CN109974836A - 一种提高φ-OTDR频率响应的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了分布式光纤传感器技术领域的一种提高φ‑OTDR频率响应的装置及方法，激光器连接到分光器(1×2)输入端，分光器输出端Out1依次连接声光调制器(AOM)、掺铒光纤放大器1(EDFA1)、光环形器端口1，光环形器端口2连接到传感光缆纤芯3，光环形器端口3依次连接掺铒光纤放大器2(EDFA2)、光电探测器2、数据采集模块2和处理服务器；报警准确性更高：但外界有振动时，迈克尔逊干涉系统能够探测捕捉到振动事件完整频谱，与入侵事件模板库进行匹配，能够精确识别出振动事件类型，提高报警准确性；同时，φ‑OTDR系统能够快速检测到振动及振源位置，同时保存振动点位部分频谱。
Description
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感器技术领域，具体为一种提高φ-OTDR频率响应的装置及方法。
背景技术
分布式光纤传感系统具备小巧、无源、抗电磁干扰、抗腐蚀等一系列优势，基于瑞利散射的相干光时域反射技术(φ-OTDR，定位型振动光纤系统)又有着长距传输、高灵敏度、精确定位的优势，振动光纤，特别是φ-OTDR系统越来越多的被应用在石油、军事和安防等领域。
然而φ-OTDR测量的是脉冲瑞利散射光，相邻脉冲的瑞利散射光之间不能有重叠，这就导致了脉冲扫描频率收到传感光缆长度(L)的限制，其关系为而根据香农采样定理，当系统扫描频率为ScanRatemax 时，系统最大能探测到的信号频率为ScanRatemax/2，这就导致了传统φ-OTDR 系统不能探测到频率大于ScanRatemax/2的信号，对于φ-OTDR典型的50km探测距离来算，扫描频率最大为2kHz，系统最大可探测频率为1KHz，对于1kHz 以上的信号系统就无法准确探测到，这就导致了算法无法准确的对振动信号做精确判断，降低了系统报警准确性。目前还没有很好地处理方式，公开的方法有多波长注入的方式(参见《基于多脉冲多波长的分布式光纤传感系统及方法》，公开号：109282839A)，该方法虽然能提高系统探测带宽，但系统成本显著提高(目前在φ-OTDR系统中，窄线宽激光器、声光调制器、φ-OTDR用光电探测器占到系统总造价的50％以上)，每增加一路光注入就要增加约50％的成本；若共用激光器又会降低系统带载能力，传输距离显著降低；
为此，我们提出一种提高φ-OTDR频率响应的装置及方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高φ-OTDR频率响应的装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种提高φ-OTDR频率响应的装置，包括φ-OTDR和迈克尔逊干涉融合系统，所述φ-OTDR系统构成包括：激光器连接到分光器(1×2)输入端，分光器输出端Out1依次连接声光调制器(AOM)、掺铒光纤放大器1(EDFA1)、光环形器端口1，光环形器端口2连接到传感光缆纤芯3，光环形器端口3依次连接掺铒光纤放大器2(EDFA2)、光电探测器2、数据采集模块2和处理服务器；
所述迈克尔逊干涉系统构成包括：激光器连接到分光器(1×2)，分光器输出端Out2连接光耦合器(2×2)输入端In2，光耦合器的输出端Out1、Out2分别连接传感光缆纤芯1和纤芯2，纤芯1、纤芯2尾端分别接法拉第旋镜1、法拉第旋镜2，反射回光经分光器In1端口接到光电探测器1、数据采集模块1和处理服务器。
φ-OTDR系统和迈克尔逊干涉仪两套系统同时工作，φ-OTDR系统用来定位及辅助振动识别，迈克尔逊干涉仪主要用来行为识别。当外界存在振动，迈克尔逊干涉系统探测到振动且与入侵事件模板库匹配上时，从φ-OTDR系统中来得到振源位置信息；当探测到振动没有与入侵事件模板库匹配上时，则不会去考虑φ-OTDR系统计算结果；当φ-OTDR系统探测到多个振源时，则根据每个位置的φ-OTDR部分频谱与迈克尔逊完整频谱做欧氏距离，欧氏距离最短点即为入侵点。
优选的，所述激光器1为窄线宽光纤激光器，工作波长为1550nm，其线宽不大于1KHz。
优选的，所述分光器为为1×2，工作波长为1550nm，分光比Out2:Out1不大于2:98。
优选的，所述光耦合器为2×2光耦合器，工作波长为1550nm，两端分光比均为50:50。
