CN106092305B - 分布式光纤传感系统及其振动检测定位方法 - Google Patents

分布式光纤传感系统及其振动检测定位方法 Download PDF

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Abstract

一种分布式光纤传感系统及其振动检测定位方法，包括：信号发生模块、光源模块、光频率梳生成模块、扫频切串模块、光环形器、传感光纤、拍频模块、光电转换模块和检测定位模块；检测定位模块中的定位单元通过生成多个频段不同且无重叠的数字带通滤波器，对来自多个扫频探测光脉冲的原始数据段进行数字滤波，得到传感光纤的多条反射率曲线；对反射率曲线进行消衰落处理，得到无干涉衰落和偏振衰落的多条综合反射率曲线；对综合反射率曲线作相位处理，得到其相位方差曲线；根据相位方差曲线中的方差进行振动点的判定并最终得到振动点的位置和振动波形；本发明定位精度高，振动频率响应范围大，振动波形的信噪比高。

Description

分布式光纤传感系统及其振动检测定位方法
技术领域
本发明涉及的是一种光纤传感领域的技术，具体是一种分布式光纤传感系统及其振动检测定位方法。
背景技术
自从20世纪70年代光纤被发明以来，光纤传感技术也随之蓬勃发展。除了可以用于远距离高速率通信，光纤也具备感知外部物理参数的能力。利用这种敏感的特性，研究人员发明了一系列的光纤传感器件。其中分布式光纤振动传感器是最近几年来的研究热点。它相比于传统的振动传感器具有很多优势，比如：防水防潮；抗电磁干扰；使用安全；最重要的是，具有分布式传感和远距离传感的能力。
目前使用最广泛、研究最多的是基于光时域反射仪的分布式光纤传感系统，因为此类系统拥有结构紧凑、解调算法简单、定位精度高、信噪比高等优点。但是有两个重大缺陷：一、系统的振动频率响应带宽和传感距离是矛盾的。因为传统的基于光时域反射仪的分布式光纤振动传感系统的频率响应带宽是系统发射探测脉冲频率的一半，而发射探测脉冲频率的倒数，即探测脉冲发射时间间隔，必须大于光在整段传感光纤中来回传输的时间，所以传感光纤长度越长，振动响应带宽越小，反之亦然。这个缺陷严重地限制了该类分布式光纤振动传感系统在高频率振动传感领域的应用。二、系统的空间分辨率和最大探测距离是矛盾的。要想获得高的空间分辨率，探测光脉冲的持续时间必须很短，这导致探测光脉冲的功率很低，进而限制了探测距离。
针对振动频率响应带宽和传感距离的矛盾，目前有如下几种解决方案：基于光频域反射仪的分布式光纤振动传感系统，虽然能获取高频率振动的频率信息，但是无法获得振动的时域信息；基于干涉仪的分布式光纤传感系统，虽然能获得很大的振动频率响应范围，但是该类系统有解调算法复杂、定位精度差等缺点；基于干涉仪和光时域反射仪融合结构的分布式光纤传感系统，虽然获得了两类系统的优点，但是系统变得复杂，而且传感光纤需要为环形结构，不能单端测量；基于频分复用技术和光时域反射仪的分布式传感系统，综合性能(空间分辨率、可测量范围、信噪比)仍然有待提高。
发明内容
本发明针对现有技术较多探测脉冲发射频率受限于传感距离，且采用的入侵位置算法基于基于强度解调，其信噪比较低的同时无法消除偏振衰落和干涉衰落噪声，易使相位解调出的振动波形信息出错等缺陷，提出一种分布式光纤传感系统及其振动检测定位方法，通过产生光频率梳信号，结合可消干涉衰落和偏振衰落的相位解调算法，消除传感光纤的反射率曲线上的极弱反射点，提高信噪比和定位精度；通过频分复用技术成倍扩大了振动频率响应带宽，发射的扫频光脉冲解决了空间分辨率和探测距离的矛盾。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种分布式光纤传感系统，包括：信号发生模块、光源模块、光频率梳生成模块、扫频切串模块、光环形器、传感光纤、拍频模块、光电转换模块和检测定位模块，其中：信号发生模块分别向扫频切串模块和光频率梳生成模块输入放大的扫频射频脉冲序列和放大的单频正弦波信号，同时信号发生模块向检测定位模块发送触发信号；光源模块产生的超窄线宽激光分为探测光路和参考光路，并分别输出至光频率梳生成模块和拍频模块；光频率梳生成模块向扫频切串模块输入光频率梳信号，扫频切串模块输出放大的扫频探测光脉冲串，经过环形器输入传感光纤；传感光纤产生的瑞利背向散射光经环形器输入拍频模块，与参考光在拍频模块中拍频，产生的拍频光信号输入光电转换模块；光电转换模块将拍频光信号转换为电信号，并输入检测定位模块进行振动点的检测和定位。
