CN106323448A - 基于随机采样的高频振动分布式光纤传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于随机采样的高频振动分布式光纤传感系统，其包括激光器、强度调制器、环形器和探测器，激光器用于产生连续的激光信号；强度调制器用于接收激光信号，并将激光信号调制成随机脉冲光；环形器的第一端用于接收随机脉冲光，环形器的第二端用于将随机脉冲光注入传感光纤以及接收传感光纤中反向传输的瑞利散射光，环形器的第三端用于输出瑞利散射光；探测器用于将瑞利散射光转换为电信号。该系统能够大幅拓宽频率响应范围，且使振动频率响应范围不再受传感距离的限制，有利于对高频振动，特别是具有频率稀疏特性的宽频谱振动实现有效探测。

Description

基于随机采样的高频振动分布式光纤传感系统

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，特别是涉及一种基于随机采样的高频振动分布式光纤传感系统。

背景技术

在大型建筑结构、航空航天、石油化工、电力系统等重大工程和基础设施的健康监测和诊断中，光纤传感技术因其敏感元件小巧、高耐久、绝对测量及分布式监测等特性，有逐步取代电类传感器成为传感健康监测首选敏感元件的趋势。其中，使用光纤对长距离范围内的振动分布式监测的技术研究及应用在不断深入。

现有技术中，光纤振动分布式传感系统一般采用均匀采样方法对振动事件进行采样，由于系统中采样率受到脉冲光往返时间的限制，系统的振动频率响应范围往往被限制在低频，而且传感距离越长，系统的振动频率响应范围越窄。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种基于随机采样的高频振动分布式光纤传感系统，能够大幅拓宽频率响应范围，且使振动频率响应范围不再受传感距离的限制。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于随机采样的高频振动分布式光纤传感系统，包括激光器、强度调制器、环形器和探测器，所述激光器连接所述强度调制器，所述强度调制器连接所述环形器的第一端，所述环形器的第二端用于连接传感光纤，所述环形器的第三端连接所述探测器，其中：所述激光器用于产生连续的激光信号；所述强度调制器用于接收所述激光信号，并将所述激光信号调制成随机脉冲光；所述环形器的第一端用于接收所述随机脉冲光，所述环形器的第二端用于将所述随机脉冲光注入传感光纤以及接收所述传感光纤中反向传输的瑞利散射光，所述环形器的第三端用于输出所述瑞利散射光；所述探测器用于将所述瑞利散射光转换为电信号。

其中，所述探测器为双平衡探测器，所述高频振动分布式光纤传感系统还包括第一耦合器和第二耦合器，所述激光器经所述第一耦合器连接所述强度调制器和第二耦合器，所述环形器的第三端经所述第二耦合器连接所述探测器；所述第一耦合器用于将所述激光信号分成第一路激光和第二路激光；所述强度调制器用于接收所述第一路激光，并将所述第一路激光调制成随机脉冲光；所述第二耦合器用于将所述瑞利散射光与所述第二路激光进行相干拍频，生成光信号；所述探测器用于将所述光信号转换为电信号。

其中，还包括第一光纤放大器，所述第一光纤放大器连接在所述强度调制器和所述环形器的第一端之间，所述第一光纤放大器用于将所述随机脉冲光进行放大处理后，传输给所述环形器的第一端。

其中，还包括带通滤波器，所述带通滤波器连接在所述第一光纤放大器和所述环形器的第一端之间，所述带通滤波器用于滤除经放大处理后的随机脉冲光中的噪声后，传输给所述环形器的第一端。

其中，还包括第二光纤放大器，所述第二光纤放大器连接在所述第二耦合器和所述环形器的第三端之间，所述第二光纤放大器用于对所述瑞利散射光进行放大处理后，传输给所述第二耦合器。

其中，包括波形发生器，所述波形发生器连接所述强度调制器，所述波形发生器用于产生开关信号；所述强度调制器具体用于接收所述第一路激光和所述开关信号，并根据所述开关信号将所述第一路激光调制成随机脉冲光。

其中，还包括数据采集卡，所述数据采集卡连接所述探测器，所述数据采集卡用于采集所述电信号，以便进行数据处理。

其中，所述强度调制器为电光强度调制器、SOA强度调制器或声光强度调制器

其中，所述激光器为窄线宽激光器。

其中，所述传感光纤为单模光纤光缆。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明的基于随机采样的高频振动分布式光纤传感系统采用随机脉冲调制脉冲技术，使用强度调制器将连续的激光调制成时间间隔随机分布的等幅值随机脉冲光，每个随机脉冲光的散射信号对应了所有待探测传感点在相应时刻的振动状态信息，由于随机脉冲光具有时间间隔的随机性，对于每一个待探测传感点而言，不同周期的信号相当于对该点的随机采样，由于随机采样具有抗频域混叠的特性，因而能够大幅拓宽频率响应范围，且使振动频率响应范围不再受传感距离的限制，该系统有利于系统对高频振动，特别是具有频率稀疏特性的宽频谱振动实现有效探测；对于一定的传感长度的传感光纤，扩展光纤分布式系统的振动频率响应带宽；对于不同传感长度的传感光纤，使得振动响应频率不再受到光纤长度的限制；不需要更改传统传感系统的硬件设施，不增加系统成本；具有对于频率稀疏的宽频信号的探测能力。

