CN105371943B - 一种分布式光纤振动传感系统的解调方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分布式光纤振动传感系统的解调方法及装置，利用解调装置将光脉冲周期性注入传感光纤，并获取经传感光纤散射的背向散射瑞利光信息；再将获取的背向散射瑞利光信息采用随机抽样方法和上确界方法等处理，便可获知传感光纤测量位置的振动信号。通过对获取的背向散射瑞利光信息的数据处理分析，能够准确获取振动事件的位置信息和频率信息，具有可靠的稳定性以及感知事件的灵敏度。该解调方法及装置能够广泛应用于输油、输气管道的第三方破坏的监测，以及石油传输场站、飞机场、学校等的安防周界警戒系统等。

Description

一种分布式光纤振动传感系统的解调方法及装置

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，涉及一种光电传感技术，具体是指一种分布式光纤振动传感系统的解调方法及装置。

背景技术

分布式光纤振动传感系统集传感与传输于一体，可实现远距离测量与监控，主要优势如下：检测范围广、检测距离长、灵敏度高、误报率低，工作稳定，性价比高、易操作、易管理、易维护，不受雷电干扰破坏，特别是在雷雨天气比较多的地方，更显现出分布式光纤振动传感系统的优越性。此外，分布式光纤振动传感系统不受EMI和RFI的干扰，对电磁干扰具有天生免疫性。分布式光纤振动传感系统在整个传感光纤长度范围内的探测灵敏度具有一致性，不受土壤重金属、盐水和矿物质影响，耐腐蚀，能在恶劣的环境下稳定工作。而且现在传感光纤随制造成本的显著降低变得非常低廉，因此单位信息成本显著降低。

为了提高系统对振动时间识别的灵敏度和定位精度。需要极窄的线宽和极小的频率漂移。线宽与灵敏度有着极大的关系，线宽越窄，干涉作用就越明显，系统的灵敏度就越高。因此，窄线宽是光纤振动传感器的关键，是系统能够响应光相位变化的基本条件。由于频率漂移会导致后向散射曲线发生抖动，使入侵引起的曲线变化被淹没，系统的性能受到严重影响，因此较小的频率漂移在光纤振动传感器系统中也非常的重要。

分布式光纤振动传感器的传感光缆一般埋设于室外，当入侵者走在埋设光缆的地面上或附近时，产生的振动会导致光纤中的瑞利散射光相位发生变化，由于干涉作用，光相位变化将会引起光强度的变化。通过实时地将当前时刻的分布式光纤振动传感系统后向散射信号与其前一时刻的后向瑞利散射信号连续相减，检测这种干涉效应就可以定位入侵位置。

分布式光纤振动传感系统一般测量的空间范围大，要采集的数据量很多，因此对系统时间分辨率的稳定可靠性有很高的要求。信号数据采集一般采用了实时采样方式，即信号一到就开始逐点采样，直到将整个信号波形被采集完为止。同时采样点以时间为顺序采集，易于实现波形的快速显示。这就要求模数转换模块处理速度足够快，即每个采样点的采入、量化、存储和运算过程必须在光源的光脉冲所缺的时间间隔内完成。分布式光纤振动传感器能够测量光纤周围的任何振动、扰动、声音信号等。如何在大量的振动信息中提取出有用的信号数据是非常关键性的技术。

分布式光纤振动传感由于其独有的优点，有着巨大的应用价值。但是目前还存在许多技术有待更好的解决，比如如何保证在各种复杂环境下保持系统的可靠性等系列的问题。如果将这些技术问题能够有效地解决了，分布式光纤振动传感系统必将在实际应用中发挥更大的作用。

发明内容

本发明旨在针对上述现有技术中存在的问题，提供一种分布式光纤振动传感系统解调方法，能够提高分布式光纤振动传感系统的可靠稳定性及感知事件的灵敏度。

本发明的另一目的在于提供一种分布式光纤振动传感解调装置，能够获取传感光纤中的背向散射瑞利光信息，并基于获取的背向散射瑞利光信息利用上述解调方法获取传感光纤上每一点的振动信号。

