CN109100007B - 基于编码脉冲的光纤振动定位装置及方法 - Google Patents

基于编码脉冲的光纤振动定位装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及分布式光纤传感技术领域，提出了一种基于脉冲编码的光纤振动定位装置，包括激光器、光调制器、第一耦合器、参考光纤、传感光纤、第二耦合器、压电陶瓷、光电探测器、模数转换器、信号同步模块、编码模块、时钟模块、第一电压转换电路、编码信号输出模块、第二电压转换电路、光调制器驱动、数模转换器和上位机。本发明还提供了一种基于以上装置的方法。本发明通过记录振动从产生到编码模块探测到该振动信号这段时间，光纤内传输的光脉冲串数量，由此定位振动发生的位置，相较双马赫‑泽德干涉实现振动的定位装置结构更简单、定位精度更高，可以广泛应用于光纤传感技术领域。

Description

基于编码脉冲的光纤振动定位装置及方法
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感技术领域，具体一种基于编码脉冲的光纤振动定位装置及其定位方法。
背景技术
目前，一些对安全需要较高的场所，如军用通信线路，边境线等地区，以及一些重要设施，如天然气、石油输送管道，一般会采用分布式光纤传感的方法实现对其整个线路和管道的无盲区防护和泄露检测。
对入侵对象的空间位置定位，常采用基于萨格纳克（Sagnac）、马赫-泽德和迈克尔逊等干涉仪复用的方法。其中，在周界安防领域常采用基于马赫-泽德干涉仪的分布式光纤进行振动定位。在传统的单马赫-泽德干涉仪中，激光从干涉仪一端输入，在另一端发生干涉后输出，可以检测到振动信号，但是难以确定振动发生的位置，因此目前用于定位的多为双路马赫-泽德干涉仪装置，但是当监控范围较广，距离较长时，双路马赫-泽德装置的实际铺设线路成本就会变高，复杂度也会增加。
因此，需要提出一种基于单马赫-泽德干涉仪的光纤振动定位装置和方法，以改善传统单马赫-泽德的难定位，以及双马赫-泽德结构复杂的问题。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于编码脉冲的单马赫-泽德光纤传感振动定位方法及其装置，以解决现有马赫泽德干涉仪在光纤定位中存在的一些弊端。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于脉冲编码的光纤振动定位装置，包括激光器、光调制器、第一耦合器、参考光纤、传感光纤、第二耦合器、压电陶瓷、光电探测器、模数转换器、信号同步模块、编码模块、时钟模块、第一电压转换电路、编码信号输出模块、第二电压转换电路、光调制器驱动、数模转换器和上位机；
所述激光器输出的激光经光调制器后，输出到第一耦合器的输入端，所述第一耦合器的第一和第二输出端分别与参考光纤、传感光纤的一端相连，所述参考光纤、传感光纤的另一端分别与第二耦合器的第一和第二输入端相连，所述传感光纤的部分光纤缠绕在所述压电陶瓷上；所述第二耦合器的输出端输出的信号由所述光电探测器探测；
所述光电探测器的信号输出端与模数转换器的输入端连接，模数转换器的输出端与所述信号同步模块的输入端连接，所述信号同步模块的输出端分别与所述编码模块和数模转换器连接，所述编码模块的第一输出端通过编码信号输出模块、第二电压转换电路、光调制器驱动与所述光调制器的控制端连接，所述编码模块的第二输出端通过所述第一电压转换电路与所述压电陶瓷的输入端连接；所述时钟模块输出端分别与模数转换器、信号同步模块和编码模块的时钟输入端连接；
所述编码模块用于从第一输出端输出调制信号至所述光调制器（2），使所述激光器（1）产生的光经光调制器后，形成由N个周期为T的短脉冲构成的编码脉冲，所述编码脉冲的脉宽大于等于激光在所述传感光纤内的传输时间；所述信号同步模块用于在所述光电探测器接收到首个短脉冲信号时，激发所述编码模块从第二输出端输出触发信号至所述压电陶瓷激发其发生形变，模拟传感光纤收到的振动。
所述上位机用于解调所述光电探测器探测得到的脉冲信号，还用于统计在一个编码脉冲内，脉冲信号幅度发生明显变化前的所有的短脉冲个数n，根据短脉冲个数n计算振动点到传感光纤末端的距离L，对振动点进行定位。
所述振动点到传感光纤末端的距离L的计算公式为：L=n*T*v；
所述T为构成编码脉冲的短脉冲的周期，所述v为编码脉冲在光纤介质中传播速度。
