CN110375841A - 基于分布式光纤声波传感系统的振动传感方法 - Google Patents

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Abstract

一种分布式光纤声波传感系统的振动传感方法，通过发射扫频光脉冲串信号对作用在传感光纤上的振动进行检测，从传感光纤返回的瑞利背向散射光与参考光拍频后，采用非匹配滤波器处理拍频信号，再采用瑞利图形相关法得到无衰落噪声影响的振动分布信息。该系统包括：射频信号发生模块、窄线宽激光源模块、扫频光脉冲发生模块、环形器、传感光纤、相干接收模块、光电转换模块和数字信号处理模块。本发明可以对衰落噪声免疫，具有高可靠性，同时实现高空间分辨率和长传感距离。

Description

基于分布式光纤声波传感系统的振动传感方法
技术领域
本发明涉及的是一种光纤传感领域的技术，具体是一种基于分布式光纤声波传感系统的振动传感方法。
背景技术
分布式光纤声波传感器(Distributed Fiber-optic Acoustic Sensor，DAS)是一种用光纤作为传感探头，可以检测并定位发生在光纤上任意位置处的应变信号，并且可以线性地获得应变信号波形的传感器。目前绝大多数的DAS系统结构是基于相位敏感的光时域反射仪(Phase Sensitive Optical Time Domain Reflectometry，φ-OTDR)技术，这些基于瑞利散射光相位的DAS系统都会受到干涉衰落(Coherent Fading)噪声的影响，会导致DAS无法准确检测应变或者应变分辨率非常差。此外，基于φ-OTDR的DAS系统存在空间分辨率与传感距离相矛盾的问题，限制了其应用。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于分布式光纤声波传感系统的振动传感方法，通过发射扫频光脉冲串信号对作用在传感光纤上的振动进行检测，从传感光纤返回的瑞利背向散射光与参考光拍频后，采用非匹配滤波器处理拍频信号，再采用瑞利图形相关法得到无衰落噪声影响的振动分布信息。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明振动传感方法，通过发射扫频光脉冲串信号对作用在传感光纤上的振动进行检测，从传感光纤返回的瑞利背向散射光与参考光拍频后，采用非匹配滤波器处理拍频信号，再采用瑞利图形相关法得到无衰落噪声影响的振动分布信息。
本发明涉及一种分布式光纤声波传感系统，包括：射频信号发生模块、窄线宽激光源模块、扫频光脉冲发生模块、环形器、传感光纤、相干接收模块、光电转换模块和数字信号处理模块，其中：射频信号发生模块分别与扫频光脉冲发生模块相连传输扫频射频脉冲串信号，与数字信号处理模块相连传输触发信号和时钟同步信号，窄线宽激光模块分别与扫频光脉冲发生模块和相干接收模块相连传输窄线宽激光，扫频光脉冲发生模块通过环形器与传感光纤相连输出扫频光脉冲串，传感光纤通过环形器与相干接收模块传输瑞利背向散射光，相干接收模块与光电转换模块相连传输拍频光信号，光电转换模块与数字信号处理模块相连传输电信号。
所述的射频信号模块包括：相连的射频信号发生器和射频信号放大器，其中：射频信号发生器通过射频信号放大器与扫频光脉冲发生模块相连输入并放大扫频射频脉冲信号。
所述的窄线宽激光源模块包括：相连的窄线宽光纤激光器和光纤耦合器，其中：窄线宽光纤激光器通过光纤耦合器与扫频光脉冲发生模块和相干接收模块相连，分别向扫频光脉冲发生模块和相干接收模块传输探测光和参考光。
所述的扫频光脉冲发生模块包括：相连的声光调制或单边带调制器和掺铒光纤放大器，其中：声光调制或单边带调制器分别与射频信号发生模块和窄线宽激光源模块相连，掺铒光纤放大器通过环形器与传感光纤相连。
所述的数字信号处理模块包括：相连的数据采集卡和数据处理器，其中：数据采集卡与光电转换模块相连。
技术效果
与现有技术相比，本发明通过发射扫频光脉冲串信号对作用在传感光纤上的振动进行检测，从传感光纤返回的瑞利背向散射光与参考光拍频后，采用非匹配滤波器处理拍频信号，再采用瑞利图形相关法得到无衰落噪声影响的振动分布信息，可以对衰落噪声免疫，具有高可靠性，同时实现高灵敏度、高空间分辨率和长传感距离。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明扫频光脉冲串信号的时频谱图；
其中：脉冲串重复周期为T，带宽为B，脉冲宽度为τp；
图3为本发明反射率曲线图；
其中：a为无振动区域，多根光强曲线重合，曲线形状相同且重合，b为有振动区域，多根光强曲线段重合，曲线形状相似但有相对位移；
