CN109596205B - 一种基于延时光纤的双脉冲光纤振动传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于延时光纤的双脉冲光纤振动传感方法，属于光纤传感技术领域。本方法通过加入延时光纤形成具有重叠部分的两束探测光脉冲，从两束脉冲的瑞利散射光的干涉信号中，实现传感光纤上相位变化的解调，从而得到振动信息，实现了分布式多点传感。本系统省去了相干检测、干涉仪等结构，通过直接检测方式进行相位信息的提取，大大简化了系统配置，解调方式简单快速，降低了总体成本,提高了信噪比和灵敏度。

Description

一种基于延时光纤的双脉冲光纤振动传感方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于延时光纤的双脉冲光纤振动传感方法。

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。由于传统OTDR系统使用的是窄线宽激光器，散射光之间会产生干涉。假定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。

但传统的光纤传感技术中，由于需要的光学器件多，且需要相干检测结构，较为复杂，信噪比和灵敏度不高，且运行成本较高。

发明内容

本发明的目的在于：解决传统光纤传感技术方法复杂，运行成本高的问题，提供一种基于延时光纤的双脉冲光纤振动传感方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于延时光纤的双脉冲光纤振动传感方法，装置包括激光光源，脉冲调制器，光放大器EDFA，耦合器一，延时光纤，耦合器二，环形器，传感光纤，光电探测器，信号采集与处理系统，同轴电缆；

连接方式：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，光放大器的输出接入耦合器一的1端口，耦合器一的2端口与延时光纤的输入端相连，耦合器一的3端口接入耦合器二的2端口，延时光纤的输出端与耦合器二的1端口相连，耦合器二的3端口接入与环行器的1端口相连，环行器的2端口接入传感光纤，环行器的3端口接入光电探测器，脉冲调制器的触发信号通过同轴电缆传输至信号采集与处理系统并触发系统工作，光电探测器将光信号转换为电信号传入信号采集与处理系统进行计算处理，得出待解调相位信息，实现分布式传感。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中，采用直接检测系统结构，无需使用附加的光学元件和相干检测结构也能实现较为精准的相位解调，大大降低了系统的复杂性。

2、本方法中使用的双脉冲光由脉冲调制器输出的单脉冲光通过耦合器分成两路，其中一路经过一段延时光纤再进入下一个耦合器与另外一路直接送入下一个耦合器的光耦合产生，可通过调节延时光纤的长度来控制生成的脉冲对的间隔，无需使用特定的双脉冲调制器，减少了系统成本。

3、本方法使用相位解调算法，得到传感光纤上各点因振动而产生的相位变化,实现多点分布式传感，在直接检测方案的情况下提供了相位解调方案，使相位信息被正确地解调出来，提高了信噪比和灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明基于延时光纤的双脉冲光纤振动传感方法的装置结构示意图；

图2为本发明基于延时光纤的双脉冲光纤振动传感方法的脉冲对散射轨迹示意图；

图中标记：1-激光光源，2-脉冲调制器，3-光放大器EDFA，4-耦合器一，5-延时光纤，6-耦合器二，7-环形器，8-传感光纤，9-光电探测器，10-信号采集与处理系统，11-同轴电缆，12-散射轨迹扰动上游，13-散射轨迹扰动中心，14-散射轨迹扰动下游。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明原理：

1.双脉冲探测信号由两个具有相同的峰值功率，相同的脉冲宽度和相同的光频率的单脉冲光信号以一定间隔叠加产生，由此产生的后向瑞利散射光场基本是由两个单脉冲光分别产生的后向瑞利散射光的干涉形成，脉冲调制器2每发射一个光脉冲，在耦合器二6中产生一个光脉冲对，可获得由两个单独的后向瑞利散射光场干涉而形成的一条后向瑞利散射光强度轨迹，由于脉冲对的两个脉冲之间存在一定间隔，则两条单独的散射轨迹之间存在一定时间延迟，延迟距离即为延迟光纤的长度L，则延迟时间Δt为：

Δt＝nL/c (1)

其中n是延时光纤5折射率，L是延时光纤5长度，c是真空光速；

2.脉冲调制器2的触发信号通过同轴电缆传输至信号采集与处理系统10，当脉冲调制器2发出光脉冲时，信号采集与处理系统10开始信号采集，采集开始后，光纤位置z_n处产生的后向瑞利散射光到达光电探测器的时间t_n为：

t_n＝2nz_n/c (2)

其中n是传感光纤8折射率，c是真空光速，当信号采集与处理系统10通过光电探测器获得时域信号t_n后，根据上式(2)即可将时域信号的时间点映射到光纤上的各个位置点z_n，实现定位，确定振动点振动区域；

3.当单脉冲激光在传感光纤中传播时，在光纤z位置处产生的后向瑞利散射光可以表示为：

式中A、ω、λ、n分别为瑞利散射光的振幅、角频率、波长和传感光纤折射率。

如图1所示：装置包括：激光光源1、脉冲调制器2、光放大器EDFA 3、耦合器一4、延时光纤5、耦合器二6、环形器7、传感光纤8、光电探测器9、信号采集与处理系统10和同轴电缆11；

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的输出接入耦合器一4的1端口，耦合器一4的2端口与延时光纤5的输入端相连，耦合器一4的3端口接入耦合器二6的2端口，延时光纤5的输出端与耦合器二6的1端口相连，耦合器二6的3端口接入与环行器7的1端口相连，环行器7的2端口接入传感光纤8，环行器7的3端口接入光电探测器9，脉冲调制器2的触发信号通过同轴电缆11传输至信号采集与处理系统10并触发系统工作，光电探测器将光信号转换为电信号分别传入信号采集与处理系统10进行计算处理；

所述延时光纤5的长度可调，但延时时间不能超过光脉冲脉宽长度，以保证分出的两束光脉冲有重叠,同时需保证脉冲对间隔大于振动事件的干扰范围，且不超过相干长度，则能在该情况下进行相位解调；所述耦合器一4和耦合器二6分光比为1:1。

本发明具体实施步骤：

步骤1：获取两条具有时间差的脉冲对，脉冲对产生的后向瑞利散射光场之间发生干涉；

步骤1具体为：

激光光源1发出的连续光经过脉冲调制器2调制为光脉冲信号；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一4分成两路光；一路光通过延时光纤5进入耦合器二6，另一路光直接进入耦合器二6，两路光脉冲通过耦合器二6合成光脉冲对，再通过环形器7先后注入传感光纤8，在传感光纤8上发生后向瑞利散射信号干涉。

步骤2：确定干涉轨迹中振动事件发生的位置——扰动中心；

步骤2具体为：

根据表达式：

t_n＝2nz_n/c (1)

其中n是传感光纤8折射率，c是真空光速，t_n是光纤位置z_n处产生的后向瑞利散射光到达光电探测器的时间，当信号采集与处理系统10通过光电探测器获得时域信号t_n后，根据表达式(1)即可将时域信号的时间点映射到光纤上的各个位置点z_n，最终表示成多条随光纤距离变化的散射强度轨迹，将采集到的多条散射信号利用振幅差分算法实现振动定位，确定振动事件的位置，即扰动中心。

步骤3：在扰动中心附近选取两个干涉点，根据两个干涉点的干涉光场推导干涉光场强度；

步骤3具体包括：

步骤3.1：传感光纤8中一条后向瑞丽散射光形成一条散射轨迹，将一条散射轨迹分为扰动上游、扰动中心以及扰动下游三个区域，则在传感光纤8的位置z处，一个脉冲产生的一条单独的散射轨迹的光场表示为：

式中A、ω、λ、n分别为瑞利散射光的振幅、角频率、波长和传感光纤折射率，M是位置z处第一散射中心的指数，a_k和

是散射中心k的随机振幅和相位，z_k是散射中心k的位置，N₁是位置z处扰动上游散射中心数量，N₂是扰动范围内散射中心的数量，N₃是扰动下游散射中心的数量；

如图2所示：脉冲对的散射轨迹中，经延时光纤5和不经延时光纤5的两个单脉冲产生的两条单独的散射轨迹分别为轨迹1和轨迹2，两条单独的散射轨迹间除了存在一定的时间延迟以外，大致相同。A部分为扰动中心，轨迹1的下游部分与轨迹2的上游部分之间是发生干涉的关键迹线部分B，关键部分B两条轨迹均与扰动中心相邻，轨迹2扰动上游部分不发生相位变化，轨迹1扰动下游部分发生相位变化θ，C部分表示脉冲对轨迹的时间延迟，则在干涉关键部分取干涉点一和干涉点二；

进一步地，步骤3.2：干涉点一的干涉光场为：

干涉点二的干涉光场为：

式中，θ为外界振动导致的瑞利散射光的相位变化，M₁为干涉点一处第一散射中心指数，N₁₁为干涉点一处扰动上游散射中心数量，N₂₁为干涉点一处扰动范围内散射中心的数量，N₃₁为干涉点一处扰动下游散射中心的数量，M₂为干涉点二处第一散射中心指数，N₁₂为干涉点二处扰动上游散射中心数量，N₂₂为干涉点二处扰动范围内散射中心的数量，N₃₂为干涉点二处扰动下游散射中心的数量；

根据表达式(3)(4)，利用一些代数将干涉光场化简为如下形式：

式中：

进一步地，步骤3.3：根据干涉光场的强度表达式：I_j(t)＝E_jE_j ^*，则干涉点一和干涉点二干涉光场强度分别为：

I_j(t)＝E_1j(t)²+E_2j(t)²+2E_1j(t)E_2j(t)cos(ψ_2j(t)-ψ_1j(t)+θ(t)),j＝1,2 (8)

进一步地，步骤3.4：通过拟合I_j(t)的上下包络来化简并去掉E_1j(t)、E_2j(t)、ψ_2j(t)、ψ_1j(t)分量，其中E_1j(t)²+E_2j(t)²可以使用包络平均来估计，2E_1j(t)E_2j(t)可以使用包络差来估计，这样处理后可以得到如下强度表达式：

I_j(t)＝cos(ψ_2j(t)-ψ_1j(t)+θ(t)),j＝1,2 (9)

步骤4：计算两个干涉点的干涉光场强度和与干涉光场强度差；

步骤4具体包括：

步骤4.1：根据表达式(9)将两个位置处的光场强度做相加与相减处理，得到下面的表达式：

式中，S(t)表示光场强度之和，D(t)表示光场强度之差；

进一步地，步骤4.2：再次利用包络拟合的方式去掉表达式(10)等式右边的第一项，得到一对包含所需的待解调相位的正交信号：

步骤5：对干涉光场强度和与干涉光场强度差的商作反三角函数变换，求得待解调相位和漂移相位；

步骤5具体为：

将表达式(11)中S(t)与D(t)两式相除后的商作反三角函数变换，得到带有待解调相位和漂移相位的表达式：

步骤6：分离待解调相位信息θ(t)，实现分布式传感。

步骤6具体为：

表达式(12)中包含了待解调相位信息和漂移相位信息，根据信号采集与处理系统10测得的干涉光场强度，计算出相位信息，经过高通或低通滤波处理，分离出待解调相位信息θ(t)。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于延时光纤的双脉冲光纤振动传感方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：获取两条具有时间差的脉冲对，脉冲对产生的后向瑞利散射光场之间发生干涉；

步骤2：确定干涉轨迹中振动事件发生的位置——扰动中心；

步骤3：在扰动中心附近选取两个干涉点，根据两个干涉点的干涉光场推导出包含带解调相位信息的干涉光场强度，具体包括：

步骤3.1：传感光纤中一条后向瑞利散射光形成一条散射轨迹，将一条散射轨迹分为扰动上游、扰动中心以及扰动下游三个区域，则在传感光纤的位置z处，一个脉冲产生的一条单独的散射轨迹的光场表示为：

式中A、ω、λ、n分别为瑞利散射光的振幅、角频率、波长和传感光纤折射率，M是位置z处第一散射中心的指数，a_k和

是散射中心k的随机振幅和相位，z_k是散射中心k的位置，N₁是位置z处扰动上游散射中心数量，N₂是扰动范围内散射中心的数量，N₃是扰动下游散射中心的数量；

脉冲对的散射轨迹中，经过延时光纤的散射轨迹扰动上游与不经过延时光纤的散射轨迹扰动下游均与扰动中心相邻，扰动上游不发生相位变化，扰动下游发生相位变化θ，形成一个干涉关键部分，则在关键部分取干涉点一和干涉点二；

步骤3.2：干涉点一的干涉光场为：

干涉点二的干涉光场为：

式中，θ为外界振动导致的瑞利散射光的相位变化，M₁为干涉点一处第一散射中心指数，N₁₁为干涉点一处扰动上游散射中心数量，N₂₁为干涉点一处扰动范围内散射中心的数量，N₃₁为干涉点一处扰动下游散射中心的数量，M₂为干涉点二处第一散射中心指数，N₁₂为干涉点二处扰动上游散射中心数量，N₂₂为干涉点二处扰动范围内散射中心的数量，N₃₂为干涉点二处扰动下游散射中心的数量；

根据表达式(2)(3)，利用一些代数将干涉光场化简为如下形式：

式中：

步骤3.3：根据干涉光场的强度表达式：I_j(t)＝E_jE_j ^*，则干涉点一和干涉点二干涉光场强度分别为：

I_j(t)＝E_1j(t)²+E_2j(t)²+2E_1j(t)E_2j(t)cos(ψ_2j(t)-ψ_1j(t)+θ(t)),j＝1,2 (7)

步骤3.4：通过拟合I_j(t)的上下包络来化简并去掉E_1j(t)、E_2j(t)、ψ_2j(t)、ψ_1j(t)分量，其中E_1j(t)²+E_2j(t)²可以使用包络平均来估计，2E_1j(t)E_2j(t)可以使用包络差来估计，这样处理后可以得到如下强度表达式：

I_j(t)＝cos(ψ_2j(t)-ψ_1j(t)+θ(t)),j＝1,2 (8)；

步骤4：计算两个干涉点的干涉光场强度和与干涉光场强度差；

步骤5：对干涉光场强度和与干涉光场强度差的商作反三角函数变换，求得待解调相位和漂移相位；

步骤6：分离待解调相位信息，实现分布式传感。

2.根据权利要求1所述的一种基于延时光纤的双脉冲光纤振动传感方法，其特征在于，所述步骤1-步骤6对应的装置包括：激光光源(1)、脉冲调制器(2)、光放大器EDFA(3)、耦合器一(4)、延时光纤(5)、耦合器二(6)、环形器(7)、传感光纤(8)、光电探测器(9)、信号采集与处理系统(10)和同轴电缆(11)；

激光光源(1)、脉冲调制器(2)、光放大器(3)、耦合器一(4)、耦合器二(6)、环行器(7)和传感光纤(8)依次连接，耦合器一(4)与耦合器二(6)之间连接普通光纤和延时光纤(5)；环行器(7)还与光电探测器(9)、信号采集与处理系统(10)依次相连，脉冲调制器(2)通过同轴电缆(11)与信号采集与处理系统(10)相连；

所述延时光纤(5)的长度可调，但延时时间不能超过光脉冲脉宽长度，以保证分出的两束光脉冲有重叠,同时需保证脉冲对间隔大于振动事件的干扰范围，且不超过相干长度，则能在该情况下进行相位解调；所述耦合器一(4)和耦合器二(6)分光比为1:1。

3.根据权利要求1所述的一种基于延时光纤的双脉冲光纤振动传感方法，其特征在于，所述步骤1具体为：

激光光源(1)发出的连续光经过脉冲调制器(2)调制为光脉冲信号；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一(4)分成两路光；一路光通过延时光纤(5)进入耦合器二(6)，另一路光直接进入耦合器二(6)，两路光脉冲通过耦合器二(6)合成光脉冲对，再通过环形器(7)注入传感光纤(8)，在传感光纤(8)上发生后向瑞利散射信号干涉。

4.根据权利要求1所述的一种基于延时光纤的双脉冲光纤振动传感方法，其特征在于，所述步骤2具体为：

根据表达式：

t_n＝2nz_n/c (9)

其中n是传感光纤(8)折射率，c是真空光速，t_n是光纤位置z_n处产生的后向瑞利散射光到达光电探测器的时间，当信号采集与处理系统(10)通过光电探测器获得时域信号t_n后，根据表达式(9)即可将时域信号的时间点映射到光纤上的各个位置点z_n，最终表示成多条随光纤距离变化的散射强度轨迹，再将采集到的多条散射信号利用振幅差分算法实现振动定位，确定振动事件发生的位置，即扰动中心。

5.根据权利要求1所述的一种基于延时光纤的双脉冲光纤振动传感方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：

步骤4.1：根据表达式(8)将两个位置处的光场强度做相加与相减处理，得到下面的表达式：

式中，S(t)表示光场强度之和，D(t)表示光场强度之差；

步骤4.2：再次利用包络拟合的方式去掉表达式(10)等式右边的第一项，得到一对包含所需的待解调相位的正交信号：

6.根据权利要求5所述的一种基于延时光纤的双脉冲光纤振动传感方法，其特征在于，所述步骤5具体为：

将表达式(11)中S(t)与D(t)两式相除后的商作反三角函数变换，得到带有待解调相位和漂移相位的表达式：

7.根据权利要求6所述的一种基于延时光纤的双脉冲光纤振动传感方法，其特征在于，所述步骤6具体为：

表达式(12)中包含了待解调相位信息和漂移相位信息，根据信号采集与处理系统(10)测得的干涉光场强度，计算出相位信息，经过高通或低通滤波处理，分离出待解调相位信息θ(t)。

Images