CN105588586B - 一种u型传感光纤部署结构的光纤分布式传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学工程、光纤光学和信息获取与感知技术领域，具体涉及一种U型传感光纤部署结构的光纤分布式传感系统。本发明将光纤分布式传感系统中用于检测振动信号的传感光纤布置成多U型结构，该多U型结构由N条平行边构成N‑1个U型，且相邻U型方向相反，N>1。从传感光纤起始端将其依次划分为一系列连续且等长的通道，各通道的长度为入射脉冲激光线宽T的一半。传感光纤各平行边上的每个通道与相邻平行边对应的通道在垂直于平行边方向上不重叠。本发明在不减小光源脉冲宽度，不牺牲光源入射功率，不减小光电探测器最小积分时间的基础上，提高了系统的空间分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及光学工程、光纤光学和信息获取与感知技术领域，具体涉及光纤传感、信号处理技术。
背景技术
随着我国以及世界各国高铁、城市地铁等轨道交通的快速发展，日益增多的轨道线路和机车使得纵横交错的轨道交通日益繁忙，同时对于轨道上运行机车的全线精确定位、轮轨关系的实时监测以及准确测速等方面提出了更高的要求。针对这样的情况，传统的电学传感器在很多电磁干扰强烈的地方已不能满足需要，其可靠性和安全性存在极大隐患。
光纤分布式传感器是基于光时域反射技术(OTDR)的一种分布式应力传感系统。该技术是由于光纤制备工艺的限制，造成光纤上各点的密度不均匀，进而折射率不均匀，这种不均匀性引起光在光纤中传输时发生瑞利散射。同时，光纤受到各种施加的外力(强烈的机械振动或微弱的声波振动)时也会导致局部折射率的变化，也会使得光纤中的散射光发生变化。这样，当在光纤一端注入脉冲激光进行传输时，其中一部分的背向散射光反向传输回光入射端，通常这对于光纤通信来说这是一种反射损耗，然而也正是因为这样的特性，可以通过探测接收到的随时间变化的背向散射光信号，来监测光纤链路上受到的应力变化情况，这就是通常所说的光时域反射技术。
将一定重复频率的脉冲激光注入光纤进行探测时，其空间分辨率受限于激光脉冲宽度(T)的限制，最小空间分辨率要大于脉冲宽度的一半(T/2)。因此，如果采用缩短脉宽的办法来提升空间分辨率，那么注入光纤的激光能量将相应降低，从而导致探测距离的大幅下降，且探测系统的信噪比将急剧下降。另一方面，由于现有激光技术限制，减小激光的脉冲宽度成本很高昂且难以实现集成化，其通常的脉冲宽度为10米到几十米，从而导致基于OTDR技术的光纤分布式传感器的空间分辨率难以提高。
同时决定光纤分布式传感器空间分辨率的另一个因素是其用于探测背向散射光信号的光电探测器的最低积分时间。由于光电探测器并不能分辨“高重复频率”信号，因此光电探测器输出的每一点电信号均是一小段时间内光子数的累积，对应于空间长度来说，光电探测器输出的每一点电信号均是一小段光纤内光子数的累积。因此，接收到的光时域反射信号经光电转换后，时域波形上其每一点的值均是一小段光纤中背向散射光的强度。由此可知，光电探测器的最低积分时间也限制了光纤分布式传感器的空间分辨率。
基于上述光时域反射技术(OTDR)的光纤分布式传感器具有很高的灵敏度，同时具有极强的抗电磁干扰特性，且可在现有的基础设施上利用普通通信光缆实现长距离分布式传感，因此其在高铁和城市地铁等轨道交通系统中具有广泛的应用前景。但入射激光的脉冲宽度和光电探测器的最低积分时间极大的限制了该类系统的空间分辨率。面对日益复杂且高速的现代轨道交通，要达到对机车位置和速度高精度实时监控的要求，就必须要进一步提高光纤分布式传感系统的空间分辨率。
发明内容
针对上述存在问题和不足，为了解决传统光纤分布式传感系统的空间分辨率受限于脉冲激光的脉冲宽度和光电探测器的最低积分时间，无法进一步提高系统的空间分辨率。本发明提供了一种U型传感光纤部署结构的光纤分布式传感系统。
该U型传感光纤部署结构的光纤分布式传感系统，其特征在于：光纤分布式传感系统中用于检测振动信号的传感光纤F1布置成多U型结构，该多U型结构含有N(N>1)条平行边构成N-1个U型，且相邻U型方向相反。从传感光纤起始端将其依次划分为一系列连续且等长的通道C1、C2、C3……Cn，每个通道的长度为入射脉冲激光线宽T的一半，即T/2。