优选的，所述数据采集模块1，其采样频率不低于40kHz。
优选的，所述传感光缆其纤芯数不少于4芯，且φ-OTDR系统和迈克尔逊干涉系统传感缆共用一根光缆。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、该提高φ-OTDR频率响应的装置及方法，报警准确性更高：当外界有振动时，迈克尔逊干涉系统能够探测捕捉到振动事件完整频谱，与入侵事件模板库进行匹配，能够精确识别出振动事件类型，提高报警准确性；同时，φ-OTDR 系统能够快速检测到振动及振源位置，同时保存振动点位部分频谱；当探测到振动没有与入侵事件模板库匹配上时，则不会去考虑φ-OTDR系统计算结果，降低误报；当φ-OTDR系统探测到多个振源时，则根据每个位置的φ-OTDR部分频谱与迈克尔逊完整频谱做欧氏距离，欧氏距离最短点即为入侵点；
2、低成本：迈克尔逊干涉仪只需分到激光器1％的回光即可，对φ-OTDR系统造成的影响可以忽略不计，两芯光缆和四芯光缆的成本相差也很小，整套的系统的成本增加可以控制在10％以内，具有很强实用性。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明φ-OTDR部分频谱和迈克尔逊完整频谱做欧氏距离示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做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。
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种提高φ-OTDR频率响应的装置，包括φ-OTDR和迈克尔逊干涉融合系统，φ-OTDR系统构成包括：激光器连接到分光器(1×2)输入端，分光器输出端Out1依次连接声光调制器(AOM)、掺铒光纤放大器1(EDFA1)、光环形器端口1，光环形器端口2连接到传感光缆纤芯3，光环形器端口3依次连接掺铒光纤放大器2(EDFA2)、光电探测器2、数据采集模块2和处理服务器；
迈克尔逊干涉系统构成包括：激光器连接到分光器(1×2)，分光器输出端 Out2连接光耦合器(2×2)输入端In2，光耦合器的输出端Out1、Out2分别连接传感光缆纤芯1和纤芯2，纤芯1、纤芯2尾端分别接法拉第旋镜1、法拉第旋镜2，反射回光经分光器In1端口接到光电探测器1、数据采集模块1和处理服务器。
φ-OTDR系统和迈克尔逊干涉仪两套系统同时工作，φ-OTDR系统用来定位及辅助振动识别，迈克尔逊干涉仪主要用来行为识别。当外界存在振动，迈克尔逊干涉系统探测到振动且与入侵事件模板库匹配上时，从φ-OTDR系统中来得到振源位置信息；当探测到振动没有与入侵事件模板库匹配上时，则不会去考虑φ-OTDR系统计算结果；当φ-OTDR系统探测到多个振源时，则根据每个位置的φ-OTDR部分频谱与迈克尔逊完整频谱做欧氏距离，欧氏距离最短点即为入侵点。
其中，激光器1为窄线宽光纤激光器，工作波长为1550nm，其线宽不大于 1KHz；
分光器为为1×2，工作波长为1550nm，分光比Out2:Out1不大于2:98；
光耦合器为2×2光耦合器，工作波长为1550nm，两端分光比均为50:50；
数据采集模块1，其采样频率不低于40kHz；
传感光缆其纤芯数不少于4芯，且φ-OTDR系统和迈克尔逊干涉系统传感缆共用一根光缆。
实施例：假定光缆长度50km，φ-OTDR系统以脉冲方式工作，扫描频率2kHz，每发射512个脉冲处理一次数据；迈克尔逊干涉系统工作在连续模式下，采样率50KHz(为了匹配二者的频率分辨率，方便计算得到欧氏距离)，每100ms(5k 次采样)处理一次数据，两个系统均是回光经光电探测器到数据采集模块，最后由处理服务器来处理分析数据：
一种提高φ-OTDR频率响应的装置及方法，包括如下步骤，
S1：迈克尔逊干涉系统每采集100ms，对5k数据做快速傅里叶变换(FFT)，得到频谱f1，频率分辨率4Hz，频率范围0～20kHz；
S2：φ-OTDR系统每采集250ms，对512数据做FFT，得到各个位置的频谱 f2(x)，x代表光缆位置(m)，频率分辨率4Hz，频率范围0～1kHz；
S3：当系统探测到振动(通过过零和峰值判断)，将频谱f1带入算法，与入侵事件模板做匹配，判断事件是否为有效入侵事件：
A：若是入侵事件且φ-OTDR系统仅探测到一个点位振动置，该点即为入侵事件点，报警入侵事件；
