CN104236698A - 一种分布式光纤振动传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传感技术领域，公开了一种分布式光纤振动传感系统，包括：脉冲光源，环形器，传感光纤链路，检偏器，光探测器，数据采集卡以及绘图终端；脉冲光源输出的光脉冲信号依次通过环形器和传感光纤链路传播；光纤链路的反馈信号依次通过环形器，检偏器，光探测器转换存储在数据采集卡中，数据采集卡通过所述绘图终端绘制波形图；其中，传感光纤链路包括：传导光纤，传感光纤以及光纤耦合器；传导光纤分为多段分立的传导光纤，相邻两段分立的传导光纤之间通过光纤耦合器连接；光纤耦合器的一个输出端连接传感光纤，传感光纤末端连接光纤反射镜，形成多个相互独立的传感探测支路。本发明通过多个独立的传感支路实现多点传感，避免相互干扰，影响传感效率。

Description

一种分布式光纤振动传感系统

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别涉及一种分布式光纤振动传感系统。

背景技术

光纤振动传感器一般使用在周界安防领域，典型应用场所包括：博物馆、体育场馆、国防通讯光缆、通信基站、飞机场、火车站、铁路沿线、油气管道等。

现有的POTDR传感系统的信号光来自于前向传播的脉冲光的后向瑞利散射。其主要问题在于，由于扰动位置影响了所有此位置后的信号的偏振态，所以系统只能定位第一个扰动源，及职能定位一个位置的的传感操作，大大影响了传感系统的工作精度和效率；同时，由于普通单模光纤的后向瑞利散射系数很小，只有约10-7/米，所以产生的信号光很弱，在几到几十纳瓦的数量级；由于信号光的频率很高，在几十到上百兆赫兹，所以光探测器的噪声等价功率也在数十纳瓦；最终导致系统的信噪比很低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种避免扰动相互干扰，提升多位置高效，高精度传感的分布式光纤振动传感系统。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种分布式光纤振动传感系统，包括：

脉冲光源，用于产生脉冲光信号；

环形器，通过其第一端口接收所述脉冲光信号；

传感光纤链路，接收由所述环形器第二端口输出的光脉冲信号，并将所述光纤链路的反馈信号由所述环形器第二端口接入所述环形器；

检偏器，将由所述环形器的第三端口输出的所述光纤链路的反馈信号进行检偏操作；

光探测器，接收所述检偏器的输出信号，将光信号转换成电信号输出；

数据采集卡，接收所述电信号，转化存储并发送给下一级电路；

绘图终端，接收所述数据采集卡的输出数据，完成反馈信号波形绘制；

其中，所述传感光纤链路包括：传导光纤，传感光纤以及光纤耦合器；所述传导光纤分为多段分立的传导光纤，相邻两段分立的传导光纤之间通过所述光纤耦合器连接；

所述光纤耦合器的一个输出端连接所述传感光纤，所述传感光纤末端连接光纤反射镜，形成多个相互独立的传感探测支路。

进一步地，所述多个光纤耦合器的分光比，沿所述传导光纤的延伸方向逐渐增大。

本发明提供的分布式光纤振动传感系统通过在传感光纤链路中，设置多个相互独立的传感光纤支路，实现多个位置的独立探测传感；同时，由于传感支路与光脉冲信号传输的传导光纤相互独立，使得某一位置或多个位置的扰动或者传感操作，不会影响其他位置的传感支路的脉冲信号传播，进而不会影响其他传感支路传感操作，从而大大提升的传感系统的定位精度和效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的分布式光纤振动传感系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的传感光纤连结构示意图。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明实施例提供的一种分布式光纤振动传感系统，包括：

脉冲光源，用于产生脉冲光信号；

环形器，通过其第一端口接收所述脉冲光信号；

传感光纤链路，接收由环形器第二端口输出的光脉冲信号，并将光纤链路的反馈信号由环形器第二端口接入所述环形器；

检偏器，将由环形器的第三端口输出的光纤链路的反馈信号进行检偏操作；

光探测器，接收检偏器的输出信号，将光信号转换成电信号输出；

数据采集卡，接收电信号，转化存储并发送给下一级电路；

绘图终端，接收数据采集卡的输出数据，完成反馈信号波形绘制；

其中，传感光纤链路包括：传导光纤，传感光纤以及光纤耦合器；传导光纤分为多段分立的传导光纤，相邻两段分立的传导光纤之间通过光纤耦合器连接；

光纤耦合器的一个输出端连接传感光纤，传感光纤末端连接光纤反射镜，形成多个相互独立的传感探测支路。

分布式光纤振动传感系统的工作过程为：脉冲光源经环形器进入传感光纤链路，经光纤链路散射及反射回来的光信号经环形器输出到检偏器，然后到达光电探测器转换成电信号，有数据采集卡转换存储，输出给绘图终端，绘制波形图反应，实时传感探测振动情况的结果探测结果。

