CN104748836A - 一种光纤振动传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传感技术领域，公开了一种光纤振动传感系统，包括：脉冲光源；光纤传感链路，接收光脉冲信号，产生反馈信号；检偏器，将反馈信号进行检偏操作；光探测器，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；数据处理模块，接收电信号并转换获取反馈信号的时域波形图，并对其进行傅立叶变换获取反馈信号的频域图谱；其中，光纤传感链路包括：输入传导光纤，承载传递光脉冲信号；传感光纤，接收所述输入传导光纤的光脉冲信号，感应振动信号，产生反馈信号；反馈传导光纤，接收所述反馈信号，传递给所述检偏器。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，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、高精度传感的分区域型光纤振动传感系统。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种光纤振动传感系统，包括：脉冲光源，产生光脉冲信号；

光纤传感链路，接收所述光脉冲信号，并根据所述光脉冲信号生成反馈信号；

检偏器和光探测器，将所述反馈信号进行检偏操作，并将所述反馈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；

数据处理模块，获取所述数据采集卡的发送的数据信息，并对其进行傅立叶变换获取反馈信号的频域图谱；

其中，所述光纤传感链路包括：

输入传导光纤，承载传递光脉冲信号；

传感光纤，接收所述输入传导光纤的光脉冲信号，感应振动信号，产生反馈信号；

反馈传导光纤，接收所述反馈信号，传递给所述检偏器。

进一步地，所述传感光纤为多条，任一条所述传感光纤两端分别通过耦合器连通所述输入传导光纤和所述反馈传导光纤，形成多条独立的传感探测支路。

本发明提供的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单个反馈信号的时域波形图；

图3为本发明实施例提供的多个反馈信号的时域波形图；

图4为本发明实施例提供的反馈信号随时间变化的波形及进行傅里叶变换后的频谱波形示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例提供的一种光纤振动传感系统，包括：脉冲光源，产生光脉冲信号；

光纤传感链路，接收光脉冲信号，经由传感链路产生反馈信号；

在线检偏器，将反馈信号进行检偏操作；

光探测器，接收检偏器的输出信号，转换成电信号输出；

数据采集卡，接收光探测器的电信号，转化存储并发送；

数据处理模块，接收数据采集卡输出数据并转换获取反馈信号的时域波形图，并对其进行傅立叶变换获取反馈信号的频域图谱；

其中，光纤传感链路包括：

输入传导光纤，承载传递光脉冲信号；

传感光纤，接收输入传导光纤的光脉冲信号，感应振动信号，产生反馈信号；

反馈传导光纤，接收反馈信号，传递给检偏器；

数据控制处理模块与脉冲光源建立实时通信，实现光源的控制。

光纤振动传感系统的工作过程为：脉冲光源产生光脉冲信号，沿输入传导光纤传递，在传递过程中，进入传感光纤；传感光纤产生反馈光信号经由输出传导光纤传递给检偏器，然后到达光电探测器转换成电信号，由数据采集卡转换存储，输出给数据处理模块，绘制反馈信号波形图以及傅立叶变换后的频域图谱，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，多条传感光纤相互独立，从脉冲信号的接入，到反馈信号的输出，均独立进行，避免了相互干扰。

传感光纤为多条，任一条所述传感光纤两端分别通过耦合器连通输入传导光纤和反馈传导光纤，形成多条独立的传感探测支路。其中，在输入传导光纤和反馈传导光纤分别设置对应的两个耦合器，直接实现脉冲信号的接入和反馈信号的输出进入检偏器，光路结构独立。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，能够提升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经过本传感光纤的光信号的偏振态，对于经过其他传感光纤的光信号无影响，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，提升信号处理的效率。

参见图2、图3和图4，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，时间与距离的关系通过公式(2)：

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

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(3)：

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)：

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

参见图2，此时加上检偏器，由于偏振态在光纤中的随机演化过程，反馈信号经过检偏器之后被光探测器探测到，数据采集卡采集光探测器的信号，通过数据处理模块或者计算机绘制波形图。

参见图3，当外界扰动作用在传感光纤上时，由扰动造成的偏振态的变化会引起光脉冲信号的强度发生变化。鉴于多个独立传感光纤独立动作，所以传感光纤受到扰动时，并不影响其他各点或者区域的信号。采集多个周期的信号通过进一步处理可得出各反射点信号变化波形情况；将多个周期的信号波形通过随距离与时间的变化记录下来。

参见图4，取脉冲信号i(i＝1，2，……，m)在不同脉冲周期上的信号，即可绘出反射点i的信号随时间变化的波形图。进而对数据进行傅里叶变换，即可得到此反射点信号的频域图谱，通过进一步的分析可以得到扰动信号源的频率信息。脉冲重复频率受公式(4)限制，所以单个反射点信号的采样频率fs为：

$\mathrm{fs}=\frac{1}{T}$

根据奈奎斯特采样定律，可以探测的信号的最高频率f_max为：

$f\max =\frac{\mathrm{fs}}{2}$

本发明提供的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多事件同时定位能力。

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)

1.一种光纤振动传感系统，其特征在于，包括：

脉冲光源，产生光脉冲信号；

光纤传感链路，接收所述光脉冲信号，并根据所述光脉冲信号生成反馈信号；

检偏器和光探测器，将所述反馈信号进行检偏操作，并将所述反馈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；

数据处理模块，获取所述数据采集卡的发送的数据信息，并转换获取反馈信号的时域波形图，并对其进行傅立叶变换获取反馈信号的频域图谱；

其中，所述光纤传感链路包括：

输入传导光纤，承载传递光脉冲信号；

传感光纤，接收所述输入传导光纤的光脉冲信号，感应振动信号，产生反馈信号；

反馈传导光纤，接收所述反馈信号，传递给所述检偏器。

2.如权利要求1所述的光纤振动传感系统，其特征在于：所述传感光纤为多条，任一条所述传感光纤两端分别通过耦合器连通所述输入传导光纤和所述反馈传导光纤，形成多条独立的传感探测支路。