集卡进行数据采集，检测模块的数据处理部分对数据进行处理,通过延迟器和1×N光开关控制各条传感光纤的振动检测，实现传感光纤的分时检测；所述1×N光开关的第i-1通道和第i通道之间的转换时间St_i与第i路脉冲光的后向瑞利散射光信号在传感光纤i中的传输时间t_i相等，即St_i＝t_i＝Δt_i；

4)当有振动信号作用在传感光纤上时，传感光纤中的后向瑞利散射光信号发生较大的扰动，对该扰动捕捉和定位从而实现振动信号的检测；

5)不同的振动事件作用在传感光纤上时造成的扰动信号会有不同，通过对不同信号进行模式识别从而实现振动信号的自动识别。

本发明还提供了另一种基于相干瑞利散射的多路振动检测方法，包括如下步骤：

1)光源模块发出脉冲光，第一1×N光开关将其分为N路脉冲光；

2)脉冲光经过第一1×N光开关和环形器后在传感光纤中传输，脉冲光产生的后向瑞利散射光信号经第二1×N光开关进入检测模块；

第i路脉冲光经过第一1×N光开关和环形器后在长度为L_i的传感光纤i中传输时间为t_i，传感光纤i中的后向瑞利散射光信号通过第二1×N光开关进入检测模块，经过时间t_i后，第一1×N光开关和第二1×N光开关同时从第i-1通道切换到第i通道,然后第i+1路脉冲光经过第一1×N光开关和环形器后进入传感光纤i+1中传输，传感光纤i+1中的后向瑞利散射光信号经过第二1×N光开关后进入检测装置；所述传输时间t_i的计算公式为：

$t_i=\frac{{2L}_{i}n}{c},(i=\mathrm{1,2},...N)$

且每条传感光纤中瑞利散射光存在时间满足条件：

t₁+t₂+…+t_N＝T

所述第一1×N光开关和第二1×N光开关的不同信道之间的转换由时钟电路控制同步切换，且所述第一1×N光开关和第二1×N光开关的第i-1通道和第i通道之间的转换时间S_ti与第i路脉冲光在传感光纤i中的传输时间t_i相等，即St_i＝t_i；

其中，n为传感光纤纤芯折射率，L_i为传感光纤i的长度，c为真空中光速，T为脉冲光的脉冲周期，i＝1,2,3，…N；

3)传感光纤中的后向瑞利散射光信号进入检测模块后，检测模块的采集卡进行数据采集，检测模块的数据处理部分对数据进行处理,通过第一1×N光开关和第二1×N光开关控制各条传感光纤的振动检测，实现传感光纤的分时检测；

4)当有振动信号作用在传感光纤上时，此传感光纤中的后向瑞利散射光信号发生较大的扰动，对该扰动捕捉和定位从而实现振动信号的检测；

5)不同的振动事件作用在传感光纤上时造成的扰动信号会有不同，通过对不同信号进行模式识别从而实现振动信号的自动识别。

进一步地，所述光源为窄线宽激光器发出的光，所述窄线宽激光器发出的连续的连续光波经调制器变为脉冲光再经放大器放大，所述脉冲光的脉冲持续时间为Δt，脉冲周期为T，占空比为Δt/T。

进一步地，所述窄线宽激光器发出的光源的相干长度大于100km，且所述窄线宽激光器发出的光源的相干长度大于传感光纤的长度。

本发明提供了一种基于相干瑞利散射的多路振动检测系统，包括光源模块、1×N耦合器、环形器、延迟器、1×N光开关及检测模块,所述光源模块接入所述1×N耦合器的一端，所述1×N耦合器的N路输出端分别通过传感光纤连接所述延迟器和环形器，所述环形器分别与所述1×N光开关的N路输出端相连，所述1×N光开关另一端与所述检测模块相接，所述传感光纤中从传感光纤2到传感光纤N上分别依次连接延迟器1到延迟器N-1。

本发明还提供了另一种基于相干瑞利散射的多路振动检测系统，包括光源模块、第一1×N光开关、时钟电路、环形器、第二1×N光开关及检测模块,所述光源模块接入所述第一1×N光开关的一端，所述第一1×N光开关的N路输出端分别通过传感光纤连接所述环形器，所述环形器分别与所述第二1×N光开关的N路输出端相连，所述第二1×N光开关的另一端与所述检测模块相接，所述第一1×N光开关和所述第二1×N光开关分别与所述时钟连接。

