CN110132329B - 应力、温度和振动复合检测光纤传感器及信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种应力、温度和振动复合检测光纤传感器及信号处理方法，将激光分为两束，第一束光中取部分光为本振光，剩余部分经声光调制器后由传感光纤首端入射，第二束光经电光调制器变频后，一部分从传感光纤尾端入射，另一部分作为参考光入射参考光纤；在传感光纤首端，背向传输的光通过滤波光栅，其中反射光与本振光干涉，被探测后经降频解调被采集为信号1，透射光中一部分直接被探测并采集为信号2，另一部分与参考光干涉，再被探测并采集为信号3；对信号1进行包络去噪，使用小波信息熵算法得到振动位置，对信号2进行拟合得到应力或温度分布，对信号3进行包络去噪，通过傅里叶变换得到振动频率。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种应力、温度和振动复合检测光纤传感器及信号处理方法。
背景技术
分布式光纤传感系统由于其灵敏度高、定位精度高、电磁免疫等特性，广泛应用于长距离油气管道监测及周界安防，建筑结构健康监测等领域。
马赫－曾德干涉仪(Mach－Zehnder Interferom eter，MZI)分布光纤传感系统，通过干涉将传感光路中由外界扰动所造成的光相位差变化变为光强变化，从而实现对振动探测。在双MZI系统中，可通过相关时延估计的方法对振动进行定位，但由于计算时延的不确定性大，使得该方法定位精度较低。
相位敏感型光时域反射仪(Phase Sensitive Optical Time Domain Reflectometer，Φ－OTDR)技术，通过使用长相干光源，检测光脉冲返回光的相干结果，其干涉方法能有效实现动态响应，能同时实现高定位精度和高灵敏度检测，尤其是对于微弱扰动信号的检测。但是由于其发射脉冲的频率受到光纤长度的限制，其频率响应非常低，导致无法对振动事件进行有效的识别，误报率高。
布里渊光时域分析仪(Brillouin Optical Time Domain Analysis，BOTDA)，通过测量传感光纤沿线的布里渊频率变化，可以检测传感光纤沿线的应力或温度变化。但是BOTDA只能检测静态应变，无法检测动态振动信号。
现有的光纤传感器只能测量振动、应力或温度中的一种，如果要同时测量上述物理量，则需要铺设多根传感光纤，各个光纤感受到的物理量并不完全相同，将引入系统误差。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种应力、温度和振动复合检测光纤传感器及信号处理方法。本发明以Φ－OTDR、MZI以及BOTDA技术为基础，设计了一种应力、温度和振动复合检测光纤传感器，可利用同一根光纤，检测光纤沿线的应力或温度分布，定位光纤沿线振动并提供振动的详细频率成分。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种应力、温度和振动复合检测光纤传感器，包括激光光源、第一、第二、第三、第四耦合器、声光调制器、环形器、传感光纤、下变频滤波电路、数据采集系统、上位机、电光调制器、辅助光纤、参考光纤、滤波光栅和第一、第二、第三光电探测器；
所述激光光源产生连续窄线宽激光，经所述第一耦合器(2)分为Φ－OTDR探测光与BOTDA/MZI探测光，
所述Φ－OTDR探测光进一步经所述第二耦合器(3)再产生Φ－OTDR本振光，所述Φ－OTDR探测光经所述声光调制器(4)调制为脉冲光，经由所述第一环形器(6)从所述传感光纤(7)正端入射，产生Φ－OTDR反射光；
所述BOTDA/MZI探测光经由所述电光调制器(13)变频注入所述辅助光纤(16)，在所述辅助光纤末端经所述第三耦合器(17)再分为两部分，一部分从所述传感光纤末端入射，继续作为BOTDA/MZI探测光，另一部分入射进所述参考光纤，作为MZI参考光；
