CN107036704A - 一种基于周期非均匀采样技术的分布式光纤传感系统 - Google Patents

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何茜
谭国伟
刘嵘
唐立军
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
    • G01H9/004—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors

Abstract

本发明公开了一种基于周期非均匀采样技术的分布式光纤传感系统，它包括光源、声光调制器、信号发生器、掺铒光纤放大器、光滤波器、三端口环形器、传感光纤、光电探测器和数据采集卡组成；采用周期非均匀采样技术检测振动位置与频率，可实现宽频振动位置与振动信号的高精度探测。

Description

一种基于周期非均匀采样技术的分布式光纤传感系统
技术领域
本发明涉及一种分布式光纤传感系统，尤其涉及一种基于周期非均匀采样技术的分布式光纤传感系统。
背景技术
振动量测量在工程领域具有潜在的运用价值，如结构健康监测、航空航天、石油化工、电力系统等安全监测；传统的振动测量方法如机械式测量法、电测量法，存在灵敏度低，体积大、测量范围受放大器件限制等问题，并且传统的振动测量方法只能进行点式测量，在实际运用中受到限制，因此研制高性能的分布式振动测量系统势在必行。
分布式光纤传感技术是指沿光纤传输路径上的外部信号以一定的方式对光纤中的光波进行不断的调制，以实现对被测量场的连续空间进行实时测量，光纤既是导光介质，同时作为传感元件，感应外界振动信号。
现有技术中基于光纤技术的振动传感系统研究已经非常广泛，但现有的测量手段都无法同时实现振动位置与宽频振动信号的精确测量，难以达到实际工程应用中的技术指标。若要实现现代大型基础设施结构健康监测，势必要同时实现对长距离范围内宽频振动信号的测量以及振动位置的精确判断，并且要在此基础上一定程度地控制系统成本，推动系统尽快走向实际工程应用的市场。
发明内容
针对背景技术中提出的问题，本发明提出了一种分布式光纤传感系统，其结构为：光源、声光调制器、信号发生器、掺铒光纤放大器、光滤波器、三端口环形器、传感光纤、光电探测器和数据采集卡组成；光源与声光调制器的输入端光路连接，信号发生器的输出端1与声光调制器的驱动端连接；声光调制器对输入光进行调制处理后将光输出至掺铒光纤放大器，掺铒光纤放大器对输入光进行放大处理后将光输出至光滤波器进行消噪处理，经消噪处理后的光由光滤波器传输至三端口环形器的输入端，三端口环形器的输出端与传感光纤的一端连接，三端口环形器用以提取传感光纤中由声光调制器产生的后向瑞利散射光；三端口环形器的收发复用端与光电探测器的输入端连接，光电探测器的输出端连接至数据采集卡，信号发生器的输出端2与数据采集卡的采集触发端连接；传感光纤铺设于被测空间内。基于前述结构，信号发生器的端口1连接声光调制器的驱动端产生周期非均匀电脉冲；声光调制器在信号发生器输出的电脉冲信号调制下，输出周期非均匀光脉冲信号；信号发生器的输出端2产生与信号发生器输出端1相同的电脉冲信号连接数据采集卡的采集触发端作为采样触发信号。
本发明的有益技术效果是：提高系统可探测响应，能够快速、准确地进行信号重构。可同时实现振动位置信号和振动频率信号的高精度检测。
附图说明
为说明本发明的特征，附有两张图用以清楚地说明技术方案。现对附图进行简单介绍：
图1：本发明所用器件名称及连接示意图；
图2：周期非均匀采样技术的时域采样特征示意图。
具体实施方式
本发明的一种基于周期非均匀采样技术的分布式传感系统，其结构为：光源（1）、声光调制器（2）、信号发生器（3）、掺铒光纤放大器（4）、光滤波器（5）、三端口环形器（6）、传感光纤（7）、光电探测器（8）和数据采集卡（9）组成；光源（1）与声光调制器（2）的输入端光路连接，信号发生器（3）的输出端1与声光调制器（2）的驱动端连接；声光调制器（2）对输入光进行调制处理后将光输出至掺铒光纤放大器（4），掺铒光纤放大器（4）对输入光进行放大处理后将光输出至光滤波器（5）进行消噪处理，经消噪处理后的光由光滤波器（5）传输至三端口环形器（6）的输入端，三端口环形器（6）的输出端与传感光纤（7）的一端连接，三端口环形器（6）用以提取传感光纤（7）中由声光调制器（2）产生的后向瑞利散射光；三端口环形器（6）的收发复用端与光电探测器（8）的输入端连接，光电探测器（8）的输出端连接至数据采集卡（9），信号发生器（3）的输出端2与数据采集卡（9）的采集触发端连接；传感光纤（7）铺设于被测空间内。声光调制器（2）在信号发生器（3）输出的周期非均匀电脉冲信号调制下，输出周期非均匀光脉冲信号；信号发生器（3）的输出端2产生与信号发生器输出端1相同的电脉冲信号连接数据采集卡的采集触发端作为采样触发信号。
信号发生器的优选参数设置为：根据权利要求1所述的分布式光纤传感系统，其特征在于：信号发生器的端口1连接声光调制器的驱动端产生以10kHz为中心频率的周期非均匀电脉冲，其脉宽均为50ns、高电平幅值为2V、低电平幅值为0V的电脉冲信号。
本振动检测系统的检测原理是：信号发生器产生时序周期非均匀的电脉冲信号作为声光调制器的驱动信号，光源输出的光被声光调制器调制为时序周期非均匀的脉冲光信号，该光脉冲信号进入掺铒光纤放大器进行光放大，光信号随后经过光滤波器滤除自发辐射噪声，滤除自发辐射噪声后的光脉冲信号通过三端口环形器注入传感光纤,并在传感光纤中激发出后向瑞利散射光，当外界振动作用在传感光纤上时，将会引起光脉冲宽度范围内后向瑞利散射光的相位发生变化，返回的瑞利后向散射光由三端口环形器收集，光电探测器在信号发生器的输出电信号触发下从三端口环形器的输出端采集后向瑞利散射光；经过多个采样周期后可以采集到大量散射信号，在计算机中对排列好的瑞利散射信号做平均与差分处理，可以得出振动的位置信息；取出振动位置的时域信号，利用重构算法进行信号还原，通过非均匀傅里叶变换可以得出振动的频率信息。
本发明采用周期非均匀采样技术，采样技术的时域特征图如图2所示，现对本发明所使用的周期非均匀采样技术以及所采用参数进行阐述：对连续时间信号xc(t)采样，得到采样序列xc(tn)。在采样序列中，任意的相邻采样点之间的时间间隔是非均匀的，但每一个采样点与它之后的第M个采样点之间的时间间隔是均匀的，若定义周期非均匀采样的采样时间序列为tn，则tn在图2中满足：(1)tn-tn-1≠tn+1-tn(2)tn+M＝tn+MT，其中T为周期非均匀采样序列的平均采样时间间隔，M为周期非均匀采样的非均匀性周期，即为各非均匀采样周期内的采样数。
在每个非均匀采样周期内，共采集M个样本。f为采样中心频率，为频率变化量。信号发生器（3）在每个非均匀周期内产生电脉冲的频率在[，]区间上，为第k个样本与第k+1个样本之间的时间间隔， ，取值为[，]。每个非均匀采样周期内相邻采样点最小时间间隔，最大时间间隔， ，其中V是光在光纤中传播的速度，L是传感光纤长度。该限制保证了任意相邻光脉冲信号产生的后向瑞利散射信号不发生混叠。
在一个非均匀周期内，T代表了该传感光纤系统在一个非均匀周期内采M个样本时每个样本的平均采集时间，该系统可探测并能重构的信号频率。
结合本发明的光纤系统对周期非均匀采样技术参数作进一步说明。所述参数取值为某一区间时，表明该参数取区间任意值，均适用于本发明的光纤系统。
一组时域周期非均匀分布的窄脉冲光信号作为探测光信号注入传感光纤中，传感光纤中振动信号的探测可视为周期非均匀采样，该方法在一个周期内进行非均匀采样，从而使得非均匀采样的随机性中含有周期性。周期非均匀采样介于均匀采样和完全非均匀采样之间，既具有非均匀采样可以抗混叠的优点，又具有均匀采样的频谱特性。由此突破采样定理的限制从而提高系统可探测响应，而且降低了非均匀采样引起的频谱噪声，相对于完全随机分布的非均匀采样技术能够快速、准确地进行信号重构。基于以上实施方式与原理，本发明的系统可同时实现振动位置信号和振动频率信号的高精度检测。