进一步地，所述光源模块由光源、调制器和放大器顺序相连组成。

进一步地，所述光源采用窄线宽光源，相干长度大于100km。

进一步地，所述检测模块由放大器、滤波器、探测器、采集卡和数据处理部分顺序相连。

本发明提供的基于相干瑞利散射的多路振动检测方法及其检测系统，实现了基于相干瑞利散射光的多路振动信号检测；同时，对基于相干瑞利散射光的振动检测系统中的采集卡的利用率较低问题进行了改进，提高了检测模块中采集卡的利用率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于相干瑞利散射的多路振动检测系统的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的基于相干瑞利散射的多路振动检测方法中传感光纤分时检测顺序图。

图3为本发明实施例提供的另一种基于相干瑞利散射的多路振动检测系统的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的另一种基于相干瑞利散射的多路振动检测方法中传感光纤分时检测顺序图。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例提供的一种基于相干瑞利散射的多路振动检测系统，包括光源模块、1×N耦合器、传感光纤、环形器、延迟器、1×N光开关及检测模块,所述光源模块接入所述1×N耦合器的一端，所述1×N耦合器的N路输出端分别通过所述传感光纤连接所述延迟器和环形器，每条传感光纤上的环形器分别与所述1×N光开关的N路输出端相连，所述1×N光开关另一端与所述检测模块相接，所述传感光纤中从传感光纤2到传感光纤N上分别依次连接延迟器1到延迟器N-1。其中，光源模块由光源、调制器和放大器顺序相连组成，并且光源使用窄线宽光源，相干长度大于100km。检测模块由放大器、滤波器、探测器、采集卡和数据处理部分顺序相连。

本发明实施例提供的基于相干瑞利散射的多路振动检测方法。包括如下步骤：

步骤1：由窄线宽激光器发出连续的连续光波经过调制器之后变为脉冲光，脉冲光的脉冲持续时间为Δt，脉冲周期为T，占空比为Δt/T，脉冲光经过放大器放大后进入1×N光纤耦合器，被1×N光纤耦合器分为N路脉冲光。

步骤2：各路脉冲光经延迟器和环形器后在对应的传感光纤中传输产生后向瑞利散射光信号。

其中，第一路脉冲光直接经环形器之后进入传感光纤1，传感光纤1的长度为L₁,脉冲光在传感光纤1中的传输时间为t₁；第二路脉冲光经延迟时间为Δt₁的延迟器1和环形器后进入传感光纤2，传感光纤2的长度为L₂,脉冲光在传感光纤2中的传输时间为t₂；第三路脉冲光经延迟时间为Δt₂的延迟器2和环形器后进入传感光纤3，传感光纤3的长度为L₃，脉冲光在传感光纤3中的传输时间为t₃；依此类推，第N路脉冲光经延迟时间为Δt_N-1的延迟器N-1和环形器之后进入传感光纤N，传感光纤N的长度为L_N,脉冲光在传感光纤N中的传输时间为t_N；第i路脉冲光在传感光纤i中的传输时间可通过公式(1)进行计算。

$t_i=\frac{{2L}_{i}n}{c},(i=\mathrm{1,2},...N)---\left(\text{1}\right)$

其中，脉冲光在传感光纤中的传输时间与其在对应传感光纤中经延迟器的延迟时间相等，即：t₁＝Δt₁，t₂＝Δt₂，…，t_i＝Δt_i，…t_N＝Δt_N，

每条传感光纤中脉冲光的传输时间满足条件：

t₁+t₂+…+t_N＝T

式中，n为传感光纤纤芯折射率，L_i为传感光纤i的长度，c为真空中光速，T为脉冲周期。

步骤3：每条传感光纤中的后向瑞利散射光信号经过1×N光开关后进入检测模块。检测模块由放大器、滤波器、探测器、采集卡和数据处理组成。其中放大器用于将微弱的相干瑞利散射光信号进行放大，滤波器是将信号放大过程中产生的噪声去除，探测器将相干瑞利散射光信号变为模拟电信号，采集卡将模拟电信号转为数字信号，数据处理部分用于处理采集到的信号，处理步骤主要包括信号增强、降噪、模式识别等。通过延迟器和1×N光开关来分别对每条传感光纤进行振动检测，实现传感光纤的分时检测，1×N光开关的第i通道和第i+1通道之间的转换时间St_i与第i路脉冲光在传感光纤i中的传输时间t_i相等。