所述的信号发生模块包括：任意信号发生器和两个射频信号放大器，其中：两个射频信号放大器分别与任意信号发生器的两个输出通道相连。
所述的任意信号发生器的一个通道重复输出扫频射频脉冲序列，另一个通道输出单频正弦波信号。
所述的扫频射频脉冲序列包括：多个等时间间距、相同脉冲宽度、不同且无重叠的扫频范围的扫频射频脉冲信号。
所述的时间间距与扫频射频脉冲信号的个数的乘积等于光在传感光纤中的来回传输时间。
所述的光源模块包括：依次相连的窄线宽光纤激光器、光纤耦合器和偏振控制器。
优选地，所述的光纤耦合器的分光比为90:10。
所述的光频率梳生成模块包括：直流电压源和光调制器，其中：直流电压源调整输入光调制器的直流偏置电压，并产生光频率梳信号。
所述的光调制器为光强度调制器或光相位调制器。
所述的扫频切串模块包括：相连的声光调制器/单边带调制器和掺饵光纤放大器。
所述的传感光纤为单模通信光纤。
所述的拍频模块为50:50光纤耦合器。
所述的光电转换模块为平衡探测器。
所述的检测定位模块包括：相连的数据采集卡和定位单元，其中：数据采集卡对输入的电信号进行采样，将原始数据输入定位单元进行相位解调。
本发明涉及一种基于上述系统的振动检测定位方法，通过多个频段不同且无重叠的数字带通滤波器对来自多个扫频探测光脉冲的原始数据段进行数字滤波，得到传感光纤的多条反射率曲线；然后通过对反射率曲线进行消衰落处理，得到无干涉衰落和偏振衰落的多条综合反射率曲线、通过对综合反射率曲线作相位处理，得到其相位方差曲线；根据相位方差曲线中的方差进行振动点的判定并最终得到振动点的位置和振动波形。
所述的反射率曲线通过以下方法得到：定位单元生成多个频段不同且无重叠的数字带通滤波器，将来自多个扫频探测光脉冲的原始数据段分成与数字带通滤波器相同数量的子数据段，再将子数据段与对应的数字匹配滤波器作互相关运算，得到传感光纤的反射率曲线集合。
所述的消衰落处理是指：以一条反射率曲线的共轭作为参考，与其他的反射率曲线作相乘运算，得到相位归零的反射率曲线集合，并对相位归零的反射率曲线作平均运算，得到无干涉衰落和偏振衰落的综合反射率曲线。
所述的相位处理是指：取各条综合反射率曲线的相位项为相位曲线，对相位曲线进行时延，将时移前后的相位曲线作差分得到差分相位曲线，并对差分相位曲线求方差，得到其相位方差曲线。
所述的振动点的判定是指：如果相位方差曲线中的某点的方差大于0.02，则该点为振动点。
所述的振动点在传感光纤上的位置为：
Figure BDA0001091180150000031
其中：c'为光在光纤中的传播速度，ts为数据采集卡的采样率，k0为振动点对应的索引值。
所述的振动点的振动波形为差分相位曲线中振动点处的差分相位组成的新序列。
技术效果
与现有技术相比，本发明可同时获得高空间分辨率和长探测距离，成倍扩大了振动频率的响应带宽，并且可有效消除反射率曲线上的极弱点，进而消除相位解调错误，达到提高信噪比、精确检测和定位振动点的目的。
附图说明
图1为分布式光纤传感系统示意图；
图2为扫频探测光脉冲信号的时频曲线；
图3为实施例1中探测到的振动点的振动波形图；
图中：1为任意信号发生器、2、3为射频信号放大器、4为窄线宽光纤激光器、5为光纤耦合器、6为偏振控制器、7为直流电压源、8为光调制器、9为声光调制器、10为掺饵光纤放大器、11为光环形器、12为传感光纤、13为50:50光纤耦合器、14为平衡探测器、15为数据采集卡、16为定位单元。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例包括：信号发生模块、光源模块、光频率梳生成模块、扫频切串模块、光环形器11、传感光纤12、拍频模块、光电转换模块和检测定位模块，其中：信号发生模块分别向扫频切串模块和光频率梳生成模块输入放大的扫频射频脉冲序列和放大的单频正弦波信号，同时信号发生模块向检测定位模块发送触发信号；光源模块产生的超窄线宽激光分为探测光路和参考光路，并分别输出至光频率梳生成模块和拍频模块；光频率梳生成模块向扫频切串模块输入光频率梳信号，扫频切串模块输出放大的扫频探测光脉冲串，经过光环形器11的a端口输入并通过b端口输出至传感光纤12；传感光纤12产生的瑞利背向散射光经光环形器11的b端口输入光环形器11并通过c端口输入拍频模块，与参考光在拍频模块中拍频，产生的拍频光信号输入光电转换模块；光电转换模块将拍频光信号转换为电信号，并输入检测定位模块进行振动点的检测和定位。