所述多U型结构传感光纤各平行边上的每个通道与相邻平行边对应的通道在垂直于平行边方向上不重叠，即每一个通道均与相邻平行边在垂直于平行边方向上相对应的通道组成一组虚拟传感通道。
所述多U型结构传感光纤中的通道在垂直于平行边方向上不与任何通道重叠，即每一个通道均与其他平行边在垂直于平行边方向上相对应的通道组成一组虚拟传感通道。
上述U型传感光纤部署结构的光纤分布式传感系统，其在轨道监测中工作过程为：
步骤1：将基于分布式光纤传感系统的传感光纤沿铁路轨道一侧布置成U型结构，根据所用脉冲激光的脉冲宽度参数T,将多U型结构的光纤配置成为长度为T/2的连续通道，该U型结构传感光纤中的平行边与火车轨道保持平行且最近的平行边与其保持20cm至30cm的直线距离。
步骤2：在U型结构光纤的一端连续注入一系列脉冲激光，机车在轨道上运动所产生的振动将间接作用于传感光纤，这将改变传感光纤的传输和散射特性。同时在注入激光的同一端使用环形器将光纤上各个通道的背向散射光引导入光电探测器模块，使用光电探测器对接收到的背向散射光进行探测。
步骤3：将光电探测器接收到的关于各个通道的背向散射光信号的数据送入信号处理模块，根据OTDR的原理将时域波形与空间距离相对应，对时域信号波形进行空间域的表示，最后将U型结构中空间位置上相互对应的通道的探测数据进行相加处理及相应的定位算法，实现对光纤链路上机车运动等振动源的定位与测速。
进一步的，步骤1所述传感光纤是指对于机车运动、声音振动等振动信号均敏感的光纤。
进一步的，步骤3所述的探测数据相加处理及相应的定位算法，是通过对相互交错的通道组的数据的叠加，从算法上缩短了光纤链路上背向散射光的采样长度，提高系统空间分辨率。
进一步将多U型结构传感光纤部署于轨道沿线，进一步增加沿每一段轨道传感光纤的交错通道数，进一步提高系统空间分辨率。
综上所述，与现有技术相比，本发明在不减小光源脉冲宽度，不牺牲光源入射功率，不减小光电探测器最小积分时间的基础上，将传统基于单条传感光纤的光纤分布式传感器分辨率提高K(K≥2)倍，可完全实现对高铁和城市地铁等轨道交通车辆的高分辨率定位与测速。
附图说明
图1是本发明的基于U型光纤部署结构的光纤分布式传感系统的结构示意图；
图2是传统基于单条光纤部署结构的光纤分布式传感系统的结构示意图；
图3是基于重叠单U型分布结构的光纤分布式传感系统的结构示意图；
图4是本发明基于交错单U型分布结构通过交错通道信号叠加增加系统空间分辨率的原理图；
图5是本发明基于交错3U型分布结构的光纤分布式传感系统的结构示意图；
图6是本发明基于交错多U型分布结构的光纤分布式传感系统的结构示意图；
附图标记：F1为用于传感的光纤，D为地表，E为轨道，G为车轮，H为车轮运行方向，C1、C2、C3……C69为各个通道，T代表通道C5，S1、S2、S3、S4、S5……S(N-2)、S(N-1)为每一个U型结构的中点，H1为环形器，L为窄带脉冲激光光源，M为光电探测模块，N为电信号处理模块，A0、A1、A2、A3、A4……A(N-1)、A(N)为入射光脉冲，R0、R1、R2、R3、R4……R(N-1)、R(N)为背向散射光，Z为车轮行进时发产生的振动信号，在此处表示为振动源。4-A为车轮在运动过程中产生的振动信号(Z)波形，4-B为光脉冲在光纤中传输时，通道C20、C21、C22、C23、C24、C25所采样的背向散射光信号波形，4-C为光脉冲在光纤中传输时，通道C10、C11、C12、C13、C14所采样的背向散射光信号波形，4-D为将上述相互对应的通道的采样值进行叠加，形成虚拟通道D1、D2、D3、D4……D10。5-A为车轮在运动过程中产生的振动信号(Z)波形，5-B为光脉冲在光纤中传输时，通道C55、C56、C57、C58、C59、C60所采样的背向散射光信号波形，5-C为光脉冲在光纤中传输时，通道C49、C48、C47、C46、C45、C44所采样的背向散射光信号波形，5-D为光脉冲在光纤中传输时，通道C21、C22、C23、C24、C25所采样的背向散射光信号波形，5-E为光脉冲在光纤中传输时，通道C13、C12、C11、C10、C9所采样的背向散射光信号波形，5-F为将上述相互对应的通道的采样值进行叠加，形成虚拟通道D1、D2、D3、D4……D20。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。