参见图2，延迟器和1×N光开关对每条传感光纤进行的分时振动检测顺序和原理如下：第一路脉冲光在传感光纤1中的传输时间为t₁，在t₁时间内检测模块的采集卡对传感光纤1进行数据采集；经过延迟时间为t₁的延迟器之后第二路脉冲光进入传感光纤2，脉冲光在传感光纤2中的传输时间为t₂，在t₂时间内1×N光开关从第1信道切换到第2信道，传感光纤2中的后向瑞利散射光进入检测模块，检测模块的采集卡进行数据采集；按照上述顺序，经过延迟时间为Δt_i-1的延迟器之后第i路脉冲光进入传感光纤i，当传感光纤i中存在瑞利散射光时，在第i路脉冲光在传感光纤i中的传输时间t_i内,1×N光开关自动从第i-1通道切换到i通道，检测模块中的采集卡对传感光纤i进行数据采集，并经检测模块的数据处理部分对采集的数据进行处理。

步骤4：当有振动信号作用在传感光纤上时，传感光纤中的后向瑞利散射光信号发生较大的扰动，对该扰动捕捉和定位从而实现振动信号的检测。

步骤5：不同的振动事件作用在传感光纤上时造成的扰动信号会有不同，通过对不同信号进行模式识别从而实现振动信号的自动识别。

通过延迟器和光开关来分别对每条传感光纤分时进行振动检测，采集卡对传感光纤中的瑞利散射信号进行顺序采集，每条传感光纤之间的信号互不干扰。按照这样的分时振动检测顺序和检测方法，能够保证在一个脉冲周期T内都有相干瑞利散射光的存在，检测模块的采集卡实时采集数据，提高了采集卡的利用率；并且能够实现基于相干瑞利散射光的多路振动信号检测。

参见图3，本发明实施例提供的另一种基于相干瑞利散射的多路振动检测系统，包括光源模块、第一1×N光开关、时钟电路、传感光纤、环形器、第二1×N光开关及检测模块,所述光源模块接入所述第一1×N光开关的一端，所述第一1×N光开关的N路输出端分别通过所述传感光纤连接所述环形器，每条传感光纤上的环形器与所述第二1×N光开关的N路输出端相连，所述所述第二1×N光开关另一端与所述检测模块相接，所述第一1×N光开关和第二1×N光开关分别与所述时钟电路连接。其中，光源模块由光源、调制器和放大器顺序相连组成，并且光源使用窄线宽光源，相干长度大于100km。检测模块由放大器、滤波器、探测器、采集卡和数据处理部分顺序相连。

本发明实施例提供的基于相干瑞利散射的多路振动检测方法。包括如下步骤：

步骤1：窄线宽激光器发出连续的连续光波经过调制器之后变为脉冲光，脉冲持续时间为Δt，脉冲周期为T，占空比为Δt/T，经过放大器之后的脉冲光波经过第一1×N光开关分为N路脉冲光进入传感光纤。

步骤2：脉冲光经过第一1×N光开关和环形器后在传感光纤中传输，脉冲光产生的后向瑞利散射光信号经第二1×N光开关进入检测模块；

时钟电路控制第一1×N光开关使得脉冲光进入环形器之后进入传感光纤1，传感光纤1的长度为L₁，第一路脉冲光在传感光纤1内的传输时间为t₁：传感光纤1里的后向瑞利散射光信号通过第二1×N光开关之后进入检测模块。

参见图4，经过与第一路脉冲光在传感光纤1中传输相等的时间t₁之后，第一1×N光开关和第二1×N光开关经过时钟电路控制同时从第1通道切换到第2通道，第二路脉冲光经过第一1×N光开关和环形器后进入传感光纤2，传感光纤2的长度为L₂，第二路脉冲光在传感光纤2内的传输时间为t₂，传感光纤2里的后向瑞利散射光信号通过第二1×N光开关后进入检测模块。