为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案来实现：

本发明提供了一种分布式光纤振动传感系统的解调方法，包括以下步骤：

步骤一，将光脉冲周期性注入传感光纤，并获取经传感光纤散射的背向散射瑞利光信息；

步骤二，重复步骤一，对于传感光纤中同一测量位置的背向散射瑞利光信息构成一个序列，按照随机抽样方法生成一个子序列，子序列首尾相连，形成循环序列；

步骤三，微分循环序列，生成待处理瑞利相位敏感序列；

步骤四，按照上确界方法处理瑞利相位敏感序列，得到瑞利相位敏感序列的上确界，并以得到的上确界作为处理后的背向散射瑞利光信息；

步骤五，根据设定的阈值对处理后得到的背向散射瑞利光信息的划分，确定测量位置是否有振动事件，如果有，对由背向散射光信息构成的序列进行快速傅里叶变换，获得振动事件的中心频率。

上述分布式光纤振动传感系统的解调方法，光脉冲是由窄线宽连续激光经外调制转换得到的。

上述分布式光纤振动传感系统的解调方法，获取的背向散射瑞利光信息为经硬件模块多次数字平均后的背向散射瑞利光信息；上述硬件模块可以为硬件累加器，即将在设定时间段内接收到的背向散射瑞利光信息进行累加然后求平均得到所需要的背向散射人力光信息。

上述分布式光纤振动传感系统的解调方法，步骤二中重复步骤一，将在某一时间段内，将获得的传感光纤中同一测量位置的背向散射瑞利光信息构成一个序列，并按照随机抽样方法生成一个子序列。上述随机抽样方法的实现方式之一为，将背向散射瑞利光信息构成的序列中相邻两个元素求平均生成一个子序列。

上述分布式光纤振动传感系统的解调方法，步骤三中的微分循环序列的实现方法之一为，将循环序列中相邻两个元素相减生成待处理瑞利相位敏感序列。

上述分布式光纤振动传感系统的解调方法，依据步骤二至步骤四，得到处理后传感光纤上所有测量点的背向散射瑞利光信息。依据步骤二至步骤四，对于传感光纤中其它测量位置的背向散射瑞利光信息做同样的处理，即同一测量位置的背向散射瑞利光信息构成一个序列；再按照随机抽样方法生成一个子序列，子序列首尾相连，形成循环序列；微分循环序列，生成待处理瑞利相位敏感序列；按照上确界方法处理瑞利相位敏感序列，得到瑞利相位敏感序列的上确界，并以得到的上确界作为处理后的背向散射瑞利光信息；最后便得到处理后传感光纤上所有测量点的背向散射瑞利光信息(由所有的上确界构成)。

上述分布式光纤振动传感系统的解调方法，步骤五中，阈值的设定跟外界敏感事件相对应。根据外界敏感事件的分类来设定相应的阈值，当获得的上确界大于等于阈值时，就认为有振动事件发生，此时对由背向散射光信息构成的序列进行快速傅里叶变换，获得振动事件的中心频率。例如，对于外界敏感事件为输油、输气管道的第三方破坏，石油传输场站、飞机场、学校等的安防周界被入侵，道路、桥梁、建筑物等大型设施有破坏或者损毁等，根据分别设置的阈值能够实时地得到入侵、断裂或破损导致的振动信号，从而判断是哪种敏感事件发生，同时有效地给出发生的位置。

本发明进一步提供了一种分布式光纤振动传感解调装置，包括激光驱动组件、光纤环形器、光电探测器组件和微处理器；微处理器发出启动信号，控制激光驱动组件发出脉冲激光经光纤环形器注入传感光纤，返回的背向散射瑞利光(拉曼光不考虑)经光纤环形器导向光电探测器组件，光电探测器组件将经数据平均后的背向散射瑞利光信息发送给微处理器，并由微处理器按照上述解调方法获取传感光纤上每一测量点的振动信号。

