CN105092018B - 一种长距离光纤分布式振动监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种长距离光纤分布式振动监测系统及监测方法，脉冲编码器对相干激光光源和时间编码光源进行按格雷码的序列编码，被编码的相干激光光源输出光脉冲被第一光纤耦合器分两路，一路通过光纤传输经过串联的两个光纤耦合器进入到第二纤耦合器，另一路直接向前传输后进入第二纤耦合器，第二纤耦合器输出信号到干涉探测器PD1，得到干涉光信号，两个光纤耦合器之间两路光缆长度相等；被编码的时间编码光源通过光纤传输后经过串联的波分复用器进入到编码探测器，干涉探测器和编码探测器输出信号进行光电转换后送入信号处理单元，实现对振动信号的定位。实现对光纤光缆沿线的外加振动信号进行检测和定位，不限检测距离的约束，适应各种检测环境。

Description

一种长距离光纤分布式振动监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及一种检测技术，特别涉及一种基于光学脉冲时间编码的长距离光纤分布式振动监测系统及监测方法。

背景技术

光纤分布式振动传感技术在周界安防、管线监护和光缆海缆等监护领域有着广泛的应用需求。以往的技术通常采用双向马赫曾德干涉仪或者光时域反射技术，检测距离较短且不能用于光缆中含有单向光放大器的环境。

发明内容

本发明是针对光纤分布式振动传感存在检测距离有限和抗干扰能力差的问题，提出了一种光纤分布式振动监测系统及监测方法，采用光脉冲时间编码方法，结合激光干涉检测和光纤技术，实现对光纤光缆沿线的外加振动信号进行检测和定位，不限检测距离的约束，适应各种检测环境。

本发明的技术方案为：一种长距离光纤分布式振动监测系统，包括脉冲编码器、相干激光光源、时间编码光源、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第一波分复用器、第二波分复用器、干涉探测器、编码探测器和信号处理单元，脉冲编码器对相干激光光源和时间编码光源进行按格雷码的序列编码，被编码的相干激光光源输出光脉冲进入到光纤系统，先被第一光纤耦合器分两路，一路通过光纤传输后再经过串联的第一波分复用器和第二波分复用器进入到第二光纤耦合器，另一路直接向前传输后进入第二光纤耦合器，第二光纤耦合器输出信号到干涉探测器，得到干涉光信号，两个光纤耦合器之间两路光缆长度相等；被编码的时间编码光源通过光纤传输后经过串联的波分复用器进入到编码探测器，干涉探测器和编码探测器将按得到的光信号进行光电转换，转换后的电信号进入到信号处理单元，信号处理单元处理信号，实现对振动信号的定位。

进一步的，所述的脉冲编码器分别与所述的相干激光光源和时间编码光源连接，时间编码光源与第一波分复用器连接，相干激光光源与所述的第一光纤耦合器连接，第一光纤耦合器分两路输出，其中一路通过光纤与所述的第二光纤耦合器连接，另一路与第一波分复用器连接，第一波分复用器与第二波分复用器通过光纤连接，第二波分复用器与第二光纤耦合器连接，第二光纤耦合器与所述的干涉探测器连接，干涉探测器与所述的信号处理单元连接，第二波分复用器与所述的编码探测器连接，编码探测器与信号处理单元连接。

所述两个光纤耦合器之间传输光缆的长度L满足条件以下：T＝Ln_eff/c>M/f，其中n_eff为光纤的有效折射率，c为光在真空中的光速，T为一组格雷码的周期，M为格雷码码位数，f为AD采样频率。

所述两个光纤耦合器之间传输光缆传输距离过长时，在满足两个光纤耦合器之间传输光缆的长度L满足条件的情况下，在光纤中增加单向传输放大模块。

所述长距离光纤分布式振动监测系统的监测方法，编码探测器得到序列脉冲，相邻两组编码脉冲之间的时间间隔为T，对于两个光纤耦合器之间传输光缆传输距离，有T＝n_effL/c；

干涉探测器得到干涉脉冲序列S，每个序列的第一个脉冲S_N与时间脉冲N对应，最后一个脉冲S_N+1与时间脉冲N+1对应，在N和N+1之间插入M个格雷码编码的脉冲，M由探测定位的精度确定，对应脉冲周期为Λ；

当光缆上某一位置x发生振动事件的时候，通常第N组编码脉冲已经往前传输τ时间，在信号处理单元中，每探测得到一个时间编码脉冲N，就打开相应的高速计数器，记录下时间τ，并同时启动对干涉探测器探测到的信号的分析，当从干涉脉冲序列S中确定有事件发生是，即停止对τ的计时，利用这个时间τ，结合干涉脉冲的编码序列号Mx，就可以得到振动发生的位置为：

