CN107063431A - 一种基于双光路的光纤振动传感系统及方法 - Google Patents
一种基于双光路的光纤振动传感系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于双光路的光纤振动传感系统及方法，属于分布式光纤传感技术领域，解决现有技术中的传感系统对窄线宽激光器的依赖，信噪比和灵敏度较低，光源的噪声、外界温度等因素对检测结果产生干扰，造成检测结果不精确的问题。本发明包括激光光源、脉冲调制器、光放大器、耦合器、环行器、传感光纤、参考光纤、耦合器、光电探测器，信号采集与处理系统。本发明通过后期的相位恢复及滑动差分等手段计算传感光纤各点的相位增量，消除多振动点相位累积产生的误差和干扰，实现对多振动点的同时检测。
Description
技术领域
一种基于双光路的光纤振动传感系统及方法，用于对多振动点的同时检测，属于分布式光纤传感技术领域。
背景技术
分布式光纤传感器由于可在大空间范围内进行测量，且具有灵敏度高、结构简单、使用方便等诸多优点，成为国内外安防、监测技术领域的研究热点之一。其中基于OTDR的光纤分布式传感系统可以实现对外界振动时间位置的精确定位以及振动信息的提取，具有传感距离远、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、体积小等优点，因此被广泛用于油气管线泄露探测、周边安全防护、结构健康检测等领域。
在传统的Φ-OTDR光纤传感系统中，窄线宽激光器发出的连续光经过脉冲调制器和光放大器后，通过光环行器注入传感光纤，最后通过光电探测器探测光纤中的后向瑞利散射光，实现对外界振动事件的探测及定位。传统Ф-OTDR系统中本地光与信号光的光程差较大，为了产生明显的干涉现象通常需要使用线宽为kHz量级的窄线宽激光，大大提高了系统成本；同时因产生干涉的本地光与信号光分别为不同时刻从激光器发出的光，激光器的自身的相位噪声也会对传感精度产生影响。
发明内容
本发明针对上述不足之处提供了一种基于双光路的光纤振动传感系统及方法，解决现有技术中的传感系统对窄线宽激光器的依赖，信噪比和灵敏度较低，光源的噪声、外界温度等因素对检测结果产生干扰，造成检测结果不精确的问题。
本发明为了实现上述目的，采用的技术方案为：
一种基于双光路的光纤振动传感系统，其特征在于：包括激光光源、脉冲调制器、光放大器、耦合器、环行器、传感光纤、参考光纤、耦合器、光电探测器，信号采集与处理系统；所述激光光源与脉冲调制器的输入端相连，脉冲调制器的输出端与光放大器的输入端相连，光放大器的输出端与耦合器的1端口相连接，耦合器的2端口与环行器的1端口相连，环行器的2端口与传感光纤相连接，耦合器的3端口与环行器的1端口相连接，环行器的2端口与参考光纤相连接，环行器的3端口与耦合器的3端口相连接，环行器的3端口与耦合器的1端口相连接，耦合器的4端口与光电探测器相连接、5端口与光电探测器相连接、6端口与光电探测器相连接，光电探测器与信号采集与处理系统相连接，信号采集与处理系统通过同轴电缆与脉冲调制器相连接。
进一步，所述激光光源为普通激光源。
进一步，所述耦合器为1x2耦合器；所述耦合器为3x3耦合器，分光比为1：1：1，并且各路输出信号之间存在2π/3的相位差。
进一步，所述参考光纤的长度大于等于传感光纤的长度。
一种基于双光路的光纤振动传感方法，其特征在于，如下步骤：
(1)激光光源发出连续光经过脉冲调制器调制为光脉冲信号；
(2)脉冲调制器发出光脉冲信号经过放大器进行功率放大后通过耦合器分成两路光；
(3)一路光经过环形器注入传感光纤,另一路光通过环形器注入参考光纤，产生两路后向瑞利散射光；
(4)两路后向瑞利散射光分别进入耦合器输出三路存在相位差的光信号，得到三路光信号的光强信号；
(5)光电探测器将三路存在相位差的光信号的光强信号转换为电信号传输给信号采集与处理系统进行信息采集和处理，实现了多振动点的同时检测，并通过传感光纤和参考光纤各个位置点产生的后向瑞利散射到达光电探测器的时域信号的时间点，将时域信号的时间点映射到传感光纤和参考光纤上的各个位置点，实现振动事件的定位；
(6)通过相位解调算法得到各个位置点上振动事件的相位信号，并通过得到的相位信号得到各个振动点处的相位变化，实现分布式传感。
进一步，所述步骤(4)中的相位差为2π/3。
进一步，所述步骤(4)中，得到三路光信号的光强信号可表示为如下：
其中，zk为传感光纤和参考光纤的各个位置点，为zk外界振动导致的瑞利散射光的相位变化，I为输入耦合器的瑞利散射光强度，i为虚数单位，Re为取实部运算，k表示序号。