上述分布式光纤振动传感解调装置，激光驱动组件的作用是获取周期性脉冲激光，作为一种实现方式，激光驱动组件包括窄线宽连续激光驱动器和外调制器；外调制器根据微处理器发出的启动信号将窄线宽连续激光驱动器发出的连续激光转换成周期性脉冲激光，并将脉冲激光经光纤环行器注入传感光纤。窄线宽连续激光驱光器1较好的选择为3KHzTNK连续固体激光器。外调制器可以选择一般的半导体放大器，频率为C/(2nL)，其中，C为光在真空中速率，n为光纤有效折射率，L为传感光纤长度。

上述分布式光纤振动传感解调装置，光电探测器组件作用是接收背向散射瑞利光信息，并将光信息转换成数字信号，再将转换成的数字信号进行累加平均后发送给微处理器。作为一种实现方式，光电探测器组件包括APD探测器、A/D转换模块和硬件累加器；APD探测器将接收的背向散射瑞利光转换为电信号；A/D转换模块将模拟电信号转换成数字信号；硬件累加器将连续接收的数字信号多次平均后发送给微处理器。最佳的平均次数为C/(2nLV₀)，其中，C为光在真空中速率，n为光纤有效折射率，L为传感光纤长度，V₀为外界振动的中心频率。

本发明提供的分布式光纤振动传感系统的解调方法，具有以下至少一项有益效果：

(1)通过对获取的背向散射瑞利光信息的数据处理分析，能够准确获取振动事件的位置信息和频率信息，具有可靠的稳定性以及感知事件的灵敏度；

(2)仅通过探测的背向散射瑞利光信息，就可以达到检测敏感事件的目的，为简化分布式光纤振动传感解调、检测手段，降低分布式光纤振动传感解调、检测成本提供了新的研究方向；

(3)本发明应用领域：输油、输气管道的第三方破坏的监测，以及石油传输场站、飞机场、学校等的安防周界警戒系统等；其应用领域还包括道路、桥梁、建筑物等大型设施的安全监测，能够实时地得到断裂或破损导致的振动信号，从而判断结构损坏的情况，同时有效地给出发生损害的位置；

(4)由于分布式光纤振动传感器是无源驱动，非常适合于长距离实时测量，无论在民用还是军用领域都具有广泛的应用前景。

通过本发明提供的分布式光纤振动传感解调装置，具有以下至少一项有益效果：

(1)能够获得脉冲激光经传感光纤后的背向散射瑞利光信息，并可以基于上述光信息根据本发明提供的解调方法获得传感光纤中每一测量点的振动信号，从而实现对敏感事件的监测；

(2)由于本发明提供的解调方法仅需背向散射瑞利光信息即可，所以避免使用传统的声光移频器部件，大大简化了解调装置的涉及结构，为解调装置的小型化、便携设计提供了基础；

(3)此外，该解调装置结构简单、操作方便、造价成本低，适于在业内普遍推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，以下描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。

图1为本发明提供的分布式光纤振动传感解调装置的结构示意图；

图2为本发明提供的背向散射瑞利光信息的实验原始数据，其中横坐标单位为米，纵坐标单位为-dBm；

图3为经本发明提供的解调方法解调后的振动信号分布图，其中横坐标单位为米，纵坐标单位为-dBm。

其中，1-窄线宽连续激光驱动器，2-外调制器，3-光纤环形器，4-传感光纤，5-光电探测器组件，6-微处理器。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

实施例1

本实施例是对分布式光纤振动传感系统的解调方法的进一步解释和说明，但其不构成对本发明的任何限定。

本实施例以一维长度L米的传感光纤为研究对象，针对于距离处理端点长度x米的位置为测量点。设某一时间段t内，获得的测量点的经硬件模块多次数字平均后的背向散射瑞利光信息序列为P₀(x),P₁(x),...,P_j(x),...,P_N(x)。

按照踏石方法，将上述序列处理生成一个子序列A₀(x),A₁(x),...,A_j(x),...,A_M(x),其中，

A₀(x)＝(P₀(x)+P₁(x))/2,A₁(x)＝(P₁(x)+P₂(x))/2,A₂(x)＝(P₂(x)+P₃(x))/2,....