X＝(M×Λ-τ)C/n_eff。

本发明的有益效果在于：本发明光纤分布式振动监测系统及监测方法，适用于含有或不含有光中继放大器的长距离光缆的外部安全监护。

附图说明

图1为本发明长距离光纤分布式振动监测系统结构示意图；

图2为通信传输光缆中的光放大环节示意图；

图3为本发明实施例示意图；

图4为本发明编码和探测示意图。

具体实施方式

如图1所示长距离光纤分布式振动监测系统结构示意图，脉冲编码器M对相干激光光源L1和时间编码光源L2进行按格雷码的序列编码，被编码的光源输出光脉冲进入到光纤系统，相干激光光源L1发出的相干光脉冲通过光纤耦合器C1分成两路，分别进入到传输光缆的两根光纤中，一根光纤直接向前传输后再经过光纤耦合器C2，另一根光纤依次通过波分复用器W1、W2进入光纤耦合器C2，光纤耦合器C2输出信号进入到干涉探测器PD1，得到干涉光信号；脉冲编码器M通过内部高精度时钟，采用二进制格雷码方式对时间编码光源L2进行精确编码，时间编码光源L2发出的特定编码的序列光脉冲则经过波分复用器W1进入到传输光缆，再经过波分复用器W2进入到编码探测器PD2。L1和L2的脉冲序列根据光缆的长度和编码的位数来确定，即发出第一组格雷编码脉冲之后，根据光缆的精确长度，在确定这组脉冲已经完全到达PD1和PD2的情况下，再发出下一组格雷编码脉冲。PD1和PD2将得到的光信号进行光电转换，转换后的电信号进入到信号处理单元进行相应的模数AD转换，并进行高速数字信号处理，首先从PD2中得到的光脉冲信号中采用时钟恢复技术恢复时钟源，供给后续电路作为时间基准，同时从干涉脉冲信号中经过信号分析，提炼出作用在光缆上的振动信息，依据该信息的能量特征，结合时间编码信号，确定能量最集中的点所对应的时间编码，由此得到振动信号作用在光缆上的确切时间，再得到该振动信号所发生的在光缆上的具体位置，实现对振动信号的定位。

保证对光脉冲的高精度编码，时间准确性ΔT要达到ns量级，以保证对定位的精度要求。当光纤光缆的长度太短，光的传输太快，系统的编码速率要求会超过AD转换器件和信号处理器的处理能力而使系统无法实现，为保证功能，两个光纤耦合器之间传输光缆的长度L满足以下条件：T＝Ln_eff/c>M/f，其中n_eff为光纤的有效折射率，c为光在真空中的光速，T为一组格雷码的周期，M为格雷码码位数，f为AD采样频率。

在常规的大长度通信光缆中，为了克服光纤的固有传输损耗，通常相隔50km左右就回加入一对光放大器，如图2所示通信传输光缆中的光放大环节示意图。这种光放大器为了保证光通信信息的质量，通常是单向传输并放大，因此常规的分布式振动检测技术如基于双向MZ干涉仪技术和基于OTDR技术的测量方法在光学结构上就无法实现。因为这两种技术都要求光在一根光纤里面双向传输，才能构成相应的分布式光学系统。

单向传输放大模块是放置在传输距离太长，主要是为了克服信号衰减所使用，通信系统中一般都是单向传输。当某些系统中光纤光缆的长度比较短，由于光的传输太快，系统的编码就需要调整，使之满足上述传输光缆的长度L满足的条件。

抽取通信传输光缆中的两个单向模块来构建，比如图2中的发射11—接收11和发射21—接收22这两根光纤作为图1系统中的传输光缆。给出如图3所示实施例示意图。

脉冲编码器M对相干激光光源L1和时间编码光源L2按时间序列进行相关编码，L2的编码按照光纤长度来进行，使得相邻两个码之间的时间间隔正好是光脉冲从一头传输到另一头的时间。L1则根据L2的时间周期进行均匀等分并连续编码。被编码的光源输出光脉冲进入到光纤系统。L1发出的相干光脉冲通过光纤耦合器C1分成两路，分别进入到传输光缆的两根光纤中，向前传输后再经过光纤耦合器C2进入到干涉探测器PD1，得到干涉光信号。时间编码光源L2发出的特定编码的序列光脉冲则经过波分复用器W1进入到传输光缆，再经过波分复用器W2进入到编码探测器PD2。由于L1和L2的脉冲序列编码的位数根据光缆的长度确定，只需要知道振动发生是对应的是哪个编码，以及相应的L2的前一个编码已经传输多长时间，即可以确定事件发生的位置。如图4所示编码和探测示意图。