本发明还提供了基于上述的一种基于脉冲编码的光纤振动定位装置的定位方法，包括以下步骤：
S1、通过编码模块发出调制信号至所述光调制器，使所述激光器产生的光经光调制器后，形成由N个周期为T的短脉冲构成的编码脉冲，所述编码脉冲的脉宽大于等于激光在传感光纤中的传输时间；同时通过光电探测器探测所述第二耦合器的输出信号，并通过模数转换器进行模数转换后发送到信号同步模块；
S2、当信号同步模块接收到第一个短脉冲信号时，激发所述编码模块发出触发信号，激发所述压电陶瓷发生形变，模拟传感光纤收到的振动；
S3、通过数模转换器将信号同步模块接收到的信号进行数模转换后，发送到所述上位机，通过上位机对信号进行解调后呈现，并记录信号中幅度明显变化的位置；
S4、统计在一个编码脉冲内，脉冲信号幅度发生明显变化前，所有的短脉冲个数n，根据短脉冲个数n计算振动点到传感光纤末端的距离L，对振动点进行定位。
所述步骤S4中，振动点到传感光纤末端的距离L的计算公式为：L=n*T*v；所述T为构成编码脉冲的短脉冲的周期，所述v为编码脉冲在光纤介质中传播速度。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明通过对脉冲进行编码处理，并通过同步触发压电陶瓷模拟振动，结合脉冲串计数方法对振动进行定位，克服了单马赫-泽德干涉难以对振动进行定位的问题，提出了一种用于实验研究的基于单马赫-泽德干涉仪的光纤定位装置和方法，为通过单马赫-泽德干涉进行振动定位提供了新的思路；
2、较之双（环）马赫-泽德干涉解决振动定位方法及其装置，本发明在结构方面更简单，定位精度更高。
附图说明
图1为本发明中装置的结构示意图；
图2为本发明的定位方法流程图；
图3为编码脉冲在振动发生前后的波形示意图。
图中：1为激光器；2为光调制器；3为第一耦合器；4为参考光纤；5为传感光纤；6为第二耦合器；7为压电陶瓷；8为光电探测器；9为模数转换器；10为信号同步模块；11为编码模块；12时钟模块；13为 第一电压转换电路；14为编码信号输出模块；15为第二电压转换电路；16为光调制器驱动；17为数模转换器；18为上位机；19为编码脉冲；20脉冲信号。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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作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。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于脉冲编码的光纤振动定位装置，包括激光器1、光调制器2、第一耦合器3、参考光纤4、传感光纤5、第二耦合器6、压电陶瓷7、光电探测器8、模数转换器9、信号同步模块10、编码模块11、时钟模块12、第一电压转换电路13、编码信号输出模块14、第二电压转换电路15、光调制器驱动16、数模转换器17和上位机18。
其中，所述激光器1输出的激光经光调制器2后，输出到第一耦合器3的输入端，所述第一耦合器3的第一和第二输出端分别与参考光纤4、传感光纤5的一端相连，所述参考光纤4、传感光纤5的另一端分别与第二耦合器6的第一和第二输入端相连，所述传感光纤5的部分光纤缠绕在所述压电陶瓷7上；所述第二耦合器6的输出端输出的信号由所述光电探测器8探测。
其中，所述光电探测器8的信号输出端与模数转换器9的输入端连接，模数转换器9的输出端与所述信号同步模块10的输入端连接，所述信号同步模块10的输出端分别与所述编码模块11和数模转换器17连接，所述编码模块11的第一输出端通过编码信号输出模块14、第二电压转换电路15、光调制器驱动16与所述光调制器2的控制端连接，所述编码模块11的第二输出端通过所述第一电压转换电路13与所述压电陶瓷7的输入端连接；所述时钟模块12输出端分别与模数转换器9、信号同步模块10和编码模块11的时钟输入端连接。
所述编码模块11用于从第一输出端输出调制信号至所述光调制器2，使所述激光器1产生的光经光调制器2后，形成由N个周期为T的短脉冲构成的编码脉冲，所述编码脉冲的脉宽大于等于激光在所述传感光纤5内的传输时间；所述信号同步模块10用于在所述光电探测器8接收到首个短脉冲信号时，激发所述编码模块11从第二输出端输出触发信号至所述压电陶瓷7激发其发生形变，模拟传感光纤5收到的振动。