A_M(x)＝(P_N(x)+P₀(x))/2。

将上述子序列首尾相连，形成循环序列。

对上述循环序列进行微分生成待处理瑞利相位敏感序列B₀(x),B₁(x),...,B_j(x),...,B_M(x)。其中，B₀(x)＝A₁(x)-A₀(x),B₁(x)＝A2(x)-A1(x),...B_j(x)＝A_j+1(x)-A_j(x)...,

B_M(x)＝A_M(x)-A₀(x)。

按照上确界方法处理上述瑞利相位敏感序列，得到Sup{B_j(x)}，并将其作为处理后的背向散射瑞利光信息。

根据设定的阈值对处理后的背向散射瑞利光信息(即Sup{B_j(x)})的划分，确定x位置是否有振动事件，如果有对序列{P_j(x)}进行快速傅里叶变换V＝FFT{P_j(x)}，获得振动事件的中心频率V。

依据上述过程可以得到传感光纤上的任一测量位置处理后的背向散射瑞利光信息，并获得获得振动信号的位置和中心频率。

实施例2

本实施例提供的分布式光纤振动传感解调装置，包括激光驱动组件、光纤环形器3、光电探测器组件5和微处理器6。

激光驱动组件包括窄线宽连续激光驱动器1和外调制器2。外调制器2根据微处理器发出的启动信号将窄线宽连续激光驱动器1发出的连续激光转换成周期性脉冲激光，并将脉冲激光经光纤环行器3注入传感光纤。窄线宽连续激光驱光器1为3KHzTNK连续固体激光器。外调制器2为半导体放大器，频率为C/(2nL)，其中，C为光在真空中速率，n为光纤有效折射率，L为传感光纤长度。系统的空间分辨率由激光脉宽和A/D采样频率决定，通常选取激光脉宽10ns，A/D采样频率100MHz，这样系统的空间分辨率1m。外界振动的中心频率V₀，通常取V₀＝2KHz，测量一维长度L米，C为光在真空中速度，n为光纤有效折射率，最佳平均次数为C/(2nLV₀)。

光电探测器组件5包括APD探测器、A/D转换模块和硬件累加器；APD探测器将接收的背向散射瑞利光转换为电信号；A/D转换模块将模拟电信号转换成数字信号；硬件累加器将连续接收的数字信号多次平均后发送给微处理器6。

上述分布式光纤振动传感解调装置工作原理为：微处理器6发出启动信号，是的外调制器2将窄线宽连续激光驱动器1发出的连续激光转换成脉冲激光纤环形器3注入传感光纤4，返回的背向散射瑞利光经光纤环形器3导向光电探测器组件5，经APD探测器转换为电信号，再经A/D转换模块产生数字信号，最后经硬件累加器累加平均后向微处理器6输出数字平均后的信号量，并由微处理器6按照本发明提供的解调方法计算获取传感光纤上每一测量点的振动信号。该振动信号还可以以图形和数字相结合的方式在显示屏上呈现，计算机后台完成每次测量振动的报表保存。

实验例

采用实施例1给出的解调方法及实施例2给出的解调装置对串联在钢丝网上5km振动光缆进行了实际测温验证。使用线宽3KHzTNK连续固体激光器作为窄线宽连续激光驱动器1，半导体光放大器作外调制器2，组装光电探测器组件5，pc104作为微处理器6。线宽3KHzTNK连续固体激光器发出的连续激光经半导体光放大器后再经光纤环行器3注入振动光缆，返回的背向散射瑞利信息经光纤环形器3被APD探测器接收并将光信号转换为电信号，再由A/D转换模块将模拟电信号转换成数字信号。经硬件累加器多次数字平均后的背向散射瑞利光信息如图2所示，由于噪声较强，难以分辨出振动信号的位置及强度。上述背向散射瑞利光信息通过经过实施例1给出的过程处理后得到的光信息数据如图3所示，从图3中可以明显的看出振动信号的位置及强度。实验证明，本发明提供的解调方法及装置具有可靠的稳定性和感知事件的灵敏度。