图4为本发明振动区域附近的应变分布图；
图中：射频信号发生器 1、射频信号放大器 2、窄线宽光纤激光器 3、光纤耦合器4、声光调制或单边带调制器 5、掺铒光纤放大器 6、环形器 7、传感光纤 8、偏振控制器 9、相干接收模块 10、光电转换模块 11、数据采集卡 12、数据处理器 13、射频信号发生模块14、窄线宽激光源模块 15、扫频光脉冲发生模块 16、数字信号处理模块 17。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的一种基于分布式光纤声波传感系统的振动传感方法，其中包含：射频信号发生模块14、窄线宽激光源模块15、扫频光脉冲发生模块16、环形器7、传感光纤8、相干接收模块10、光电转换模块11和数字信号处理模块17，其中：射频信号发生模块14分别与扫频光脉冲发生模块16相连传输扫频射频脉冲串信号，与数字信号处理模块相连传输触发信号和时钟同步信号；窄线宽激光模块15分别与扫频光脉冲发生模块16和相干接收模块10相连传输窄线宽激光；扫频光脉冲发生模块16通过环形器7与传感光纤8相连输出扫频光脉冲串；传感光纤8通过环形器7与相干接收模块10传输瑞利背向散射光；相干接收模块10与光电转换模块11相连传输拍频光信号；光电转换模块11与数字信号处理模块17相连传输电信号。
所述的射频信号模块14包括：相连的射频信号发生器1和射频信号放大器2，其中：射频信号发生器1通过射频信号放大器2与声光调制或单边带调制器5相连输入并放大扫频射频脉冲信号。
所述的扫频射频脉冲串信号包括：N个等时间间距T、相同扫频范围、相同带宽B和相同脉冲宽度τp的扫频射频脉冲。
所述的窄线宽激光源模块15包括：相连的窄线宽光纤激光器3和光纤耦合器4，其中：窄线宽光纤激光器3通过光纤耦合器4与声光调制或单边带调制器5和相干接收模块10相连，分别向声光调制或单边带调制器5和相干接收模块10传输探测光和参考光。
所述的窄线宽光纤激光器3的中心频率为fc，光纤耦合器4的分光比优选为90:10。
所述的扫频光脉冲发生模块16包括：相连的声光调制或单边带调制器5和掺铒光纤放大器6，其中：声光调制或单边带调制器5分别与射频信号放大器2和光纤耦合器4相连，掺铒光纤放大器6通过环形器7与传感光纤8相连。
所述的传感光纤8为普通单模通信光纤。
所述的相干接收模块10为50:50光纤耦合器。
所述的光电转换模块11为平衡探测器。
所述的数字信号处理模块17包括：相连的数据采集卡12和数据处理器13，其中：数据采集卡12与光电转换模块11相连。
所述的数据采集卡12的采样率为fs，数据处理器13为FPGA/CPU/GPU。
本实施例涉及上述系统的振动传感方法，包括以下步骤：
步骤1、数据采集卡将扫频光脉冲的电信号数字化为{x(k)；k＝1,...,K}，按发射时间顺序将N个扫频光脉冲产生的电信号分别标记为{x(n,k)；n＝1,...,N；k＝1,...,K}，其中K为电信号的数据量。
步骤2、数据处理器的非匹配滤波器为{h(k)；k＝1,...,K'}，对{x(n,k)；n＝1,...,N；k＝1,...,K}做非匹配滤波，得到传感光纤的光强曲线(反射率曲线)为其中K’为非匹配滤波器的数据量，i为索引，*表示共轭运算。
所述的非匹配滤波器与扫频射频脉冲扫频范围和带宽B相同，扫频速率不同，脉冲持续时间为τ’p，非匹配度为经过非匹配滤波后，DAS的空间分辨率为其中c为光在光纤中传播速度，为2×108m/s。
步骤3、取第1个和第n个光强曲线上位置相同的曲线段和做比较；当该曲线段对应的光纤没有应变发生，则两个曲线段相同且重合；当发生应变，两个曲线段有一个平移ΔK，利用互相关算法得到平移量ΔK，应变值为改变n和kk重复上述步骤，获得整根光纤上的应变分布随时间变化情况。
在具体实际实验中，传感光纤全长约10km，振动源放置在约9.9km处，振动信号频率为1kHz，振动幅度峰峰值约为200nε；扫平光脉冲串的发射频率为100μs，则系统对振动最高响应频率高达5kHz；扫频光脉冲的持续时间为4μs，带宽为1GHz，经过上述步骤2，在非匹配滤波器的非匹配度设为0.006时，系统的空间分辨率从400m提升到2m；经过上述步骤3，系统可以得到传感光纤上各个位置处的振动情况，且无衰落噪声，如图4所示。与现有技术相比，本方法的性能指标提升在于：可以实现高空间分辨率，同时保持长的传感距离和高的振动频率响应，而且系统对衰落噪声免疫。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (8)

