CN106679789A - 一种分布式光纤振动传感系统及其传感方法 - Google Patents

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周正仙
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Abstract

本发明公开了一种分布式光纤振动传感系统及其传感方法，包括第一激光器，所述的第一激光器的输出端连接第一环行器，其特征在于：所述的第一环行器连接第一耦合器，所述的第一耦合器连接第一光纤布拉格光栅，所述的第一光纤布拉格光栅连接传感光纤，所述的传感光纤与第二光纤布拉格光栅连接，所述的第二光纤布拉格光栅与第二耦合器连接，所述的第二耦合器与第二环行器连接，所述的第二环形器与第二激光器连接，所述的第一环行器和所述的第二环行器的输出端均与数据采集模块连接，所述的数据采集模块与数据处理模块连接。本发明采取上述结构和方法，可以实现对传感光纤附近振动的精准定位，并且具有宽频率响应、探测简单等优点。

Description

一种分布式光纤振动传感系统及其传感方法
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及分布式光纤振动定位传感领域。
背景技术
光纤具有抗电磁干扰性强，环境适应性强，耐水耐腐蚀等优异的性能。因此，光纤传感可以用来测量很多物理量，比如振动、压力、应变、温度等。近些年来，分布式光纤振动定位传感系统被广泛应用于国防、民用和商用机密等安全防范领域。
基于相位敏感的光时域反射技术的光纤振动定位传感系统具有定位精度高、定位简单、探测距离长等优点，但是该系统输出的有用信号功率较低，对光学器件要求很高，而且其原理限制了系统对振动的频率响应。基于M-Z干涉、Michelson干涉等传统光干涉的分布式光纤振动定位传感系统则很难实现两路干涉信号的零光程差，对光源的相干性要求较高。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的缺陷，提供一种分布式光纤振动传感系统，不仅缓解了系统对光学器件要求较高的不足，而且系统输出的有用信号较强，探测简单，对振动的定位精确，并且具有很宽的频率响应，可以探测定位光纤上任一点的振动。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种分布式光纤振动传感系统，包括第一激光器，所述的第一激光器的输出端连接第一环行器，其特征在于：所述的第一环行器连接第一耦合器，所述的第一耦合器连接第一光纤布拉格光栅，所述的第一光纤布拉格光栅连接传感光纤，所述的传感光纤与第二光纤布拉格光栅连接，所述的第二光纤布拉格光栅与第二耦合器连接，所述的第二耦合器与第二环行器连接，所述的第二环形器与第二激光器连接，所述的第一环行器和所述的第二环行器的输出端均与数据采集模块连接，所述的数据采集模块与数据处理模块连接。
所述的第一激光器发出中心波长为1550nm的激光，所述的第二激光器发出中心波长为1310nm的激光。
所述的第一光纤布拉格光栅的反射中心波长为1310nm，所述的第二光纤布拉格光栅的反射中心波长为1550nm。
所述的第一耦合器和所述的第二耦合器为3dB的耦合器。
一种分布式光纤振动传感系统的传感方法，包括如下步骤：
步骤1、数据采集模块采集第一环行器和第二环行器输出的干涉信号，并将其转换为数字信号，分别记为d1(m)和d2(m)，其中m表示采样点数，两路数字信号输送给数据处理模块；
步骤2、数据处理模块计算步骤1中接收到的两路干涉数字信号的互相关系数，得dcorr(Δm)＝corrcoef(d1(m+Δm),d2(m))，其中corrceof(*,*)表示互相关系数运算，Δm＝-m,-m+1,-m+2,...,m；
步骤3、找出互相关系数dcorr(Δm)最大时对应的Δm，进而计算出时间差Δt＝Δm/v；
步骤4、根据步骤3中的Δt，即可计算出扰动与第一光纤布拉格光栅的距离为
所述步骤3中v为数据采集模块的采样频率；
所述步骤4中L为传感光纤的总长度，n为传感光纤纤芯折射率，c为真空中光速。
本发明采取上述结构和方法，可以实现对传感光纤附近振动的精准定位，并且具有宽频率响应、探测简单等优点。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明。
图1为本发明的的结构示意图。
图中的附图标记分别为：1、第一激光器；2、第一环行器；3、第一耦合器；4、第一光纤布拉格光栅；5、传感光纤；6、第二光纤布拉格光栅；7、第二耦合器；8、第二环行器；9、第二激光器；10、数据采集模块；11、数据处理模块。
具体实施方式