进一步，所述步骤(3)中，光纤zk处产生的后向瑞利散射光的公式如下：
其中，A为瑞利散射光的振幅，ω为瑞利散射光的角频率，λ为瑞利散射光的波长，n为瑞利散射光的光纤折射率，i为虚数单位。
进一步，所述步骤(5)中，时域信号的时间点映射到传感光纤和参考光纤上的各个位置点的公式如下：
其中，tk为瑞利散射光信号的采集时间，即传感光纤和参考光纤各个位置点产生的后向瑞利散射到达光电探测器的时域信号的时间点，c为真空光速，n为瑞利散射光的光纤折射率。
进一步，所述步骤(6)中，通过相位解调算法得到各个位置点上振动事件的相位信号的公式如下：
通过将得到的相位信息进行滑动差分，即可得到各个位置点因振动所引起的相位变化的公式如下：
与现有技术相比，本发明的优点在于：
一、本发明能够得到振动处后向散射光的相位变化，在得到振动的位置信息的同时可以准确地提取出振动的强度信息，并实现多点分布式传感。
二、本发明采用双路干涉，实质为光脉冲在两路光纤中相同位置处的后向瑞利散射光相干的结果，发生干涉的散射光光程差较小，无需使用窄线宽激光光源也可获得较好的探测灵敏度。
三、本发明中产生相干的两路散射光由同一时刻激光器发出的激光产生，具有相同的相位噪声，在相干的过程中相位噪声会被抵消，大大降低了激光器对检测结果的干扰。
四、本发明增加了一路参考光纤作为对比，降低了温度等其他外界因素对振动传感的影响。
附图说明
图1为本发明的框架结构示意图；
图中：1、激光光源，2、脉冲调制器，3、光放大器，4、耦合器，5、环行器，6、环行器，7、传感光纤，8、参考光纤，9、耦合器，10、光电探测器，11、光电探测器，12、光电探测器，13、信号采集与处理系统。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
传感光纤处于理想状态中，则经由传感光纤返回的后向瑞利散射波形应是不变的，如果在传感光纤上某点加入振动微扰，这将会导致该位置散射光的相位发生改变，由于干涉作用，其相应的后向瑞利散射光曲线也会发生变化。通过检测瑞利散射不同时刻对应的光强变化即可实现对外界振动事件的探测及定位，即通过解调和计算传感光纤7与参考光纤8中的后向干涉信号光在不同位置的相位变化，实现对振动信号的检测。
如图1所示，一种基于双光路的光纤振动传感系统，包括激光光源1、脉冲调制器2、光放大器3、耦合器4、环行器5、6、传感光纤7、参考光纤8、耦合器9、光电探测器10、11、12、信号采集与处理系统13。所述激光光源1与脉冲调制器2的输入端相连，脉冲调制器2的输出端与光放大器3的输入端相连，光放大器3的输出端与耦合器4的1端口相连接，耦合器4的2端口与环行器5的1端口相连，环行器5的2端口与传感光纤7相连接，耦合器4的3端口与环行器6的1端口相连接，环行器6的2端口与参考光纤8相连接，环行器5的3端口与耦合器9的3端口相连接，环行器6的3端口与耦合器9的1端口相连接，耦合器9的4端口与光电探测器10相连接、5端口端口与光电探测器11相连接、6端口与光电探测器12相连接，光电探测器10、11、12与信号采集与处理系统13相连接，信号采集与处理系统13通过同轴电缆与脉冲调制器2相连接。所述激光光源1为通信波段激光器，线宽不大于10MHz，如普通激光源。所述耦合器4为1x2耦合器，其输出耦合比为任意值；所述耦合器9为3x3耦合器，分光比为1：1：1，并且各路输出信号之间存在2π/3的相位差。所述参考光纤8的长度大于等于传感光纤7的长度。所述参考光纤8放置于与传感光纤7相同的外界环境中，但不受到振动影响。其中传感光纤7与参考光纤8中不同位置、不同相位的后向干涉信号光将在3x3耦合器(9)中进行再次干涉。
一种基于双光路的光纤振动传感方法，如下步骤：
(1)激光光源1发出连续光经过脉冲调制器2调制为光脉冲信号；
(2)脉冲调制器2发出光脉冲信号经过放大器3进行功率放大后通过耦合器4分成两路光；
(3)一路光经过环形器5注入传感光纤7,另一路光通过环形器6注入参考光纤8，并在传感光纤7和参考光纤8中分别产生两路后向瑞利散射光；光纤zk处产生的后向瑞利散射光的公式如下：
其中，zk为传感光纤和参考光纤的各个位置点，A为瑞利散射光的振幅，ω为瑞利散射光的角频率，λ为瑞利散射光的波长，n为瑞利散射光的光纤折射率，i为虚数单位。
(4)两路后向瑞利散射光分别进入耦合器9输出三路存在2π/3的相位差的光信号，得到三路光信号的光强信号；得到三路光信号的光强信号可表示为如下：