PD2得到序列脉冲，相邻两组编码脉冲之间的时间间隔为T，对于光缆长度L(光缆的长度是指图1中光纤耦合器C1、C2之间的长度，C1和C2之间的光缆有两组，一组直接相连，一组包含波分复用器W1、W2，要求这两组的总长度相等，PD2和PD1在输出进过光电转换之后，由电路进行延迟补偿，通过AD采集的时钟基准保持两路信号采集的同步)，有T＝n_effL/c，其中，n_eff为光纤的有效折射率，c为光在真空中的光速。

PD1得到干涉脉冲序列S，每个序列的第一个脉冲S_N与时间脉冲N对应，最后一个脉冲S_N+1与时间脉冲N+1对应，在N和N+1之间插入M个格雷码编码的脉冲，M由探测定位的精度确定，对应脉冲周期为Λ。

当光缆上某一位位置x发生振动事件的时候，通常第N组编码脉冲已经往前传输τ时间，因此在信号处理单元中，每探测得到一个时间编码脉冲N，就打开相应的高速计数器，记录下时间τ。并同时启动对PD1探测到的信号的分析，当从干涉脉冲序列S中确定有事件发生是，即停止对τ的计时。利用这个时间τ，结合干涉脉冲的编码序列号Mx，就可以得到振动发生的位置：

X＝(M×Λ-τ)C/n_eff

综上所述，在干涉脉冲序列中通过实时分析，得到外部事件的特征信息，可以用于判断那类事件的发生。结合编码信息和对相应时间的计算，可以得到事件发生的位置信息，从而实现对作用在光缆上的外部侵害事件的分布式监测。

Claims (5)

1.一种长距离光纤分布式振动监测系统，其特征在于，包括脉冲编码器、相干激光光源、时间编码光源、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第一波分复用器、第二波分复用器、干涉探测器、编码探测器和信号处理单元，脉冲编码器对相干激光光源和时间编码光源进行按格雷码的序列编码，被编码的相干激光光源输出光脉冲进入到光纤系统，先被第一光纤耦合器分两路，一路通过光纤传输后再经过串联的第一波分复用器和第二波分复用器进入到第二光纤耦合器，另一路直接向前传输后进入第二光纤耦合器，第二光纤耦合器输出信号到干涉探测器，得到干涉光信号，两个光纤耦合器之间两路光缆长度相等；被编码的时间编码光源输出的光脉冲通过光纤传输后经过串联的波分复用器进入到编码探测器，干涉探测器和编码探测器将得到的光信号进行光电转换，转换后的电信号进入到信号处理单元，信号处理单元处理信号，实现对振动信号的定位。

2.根据权利要求1所述长距离光纤分布式振动监测系统，其特征在于，所述两个光纤耦合器之间传输光缆的长度L满足条件以下：T＝Ln_eff/c>M/f，其中n_eff为光纤的有效折射率，c为光在真空中的光速，T为一组格雷码的周期，M为格雷码码位数，f为AD采样频率。

3.根据权利要求2所述长距离光纤分布式振动监测系统，其特征在于，所述两个光纤耦合器之间传输光缆传输距离过长时，在两个光纤耦合器之间传输光缆的长度L满足所述条件的情况下，在光纤中增加单向传输放大模块。

4.根据权利要求2或3所述长距离光纤分布式振动监测系统的监测方法，其特征在于，编码探测器得到序列脉冲，干涉探测器得到干涉脉冲序列S，每个序列的第一个脉冲S_N与时间编码脉冲N对应，最后一个脉冲S_N+1与时间编码脉冲N+1对应，在N和N+1之间插入M个格雷码编码的脉冲，M由探测定位的精度确定，对应脉冲周期为Λ；

当光缆上某一位置x发生振动事件的时候，第N组编码脉冲已经往前传输τ时间，在信号处理单元中，每探测得到一个时间编码脉冲N，就打开相应的高速计数器，记录下时间τ，并同时启动对干涉探测器探测到的信号的分析，当从干涉脉冲序列S中确定有事件发生时，即停止对τ的计时，利用这个时间τ，结合干涉脉冲的编码序列号Mx，就得到振动发生的位置为：

X＝(M×Λ-τ)C/n_eff。

5.根据权利要求1所述长距离光纤分布式振动监测系统，其特征在于，所述的脉冲编码器分别与所述的相干激光光源和时间编码光源连接，时间编码光源与第一波分复用器连接，相干激光光源与所述的第一光纤耦合器连接，第一光纤耦合器分两路输出，其中一路通过光纤与所述的第二光纤耦合器连接，另一路与第一波分复用器连接，第一波分复用器与第二波分复用器通过光纤连接，第二波分复用器与第二光纤耦合器连接，第二光纤耦合器与所述的干涉探测器连接，干涉探测器与所述的信号处理单元连接，第二波分复用器与所述的编码探测器连接，编码探测器与信号处理单元连接。