CN110207805A - 一种分布式探测振动位置和声音信号的装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式探测振动位置和声音信号的装置及其应用，包括依次连接的窄线宽激光模块、隔离器、1×2耦合器、声光调制器、掺铒光纤放大器、滤波器、环形器、掺铒光纤放大器、滤波器、第一平衡光电探测器、采集处理系统；1×2耦合器还连接一2×2耦合器，2×2耦合器通过第二平衡光电探测器连接采集处理系统；2×2耦合器还通过两路光纤连接三芯传感光缆，其中一路光纤通过三芯传感光缆后连接光纤拾音盒、法拉第旋转镜，另一路光纤通过三芯传感光缆后连接法拉第旋转镜；环形器通过一路光纤连接三芯传感光缆后再连接振动光纤。本发明在进行振动位置探测的同时，能够获取多个位置的声音信号，具有作业效率高的特点。

Description

一种分布式探测振动位置和声音信号的装置及其应用

技术领域

本发明涉及一种分布式探测振动位置和声音信号的装置及其应用，特别涉及分布式光纤传感系统里探测振动位置和声音信号的装置，属于分布式光纤传感技术领域。

背景技术

煤矿生产大部分是地下作业，地质及开采条件复杂多变，不安全因素多，经常受到瓦斯、煤尘、火水及顶板等灾害的威胁，因此需要及时预警和传递求救信号。

无源信号检测装置主要基于光纤传感技术，具有安全、抗腐蚀、抗电磁干扰等优点，干涉型信号检测系统定位效果不够精确，而反射型信号检测系统对声音信号不敏感。

之前的光纤拾音装置大都利用反射振膜，声音信号引起振膜的振动，从而改变光强，利用收集到的光强变化信号得到声音信息。振膜制作材料、制作工艺、制作精度等都要求较高，导致成本较高。

在实际应用中，分布式光纤传感系统除了探测振动信号外，往往需要对某处位置进行声音探测，就需要多套光纤传感系统，成本高，同时光纤利用率低。因此，有必要设计一种可同时探测多个振动位置和声音信号的装置。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种分布式探测振动位置和声音信号的装置，该装置能够在探测振动位置的同时，还能够对某处位置的声音信号进行探测。

本发明还提供上述一种分布式探测振动位置和声音信号的装置的工作方法。

本发明的技术方案如下：

一种分布式探测振动位置和声音信号的装置，包括依次连接的窄线宽激光模块、隔离器、1×2耦合器、声光调制器、掺铒光纤放大器、滤波器、环形器、掺铒光纤放大器、滤波器、第一平衡光电探测器、采集处理系统；

1×2耦合器还连接一2×2耦合器，2×2耦合器通过第二平衡光电探测器连接采集处理系统；2×2耦合器还通过两路光纤连接三芯传感光缆，其中一路光纤通过三芯传感光缆后连接光纤拾音盒、法拉第旋转镜，另一路光纤通过三芯传感光缆后连接法拉第旋转镜；

环形器通过一路光纤连接三芯传感光缆后再连接振动光纤。

优选的，所述声光调制器通过函数发生器连接驱动调制产生脉冲光，重复频率10kHz。

优选的，所述窄线宽激光模块产生的激光波长为1550nm，线宽小于3kHz。

优选的，所述1×2耦合器、2×2耦合器的分束比为50:50。

优选的，所述光纤拾音盒的数量至少两个，光纤拾音盒之间通过1550nm单模光纤串接，每隔50m设一个，进行分布式采集声音。

优选的，所述光纤拾音盒为利用光纤做成的无源器件，1550nm单模光纤缠绕在上大下小喇叭状声敏材料做成的筒体上，筒体上端开口、底部封闭，上端开口直径6cm，底部直径4cm。此设计的好处是，该结构对声音信号敏感，声音振动引起拾音盒光纤内光信号的光强变化，经过对光信号处理可还原声音。

优选的，所述采集处理系统选用内置NI PCI-5114采集卡的计算机。

一种分布式探测振动位置和声音信号的装置的工作方法，包括以下步骤：

窄线宽激光模块发出激光经隔离器、1×2耦合器分成两路光信号；

一路光信号经过函数发生器连接驱动的声光调制器产生重复频率为10kHz的脉冲光进入掺铒光纤放大器放大，再经滤波器、环形器进入三芯传感光缆其中的振动光纤，后向散射光信号经环形器通过掺铒光纤放大器放大和滤波器滤波后进入第一平衡光电探测器，最后进入采集处理系统处理；

