CN107894276A - 一种高频响的分布式光纤振动传感装置和实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高频响的分布式光纤振动传感装置和实现方法，设有光源模块、1*N+1分光模块、N个移频模块、1*N耦合模块、放大模块、偏振控制模块、2*2耦合器、环形器、传感光纤、探测模块、混频解调模块、同步采集模块和检测分析模块；本发明将频分复用技术应用到分布式光纤振动传感装置中，波长复用光脉冲信号在传感光纤中按照时间顺序产生后向瑞利散射信号，信号之间相互独立不会发生串扰，分布式光纤振动传感装置每个探测点的样本数量随着复用波长数量增加，探测振动信号的频响也随着复用波长数增加，长距离分布式光纤振动装置探测频响不在因距离而受限。

Description

一种高频响的分布式光纤振动传感装置和实现方法
技术领域
本发明主要用于安全监测领域，特别涉及一种高频响的分布式光纤振动传感装置和实现方法。
技术背景
光纤振动传感器是以光纤作为传感部分，较传统的振动传感器具有有本征无源、抗电磁干扰、监测距离长、灵敏度高等优势，应用领域广泛。分布式光纤振动传感器在具有光纤振动传感器优势的同时，还可实现对振动事件的定位，特别适用于油气管线、国防边界、铁路边界、国防光缆等安全监测。
分布式光纤振动传感器的设计原理目前包含马赫-曾德干涉仪技术、白光干涉技术和相位敏感OTDR技术。通过应用效果选型，仅有相位敏感OTDR技术作为最成功的方案得到应用。该技术采用相位敏感技术，通过周围环境振动引起后向瑞利散射信号相位变化的特性进行振动信号的拾取，通过通过光时域反射技术(OTDR)进行振动信号的位置确定。其应用优势在于每个位置的振动特性独立，不会互相影响，可同时实现传感光纤敷设沿线周围的振动信息监测，对入侵引起的振动信息定位准确，不存在定位误差现象。
采用相位敏感OTDR技术实现的分布式光纤振动传感器，为了避免后向散射信号之间发生串扰，每个测量周期只能发出一个光脉冲信号，光纤监测距离越长，要求光脉冲之间的间隔时间也越长，发出的光脉冲重复频率越小，监测光纤上每个点的振动频率响应受光源发出脉冲重复频率限制，脉冲重复频率越小，振动响应频率范围越低。举例说明：如果监测光纤长度为100km，一般要求脉冲发出重复频率最大为1kHz，相当于每个振动点的采样频率为1kHz，进行2次累加去噪后采样频率为500Hz，按照采样定理仅可响应250Hz的信号。这在入侵识别监测时会受到局限，无法采集全部的信号实现模式识别处理。
本发明设计的高频响分布式光纤振动传感装置，将频分复用技术应用到相位敏感OTDR技术中，在一个探测脉冲中包含N个不同频率光信号，探测的频率响应比传统的方案相比，频率响应提升N倍。分布式光纤振动传感器在延长监测距离的同时，不会降低其频率响应，装置性能显著提升。
发明内容
本发明提供一种高频响的分布式光纤振动传感装置和实现方法。设计采用频分复用技术，在一次发出的光脉冲中包含N个不同频率光信号，在一个测量周期内T0一次发出的N个不同频率的光脉冲按照间隔同样的延迟时间t0发送到光纤中。在一个测量周期T0内，N条不同波长的后向瑞利散射信号连续返回并被光电探测器探测，其中两条相邻的后向瑞利散射信号曲线之间有一个t0的时间延迟，探测后的电信号包含了N条不同频率光的后向瑞利散射信息，时域上无法进行区分，需要采用N个混频器和低通滤波器组成检波器将N条不同频率的后向瑞利散射信号进行解调区分。区分后的N条曲线之间会有t0的时间延迟，需要依次进行同步校准，保证采集的每个位置点不同频率光的信号同步。通过频分复用技术，每个位置点的样本数量增加N个，探测的振动信号频率提升N倍。
一种高频响分布式光纤振动传感装置，其特征在于：设有光源模块、1*N+1分光模块、N个移频模块、1*N耦合模块、放大模块、偏振控制模块、2*2耦合器、环形器、传感光纤、探测模块、混频解调模块、同步采集模块和检测分析模块；