通过实施例1、实施例2及实验例的描述可以看出，本发明提供的分布式光纤振动传感系统的解调方法可以准确得出对传感光纤上发生振动事件的位置以及振动事件的中心频率，从而依据振动时间的位置和振动事件的中心频率，对可能发生的敏感事件进行判断，实现对敏感事件的监测，具有可靠的稳定性和感知事件的灵敏度。依据本发明提供的分布式光纤振动传感系统的解调方法，可以实现对第三方破坏的监测，例如输油、输气管道等；也可以应用于石油传输场站、飞机场、学校等的安防周界警戒系统等；还可以应用到道路、桥梁、建筑物等的安全监测，通过实时地得到断裂或破损导致的振动信号，从而判断结构损坏的情况，同时有效地给出发生损害的位置。此外，由于分布式光纤振动传感器时无源驱动，非常适合于长距离实时测量，无论在民用还是军用领域都具有广泛的应用前景。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种分布式光纤振动传感系统的解调方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，将光脉冲周期性注入传感光纤，并获取经传感光纤散射的背向散射瑞利光信息；

步骤二，重复步骤一若干次，对于传感光纤中同一测量位置的背向散射瑞利光信息构成一个序列，按照随机抽样方法生成一个子序列，子序列首尾相连，形成循环序列；

步骤三，微分循环序列，生成待处理瑞利相位敏感序列；

步骤四，按照上确界方法处理瑞利相位敏感序列，得到瑞利相位敏感序列的上确界，并以得到的上确界作为处理后的背向散射瑞利光信息；

步骤五，根据设定的阈值对处理后得到的背向散射瑞利光信息的划分，确定测量位置是否有振动事件，如果有，对由背向散射瑞利光信息构成的序列进行快速傅里叶变换，获得振动事件的中心频率。

2.根据权利要求1所述的分布式光纤振动传感系统的解调方法，其特征在于，光脉冲是由窄线宽连续激光经外调制转换得到的。

3.根据权利要求1或2所述的分布式光纤振动传感系统的解调方法，其特征在于，获取的背向散射瑞利光信息为经硬件模块多次数字平均后的背向散射瑞利光信息。

4.根据权利要求1所述的分布式光纤振动传感系统的解调方法，其特征在于，步骤二中的随机抽样方法为，将背向散射瑞利光信息构成的序列中相邻两个元素求平均生成一个子序列。

5.根据权利要求1所述的分布式光纤振动传感系统的解调方法，其特征在于，步骤三中的微分循环序列的方法为，将循环序列中相邻两个元素相减生成待处理瑞利相位敏感序列。

6.一种分布式光纤振动传感解调装置，其特征在于，包括激光驱动组件、光纤环形器(3)、光电探测器组件(5)和微处理器(6)；微处理器(6)发出启动信号，控制激光驱动组件发出脉冲激光经光纤环形器(3)注入传感光纤(4)，返回的背向散射瑞利光经光纤环形器(3)导向光电探测器组件(5)，光电探测器组件(5)将经数据平均后的背向散射瑞利光信息发送给微处理器(6)，并由微处理器(6)按照权利要求1-5任一所述的解调方法获取传感光纤上每一测量点的振动信号。

7.根据权利要求6所述的分布式光纤振动传感解调装置，其特征在于，激光驱动组件包括窄线宽连续激光驱动器(1)和外调制器(2)；外调制器(2)根据微处理器发出的启动信号将窄线宽连续激光驱动器(1)发出的连续激光转换成周期性脉冲激光，并将脉冲激光经光纤环形器(3)注入传感光纤。

8.根据权利要求7所述的分布式光纤振动传感解调装置，其特征在于，外调制器(2)为半导体放大器，频率为C/(2nL)，其中，C为光在真空中速率，n为光纤有效折射率，L为传感光纤长度。

9.根据权利要求6至7任意一项所述的分布式光纤振动传感解调装置，其特征在于，光电探测器组件(5)包括APD探测器、A/D转换模块和硬件累加器；APD探测器将接收的背向散射瑞利光转换为电信号；A/D转换模块将模拟电信号转换成数字信号；硬件累加器将连续接收的数字信号多次平均后发送给微处理器(6)。

10.根据权利要求9所述的分布式光纤振动传感解调装置，其特征在于，平均次数为C/(2nLV₀)，其中，C为光在真空中速率，n为光纤有效折射率，L为传感光纤长度，V₀为外界振动的中心频率。