在所述传感光纤(7)首端，所述滤波光栅(21)将所述Φ－OTDR反射光与所述BOTDA/MZI探测光分离，分离后的所述Φ－OTDR反射光与所述Φ－OTDR本振光干涉产生拍频信号，所述拍频信号被所述第一光电探测器捕捉，经由所述下变频滤波电路降频解调后由数据采集系统采集，送入上位机；分离后的所述BOTDA/MZI探测光经由所述第四耦合器分为两束，一束被所述第二光电探测器直接转换为电信号，经由所述数据采集系统采集，送入所述上位机，另一束与所述MZI参考光干涉，形成MZI干涉信号，被所述第三光电探测器直接转换为电信号，经由所述数据采集系统采集，送入所述上位机。
相应地，本发明实施例还提供了一种应用上述的的应力、温度和振动复合检测光纤传感器的信号处理方法，包括以下步骤：
S1：对于所采集的Φ－OTDR信号，经去噪算法后，计算小波信息熵获得振动位置；
S2：对于所采集的BOTDA信号，经曲线拟合得到布里渊频移，再换算为应力或温度分布；
S3：对于所采集的MZI信号，经去噪算法后，由快速傅里叶变换获得振动频率信息。
其中，所述步骤S1具体包括以下步骤：
取k条Φ－OTDR信号，每条信号为1行，组成Φ－OTDR信号矩阵，再表示为列向量形式TRc＝[TRc1，TRc2，...，TRck]；对列信号进行去噪；对去噪后的列信号计算小波信息熵，通过小波信息熵获取振动位置。
其中，所述对列信号进行去噪的步骤包括：
取第j列数据TRcj的上包络为TRcj_up，下包络为TRcj_down，其中取包络的方法包括但不限于数字滤波法、极值点连接法以及希尔伯特变换法，去噪后的第j列数据为
其中，所述对去噪后的列信号计算小波信息熵，通过小波信息熵获取振动位置的步骤包括：
所述小波信息熵为
其中pl＝El/Etotal为每层小波分量能量分布概率，
为总能量，其中El＝∑|Cl|2为每层小波分量能量，其中Cl为TRcj_remove经小波分解后的第l层小波分量；将小波信息熵作Swtj为对k条Φ－OTDR信号时间内第j个位置的综合振动评价。
其中，所述步骤S3具体包括以下步骤：
取k条MZI信号，首尾拼接为MZI时序数据TM，取TM的上包络为TMup，下包络为TMdown，其中取包络的方法包括但不限于数字滤波法、极值点连接法以及希尔伯特变换法，则去噪后的数据为TMremove＝[TM－(TMup+TMdown)/2]/[(TMup－TMdown)/2]。
本发明实施例，提供了一种信号分辨率高，噪声水平低、灵敏度高、定位精度高、频率分辨率高、误报率低、可同时检测温度、应力和振动的分布式光纤振动传感器。解决了Φ－OTDR、MZI和BOTDA混合光路中各自检测信号的分离问题，并设计了各自的信号处理方法，提高了各自的信号质量。利用同一根光纤进行传感，消除了不同光纤检测可能引入的系统误差问题。该传感器同时提供目标事件的振动空间分布、频率信息以及应力或温度信息，可为后续的事件识别算法提供更多有效信息，有助于降低系统的误报率，可以更好地满足各种长距离检测和监测应用，尤其是长距离的油气管道监测与周界安防等。
附图说明
图1是应力、温度和振动复合检测光纤传感器的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件如下：
1、激光光源； 2、第一1：1耦合器；
3、1：99耦合器； 4、声光调制器；
5、掺饵光纤放大器； 6、第一环形器；
7、传感光纤； 8、第二环形器；
9、第二1：1耦合器； 10、第一光电探测器；
11、下变频滤波电路； 12、数据采集系统及上位机；
13、第一电光调制器； 14、第一微波发生器；
15、光纤隔离器； 16、辅助光纤；
17、第三1：1耦合器； 18、参考光纤；
19、第二电光调制器； 20、第二微波发生器；
21、滤波光栅； 22、第四1：1耦合器；
23、第五1：1耦合器； 24、第二光电探测器；