所述的信号发生模块包括：任意信号发生器1和两个射频信号放大器2、3，其中：两个射频信号放大器2、3分别与任意信号发生器1的两个输出通道相连。
所述的任意信号发生器1的一个通道重复输出扫频射频脉冲序列，另一个通道输出单频正弦波信号。
所述的重复输出的扫频射频脉冲序列的重复次数L＝16，包括：N＝5个等时间间距T(20μs)、相同脉冲宽度τP(2μs)、不同且无重叠的扫频范围：150～170MHz、170～190MHz、190～210MHz、210～230MHz和230～250MHz的扫频射频脉冲信号。
所述的时间间距T与扫频射频脉冲信号的个数N的乘积NT等于光在传感光纤12中的来回传输时间，即100μs。
所述的单频正弦波信号的频率为100MHz。
所述的光源模块包括：依次相连的窄线宽光纤激光器4、光纤耦合器5和偏振控制器6。
所述的光纤耦合器5的分光比为90:10。
所述的窄线宽光纤激光器4的线宽为1kHz。
所述的光频率梳生成模块包括：直流电压源7和光调制器8，其中：直流电压源7调整输入光调制器8的直流偏置电压，并产生光频率梳信号。
所述的光频率梳信号为输入光调制器8的探测光和单频正弦波信号产生的2M+1＝3个光频率成分的光频率梳信号，其中：M为光调制器8产生的边带阶数。
所述的光调制器8为光强度调制器。
所述的扫频切串模块包括：相连的声光调制器9和掺饵光纤放大器10。
如图2所示，所述的扫频切串模块输出的扫频探测光脉冲串的时间间距T＝20μs，脉冲宽度τP＝2μs，扫频范围F1为50～70MHz、70～90MHz、90～110MHz、110～130MHz、130～150MHz，F2为150～170MHz、170～190MHz、190～210MHz、210～230MHz、230～250MHz，F3为250～270MHz、270～290MHz、290～310MHz、310～330MHz、330～350MHz。
所述的传感光纤12为单模通信光纤，全长为10km。
所述的拍频模块为50:50光纤耦合器13。
所述的光电转换模块为平衡探测器14。
所述的平衡探测器14的带宽为400MHz。
所述的检测定位模块包括：相连的数据采集卡15和定位单元16，其中：数据采集卡15对输入的电信号进行采样，将原始数据输入定位单元16进行相位解调。
所述的数据采集卡15的采样率ts为1GSa/s，分辨率为8bit。
本实施例涉及基于上述系统的检测定位方法，包括以下步骤：
步骤1、定位单元16将数据采集卡15采样的来自NL个扫频探测光脉冲的原始数据段按时间顺序标记，即：{xn(k)；k＝1,…,K}；n＝1,…,NL，其中：K为来自1个扫频探测光脉冲的原始数据的数据量；并产生2M+1个频段不同且无重叠的数字带通滤波器{hn,m(k)；k＝1,…,K}；n＝1,...,NL；m＝1,…,2M+1，将标记后的原始数据段分成2M+1个子数据段再行标记，即：{xn,m(k)；k＝1,…,K}；n＝1,…,NL；l＝1,…,2M+1。
步骤2、将上一步骤得到的NL(2M+1)个子数据段与各自对应的数字匹配滤波器{hn,m(k)；k＝1,…,K}；n＝1,...,NL；m＝1,…,2M+1作互相关运算，得到传感光纤12的NL(2M+1)条反射率曲线。
所述的反射率曲线的表达式为
Figure BDA0001091180150000051
其中：κ为索引符号，*表示共轭，得到的反射率均为复数。
所述的反射率曲线上存在干涉衰落和偏振衰落。
由于两个相邻的探测光脉冲之间的时间间距T，远小于NT，即小于光在传感光纤12中最大的来回传输时间，所以两个相邻的探测光脉冲的瑞利背向散射光是在时间上是有一段重合的。但是因为两个相邻的探测光脉冲的频率不同，对应的匹配滤波器也不同，所以可以用带通滤波器和匹配滤波器抑制与之不匹配的探测光脉冲的背向反射信号，达到分离背向散射光信号的目的。