其中，所述上位机18用于解调所述光电探测器探测得到的脉冲信号，还用于统计在一个编码脉冲内，脉冲信号20幅度发生明显变化前，所有的短脉冲个数n，根据短脉冲个数n计算振动点到传感光纤5末端的距离L，对振动点进行定位。计算公式为：L=L=n*T*v；其中，T为构成编码脉冲的短脉冲的周期，所述v为编码脉冲在光纤介质中传播速度。
本实施提出的一种基于编码脉冲的光纤振动定位装置的工作原理如下：激光器1输出端激光经光调制器2调制后，输出光场为由N个周期为T的短脉冲构成的编码脉冲，该脉冲光经分光比为50：50的1*2的第一耦合器3后，分成两束光路，这两束光分别经参考光纤4和传感器光纤后，由第二耦合器耦合后，输出到光电探测器8进行探测。模数转换器9将探测信号进行模数转换后发送到信号同步模块10，时钟模块12则控制模数转换器9、信号同步模块10、编码模块11传输脉冲信号的频率步调一致，当信号同步模块10检测到首个脉冲信号时，激发所述编码模块11发出触发信号，激发所述压电陶瓷7发生形变，模拟传感光纤5收到的振动，则相当于编码脉冲到达探测器同时，振动发生，由于振动发生后，振动引发相位改变的编码脉冲光在传感光纤5中振动点后继续传输，该相位变化后的编码脉冲光与参考光纤4中传输的原编码脉冲光在第二耦合器6中相遇，并发生干涉。因此，记录振动从产生到光电探测器探测到该振动信号这段时间，光纤内传输的编码光脉冲串数量，可以定位振动发生的位置。
参见图3，该干涉信号较振动产生前的信号其波形幅度明显发生了变化。经上位机18解调后呈现的信号可知，振动发生前，检测到的信号强度相对平稳，幅度基本保持不变，振动发生时，由于振动引起了光相位的变化，而后又发生了干涉，使得采集到的信号会在幅度上呈现较大的变化。因此，通过上位机进行解调后的信号包含了振动传输到传感光纤4末端的时间信号，只需要统计在一个完整编码脉冲内，脉冲信号20幅度发生明显变化前所有的短脉冲个数n，即通过公式：L=n*T*v对振动点进行定位。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
此外，本发明实施例还提供了上述的一种基于脉冲编码的光纤振动定位装置的定位方法，包括以下步骤：
S101、通过编码模块11发出调制信号至所述光调制器2，使所述激光器1产生的光经光调制器2后，形成由N个周期为T的短脉冲构成的编码脉冲19，所述编码脉冲的脉宽大于等于脉冲光在传感光纤5内的传输时间；编码脉冲19经第一耦合器3后分为两束，这两束光分别经参考光纤和传感光纤后由第二耦合器耦合，同时通过光电探测器8探测所述第二耦合器6的输出信号，并通过模数转换器9进行模数转换后发送到信号同步模块10。
S102、当信号同步模块10接收到第一个短脉冲信号时，激发所述编码模块11发出触发信号，激发所述压电陶瓷7发生形变，模拟传感光纤5收到的振动。
当采集到编码脉冲19的首个短脉冲信号时，信号同步模块10激发编码模块11发出一个触发信号，该信号经第一电压转换电路13调节电压后，激发压电陶瓷7发生形变，模拟传感光纤5某点收到振动的情形。
S103、通过数模转换器17将信号同步模块10接收到的信号进行数模转换后，发送到所述上位机18，通过上位机18对信号进行解调后呈现，并记录信号中幅度明显变化的位置。
振动产生后，振动引发相位改变的编码脉冲光在传感光纤5中振动点后继续传输，该相位变化后的编码脉冲光与参考光纤4中传输的原编码脉冲光在第二耦合器6中相遇，并发生干涉。因此，通过光电探测器可以探测到该干涉发生前的脉冲信号，以及干涉发生时的干涉信号。经上位机18解调后呈现的信号可知，振动发生前，检测到的信号强度相对平稳，幅度基本保持不变，振动发生时，由于振动引起了光相位的变化，而后又发生了干涉，使得采集到的信号会在幅度上呈现较大的变化，记录信号中该幅度明显变化的位置。
S104、统计在一个编码脉冲内，脉冲信号20幅度发生明显变化前，所有的短脉冲个数n，根据短脉冲个数n计算振动点到传感光纤5末端的距离L，对振动点进行定位。