现有技术中，当一个传感位置点动作或者受到扰动后，沿脉冲传播方向上，此位置点后的所有传感位置的定位都将受到影响，严重影响了传感系统的定位精度和工作效率。

本实施例中，传感光纤链路包括：传导光纤，传感光纤以及光纤耦合器；传导光纤分为多段分立的传导光纤，相邻两段分立的传导光纤之间通过光纤耦合器连接；实现脉冲信号的独立传播。

光纤耦合器的一个输出端连接传感光纤，传感光纤末端连接光纤反射镜，形成多个相互独立的传感探测支路；独立执行传感探测动作，独立反馈回传，进而避免了相互干扰，从而大大提升了定位精度和工作效率。同时，能够改善基于POTDR的新型分布式光纤振动传感系统的信噪比，且完全不存在信号的卷积问题和相干噪声问题。鉴于，传感光纤的扰动仅仅影响本传感光纤末端反射光信号的偏振态，对于其他反射光信号无影响，实现了多点同时监测。

同时，为了弥补由于光纤损耗带来的系统动态范围随着距离的增加而减小的现象，可以随着距离的增加，通过改变耦合器的分光比达到提高进入传感光纤的光功率，使得每个反射点的强度基本一致，保持系统的动态范围，提升反馈信号的保真度，提升定位精度和效率。

设脉冲宽度为δT(ns，纳秒)，光在真空中的传播速度为c，光纤折射率为n，则光脉冲在光纤中的长度l为：

$1=\mathrm{\δT}\×\frac{c}{n}$

假设耦合器1和脉冲光源之间的光纤长度为L₁，耦合器2和耦合器1之间的光纤长度为L₂，……，耦合器m和耦合器m-1,之间的光纤长度为L_m。传感光纤1长度为K₁，传感光纤2长度为K₂，……，传感光纤m长度为K_m。数据采集卡采集到的波形的横坐标为时间，时间与距离的关系为：

$T_j=\frac{\underset{i=1}{\overset{i=j}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i+K_j}{c/n}$

其中j＝1,2，……，n。

为了信号处理的方便，通过控制各段的光纤长度可满足下式：

T_j-T_j-1>δT

其中j＝1,2，……，n。

设脉冲光源的脉冲重复周期为T(ms，毫秒)，为了防止相邻周期之间的信号相互串扰，T需满足公式(4)：

$T>\frac{\underset{i=1}{\overset{i=m}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i+K_m}{c/n}$

本发明提供的分布式光纤振动传感系统通过在传感光纤链路中，设置多个相互独立的传感光纤支路，实现多个位置的独立探测传感；同时，由于传感支路与光脉冲信号传输的传导光纤相互独立，使得某一位置或多个位置的扰动或者传感操作，不会影响其他位置的传感支路的脉冲信号传播，进而不会影响其他传感支路传感操作，从而大大提升的传感系统的定位精度和效率。

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 (2)

1.一种分布式光纤振动传感系统，其特征在于，包括：

脉冲光源，用于产生脉冲光信号；

环形器，通过其第一端口接收所述脉冲光信号；

传感光纤链路，接收由所述环形器第二端口输出的光脉冲信号，并将所述光纤链路的反馈信号由所述环形器第二端口接入所述环形器；

检偏器，将由所述环形器的第三端口输出的所述光纤链路的反馈信号进行检偏操作；

光探测器，接收所述检偏器的输出信号，将光信号转换成电信号输出；

数据采集卡，接收所述电信号，转化存储并发送给下一级电路；

绘图终端，接收所述数据采集卡的输出数据，完成反馈信号波形绘制；

其中，所述传感光纤链路包括：传导光纤，传感光纤以及光纤耦合器；所述传导光纤分为多段分立的传导光纤，相邻两段分立的传导光纤之间通过所述光纤耦合器连接；

所述光纤耦合器的一个输出端连接所述传感光纤，所述传感光纤末端连接光纤反射镜，形成多个相互独立的传感探测支路。

2.如权利要求1所述的分布式光纤振动传感系统，其特征在于：所述多个光纤耦合器的分光比，沿所述传导光纤的延伸方向逐渐增大。