其中，zk为传感光纤和参考光纤的各个位置点，为zk外界振动导致的瑞利散射光的相位变化，I为输入耦合器的瑞利散射光强度，i为虚数单位，Re为取实部运算，k表示序号。
(5)光电探测器10、11、12将三路存在相位差的光信号的光强信号转换为电信号传输给信号采集与处理系统13进行信息采集和处理，实现了多振动点的同时检测，并通过传感光纤7和参考光纤8各个位置点产生的后向瑞利散射到达光电探测器的时域信号的时间点，将时域信号的时间点映射到传感光纤7和参考光纤8上的各个位置点，实现振动事件的定位；其中信号采集与处理系统13对电信号的处理为信号采集与处理系统13对干涉信息进行相位恢复，并采用滑动差分算法，计算传感光纤各点相位增量，以消除多振动点相位累积产生的误差和干扰，实现了多振动点的同时检测，时域信号的时间点映射到传感光纤7和参考光纤8上的各个位置点的公式如下：
其中，tk为瑞利散射光信号的采集时间，即传感光纤7和参考光纤8各个位置点产生的后向瑞利散射到达光电探测器的时域信号的时间点，c为真空光速，n为瑞利散射光的光纤折射率。
(6)通过相位解调算法得到各个位置点上振动事件的相位信号，并通过得到的相位信息得到各个振动点处的相位变化，实现分布式传感。通过相位解调算法得到各个位置点上振动事件的相位信号的公式如下：
通过将得到的相位信息进行滑动差分，即可得到各个位置点因振动所引起的相位变化的公式如下：
实施例1
传感光纤7的z1位置处发生振动事件，则z1位置处的后向瑞利散射光的相位会产生相应的相位变化z1位置处的后向瑞利散射光可以表示为：
参考光纤8并不受振动影响，所以z1位置处的后向瑞利散射光表示为：
式中，A1、A2分别为传感光纤和参考光纤中瑞利散射光的振幅，为z1外界振动导致的瑞利散射光的相位变化，ω为瑞利散射光的角频率，λ为瑞利散射光的波长，n为瑞利散射光的光纤折射率，i为虚数单位。
两路瑞利散射光分别进入3x3耦合器9的1、3口，耦合器9输出的三路光信号的光强信息可以表示为：
其中I为输入耦合器9的瑞利散射光强度，耦合器9输出的三路信号分光比为1：1：1，并且各路输出信号之间存在2π/3的相位差，再通过光电探测器(10，11，12)将三路信号的光强信息转换为电信号传输给信号采集与处理系统(13)，通过相位解调算法，获得相位信号：
若同时传感光纤z2处产生振动微扰，引入相位变化该处产生的后向瑞利散射光的相位将会受到z1和z2处的振动的共同影响，可以表示为：
此时参考光纤z2处的瑞利散射光为：
利用上述的解调方法，可以得到：
将结果减去z1处的相位解调结果即可得到z2处振动所产生的后向瑞利散射光相位的变化：
同理，如果传感光纤多处发生振动微扰，将上述解调方法得到的相位信息进行滑动差分，即可得到各个振动点处的相位变化，从而实现分布式传感。
Claims (10)
1.一种基于双光路的光纤振动传感系统，其特征在于：包括激光光源(1)、脉冲调制器(2)、光放大器(3)、耦合器(4)、环行器(5、6)、传感光纤(7)、参考光纤(8)、耦合器(9)、光电探测器(10、11、12)，信号采集与处理系统(13)；所述激光光源(1)与脉冲调制器(2)的输入端相连，脉冲调制器(2)的输出端与光放大器(3)的输入端相连，光放大器(3)的输出端与耦合器(4)的1端口相连接，耦合器(4)的2端口与环行器(5)的1端口相连，环行器(5)的2端口与传感光纤(7)相连接，耦合器(4)的3端口与环行器(6)的1端口相连接，环行器(6)的2端口与参考光纤(8)相连接，环行器(5)的3端口与耦合器(9)的3端口相连接，环行器(6)的3端口与耦合器(9)的1端口相连接，耦合器(9)的4端口与光电探测器(10)相连接、5端口与光电探测器(11)相连接、6端口与光电探测器(12)相连接，光电探测器(10、11、12)与信号采集与处理系统(13)相连接，信号采集与处理系统(13)通过同轴电缆与脉冲调制器(2)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于双光路的光纤振动传感系统，其特征在于：所述激光光源(1)为普通激光源。
3.根据权利要求1所述的一种基于双光路的光纤振动传感系统，其特征在于：所述耦合器(4)为1x2耦合器；所述耦合器(9)为3x3耦合器，分光比为1：1：1，并且各路输出信号之间存在2π/3的相位差。
4.根据权利要求1所述的一种基于双光路的光纤振动传感系统，其特征在于：所述参考光纤(8)的长度大于等于传感光纤(7)的长度。