步骤3、取来自标记为1的扫频探测光脉冲的反射率曲线{R1,m(k)；k＝1,…,K}；m＝1,…,2M+1的共轭
Figure BDA0001091180150000061
作为参考，与其他反射率曲线相乘，得到NL(2M+1)条相位归零的反射率曲线：
Figure BDA0001091180150000062
步骤4、对上一步骤得到的相位归零的反射率曲线作平均运算，得到NL条无干涉衰落和偏振衰落的综合反射率曲线：
Figure BDA0001091180150000063
步骤5、取上一步骤得到的NL条综合反射率曲线的相位项，得到NL条相位曲线：{φn(k)＝angle[rn(k)]；k＝1,…,K}；n＝1,…,NL。
对步骤3～5解释如下：以n＝1时为例，2M+1条反射率曲线{R1,m(k)；k＝1,…,K}；m＝1,…,2M+1解调自同一个扫频探测光脉冲的瑞利背向散射光的2M+1个部分，这2M+1条反射率曲线上都存在着严重的干涉衰落和偏振衰落点，这些衰落点的反射率的模值很小，受噪声影响，这些点的相位解调会出错。但因为这2M+1个部分的频率各不相同，所以这2M+1条反射率曲线也各不相同，即干涉衰落和偏振衰落导致的极弱点在这2M+1条反射率曲线上的位置也各不相同。对这2M+1条反射率曲线做平均运算便能够消除这些极弱点，从而消除这些点上出现的相位解调错误。但是由于反射率是复数，由复数加法的知识可知，复数相加的结果的模值不一定变大，有时会变小。为了使反射率相加后的模值最大化，需要先旋转反射率，使它们的夹角归零，然后再相加。
步骤6、对上一步骤得到的NL条相位曲线时延D个单位，再将时移前后的相位曲线作差分，得到NL条差分相位曲线：{Δφn(k)＝φn(k)-φn(k-D)；k＝1,…,K}；n＝1,…,NL。
步骤7、对上一步骤得到的NL条差分相位曲线求方差，得到其相位方差曲线：
Figure BDA0001091180150000064
步骤8、如果上一步骤得到的相位方差曲线中k＝k0处的方差大于0.02，则该点为振动点，它在传感光纤12上的位置为：
Figure BDA0001091180150000065
其中：c'为光在光纤中的传播速度，ts为数据采集卡15的采样率，k0为振动点对应的索引值；振动点的振动波形为步骤6得到的NL条差分相位曲线中k＝k0处的差分相位组成的新序列：
Figure BDA0001091180150000071
本实施例的空间分辨率Δz由扫频探测光脉冲的扫频范围决定，即
Figure BDA0001091180150000072
其中：γ为扫频速度。
本实施例的振动频率响应带宽由扫频探测光脉冲的发射时间间隔决定，为1/2T。相比于传统方案，理论上振动频率响应带宽增加N倍。
本实施例设置一个振动点，在传感光纤12的9.93km处发生频率为21kHz的单频振动，振动点的振动覆盖范围为10m。
本实施例中，K＝100000，N＝5，L＝16，NL＝80，M＝1，D＝100；三个数字带通滤波器的频段的带宽分别为50～150MHz、150～250MHz和250～350MHz；则80个扫频探测光脉冲的原始数据段按时间顺序标记为{xn(k)；k＝1,…,K}；n＝1,…,80，分成的80×3＝240个子数据段标记为{xn,m(k)；k＝1,…,K}；n＝1,…,80；m＝1,2,3。
本实施例得到的反射率曲线为：
Figure BDA0001091180150000073
相位归零的反射率曲线为
Figure BDA0001091180150000074
综合反射率曲线为
Figure BDA0001091180150000075
相位曲线为{φn(k)＝angle[rn(k)]；k＝1,…,100000}；n＝1,…,80，差分相位曲线为{Δφn(k)＝φn(k)-φn(k-100)；k＝1,…,100000}；n＝1,…,80，相位方差曲线为
Figure BDA0001091180150000076
在相位方差曲线中，k0＝99300处的方差大于0.02，可判定该点为振动点，振动点在传感光纤12上的位置即为
Figure BDA0001091180150000077
这与设定的振动位置相吻合。振动点的振动波形为{Δφ98300(n)；n＝1,…,80}，如图3所示，获取的振动波形的信噪比达到25dB。