25、第三光电探测器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图1，本发明实施例的一种应力、温度和振动复合检测光纤传感器，包括激光光源1、第一1：1耦合器2、1：99耦合器3、声光调制器4、掺饵光纤放大器5、第一环形器6、传感光纤7、第二环形器8、第二1：1耦合器9、第一光电探测器10，下变频滤波电路11、数据采集系统及上位机12、第一电光调制器13、第一微波发生器14、光纤隔离器15、辅助光纤16、第三1：1耦合器17、参考光纤18、第二电光调制器19、第二微波发生器20、滤波光栅21、第四1：1耦合器22、第五1：1耦合器23、第二光电探测器24和第三光电探测器25构成。
由激光光源1产生超窄线宽的连续激光，经过第一1：1耦合器2分为两束激光。第一束激光经过1：99耦合器3进一步分为Φ－OTDR本振光和Φ－OTDR探测光。Φ－OTDR本振光直接到达第二1：1耦合器9。Φ－OTDR探测光经过声光调制器4调制为Φ－OTDR脉冲探测光，重复频率为1/TE，并获得频移f1，且f1等于声光调制器的驱动频率(如200MHz)，Φ－OTDR脉冲探测光再经由掺饵光纤放大器5将峰值功率放大至250mW，经由第一环形器6注入传感光纤7，在传感光纤7中，Φ－OTDR脉冲探测光将产生相干瑞利散射光背向传输，相干瑞利散射光携带传感光纤7沿线的振动分布情况，经由第二环形器8到达滤波光栅21，滤波光栅21位拥有0.1nm的反射带宽，其中心反射波长等于激光光源1的波长，因此相干瑞利散射光被滤波光栅21反射，返回第二环形器8，到达第二1：1耦合器9，与Φ－OTDR本振光发生干涉，干涉结果被第一光电探测器10转化为电压信号，且该电压信号为载波频率为f1的调幅信号，该电压经过下变频滤波电路11变为调幅解调信号，该调幅解调信号即为Φ－OTDR探测迹线，之后被数据采集系统及上位机12转化为数字信号。由第一1：1耦合器2产生的另一束激光，经过第一电光调制器13，形成BOTDA/MZI探测光，其中第一微波发生器14将输出10GHz左右的扫频微波，其频率变化间隔为v，每次频率保持时间为TE，因此BOTDA/MZI探测光为变频光，且经由光纤隔离器15注入辅助光纤16，其中光纤隔离器15将防止Φ－OTDR脉冲探测光进入第一电光调制器13。BOTDA/MZI探测光在1：1耦合器17处分为两束光，一束光经由参考光纤18和第二电光调制器19到达第五1：1耦合器23，另一束光则注入传感光纤7。在传感光纤7中，BOTDA/MZI探测光将和Φ－OTDR脉冲探测光产生受激布里渊放大效应，Φ－OTDR脉冲探测光能量向BOTDA/MZI探测光转移，使得BOTDA/MZI探测光的光强度携带传感光纤7沿线的布里渊频移分布信息。同时，由于光纤中的光弹效应，BOTDA/MZI探测光的光相位中将携带传感光纤7沿线的振动频率信息。最终，BOTDA/MZI探测光经由第一环形器6和第二环形器8到达滤波光栅21。由于BOTDA/MZI探测光拥有10GHz的频率偏移，其波长落在滤波光栅21的反射带之外，可以通过滤波光栅21，到达第四1：1耦合器22，分为两束光。一束光到达第三光电探测器25，其所携带的光强度信息被转化为电压信号，并被数据采集系统及上位机12所采集，形成BOTDA探测迹线；另一束光则到达第五1：1耦合器23，与来自参考光纤18的激光相干涉，其中，由于BOTDA/MZI探测光为变频光，因此通过参考光纤18和传感光纤7的两束光可能拥有不同的时延，导致它们之间可能存在频率差异Δf，通过设置第二微波发生器20的输出频率为Δf，可实现频率补偿，使两束光在第五1：1耦合器23处无频率差。第五1：1耦合器23处的干涉将BOTDA/MZI探测光相位所携带的振动频率信息转化为光强信息，经由第二光电探测器24转化为电压信号，再被数据采集系统及上位机12所采集，形成MZI探测结果。
本发明实施例还提供了一种应用上述的的应力、温度和振动复合检测光纤传感器的信号处理方法，
上述分布式光纤传感系统将获得Φ－OTDR探测迹线、BOTDA探测迹线和MZI探测结果共3种信号，其中，Φ－OTDR探测迹线处理后将得到振动位置信息，BOTDA探测迹线处理后将得到应力或温度分布信息，MZI探测结果处理后将得到振动的频率信息。