Claims (2)

1.一种基于周期非均匀采样技术的分布式光纤传感系统，其特征在于：它由光源（1）、声光调制器（2）、信号发生器（3）、掺铒光纤放大器（4）、光滤波器（5）、三端口环形器（6）、传感光纤（7）、光电探测器（8）和数据采集卡（9）组成；光源（1）与声光调制器（2）的输入端光路连接，信号发生器（3）的输出端1与声光调制器（2）的驱动端连接；声光调制器（2）对输入光进行调制处理后将光输出至掺铒光纤放大器（4），掺铒光纤放大器（4）对输入光进行放大处理后将光输出至光滤波器（5）进行消噪处理，经消噪处理后的光由光滤波器（5）传输至三端口环形器（6）的输入端，三端口环形器（6）的输出端与传感光纤（7）的一端连接，三端口环形器（6）用以提取传感光纤（7）中由声光调制器（2）产生的后向瑞利散射光；三端口环形器（6）的收发复用端与光电探测器（8）的输入端连接，完成光信号向电信号转换的过程，光电探测器（8）的输出端连接至数据采集卡（9），信号发生器（3）的输出端2与数据采集卡（9）的采集触发端连接；传感光纤（7）铺设于被测空间内。
2.根据权利要求1所述的分布式光纤传感系统，其特征在于：信号发生器的优选参数设置为：根据权利要求1所述的分布式光纤振动传感系统，其特征在于：信号发生器的端口1连接声光调制器的驱动端产生以10kHz为中心频率的周期非均匀电脉冲，其脉宽均为50ns、高电平幅值为2V、低电平幅值为0V的电脉冲信号；声光调制器在函数发生器输出的电脉冲信号调制下，输出光脉冲信号；信号发生器的输出端2产生与信号发生器输出端1相同的电脉冲信号连接数据采集卡的采集触发端作为采样触发信号。
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