另一路光信号经过2×2耦合器再分成两路光信号进入三芯传感光缆中的两路光纤，其中一路光纤作为信号臂经过光纤拾音盒拾音，另一路光纤作为参考臂，两路尾端均接有法拉第旋转镜，反射回的光信号再经2×2耦合器进入第二平衡光电探测器，最后进入采集处理系统进行处理。

本发明的有益效果在于：

1)本发明分布式探测振动位置和声音信号的装置，在进行振动位置探测的同时，能够获取声音信号，可以实现多种功能作业。

2)本发明分布式探测振动位置和声音信号的装置，可以连接多个光纤拾音盒，能够同时拾取多个位置的声音信号，具有作业效率高的特点。

3)本发明分布式探测振动位置和声音信号的装置，所述光纤拾音盒制作简单，成本低且对声音信号敏感。

4)本发明分布式探测振动位置和声音信号的装置，结构设计科学合理，在工作场所布设方便，操作使用简单。

附图说明

图1为本发明分布式探测振动位置和声音信号的装置的结构示意图。

图2为本发明中光纤拾音盒结构示意图。

其中：1-激光模块，2-隔离器，3-1×2耦合器，4-声光调制器，5-函数发生器，6-2×2耦合器，7-掺铒光纤放大器，8-滤波器，9-环形器，10-三芯传感光缆，11-振动光纤，12-光纤拾音盒，13-法拉第旋转镜，14-第一平衡光电探测器，15-第二平衡光电探测器，16-采集处理系统。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供一种分布式探测振动位置和声音信号的装置，包括依次连接的窄线宽激光模块1、隔离器2、1×2耦合器3、声光调制器4、掺铒光纤放大器7、滤波器8、环形器9、掺铒光纤放大器7、滤波器8、第一平衡光电探测器14、采集处理系统16；

1×2耦合器3还连接一2×2耦合器6，2×2耦合器6通过第二平衡光电探测器15连接采集处理系统16；2×2耦合器6还通过两路光纤连接三芯传感光缆10，其中一路光纤通过三芯传感光缆后连接光纤拾音盒12、法拉第旋转镜13，另一路光纤通过三芯传感光缆后连接法拉第旋转镜13；

环形器9通过一路光纤连接三芯传感光缆10后再连接振动光纤11。

其中，声光调制器4通过函数发生器5连接驱动调制产生脉冲光，重复频率10kHz。

窄线宽激光模块1产生的激光波长为1550nm，线宽小于3kHz，选用RIO 1550nm超窄线宽激光器。光纤拾音盒12的数量至少两个，各光纤拾音盒之间通过1550nm单模光纤串接，每隔50m设一个进行分布式采集声音，具体数量根据使用场合确定。

如图2所示，光纤拾音盒12为利用光纤做成的无源器件，1550nm单模光纤紧密缠绕在上大下小喇叭状声敏材料做成的筒体上，筒体上端开口、底部封闭，上端开口直径6cm，底部直径4cm。利用该方法制作的光纤拾音盒结构对声音信号敏感，声音振动引起拾音盒光纤内光信号的光强变化，经过对光信号处理可还原声音。采用的声敏材料为常规材料，可市购，具有成本低，制作方便的优势。

采集处理系统16选用内置NI PCI-5114采集卡的计算机，电脑处理器采用Core^TMi5-7200U CPU@2.50GHz 2.71GHz，内存8G。

本实施例中，隔离器2、1×2耦合器3、2×2耦合器6、环形器9选用光比纳通信科技有限公司产品；声光调制器4选用Gooch & Housego公司产品；前后端掺铒光纤放大器7选用彼格科技产品；滤波器8选用Pasternack产品，能够有效滤除掺铒光纤放大器引入的放大自发辐射噪声；第一平衡光电探测器14和第二平衡光电探测器15选用Thorlabs PDB450C-AC。

实施例2：

一种分布式探测振动位置和声音信号的装置的工作方法，利用实施例1所述的分布式探测振动位置和声音信号的装置，将该装置传感光缆布设在矿井巷道中，振动光纤和光纤拾音盒布置在矿井巷道内不同位置处，其中光纤拾音盒每隔50m布置一个，上位机及其他器件置于井上，具体工作过程如下：