以此类推，当第一1×N光开关和第二1×N光开关经过时钟电路控制同时打开第i通道时，第i路脉冲光在第i路传感光纤内传输，传感光纤i的长度为L_i，传感光纤i中的后向瑞利散射光信号经过第二1×N光开关后进入检测装置，

第i路脉冲光的后向相干瑞利散射光在传感光纤i中的传输时间通过公式(2)进行计算：

$t_i=\frac{{2L}_{i}n}{c},(i=\mathrm{1,2},...N)---\left(2\right)$

且每条传感光纤中瑞利散射光存在时间满足条件：

t₁+t₂+…+t_N＝T

也就是说，当第一1×N光开关和第二1×N光开关在时钟电路的控制下，同时从第i-1通道转换到第i通道时，第i-1通道转换到第i通道之间的转换时间S_ti与第i路脉冲光的后向瑞利散射光在传感光纤i中的传输时间t_i相等，即St_i＝t_i；

其中，n为传感光纤纤芯折射率，L_i为传感光纤i的长度，c为真空中光速，T为脉冲光的脉冲周期，i＝1,2,3，…N；

步骤3：传感光纤中的后向瑞利散射光信号进入检测模块后，检测模块的采集卡进行数据采集，检测模块的数据处理部分对数据进行处理,通过第一1×N光开关和第二1×N光开关控制各条传感光纤的振动检测，实现传感光纤的分时检测。

步骤4：当有振动信号作用在传感光纤上时，此传感光纤中的后向瑞利散射光信号发生较大的扰动，对该扰动捕捉和定位从而实现振动信号的检测。

步骤5：不同的振动事件作用在传感光纤上时造成的扰动信号会有不同，通过对不同信号进行模式识别从而实现振动信号的自动识别。

通过两个1×N光开关来分别对每条传感光纤分时进行振动检测，采集卡对传感光纤中的瑞利散射信号进行顺序采集，每条传感光纤之间的信号互不干扰。按照这样的分时振动检测顺序和检测方法，能够保证在一个脉冲周期T内都有相干瑞利散射光的存在，检测模块的采集卡实时采集数据，提高了采集卡的利用率；并且能够实现基于相干瑞利散射光的多路振动信号检测。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于相干瑞利散射的多路振动检测方法，包括如下步骤：

1)光源模块发出的脉冲光经1×N耦合器分为N路脉冲光；

2)各路脉冲光经延迟器和环形器后产生后向瑞利散射光信号；

第i路脉冲光经过环形器和/或延迟器后在长度为L_i的传感光纤i中的传输时间为t_i；所述第i路脉冲光在传感光纤i中的传输时间t_i计算公式为：

$t_i=\frac{{2L}_{i}n}{c},(i=\mathrm{1,2},...N)$

第i+1路脉冲光经过延迟器i和环形器之后进入传感光纤i+1，所述延迟器i的延迟时间Δt_i与第i路脉冲光在传感光纤i中的传输时间为t_i相等，即t_i＝Δt_i；且各路脉冲光在传感光纤中的传输时间与脉冲光的脉冲周期T满足：

t₁+t₂+…+t_N＝T

其中，n为传感光纤纤芯折射率，L_i为传感光纤i的长度，c为真空中光速，T为脉冲光的脉冲周期，i＝1,2,3，…N；

3)传感光纤中的后向瑞利散射光信号经过1×N光开关后进入检测模块，检测模块的采集卡进行数据采集，检测模块的数据处理部分对数据进行处理,通过延迟器和1×N光开关控制各条传感光纤的振动检测，实现传感光纤的分时检测；所述1×N光开关的第i-1通道和第i通道之间的转换时间St_i与第i路脉冲光在传感光纤i中的传输时间t_i相等，即St_i＝t_i＝Δt_i；