实施例1
基于单U型光纤分布结构的光纤分布式传感系统
图1展示了基于单U型传感光纤分布结构的光纤分布式传感系统，将一种单U型的光纤F1沿轨道浅埋于地表以下土层，与火车轨道保持平行且与火车轨道保持20cm至30cm的直线距离，以保证传感光纤对振动保持高灵敏度。机车在轨道上运动所产生的振动信号(Z)将间接作用于传感光纤，以改变传感光纤的传输和散射特性。根据系统所用的脉冲激光的脉冲宽度(T)，将传感光纤从激光入射端依次划分为长度为(T/2)的连续通道(C1、C2、C3……C34)，入射脉冲激光A0、A1经环形器后延光纤前向传输，前向传输过程中各个通道产生的背向散射光R1、R2反向传输回入射端，经环形器H1后，利用光电探测器(M)对其进行接收探测，最后，将光电转换后的信号送入信号处理模块(N)，利用各对应通道交错对应特性，采用对应通道叠加算法对传感信号进行解调和表示,即可提高该系统的空间分辨率2倍，从而提高对列车的定位的分辨率与测速的精度。
图2展示了传统光纤分布式传感系统采用单线型光纤分布结构的系统结构，其主要特征是其空间分辨率相对于图1所示的了基于单U型传感光纤分布结构的光纤分布式传感系统降低了一半。
进一步的，图3展示了一种重叠单U型传感光纤分布结构的光纤分布式传感系统，其U型结构的中点S1正好位于该点所在通道的中点，所以U型结构的两边的通道将完全重合，形成重叠型的U型分布结构，而这种结构将U型两边对应通道(C12&C22,C11&C23……)的背向散射光信号并不能在空间上形成交错，因而对于空间分辨率的提升并无益处，这是该发明所述的系统结构所要避免的。与此相对的是如图4所示的，其U型结构的中点S1位于距该点所在通道的端口1/4通道长度处，因此U型结构两边对应的通道将会有50％通道长度的错位，形成交错型的光纤分布结构(C14&C20,C14&C21,C13&C21,C13&C22,C12&C22……)，该结构使得接收到的背向散射光信号在空间上形成了相互交错，采用对应通道叠加算法即可大幅提高该系统的空间分辨率。
针对图3、图4上述两种结构的特性，重叠型的U型分布结构并不能提升系统空间分辨率，而一般的传感光纤长度为10到200公里，而一个光纤通道的长度范围为10米到50米，在U型结构的实际部署中，要想控制U型光纤两侧通道的重叠比例，可以通过调整光源位于光纤入射端的位置来调整光纤链路上各个通道的分布位置，避免重叠型的U型分布结构，同时可调整U型两侧对应通道的错位比例，整个调整十分简单，且精确可控。
图4展示了利用交错的单U型分布结构提高系统空间分辨率的原理。4-A表示当车轮在运动过程中产生的振动信号(Z)，为一连续的模拟信号；4-B表示光脉冲在光纤中传输时，通道C20、C21、C22、C23、C24、C25所采样的背向散射光信号；同样，4-C表示光脉冲在光纤中传输时，通道C10、C11、C12、C13、C14所采样的背向散射光信号。上述两组通道在空间位置上相互对应且相互交错，因此，如4-D所示将上述相互对应的通道的采样值进行叠加，形成虚拟通道D1、D2、D3、D4……D10,
其中各个虚拟通道的计算方法为：
D1＝C14+C20；
D2＝C14+C21；
D3＝C13+C21；
……
D10＝C10+C25；
由图示可知，由于所相加的对应通道存在50％通道长度的交错的情况，因此在不要求减小光源脉冲宽度，不牺牲光源入射功率，不要求减小光电探测器最小积分时间的基础上,叠加的结果使得空间分辨率提高一倍，由此采样的精度更高，数模转换后将更加符合原始信号波形。
实施例2
基于3U型光纤分布结构的光纤分布式传感系统