振动发生后编码脉冲自振动点传输到光纤末端的时间t=n*T，再计算该时间与编码脉冲在光纤介质中传播速度v的乘积L=t*v，即推算出振动点到传感光纤5末端的距离，从而进行振动点的定位。因此振动点到传感光纤5末端的距离L的计算公式为：L=n*T*v；所述T为构成编码脉冲的短脉冲的周期，所述v为编码脉冲在光纤介质中传播速度。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种基于脉冲编码的光纤振动定位装置，其特征在于，包括激光器（1）、光调制器（2）、第一耦合器（3）、参考光纤（4）、传感光纤（5）、第二耦合器（6）、压电陶瓷（7）、光电探测器（8）、模数转换器（9）、信号同步模块（10）、编码模块（11）、时钟模块（12）、第一电压转换电路（13）、编码信号输出模块（14）、第二电压转换电路（15）、光调制器驱动（16）、数模转换器（17）和上位机（18）；
所述激光器（1）输出的激光经光调制器（2）后，输出到第一耦合器（3）的输入端，所述第一耦合器（3）的第一和第二输出端分别与参考光纤（4）、传感光纤（5）的一端相连，所述参考光纤（4）、传感光纤（5）的另一端分别与第二耦合器（6）的第一和第二输入端相连，所述传感光纤（5）的部分光纤缠绕在所述压电陶瓷（7）上；所述第二耦合器（6）的输出端输出的信号由所述光电探测器（8）探测；
所述光电探测器（8）的信号输出端与模数转换器（9）的输入端连接，模数转换器（9）的输出端与所述信号同步模块（10）的输入端连接，所述信号同步模块（10）的输出端分别与所述编码模块（11）和数模转换器（17）连接，所述编码模块（11）的第一输出端通过编码信号输出模块（14）、第二电压转换电路（15）、光调制器驱动（16）与所述光调制器（2）的控制端连接，所述编码模块（11）的第二输出端通过所述第一电压转换电路（13）与所述压电陶瓷（7）的输入端连接；所述时钟模块（12）输出端分别与模数转换器（9）、信号同步模块（10）和编码模块（11）的时钟输入端连接；
所述编码模块（11）用于从第一输出端输出调制信号至所述光调制器（2），使所述激光器（1）产生的光经光调制器（2）后，形成由N个周期为T的短脉冲构成的编码脉冲，所述编码脉冲的脉宽大于等于激光在所述传感光纤（5）内的传输时间；所述信号同步模块（10）用于在所述光电探测器（8）接收到首个短脉冲信号时，激发所述编码模块（11）从第二输出端输出触发信号至所述压电陶瓷（7）激发其发生形变，模拟传感光纤（5）收到的振动；所述上位机（18）用于解调所述光电探测器探测得到的脉冲信号，还用于统计在一个编码脉冲内，脉冲信号幅度发生明显变化前的所有的短脉冲个数n，根据短脉冲个数n计算振动点到传感光纤（5）末端的距离L，对振动点进行定位。
2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲编码的光纤振动定位装置，其特征在于，所述振动点到传感光纤（5）末端的距离L的计算公式为：L=n*T*v；所述T为构成编码脉冲的短脉冲的周期，所述v为编码脉冲在光纤介质中传播速度。
3.根据权利要求1所述的一种基于脉冲编码的光纤振动定位装置的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过编码模块（11）发出调制信号至所述光调制器（2），使所述激光器（1）产生的光经光调制器（2）后，形成由N个周期为T的短脉冲构成的编码脉冲，所述编码脉冲的脉宽大于等于激光在传感光纤（5）中的传输时间；同时通过光电探测器（8）探测所述第二耦合器（6）的输出信号，并通过模数转换器（9）进行模数转换后发送到信号同步模块（10）；
S2、当信号同步模块（10）接收到第一个短脉冲信号时，激发所述编码模块（11）发出触发信号，激发所述压电陶瓷（7）发生形变，模拟传感光纤（5）收到的振动；
S3、通过数模转换器（17）将信号同步模块（10）接收到的信号进行数模转换后，发送到所述上位机（18），通过上位机（18）对信号进行解调后呈现，并记录信号中幅度明显变化的位置；
S4、统计在一个编码脉冲内，脉冲信号（20）幅度发生明显变化前，所有的短脉冲个数n，根据短脉冲个数n计算振动点到传感光纤（5）末端的距离L，对振动点进行定位。
4.根据权利要求3所述的一种基于脉冲编码的光纤振动定位装置的定位方法，其特征在于，所述步骤S4中，振动点到传感光纤（5）末端的距离L的计算公式为：
L=n*T*v；
所述T为构成编码脉冲的短脉冲的周期，所述v为编码脉冲在光纤介质中传播速度。
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