5.一种基于双光路的光纤振动传感方法，其特征在于，如下步骤：
(1)激光光源(1)发出连续光经过脉冲调制器(2)调制为光脉冲信号；
(2)脉冲调制器(2)发出光脉冲信号经过放大器(3)进行功率放大后通过耦合器(4)分成两路光；
(3)一路光经过环形器(5)注入传感光纤(7),另一路光通过环形器(6)注入参考光纤(8)，产生两路后向瑞利散射光；
(4)两路后向瑞利散射光分别进入耦合器(9)输出三路存在相位差的光信号，得到三路光信号的光强信号；
(5)光电探测器(10、11、12)将三路存在相位差的光信号的光强信号转换为电信号传输给信号采集与处理系统(13)进行信息采集和处理，实现了多振动点的同时检测，并通过传感光纤(7)和参考光纤(8)各个位置点产生的后向瑞利散射到达光电探测器的时域信号的时间点，将时域信号的时间点映射到传感光纤(7)和参考光纤(8)上的各个位置点，实现振动事件的定位；
(6)通过相位解调算法得到各个位置点上振动事件的相位信号，并通过得到的相位信号得到各个振动点处的相位变化，实现分布式传感。
6.根据权利要求5所述的一种基于双光路的光纤振动传感方法，其特征在于：所述步骤(4)中的相位差为2π/3。
7.根据权利要求5所述的一种基于双光路的光纤振动传感方法，其特征在于，所述步骤(4)中，得到三路光信号的光强信号可表示为如下：
其中，zk为传感光纤和参考光纤的各个位置点，为zk外界振动导致的瑞利散射光的相位变化，I为输入耦合器的瑞利散射光强度，i为虚数单位，Re为取实部运算，k表示序号。
8.根据权利要求5所述的一种基于双光路的光纤振动传感方法，其特征在于，所述步骤(3)中，光纤zk处产生的后向瑞利散射光的公式如下：
<mrow>
<mi>E</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>z</mi>
<mi>k</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<msup>
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<mrow>
<mo>-</mo>
<mi>i</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
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<mi>t</mi>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>4</mn>
<mi>&pi;</mi>
</mrow>
<mi>&lambda;</mi>
</mfrac>
<msub>
<mi>nz</mi>
<mi>k</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</msup>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中，A为瑞利散射光的振幅，ω为瑞利散射光的角频率，λ为瑞利散射光的波长，n为瑞利散射光的光纤折射率，i为虚数单位。
9.根据权利要求5所述的一种基于双光路的光纤振动传感方法，其特征在于，所述步骤(5)中，时域信号的时间点映射到传感光纤(7)和参考光纤(8)上的各个位置点的公式如下：
<mrow>
<msub>
<mi>z</mi>
<mi>k</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>ct</mi>
<mi>k</mi>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>n</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中，tk为瑞利散射光信号的采集时间，即传感光纤(7)和参考光纤(8)各个位置点产生的后向瑞利散射到达光电探测器的时域信号的时间点，c为真空光速，n为瑞利散射光的光纤折射率。
10.根据权利要求5所述的一种基于双光路的光纤振动传感方法，其特征在于，所述步骤(6)中，通过相位解调算法得到各个位置点上振动事件的相位信号的公式如下：
通过将得到的相位信息进行滑动差分，即可得到各个位置点因振动所引起的相位变化的公式如下：
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