如图5所示，在上述单U交错型的分布结构的基础之上，可进一步的采用3U型光纤分布结构，该结构中相对应的各个通道有1/4通道长度的错位。5-A为车轮在运动过程中产生的振动信号(Z)波形，5-B为光脉冲在光纤中传输时，通道C55、C56、C57、C58、C59、C60所采样的背向散射光信号波形，5-C为光脉冲在光纤中传输时，通道C49、C48、C47、C46、C45、C44所采样的背向散射光信号波形，5-D为光脉冲在光纤中传输时，通道C21、C22、C23、C24、C25所采样的背向散射光信号波形，5-E为光脉冲在光纤中传输时，通道C13、C12、C11、C10、C9所采样的背向散射光信号波形，5-F为将上述相互对应的通道的采样值进行叠加，形成虚拟通道D1、D2、D3、D4……D20。
同样采用与上述相同的叠加算法后所形成的虚拟通道可使系统的空间分辨率提升为原有系统(图2所示)的4倍，是图1所示单U型光纤分布结构的光纤分布式传感系统空间分辨率的2倍。由5-F所示，可以明显看到相对于4-D所示采样结果，分辨率明显提高，对原始信号的细节表现更加精细。
根据上述两个案例的具体实施方式的说明，进一步的如图6所示，可将一条光纤进一步部署为N(N>2)条平行的线路，形成N-1个U型结构，同时采用上述对应通道采样值数据叠加的处理方法，可进一步提升系统的空间分辨率。在N条平行线路上各对应通道重叠1/N通道长度时，相对于传统单线型分布式光纤传感系统，该多U型光纤分布式传感系统的空间分辨率可提高N倍。大幅度的提高对轨道机车的定位和测速的精度。
Claims (6)
1.一种U型传感光纤部署结构的光纤分布式传感系统，其特征在于：光纤分布式传感系统中用于检测振动信号的一条传感光纤F1布置成多U型结构，该多U型结构含有N条平行边构成N-1个U型，且相邻U型方向相反，N>1；从传感光纤起始端将其依次划分为一系列连续且等长的通道C1、C2、C3……Cn，每个通道的长度为入射脉冲激光线宽T的一半，即T/2；应用于轨道监测；
所述多U型结构传感光纤各平行边上的每个通道与相邻平行边对应的通道在垂直于平行边方向上不重叠，即每一个通道均与相邻平行边在垂直于平行边方向上相对应的通道组成一组虚拟传感通道。
2.如权利要求1所述U型传感光纤部署结构的光纤分布式传感系统，其特征在于：所述多U型结构传感光纤中的通道在垂直于平行边方向上不与任何通道重叠，即每一个通道均与其他平行边在垂直于平行边方向上相对应的通道组成一组虚拟传感通道。
3.如权利要求1所述U型传感光纤部署结构的光纤分布式传感系统，其特征在于：所述传感光纤F1为对于机车运动和声音振动的振动信号均敏感的光纤。
4.如权利要求1所述U型传感光纤部署结构的光纤分布式传感系统，其在轨道监测中工作过程为：
步骤1：将基于分布式光纤传感系统的传感光纤沿铁路轨道一侧布置成U型结构，根据所用脉冲激光的脉冲宽度参数T,将多U型结构的光纤配置成为长度为T/2的连续通道，该U型结构传感光纤中的平行边与火车轨道保持平行且最近的平行边与其保持20cm至30cm的直线距离；
步骤2：在U型结构光纤的一端连续注入一系列脉冲激光，机车在轨道上运动所产生的振动将间接作用于传感光纤，这将改变传感光纤的传输和散射特性；同时在注入激光的同一端使用环形器将光纤上各个通道的背向散射光引导入光电探测器模块，使用光电探测器对接收到的背向散射光进行探测；
步骤3：将光电探测器接收到的关于各个通道的背向散射光信号的数据送入信号处理模块，根据OTDR的原理将时域波形与空间距离相对应，对时域信号波形进行空间域的表示，最后将U型结构中空间位置上相互对应的通道的探测数据进行相加处理及相应的定位算法，实现对光纤链路上机车运动等振动源的定位与测速。
5.如权利要求4所述U型传感光纤部署结构的光纤分布式传感系统在轨道监测中的工作过程，其特征在于：所述步骤3探测数据相加处理及相应的定位算法，是通过对相互交错的通道组的数据的叠加，从算法上缩短了光纤链路上背向散射光的采样长度，提高系统空间分辨率。
6.如权利要求4所述U型传感光纤部署结构的光纤分布式传感系统在轨道监测中的工作过程，其特征在于：所述多U型结构传感光纤部署于轨道沿线，进一步增加沿每一段轨道传感光纤的交错通道数，进一步提高系统空间分辨率。
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