附图说明

图1是本发明基于随机采样的高频振动分布式光纤传感系统第一实施例的结构示意图。

图2是本发明基于随机采样的高频振动分布式光纤传感系统第二实施例的结构示意图。

图3是本发明基于随机采样的高频振动分布式光纤传感系统第三实施例的结构示意图。

具体实施例

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1，是本发明基于随机采样的高频振动分布式光纤传感系统第一实施例的结构示意图。本发明实施例的高频振动分布式光纤传感系统包括激光器1、强度调制器2、环形器3和探测器4。

激光器1连接强度调制器2，强度调制器2连接环形器3的第一端D1，环形器3的第二端D2用于连接传感光纤100，环形器3的第三端D3连接探测器4。

激光器1用于产生连续的激光信号。为了尽量减小激光信号的光谱线宽，在本实施例中，激光器1可以为窄线宽激光器。

强度调制器2用于接收激光信号，并将激光信号调制成随机脉冲光。经过强度调制器2调制后，随机脉冲光的每个脉冲之间的时间间隔不再是均匀的等间隔，而是随机时间间隔。

环形器3的第一端D1用于接收随机脉冲光，环形器3的第二端D2用于将随机脉冲光注入传感光纤100以及接收传感光纤100中反向传输的瑞利散射光，环形器3的第三端D3用于输出瑞利散射光。也就是说，随机脉冲光通过环形器3的第一端D1注入传感光纤100，随机脉冲光在传感光纤100中基于瑞利散射效应产生瑞利散射光，瑞利散射光在传感光纤100中反向传输从而通过环形器3的第二端D2返回至环形器3的第三端D3，最终从环形器3的第三端D3输出。在本实施例中，传感光纤100可以为普通的单模光纤光缆。

探测器4用于将瑞利散射光转换为电信号。光信号转换为电信号后，可以方便采集。

通过采用本实施例的高频振动分布式光纤传感系统，当外界振动作用到长距离的传感光纤100上时，将会引起随机脉冲光宽度范围内反向传输的瑞利散射光的相位发生变化，进而导致瑞利散射光之间的干涉光强也发生变化。对每个采样周期采样得到的信号进行滤波降噪和相位解调，通过对不同周期信号的相位的对比就可以得到振动的位置信息，取出振动位置对应点在不同采样周期中的相应位置信息并排成一行，就可以得到振动位置的时域信息，再对振动位置的时域信息做非均匀傅里叶变换，就可以得到振动点的振动频率信息。

本实施例的基于随机采样的高频振动分布式光纤传感系统采用直接探测的方式，在其他的实施例中，还可以采用相干探测的方式。具体而言，参阅图2，是本发明基于随机采样的高频振动分布式光纤传感系统第二实施例的结构示意图。本实施例的高频振动分布式光纤传感系统与第一实施例的高频振动分布式光纤传感系统的区别在于：探测器4为双平衡探测器，且高频振动分布式光纤传感系统还包括第一耦合器5和第二耦合器6。

激光器1经第一耦合器5连接强度调制器2和第二耦合器6，环形器3的第三端D3经第二耦合器6连接探测器4。

第一耦合器5用于将激光信号分成第一路激光和第二路激光。

强度调制器2用于接收第一路激光，并将第一路激光调制成随机脉冲光。

第二耦合器6用于将瑞利散射光与第二路激光进行相干拍频，生成光信号。

探测器4用于将光信号转换为电信号，光信号转换为电信号后，可以方便采集。

参阅图3，是本发明基于随机采样的高频振动分布式光纤传感系统第三实施例的结构示意图。图3与图2所示高频振动分布式光纤传感系统的区别在于，还包括波形发生器7、第一光纤放大器8、第二光纤放大器9和数据采集卡10。

波形发生器7连接强度调制器2，波形发生器7用于产生开关信号；强度调制器2具体用于接收第一路激光和开关信号，并根据开关信号将第一路激光调制成随机脉冲光。随机脉冲光的时间间隔与开关信号一致。通常来说，强度调制器2需要由驱动器驱动才能工作，波形发生器7输出开关信号后，会作用在驱动器上，驱动器在开关信号处于高电平(即逻辑1)时，驱动声光调制器3工作。在本实施例中，强度调制器2可以为电光强度调制器、SOA强度调制器或声光强度调制器。