如图1所示，分布式光纤振动传感系统包括：第一激光器1、第一环行器2、第一耦合器3、第一光纤布拉格光栅4、传感光纤5、第二光纤布拉格光栅6、第二耦合器7、第二环行器8、第二激光器9、数据采集模块10和数据处理模块11。第一激光器1与第一环行器2连接，第一环行器2与第一耦合器3连接，第一耦合器3与第一光纤布拉格光栅4连接，第一光纤布拉格光栅4与传感光纤5连接，传感光纤5与第二光纤布拉格光栅6连接，第二光纤布拉格光栅6与第二耦合器7连接，第二耦合器7与第二环行器8连接，第二环行器8与第二激光器连接9，数据采集模块10分别采集第一环行器2与第二环行器8处产生的干涉信号并将其转换为数字信号，数据采集模块10与数据处理模块11连接。
第一激光器1发出的激光中心波长为1550nm，第二激光器9发出的激光中心波长为1310nm。第一光纤布拉格光栅4的反射中心波长为1310nm，第二光纤布拉格光栅6的反射中心波长为1550nm。第一耦合器3和第二耦合器7均为3dB耦合器。第一激光器1发出的激光经第一环行器2、第一耦合器3、第一光纤布拉格光栅4、传感光纤5后传递到第二光纤布拉格光栅6，并在第二光纤布拉格光栅6反射后，在第一环行器2处产生干涉；同理，第二激光器9发出的激光经第二环行器8、第二耦合器7、第二光纤布拉格光栅6、传感光纤5后传递到第一光纤布拉格光栅4，并在第一光纤布拉格光栅4反射后，在第二环行器8处产生干涉。当扰动作用于传感光纤5时，由于光弹效应，扰动会对光纤产生相位调制，而调制信息到达第一环行器2和第二环行器8存在时间差，利用此时间差即可进一步计算出扰动在传感光纤附近的位置。数据采集模块10采集第一环行器2和第二环行器8输出的干涉信号，并将其转换为数字信号，然后计算这两组干涉信号的互相关系数，得出互相关系数最大对应的采样点数差，进而根据数据采集模块的采样频率计算出时间差，实现对振动的定位。
上述分布式光纤定位传感系统的振动传感方法包括如下具体步骤：
步骤1、开启第一激光器和第二激光器，在扰动作用于光纤时，数据采集模块采集第一环行器和第二环行器输出的干涉信号，并将其转换为数字信号，分别记为d1(m)和d2(m)，其中m表示采样点数，两路数字信号输送给数据处理模块；
步骤2、数据处理模块计算步骤1中接收到的两路干涉数字信号的互相关系数，得dcorr(Δm)＝corrcoef(d1(m+Δm),d2(m))，其中corrceof(*,*)表示互相关系数运算，Δm＝-m,-m+1,-m+2,...,m；
步骤3、找出互相关系数dcorr(Δm)最大时对应的Δm，进而计算出时间差Δt＝Δm/v；
步骤4、根据步骤3中的Δt，即可计算出扰动与第一光纤布拉格光栅的距离为
步骤3中v为数据采集模块的采样频率；
步骤4中L为传感光纤的总长度，n为传感光纤纤芯折射率，c为真空中光速。
本发明的一种分布式光纤振动定位传感系统，不仅缓解了系统对光学器件要求较高的不足，而且系统输出的有用信号较强，探测简单，对振动的定位精确，并且具有很宽的频率响应，可以探测定位光纤上任一点的振动。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种分布式光纤振动传感系统，包括第一激光器，所述的第一激光器的输出端连接第一环行器，其特征在于：所述的第一环行器连接第一耦合器，所述的第一耦合器连接第一光纤布拉格光栅，所述的第一光纤布拉格光栅连接传感光纤，所述的传感光纤与第二光纤布拉格光栅连接，所述的第二光纤布拉格光栅与第二耦合器连接，所述的第二耦合器与第二环行器连接，所述的第二环形器与第二激光器连接，所述的第一环行器和所述的第二环行器的输出端均与数据采集模块连接，所述的数据采集模块与数据处理模块连接。
2.如权利要求1所述的一种分布式光纤振动传感系统，其特征在于：所述的第一激光器发出中心波长为1550nm的激光，所述的第二激光器发出中心波长为1310nm的激光。
3.如权利要求1所述的一种分布式光纤振动传感系统，其特征在于：所述的第一光纤布拉格光栅的反射中心波长为1310nm，所述的第二光纤布拉格光栅的反射中心波长为1550nm。
4.如权利要求1所述的一种分布式光纤振动传感系统，其特征在于：所述的第一耦合器和所述的第二耦合器为3dB的耦合器。
5.如权利要求1-4中任一项所述分布式光纤振动传感系统的传感方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、数据采集模块采集第一环行器和第二环行器输出的干涉信号，并将其转换为数字信号，分别记为d1(m)和d2(m)，其中m表示采样点数，两路数字信号输送给数据处理模块；
步骤2、数据处理模块计算步骤1中接收到的两路干涉数字信号的互相关系数，得dcorr(Δm)＝corrcoef(d1(m+Δm),d2(m))，其中corrceof(*,*)表示互相关系数运算，Δm＝-m,-m+1,-m+2,...,m；
步骤3、找出互相关系数dcorr(Δm)最大时对应的Δm，进而计算出时间差Δt＝Δm/v；
步骤4、根据步骤3中的Δt计算出扰动与第一光纤布拉格光栅的距离为
所述步骤3中v为数据采集模块的采样频率；
所述步骤4中L为传感光纤的总长度，n为传感光纤纤芯折射率，c为真空中光速。
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