窄线宽激光模块1发出激光经隔离器2、1×2耦合器3分成两路光信号；

一路光信号经过函数发生器5连接驱动的声光调制器4产生重复频率为10kHz的脉冲光进入掺铒光纤放大器7放大，再经滤波器8、环形器9进入三芯传感光缆10其中的振动光纤11，振动造成的后向散射光信号的改变，携带振动信息的后向散射光信号经环形器9通过掺铒光纤放大器7放大和滤波器8滤波后进入第一平衡光电探测器14，最后进入采集处理系统16处理得到振动位置信息；

另一路光信号经过2×2耦合器6分成两路光信号进入三芯传感光缆10中的两路光纤，其中一路光纤作为信号臂经过光纤拾音盒12拾音，另一路光纤作为参考臂，两路尾端均接有法拉第旋转镜13，反射回的光信号再经2×2耦合器6进入第二平衡光电探测器15，最后进入采集处理系统16进行处理，还原采集到的声音信息，从而确定声音位置。

当矿井中发生事故时，井下人员可以通过光纤拾音盒向地面人员发出求救声音信息，即使不在拾音盒拾音范围内，也可以通过晃动井下振动光纤向地面人员传递所在位置信息，从而能得到及时的救援。

Claims (8)

1.一种分布式探测振动位置和声音信号的装置，其特征在于，包括依次连接的窄线宽激光模块、隔离器、1×2耦合器、声光调制器、掺铒光纤放大器、滤波器、环形器、掺铒光纤放大器、滤波器、第一平衡光电探测器、采集处理系统；

1×2耦合器还连接一2×2耦合器，2×2耦合器通过第二平衡光电探测器连接采集处理系统；2×2耦合器还通过两路光纤连接三芯传感光缆，其中一路光纤通过三芯传感光缆后连接光纤拾音盒、法拉第旋转镜，另一路光纤通过三芯传感光缆后连接法拉第旋转镜；

环形器通过一路光纤连接三芯传感光缆后再连接振动光纤。

2.如权利要求1所述的分布式探测振动位置和声音信号的装置，其特征在于，所述声光调制器通过函数发生器连接驱动调制产生脉冲光，重复频率10kHz。

3.如权利要求1所述的分布式探测振动位置和声音信号的装置，其特征在于，所述窄线宽激光模块产生的激光波长为1550nm，线宽小于3kHz。

4.如权利要求1所述的分布式探测振动位置和声音信号的装置，其特征在于，所述1×2耦合器、2×2耦合器的分束比为50:50。

5.如权利要求1所述的分布式探测振动位置和声音信号的装置，其特征在于，所述光纤拾音盒的数量至少两个，光纤拾音盒之间通过1550nm单模光纤串接，每隔50m设一个，进行分布式采集声音。

6.如权利要求1所述的分布式探测振动位置和声音信号的装置，其特征在于，所述光纤拾音盒为利用光纤做成的无源器件，1550nm单模光纤缠绕在上大下小喇叭状声敏材料做成的筒体上，筒体上端开口、底部封闭，上端开口直径6cm，底部直径4cm。

7.如权利要求1所述的分布式探测振动位置和声音信号的装置，其特征在于，所述采集处理系统选用内置NI PCI-5114采集卡的计算机。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的分布式探测振动位置和声音信号的装置的工作方法，包括以下步骤：

窄线宽激光模块发出激光经隔离器、1×2耦合器分成两路光信号；

一路光信号经过函数发生器连接驱动的声光调制器产生重复频率为10kHz的脉冲光进入掺铒光纤放大器放大，再经滤波器、环形器进入三芯传感光缆其中的振动光纤，后向散射光信号经环形器通过掺铒光纤放大器放大和滤波器滤波后进入第一平衡光电探测器，最后进入采集处理系统处理；

另一路光信号经过2×2耦合器再分成两路光信号进入三芯传感光缆中的两路光纤，其中一路光纤作为信号臂经过光纤拾音盒拾音，另一路光纤作为参考臂，两路尾端均接有法拉第旋转镜，反射回的光信号再经2×2耦合器进入第二平衡光电探测器，最后进入采集处理系统进行处理。