本实施例突破了传感光纤12的长度对振动频率响应范围的限制：由于传感光纤12全长为10km，在传统的基于光时域反射仪的分布式光纤传感系统中，最大可测量的振动频率只有5kHz，而本实施例成功测量到21kHz的振动频率，且具有高信噪比。

Claims (9)

1.一种分布式光纤传感系统，其特征在于，包括：信号发生模块、光源模块、光频率梳生成模块、扫频切串模块、光环形器、传感光纤、拍频模块、光电转换模块和检测定位模块，其中：信号发生模块分别向扫频切串模块和光频率梳生成模块输入放大的扫频射频脉冲序列和放大的单频正弦波信号，同时信号发生模块向检测定位模块发送触发信号；光源模块产生的超窄线宽激光分为探测光路和参考光路，并分别输出至光频率梳生成模块和拍频模块；光频率梳生成模块向扫频切串模块输入光频率梳信号，扫频切串模块输出放大的扫频探测光脉冲串，经过环形器输入传感光纤；传感光纤产生的瑞利背向散射光经环形器输入拍频模块，与参考光在拍频模块中拍频，产生的拍频光信号输入光电转换模块；光电转换模块将拍频光信号转换为电信号，并输入检测定位模块进行振动点的检测和定位；
所述的检测和定位是指：定位单元通过生成多个频段不同且无重叠的数字带通滤波器，对来自多个扫频探测光脉冲的原始数据段进行数字滤波，得到传感光纤的多条反射率曲线；对反射率曲线进行消衰落处理，得到无干涉衰落和偏振衰落的多条综合反射率曲线；对综合反射率曲线作相位处理，得到其相位方差曲线；根据相位方差曲线中的方差进行振动点的判定并最终得到振动点的位置和振动波形；
所述的消衰落处理是指：以一条反射率曲线的共轭作为参考，与其他的反射率曲线作相乘运算，得到相位归零的反射率曲线集合，并对相位归零的反射率曲线作平均运算，得到无干涉衰落和偏振衰落的综合反射率曲线；
所述的相位处理是指：取各条综合反射率曲线的相位项为相位曲线，对相位曲线进行时延，将时移前后的相位曲线作差分得到差分相位曲线，并对差分相位曲线求方差，得到其相位方差曲线。
2.根据权利要求1所述的分布式光纤传感系统，其特征是，所述的信号发生模块包括：任意信号发生器和两个射频信号放大器，其中：两个射频信号放大器分别与任意信号发生器的两个输出通道相连；
所述的任意信号发生器的一个通道重复输出扫频射频脉冲序列，另一个通道输出单频正弦波信号，其中：扫频射频脉冲序列包括：多个等时间间距、相同脉冲宽度、不同且无重叠的扫频范围的扫频射频脉冲信号。
3.根据权利要求2所述的分布式光纤传感系统，其特征是，所述的时间间距与扫频射频脉冲信号的个数的乘积等于光在传感光纤中的来回传输时间。
4.根据权利要求1所述的分布式光纤传感系统，其特征是，所述的光源模块包括：依次相连的窄线宽光纤激光器、光纤耦合器和偏振控制器，其中：光纤耦合器的分光比为90:10。
5.根据权利要求1所述的分布式光纤传感系统，其特征是，所述的光频率梳生成模块包括：直流电压源和光调制器，其中：直流电压源调整输入光调制器的直流偏置电压，并产生光频率梳信号。
6.根据权利要求1所述的分布式光纤传感系统，其特征是，所述的扫频切串模块包括：相连的声光调制器/单边带调制器和掺饵光纤放大器。
7.根据权利要求1所述的分布式光纤传感系统，其特征是，所述的检测定位模块包括：相连的数据采集卡和定位单元，其中：数据采集卡对输入的电信号进行采样，将原始数据输入定位单元进行相位解调。
8.一种基于上述任一权利要求所述系统的振动检测定位方法，其特征在于，所述的反射率曲线通过以下方法得到：定位单元生成多个频段不同且无重叠的数字带通滤波器，将来自多个扫频探测光脉冲的原始数据段分成与数字带通滤波器相同数量的子数据段，再将子数据段与对应的数字匹配滤波器作互相关运算，得到传感光纤的反射率曲线集合。
9.根据权利要求8所述的振动检测定位方法，其特征是，所述的振动点的判定是指：当相位方差曲线中的某点的方差大于0.02，则该点为振动点；
所述的振动点在传感光纤上的位置为：
Figure FDA0003353624880000021
其中：c'为光在光纤中的传播速度，ts为数据采集卡的采样率，k0为振动点对应的索引值；
所述的振动点的振动波形为差分相位曲线中振动点处的差分相位组成的新序列。
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