假设第k次发射探测脉冲，所获得的Φ－OTDR探测迹线为TRk，所获得的BOTDA探测迹线为TAk，所获得的MZI探测结果为TMk，则在第1￣k次探测脉冲发射后，可得到Φ－OTDR数据矩阵TR＝[TR1，TR2，...，TRk]T和BOTDA数据矩阵TA＝[TA1，TA2，...，TAk]T，以及MZI时序数据TM＝[TM1，TM2，...，TMk]。
101：振动位置获取方法：
由于Φ－OTDR脉冲探测光能量在传播过程中向BOTDA/MZI探测光转移，因此Φ－OTDR数据矩阵中的各列数据的幅值也将随着光纤沿线应力或温度分布的改变而变化。另一方面，由于光纤中布里渊放大系数随光频变化而变化，因此BOTDA/MZI探测光的频率变化也将引起Φ－OTDR探测迹线的强度变化。上述两个现象将影响定位信息的获取，需要通过信号处理方法消除其影响。相比与振动导致的光强变化，由于应力或温度变化导致的光强变化以及由于布里渊放大系数导致的光强变化均更为缓慢，因此通过去除包络的方法将它们去除。具体方法如下：
将数据矩阵TR表示为列表示TRc＝[TRc1，TRc2，...，TRck]，取其中第j列数据TRcj的上包络为TRcj_up，下包络为TRcj_down，其中取包络的方法包括但不限于数字滤波法、极值点连接法以及希尔伯特变换法。去除包络后的第j列数据为：
为获得振动定位，对第j列数据TRcj_remov取小波信息熵，具体如下：
首先将数据进行N层小波分解，得到各层小波分量：
其中Cl为第l层小波分量，C0表示N层分解之后剩余的低频分量。
计算能量各个尺度下的能量：
El＝∑|Cl|2
之后，计算各个探测位置处的小波信息熵值：
其中，
Swtj为第j点处的小波信息熵；pk为第k个小波分量所占总能量的比重；Etotal为信号总能量；
将小波信息熵值Swtj作为对光纤沿线第j个位置的综合评价，该值增大时，表明对应位置j处发生振动，通过公式A＝(nccj)/(2fs)可确定振动位置，其中c为光速，nc为光纤折射率，fs为采集卡采样率。
102：应力或温度分布获取方法：
BOTDA数据矩阵TA中每一行对应一个光频率，取其中一次完整的扫频过程，在取第j列的数据进行曲线拟合，曲线最大值对应的光频率变化即为该列对应空间位置的布里渊频移BFSj，对所有列取布里渊频移，得到布里渊频移随空间的分布：
BFS＝[BFS1，BFS2，...，BFSk]
当应力不变时，布里渊频移与温度呈线性关系；当温度不变时，布里渊频移与应力呈线性关系。因此，通过BFS进行线性变化即可得到光纤沿线应力或温度的分布信息。
103：振动频率信息获取方法：
BOTDA/MZI探测光的频率变化以及光纤沿线的应力或温度变化将导致MZI时序数据TM产生额外的波动。为得到正确的振动频率信息，需对时序数据TM进行处理。在TM中，相比与振动导致的光强变化，由于应力或温度变化导致的光强变化以及由于布里渊放大系数导致的光强变化均更为缓慢，因此通过去除包络的方法将它们去除。取TM的上包络为TMup，下包络为TMdown，其中取包络的方法包括但不限于数字滤波法、极值点连接法以及希尔伯特变换法。去包络后的数据为：
TMremove＝[TM－(TMup+TMdown)/2]/[(TMup－TMdown)/2]
对TMremove取快速傅里叶变换，即得到振动频率信息。
本实施例可解决了Φ－OTDR、MZI和BOTDA混合光路中各自检测信号的分离问题，提高了各自的信号质量；利用同一根光纤进行传感，消除了不同光纤检测可能引入的系统误差问题；该实施例同时提供目标事件的振动空间分布、频率信息以及应力或温度信息，为后续的事件识别算法提供更多有效信息，有助于降低系统的误报率，可以更好地满足各种长距离检测和监测应用，尤其是长距离的油气管道监测与周界安防等。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，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。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (6)