其中光源模块发出激光，输出与分光模块的输入端连接，分光模块分出多路激光，其中一路作为相干探测部分与偏振控制模块相连接，输出接入2*2耦合器输入端口，分光模块分出其它N路与不同频移的N个频移模块相连接，同步采集模块控制输出连接各个频移器的控制输入端，频移模块输出与N路耦合模块相连接，耦合模块输出连接放大模块输入端，放大模块输出端连接环形器1端口，环形器2端口连接传感光纤，环形器3端口连接2*2耦合器另一路输入端，2*2耦合器输出端连接探测模块，探测模块输出连接混频解调模块，混频解调模块输出连接同步采集模块，同步采集模块连接检测分析模块。
本发明中所述的光源模块为超窄线宽激光器，光源模块可由一个光源或多个中心频率相差百兆赫兹或千兆赫兹的光源耦合组成；
本发明中所述的分光光模块，其要求分光比不小于1*N+1，将光源模块进行分光用于不同光信号的移频处理；
本发明中所述的移频模块，频移范围为几十兆赫兹至百兆赫兹范围内进行分布，同时将光源的连续光转换为脉冲光，可采用电光调制器或声光调制器实现；
本发明中所述的耦合模块，其要求耦合输入不小于N路，是将不同路调制后的信号进行耦合为一路信号输出；
本发明中所述的放大模块，是将光信号进行放大，放大器的峰值功率输出大于2W，可采用掺铒光纤放大器来实现；
本发明中所述的偏振控制模块，是对参考光路信号进行偏振方向控制，保证进行相干探测的两路光信号偏振状态相对平行，相干效果好，可采用电控偏振控制器实现；
本发明中所述的耦合器，是实现参考光和后向散射光的相干探测，采用2*2耦合器实现；
本发明中所述的环形器，是将激光发射到传感光纤中，同时将传感光纤中产生的后向瑞利散射光进行返回送入耦合器的一路进行相干探测；
本发明中所述的探测模块，是用于实现光电的转换功能，同时结合弱信号放大电路设计和模拟信号处理，光电转换后放大效果满足103～104，具有初步信号处理设计；
本发明中所述的混频解调模块，将不同探测频率的瑞利散射信号解调，从时域上进行分开，同时也有效降低信号频率，便于探测，可设计N个混频器、滤波器等组成检波器实现；
本发明中所述的同步采集模块，是将时域信号进行采集转变为数字信号进行处理，同时输出同步信息，分别控制频移模块的调制时间，可采用采样速率不小于50MSPS的采集卡和信号发生器实现；
本发明所述的检测分析模块，是将采集的数据进行分析处理，对不同环境振动信息进行识别算法分析，可采用嵌入式处理器或电脑实现。
一种如上所述高频响分布式光纤振动传感装置的实现方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：光源模块(1)发出连续激光，经过分光模块(2)分成N+1束光，其中N束进行处理作为探测激光发出，1束作为参考光用于探测接收；
步骤二：分光模块(2)的N束探测激光分别经过N个不同频移的频移模块(3)，频移模块(3)中包含N个频移控制模块(14)(15)(16)分别对光学调制器(17)(18)(19)进行控制和调制，同步采集模块(12)每路按照时间延迟τ对频移控制模块发出调制脉冲，频移控制模块控制光学调制器发射脉冲的时间和频移大小，每个调制后的信号分别具有不同的光学频率；
步骤三，移频后的N路脉冲探测激光，通过耦合模块(4)将N路探测激光耦合为1路输出，送入放大模块(5)进行脉冲光功率放大；
步骤四，放大后的脉冲源经过环形器(7)的1端口输入，2端口输出送入到传感光纤(8)中，脉冲源经过光纤传输过程中会产生后向瑞利散射信号，经过环形器(7)的3端口返回；
步骤五：分光模块(2)的1路参考光经过偏振控制器(6)控制偏振方向，与返回的瑞利散射信号光接近平行，保证相干探测效果最佳；
步骤六：参考光和信号光分别进入2*2耦合器(9)进行相干并输出，两路输出光相同，相位差180°，送入探测模块(10)进行探测；
步骤七：探测输出信号送入混频解调模块(11)，混频器设计各个频移器相同的本振信号进行混频和低通滤波，进行检波解调出N路振动探测信号；
步骤八：解调出的N路振动探测信号经过同步采集模块(12)进行采集，采集后根据与N路频移器相对应的延迟信号进行N路信号起始位置同步；
步骤九：同步后送入检测分析模块(13)进行振动识别处理。
以上架构通过同步采集模块采集后，每个周期均会产生N条曲线，每条曲线相互独立无串扰，光纤长度上每个位置点在一个周期内采样点数有1个变为N个，每个位置点能够探测的频响也随之增加N倍，设计了一种高频响分布式光纤振动传感装置和实现方法。
本发明与现有技术相比，将频分复用技术应用到分布式光纤振动传感装置中，波长复用光脉冲信号在传感光纤中按照时间顺序产生后向瑞利散射信号，信号之间相互独立不会发生串扰，分布式光纤振动传感装置每个探测点的样本数量随着复用波长数量增加，探测振动信号的频响也随着复用波长数增加，长距离分布式光纤振动装置探测频响不在因距离而受限。
附图说明
图1是高频响分布式光纤振动传感装置架构图
图2移频模块设计及控制架构图
图3是多波长探测后向散射曲线组成探测信号示意图
图中1、光源模块，2、分光模块，3、移频模块，4、耦合模块，5、放大模块，6、偏振控制器，7、环形器，8、传感光纤，9、2*2耦合器，10、探测模块，11、混频解调模块，12、同步采集模块，13、检测分析模块,14、频移控制器1，15、频移控制器2，16、频移控制器3，17、光学调制器1，18、光学调制器2，19、光学调制器3。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式。
第一，光源模块(1)发出连续激光，经过分光模块(2)分成N+1束光，其中N束进行处理作为探测激光发出，1束作为参考光用于探测接收；
第二，分光模块(2)的N束探测激光分别经过N个不同频移的频移模块(3)，频移模块(3)中包含N个频移控制模块(14)(15)(16)分别对光学调制器(17)(18)(19)进行控制和调制，同步采集模块(12)每路按照时间延迟τ对频移控制模块发出调制脉冲，频移控制模块控制光学调制器发射脉冲的时间和频移大小，每个调制后的信号分别具有不同的光学频率；
第三，移频后的N路脉冲探测激光，通过耦合模块(4)将N路探测激光耦合为1路输出，送入放大模块(5)进行脉冲光功率放大；
第四，放大后的脉冲源经过环形器(7)的1端口输入，2端口输出送入到传感光纤(8)中，脉冲源经过光纤传输过程中会产生后向瑞利散射信号，经过环形器(7)的3端口返回；
第五，分光模块(2)的1路参考光经过偏振控制器(6)控制偏振方向，与返回的瑞利散射信号光接近平行，保证相干探测效果最佳；
第六，参考光和信号光分别进入2*2耦合器(9)进行相干并输出，两路输出光相同，相位差180°，送入探测模块(10)进行探测；
第七，探测输出信号送入混频解调模块(11)，混频器设计各个频移器相同的本振信号进行混频和低通滤波，进行检波解调出N路振动探测信号；
第八，解调出的N路振动探测信号经过同步采集模块(12)进行采集，采集后根据与N路频移器相对应的延迟信号进行N路信号起始位置同步；
第九，同步后送入检测分析模块(13)进行振动识别处理。
以上架构通过同步采集模块采集后，如图3每个周期均会产生N条曲线，每条曲线相互独立无串扰，光纤长度上每个位置点在一个周期内采样点数有1个变为N个，每个位置点能够探测的频响也随之增加N倍，设计了一种高频响分布式光纤振动传感装置和实现方法。
本发明与现有技术相比，将频分复用技术应用到分布式光纤振动传感装置中，波长复用光脉冲信号在传感光纤中按照时间顺序产生后向瑞利散射信号，信号之间相互独立不会发生串扰，分布式光纤振动传感装置每个探测点的样本数量随着复用波长数量增加，探测振动信号的频响也随着复用波长数增加，长距离分布式光纤振动装置探测频响不在因距离而受限。

Claims (9)

1.一种高频响分布式光纤振动传感装置，其特征在于：设有光源模块、1*N+1分光模块、N个移频模块、1*N耦合模块、放大模块、偏振控制模块、2*2耦合器、环形器、传感光纤、探测模块、混频解调模块、同步采集模块和检测分析模块；
其中光源模块发出激光，输出与分光模块的输入端连接，分光模块分出多路激光，其中一路作为相干探测部分与偏振控制模块相连接，输出接入2*2耦合器输入端口，分光模块分出其它N路与不同频移的N个频移模块相连接，同步采集模块控制输出连接各个频移器的控制输入端，频移模块输出与N路耦合模块相连接，耦合模块输出连接放大模块输入端，放大模块输出端连接环形器1端口，环形器2端口连接传感光纤，环形器3端口连接2*2耦合器另一路输入端，2*2耦合器输出端连接探测模块，探测模块输出连接混频解调模块，混频解调模块输出连接同步采集模块，同步采集模块连接检测分析模块。
本发明中所述的光源模块为超窄线宽激光器，光源模块可由一个光源或多个中心频率相差百兆赫兹或千兆赫兹的光源耦合组成。
2.根据权利要求1所述的一种高频响分布式光纤振动传感装置，其特征在于所述的分光模块，其要求分光比不小于1*N+1，将光源模块进行分光用于不同光信号的移频处理。
3.根据权利要求1所述的一种高频响分布式光纤振动传感装置，其特征在于所述的移频模块，频移范围为几十兆赫兹至百兆赫兹范围内进行分布，同时将光源的连续光转换为脉冲光，可采用电光调制器或声光调制器实现。
4.根据权利要求1所述的一种高频响分布式光纤振动传感装置，其特征在于所述的耦合模块，其要求耦合输入不小于N路，是将不同路调制后的信号进行耦合为一路信号输出。
5.根据权利要求1所述的一种高频响分布式光纤振动传感装置，其特征在于所述的放大模块，是将光信号进行放大，放大器的峰值功率输出大于2W，采用掺铒光纤放大器来实现。
6.根据权利要求1所述的一种高频响分布式光纤振动传感装置，其特征在于所述的偏振控制模块，是对参考光路信号进行偏振方向控制，保证进行相干探测的两路光信号偏振状态相对平行，相干效果好，可采用电控偏振控制器实现；所述耦合器，是实现参考光和后向散射光的相干探测，采用2*2耦合器实现；所述的环形器，是将激光发射到传感光纤中，同时将传感光纤中产生的后向瑞利散射光进行返回送入耦合器的一路进行相干探测；所述的探测模块，是用于实现光电的转换功能，同时结合弱信号放大电路设计和模拟信号处理，光电转换后放大效果满足103～104，具有初步信号处理设计；所述的混频解调模块，将不同探测频率的瑞利散射信号解调，从时域上进行分开，同时也有效降低信号频率，便于探测，可设计N个混频器、滤波器等组成检波器实现。
7.根据权利要求1所述的一种高频响分布式光纤振动传感装置，其特征在于所述的同步采集模块，是将时域信号进行采集转变为数字信号进行处理，同时输出同步信息，分别控制频移模块的调制时间，可采用采样速率不小于50MSPS的采集卡和信号发生器实现。
8.根据权利要求1所述的一种高频响分布式光纤振动传感装置，其特征在于所述的检测分析模块，是将采集的数据进行分析处理，对不同环境振动信息进行识别算法分析，采用嵌入式处理器或电脑实现。
9.一种如权利要求1-8中任意一项所述高频响分布式光纤振动传感装置的实现方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：光源模块(1)发出连续激光，经过分光模块(2)分成N+1束光，其中N束进行处理作为探测激光发出，1束作为参考光用于探测接收；
步骤二：分光模块(2)的N束探测激光分别经过N个不同频移的频移模块(3)，频移模块(3)中包含N个频移控制模块(14)(15)(16)分别对光学调制器(17)(18)(19)进行控制和调制，同步采集模块(12)每路按照时间延迟τ对频移控制模块发出调制脉冲，频移控制模块控制光学调制器发射脉冲的时间和频移大小，每个调制后的信号分别具有不同的光学频率；
步骤三，移频后的N路脉冲探测激光，通过耦合模块(4)将N路探测激光耦合为1路输出，送入放大模块(5)进行脉冲光功率放大；
步骤四，放大后的脉冲源经过环形器(7)的1端口输入，2端口输出送入到传感光纤(8)中，脉冲源经过光纤传输过程中会产生后向瑞利散射信号，经过环形器(7)的3端口返回；
步骤五：分光模块(2)的1路参考光经过偏振控制器(6)控制偏振方向，与返回的瑞利散射信号光接近平行，保证相干探测效果最佳；
步骤六：参考光和信号光分别进入2*2耦合器(9)进行相干并输出，两路输出光相同，相位差180°，送入探测模块(10)进行探测；
步骤七：探测输出信号送入混频解调模块(11)，混频器设计各个频移器相同的本振信号进行混频和低通滤波，进行检波解调出N路振动探测信号；
步骤八：解调出的N路振动探测信号经过同步采集模块(12)进行采集，采集后根据与N路频移器相对应的延迟信号进行N路信号起始位置同步；
步骤九：同步后送入检测分析模块(13)进行振动识别处理。
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