第一光纤放大器8连接在强度调制器2和环形器3的第一端D1之间，第一光纤放大器8用于将随机脉冲光进行放大处理后，传输给环形器3的第一端D1。

第二光纤放大器9连接在第二耦合器6和环形器3的第三端D3之间，第二光纤放大器9用于对瑞利散射光进行放大处理后，传输给第二耦合器6。

数据采集卡10连接探测器4，数据采集卡10用于采集电信号，以便进行数据处理。数据采集卡10采集电信号后，可以传输给后端的信号处理单元进行数据处理。数据采集卡10记录了每次散射信号的准确触发时间，振动位置的时域信息可以根据如下的随机频域分析公式进行非均匀频域傅里叶变换：

$X\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{n=1}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(n\right)\exp (-j2\mathrm{\π}f\·t_n)(t_{n+1}-t_n)$

进一步地，作为本实施例的一个扩展，为了减小自发辐射噪声的影响，该系统还可以包括带通滤波器11，带通滤波器11连接在第一光纤放大器8和环形器3的第一端D1之间，带通滤波器11用于滤除经放大处理后的随机脉冲光中的噪声后，传输给环形器3的第一端D1。

在本实施例的一个具体应用实例中，波形发生器7产生的开关信号的脉冲间隔服从(100us，200us)的均匀随机分布脉冲，脉冲电平幅值为1V、脉宽为50ns；强度调制器2的移频为110MHz；传感光纤100的长度为9.5km；探测器4为双平衡探测器，带宽为350MHz；数据采集卡10的带宽为1.5GHz，采样率为2GS/s。

通过上述方式，本发明实施例的基于随机采样的高频振动分布式光纤传感系统使用非均匀的随机采样方法，不仅可以大幅拓宽频率响应范围，而且可以使振动频响范围不再受传感距离的限制，有利于系统对高频振动，特别是具有频率稀疏特性的宽频谱振动实现有效探测。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于随机采样的高频振动分布式光纤传感系统，其特征在于，包括激光器、强度调制器、环形器和探测器，所述激光器连接所述强度调制器，所述强度调制器连接所述环形器的第一端，所述环形器的第二端用于连接传感光纤，所述环形器的第三端连接所述探测器，其中：

所述激光器用于产生连续的激光信号；

所述强度调制器用于接收所述激光信号，并将所述激光信号调制成随机脉冲光；

所述环形器的第一端用于接收所述随机脉冲光，所述环形器的第二端用于将所述随机脉冲光注入传感光纤以及接收所述传感光纤中反向传输的瑞利散射光，所述环形器的第三端用于输出所述瑞利散射光；

所述探测器用于将所述瑞利散射光转换为电信号。

2.根据权利要求1所述的高频振动分布式光纤传感系统，其特征在于，所述探测器为双平衡探测器，所述高频振动分布式光纤传感系统还包括第一耦合器和第二耦合器，所述激光器经所述第一耦合器连接所述强度调制器和第二耦合器，所述环形器的第三端经所述第二耦合器连接所述探测器；

所述第一耦合器用于将所述激光信号分成第一路激光和第二路激光；

所述强度调制器用于接收所述第一路激光，并将所述第一路激光调制成随机脉冲光；

所述第二耦合器用于将所述瑞利散射光与所述第二路激光进行相干拍频，生成光信号；

所述探测器用于将所述光信号转换为电信号。

3.根据权利要求1或2所述的高频振动分布式光纤传感系统，其特征在于，还包括第一光纤放大器，所述第一光纤放大器连接在所述强度调制器和所述环形器的第一端之间，所述第一光纤放大器用于将所述随机脉冲光进行放大处理后，传输给所述环形器的第一端。

4.根据权利要求3所述的高频振动分布式光纤传感系统，其特征在于，还包括带通滤波器，所述带通滤波器连接在所述第一光纤放大器和所述环形器的第一端之间，所述带通滤波器用于滤除经放大处理后的随机脉冲光中的噪声后，传输给所述环形器的第一端。

5.根据权利要求1或2所述的高频振动分布式光纤传感系统，其特征在于，还包括第二光纤放大器，所述第二光纤放大器连接在所述第二耦合器和所述环形器的第三端之间，所述第二光纤放大器用于对所述瑞利散射光进行放大处理后，传输给所述第二耦合器。

6.根据权利要求1或2所述的高频振动分布式光纤传感系统，其特征在于，还包括波形发生器，所述波形发生器连接所述强度调制器，所述波形发生器用于产生开关信号；所述强度调制器具体用于接收所述第一路激光和所述开关信号，并根据所述开关信号将所述第一路激光调制成随机脉冲光。

7.根据权利要求1或2所述的高频振动分布式光纤传感系统，其特征在于，还包括数据采集卡，所述数据采集卡连接所述探测器，所述数据采集卡用于采集所述电信号，以便进行数据处理。

8.根据权利要求1或2所述的高频振动分布式光纤传感系统，其特征在于，所述强度调制器为电光强度调制器、SOA强度调制器或声光强度调制器。

9.根据权利要求1或2所述的高频振动分布式光纤传感系统，其特征在于，所述激光器为窄线宽激光器。

10.根据权利要求1或2所述的高频振动分布式光纤传感系统，其特征在于，所述传感光纤为单模光纤光缆。