4)当有振动信号作用在传感光纤上时，传感光纤中的后向瑞利散射光信号发生较大的扰动，对该扰动捕捉和定位从而实现振动信号的检测；

5)不同的振动事件作用在传感光纤上时造成的扰动信号会有不同，通过对不同信号进行模式识别从而实现振动信号的自动识别。

2.一种基于相干瑞利散射的多路振动检测方法，包括如下步骤：

1)光源模块发出脉冲光，第一1×N光开关将其分为N路脉冲光；

2)脉冲光经过第一1×N光开关和环形器后在传感光纤中传输，脉冲光产生的后向瑞利散射光信号经第二1×N光开关进入检测模块；

第i路脉冲光经过第一1×N光开关和环形器后在长度为L_i的传感光纤i中传输时间为t_i，传感光纤i中的后向瑞利散射光信号通过第二1×N光开关进入检测模块，经过时间t_i后，第一1×N光开关和第二1×N光开关同时从第i通道切换到第i+1通道,然后第i+1路脉冲光经过第一1×N光开关和环形器后进入传感光纤i+1中传输，传感光纤i+1中的后向瑞利散射光信号经过第二1×N光开关后进入检测装置；所述传输时间t_i的计算公式为：

$t_i=\frac{{2L}_{i}n}{c},(i=\mathrm{1,2},...N)$

且每条传感光纤中瑞利散射光存在时间满足条件：

t₁+t₂+…+t_N＝T

所述第一1×N光开关和第二1×N光开关的不同信道之间的转换由时钟电路控制同步切换，且所述第一1×N光开关和第二1×N光开关的第i-1通道和第i通道之间的转换时间S_ti与第i路脉冲光在传感光纤i中的传输时间t_i相等，即St_i＝t_i；

其中，n为传感光纤纤芯折射率，L_i为传感光纤i的长度，c为真空中光速，T为脉冲光的脉冲周期，i＝1,2,3，…N；

3)传感光纤中的后向瑞利散射光信号进入检测模块后，检测模块的采集卡进行数据采集，检测模块的数据处理部分对数据进行处理,通过第一1×N光开关和第二1×N光开关控制各条传感光纤的振动检测，实现传感光纤的分时检测；

4)当有振动信号作用在传感光纤上时，此传感光纤中的后向瑞利散射光信号发生较大的扰动，对该扰动捕捉和定位从而实现振动信号的检测；

5)不同的振动事件作用在传感光纤上时造成的扰动信号会有不同，通过对不同信号进行模式识别从而实现振动信号的自动识别。

3.根据权利要求1或2所述的多路振动检测方法，其特征在于：所述光源为窄线宽激光器发出的光，所述窄线宽激光器发出的连续的连续光波经调制器变为脉冲光再经放大器放大，所述脉冲光的脉冲持续时间为Δt，脉冲周期为T，占空比为Δt/T。

4.根据权利要求3所述的多路振动检测方法，其特征在于：所述窄线宽激光器发出的光源的相干长度大于100km，且所述窄线宽激光器发出的光源的相干长度大于传感光纤的长度。

5.一种基于权利要求1所述多路振动检测方法的检测系统，其特征在于：包括光源模块、1×N耦合器、环形器、延迟器、1×N光开关及检测模块,所述光源模块接入所述1×N耦合器的一端，所述1×N耦合器的N路输出端分别通过传感光纤连接所述延迟器和环形器，所述环形器分别与所述1×N光开关的N路输出端相连，所述1×N光开关另一端与所述检测模块相接，所述传感光纤中从传感光纤2到传感光纤N上分别依次连接延迟器1到延迟器N-1。

6.一种基于权利要求2所述多路振动检测方法的检测系统，其特征在于：包括光源模块、第一1×N光开关、时钟电路、环形器、第二1×N光开关及检测模块,所述光源模块接入所述第一1×N光开关的一端，所述第一1×N光开关的N路输出端分别通过传感光纤连接所述环形器，所述环形器分别与所述第二1×N光开关的N路输出端相连，所述第二1×N光开关的另一端与所述检测模块相接，所述第一1×N光开关和所述第二1×N光开关分别与所述时钟连接。

7.根据权利要求5或6所述的检测系统，其特征在于：所述光源模块由光源、调制器和放大器顺序相连组成。

8.根据权利要求7所述的检测系统，其特征在于：所述光源采用窄线宽光源，相干长度大于100km。

9.根据权利要求5或6所述的检测系统，其特征在于：所述检测模块由放大器、滤波器、探测器、采集卡和数据处理部分顺序相连。