1.一种分布式光纤声波传感系统的振动传感方法，其特征在于，通过发射扫频光脉冲串信号对作用在传感光纤上的振动进行检测，从传感光纤返回的瑞利背向散射光与参考光拍频后，采用非匹配滤波器处理拍频信号，再采用瑞利图形相关法得到无衰落噪声影响的振动分布信息；
所述系统包括：射频信号发生模块、窄线宽激光源模块、扫频光脉冲发生模块、环形器、传感光纤、相干接收模块、光电转换模块和数字信号处理模块，其中：射频信号发生模块分别与扫频光脉冲发生模块相连传输扫频射频脉冲串信号，与数字信号处理模块相连传输触发信号和时钟同步信号，窄线宽激光模块分别与扫频光脉冲发生模块和相干接收模块相连传输窄线宽激光，扫频光脉冲发生模块通过环形器与传感光纤相连输出扫频光脉冲串，传感光纤通过环形器与相干接收模块传输瑞利背向散射光，相干接收模块与光电转换模块相连传输拍频光信号，光电转换模块与数字信号处理模块相连传输电信号。
2.根据权利要求1所述的振动传感方法，其特征是，具体步骤为：
步骤1、数据采集卡将扫频光脉冲的电信号数字化为{x(k)；k＝1,...,K}，按发射时间顺序将N个扫频光脉冲产生的电信号分别标记为{x(n,k)；n＝1,...,N；k＝1,...,K}；
步骤2、数据处理器产生的非匹配滤波器{h(k)；k＝1,...,K'}，对{x(n,k)；n＝1,...,N；k＝1,...,K}做非匹配滤波，得到传感光纤的光强曲线(反射率曲线)为
步骤3、取第1个和第n个光强曲线上位置相同的曲线段和做比较；当该曲线段对应的光纤没有应变发生，则两个曲线段相同且重合；当发生应变，两个曲线段有一个平移量ΔK，应变值为改变n和kk重复上述步骤，获得整根光纤上的应变分布随时间变化情况。
3.根据权利要求2所述的振动传感方法，其特征是，所述的步骤1中的K为电信号的数据量。
4.根据权利要求2所述的振动传感方法，其特征是，所述的步骤2中的K’为非匹配滤波器的数据量，i为索引，*表示共轭运算。
5.根据权利要求2所述的振动传感方法，其特征是，所述的步骤2中的非匹配滤波器与扫频射频脉冲扫频范围和带宽B相同，扫频速率不同，脉冲持续时间为τ’p；非匹配度为经过非匹配滤波后，DAS的空间分辨率为
6.根据权利要求1所述的振动传感方法，其特征是，所述的射频信号模块包括：相连的射频信号发生器和射频信号放大器，其中：射频信号发生器通过射频信号放大器与扫频光脉冲发生模块相连输入并放大扫频射频脉冲信号。
7.根据权利要求1所述的振动传感方法，其特征是，所述的窄线宽激光源模块包括：相连的窄线宽光纤激光器和光纤耦合器，其中：窄线宽光纤激光器通过光纤耦合器与扫频光脉冲发生模块和相干接收模块相连，分别向扫频光脉冲发生模块和相干接收模块传输探测光和参考光。
8.根据权利要求1所述的振动传感方法，其特征是，所述的扫频光脉冲发生模块包括：相连的声光调制或单边带调制器和掺铒光纤放大器，其中：声光调制或单边带调制器分别与射频信号发生模块和窄线宽激光源模块相连，掺铒光纤放大器通过环形器与传感光纤相连。
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