1.一种应力、温度和振动复合检测光纤传感器，其特征在于，包括激光光源、第一、第二、第三、第四耦合器、声光调制器、环形器、传感光纤、下变频滤波电路、数据采集系统、上位机、电光调制器、辅助光纤、参考光纤、滤波光栅和第一、第二、第三光电探测器；
所述激光光源产生连续窄线宽激光，经所述第一耦合器（2）分为Φ-OTDR探测光与BOTDA/MZI探测光，
所述Φ-OTDR探测光进一步经所述第二耦合器（3）再产生Φ-OTDR本振光，所述Φ-OTDR探测光经所述声光调制器（4）调制为脉冲光，经由第一环形器（6）从所述传感光纤（7）正端入射，产生Φ-OTDR反射光；
所述BOTDA/MZI探测光经由所述电光调制器（13）变频注入所述辅助光纤（16），在所述辅助光纤末端经所述第三耦合器（17）再分为两部分，一部分从所述传感光纤末端入射，继续作为BOTDA/MZI探测光，另一部分入射进所述参考光纤，作为MZI参考光；
在所述传感光纤（7）首端，所述滤波光栅（21）将所述Φ-OTDR反射光与所述BOTDA/MZI探测光分离，分离后的所述Φ-OTDR反射光与所述Φ-OTDR本振光干涉产生拍频信号，所述拍频信号被所述第一光电探测器捕捉，经由所述下变频滤波电路降频解调后由数据采集系统采集，送入上位机；分离后的所述BOTDA/MZI探测光经由所述第四耦合器分为两束，一束被所述第二光电探测器直接转换为电信号，经由所述数据采集系统采集，送入所述上位机，另一束与所述MZI参考光干涉，形成MZI干涉信号，被所述第三光电探测器直接转换为电信号，经由所述数据采集系统采集，送入所述上位机。
2.一种应用权利要求1所述的应力、温度和振动复合检测光纤传感器的信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对于所采集的Φ-OTDR信号，经去噪算法后，计算小波信息熵获得振动位置；
S2：对于所采集的BOTDA信号，经曲线拟合得到布里渊频移，再换算为应力或温度分布；
S3：对于所采集的MZI信号，经去噪算法后，由快速傅里叶变换获得振动频率信息。
3.根据权利要求2所述的信号处理方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：
取k条Φ-OTDR信号，每条信号为1行，组成Φ-OTDR信号矩阵，再表示为列向量形式TRc=[TRc1, TRc2, ... , TRck]；对列信号进行去噪；对去噪后的列信号计算小波信息熵，通过小波信息熵获取振动位置。
4.根据权利要求3所述的信号处理方法，其特征在于，所述对列信号进行去噪的步骤包括：
取第j列数据TRcj的上包络为TRcj_up，下包络为TRcj_down，其中取包络的方法包括但不限于数字滤波法、极值点连接法以及希尔伯特变换法，去噪后的第j列数据为TRcj_remove=[TRcj-（TRcj_up+TRcj_down）/2]/[(TRcj_up-TRcj_down)/2]。
5.根据权利要求3所述的信号处理方法，其特征在于，所述对去噪后的列信号计算小波信息熵，通过小波信息熵获取振动位置的步骤包括：
所述小波信息熵为
，其中
为每层小波分量能量分布概率，
为总能量，其中
为每层小波分量能量，其中
为TRcj_remove经小波分解后的第l层小波分量；将小波信息熵作
为对k条Φ-OTDR信号时间内第j个位置的综合振动评价。
6.根据权利要求2所述的信号处理方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：
取k条MZI信号，首尾拼接为MZI时序数据TM，取TM的上包络为TMup，下包络为TMdown，其中取包络的方法包括但不限于数字滤波法、极值点连接法以及希尔伯特变换法，则去噪后的数据为TMremove= [TM-（TMup+TMdown）/2]/[(TMup-TMdown)/2]。
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