B：若是入侵事件且φ-OTDR系统探测到多个点位振动，则需要计算每个点位部分频谱与迈克尔逊干涉完整频谱的欧氏距离，如图2φ-OTDR部分频谱和迈克尔逊完整频谱做欧氏距离示意图所示，φ-OTDR部分频谱和迈克尔逊完整频谱覆盖的频率范围不一样，要计算频谱欧式距离的话就需要截取二者频谱相交的部分(右边图)，频点一一对应，计算公式如下：
其中，f1(i)为频谱f1第i点位频率模值，f2(x，i)为频谱f2(x)第i点位频率模值，dx是位置x处与迈克尔逊完整频谱之间的欧氏距离，通过排序比对得到min(dx)， x即为入侵点位，报警入侵事件
C：若事件不是入侵事件，则视为干扰信号，忽略该事件；
S4：进入下一循环重复步骤1-3，通过以上的步骤，系统可以对信号无频率损失采集处理，能够显著提高系统报警准确性。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种提高φ-OTDR频率响应的装置，包括φ-OTDR和迈克尔逊干涉融合系统，其特征在于：所述φ-OTDR系统构成包括：激光器连接到分光器(1×2)输入端，分光器输出端Out1依次连接声光调制器(AOM)、掺铒光纤放大器1(EDFA1)、光环形器端口1，光环形器端口2连接到传感光缆纤芯3，光环形器端口3依次连接掺铒光纤放大器2(EDFA2)、光电探测器2、数据采集模块2和处理服务器：
所述迈克尔逊干涉系统构成包括：激光器连接到分光器(1×2)，分光器输出端Out2连接光耦合器(2×2)输入端In2，光耦合器的输出端Out1、Out2分别连接传感光缆纤芯1和纤芯2，纤芯1、纤芯2尾端分别接法拉第旋镜1、法拉第旋镜2，反射回光经分光器In1端口接到光电探测器1、数据采集模块1和处理服务器。
φ-OTDR系统和迈克尔逊干涉仪两套系统同时工作，φ-OTDR系统用来定位及辅助振动识别，迈克尔逊干涉仪主要用来行为识别。当外界存在振动，迈克尔逊干涉系统探测到振动且与入侵事件模板库匹配上时，从φ-OTDR系统中来得到振源位置信息；当探测到振动没有与入侵事件模板库匹配上时，则不会去考虑φ-OTDR系统计算结果；当φ-OTDR系统探测到多个振源时，则根据每个位置的φ-OTDR部分频谱与迈克尔逊完整频谱做欧氏距离，欧氏距离最短点即为入侵点。
2.根据权利要求1所述的一种提高φ-OTDR频率响应的装置，其特征在于：所述激光器1为窄线宽光纤激光器，工作波长为1550nm，其线宽不大于1KHz。
3.根据权利要求1所述的一种提高φ-OTDR频率响应的装置，其特征在于：所述分光器为为1×2，工作波长为1550nm，分光比Out2:Out1不大于2:98。
4.根据权利要求1所述的一种提高φ-OTDR频率响应的装置，其特征在于：所述光耦合器为2×2光耦合器，工作波长为1550nm，两端分光比均为50:50。
5.根据权利要求1所述的一种提高φ-OTDR频率响应的装置，其特征在于：所述数据采集模块1，其采样频率不低于40kHz。
6.根据权利要求1所述的一种提高φ-OTDR频率响应的装置，其特征在于：所述传感光缆其纤芯数不少于4芯，且φ-OTDR系统和迈克尔逊干涉系统传感缆共用一根光缆。
7.一种提高φ-OTDR频率响应的装置及方法包括如下步骤，
S1：迈克尔逊干涉系统工作在连续模式下，数据采集模块1采样率不低于40kHz，处理服务器将数据采集模块1采集到信号分成100ms一个包做快速傅里叶变换(FFT)，得到完整频谱(频率范围0～20kHz)；
S2：φ-OTDR系统以脉冲方式工作，其最大扫描频率(ScanRatemax)与光缆长度(L)有关，其关系为处理服务器将数据采集模块2采集到的信号分成250ms一个包做FFT，计算各个特征值，同时保存部分频谱(频率范围0～ScanRatemax/2)；
S3：根据迈克尔逊完整频谱与样本库中的入侵事件逐一匹配，根据φ-OTDR系统的特征值来判断是否有振动及振源位置；
S4：若迈克尔逊完整频谱与样本库中的入侵事件匹配上，从φ-OTDR系统中来得到振源位置信息；当φ-OTDR系统探测到多个振源时，则根据每个位置的φ-OTDR部分频谱与迈克尔逊完整频谱做欧氏距离，欧氏距离最短点即为入侵点；
S5：当探测到振动没有与入侵事件模板库匹配上时，则不会去考虑φ-OTDR系统计算结果，进入下一循环重复步骤S1-S4。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20190705 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |