CN110595599B - 减少光纤振动系统偏振衰落的方法及应用其的探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信监测的技术领域，更具体地，涉及减少光纤振动系统偏振衰落的方法及应用其的探测系统，包括：S10.测量光纤的长度并记录，将纤芯头尾熔接组成一条往复布置的长距离光纤；S20.数据采集卡采集的数据发送至PC的数据处理程序中进行相位提取和运算得到相位变化值；S30.根据步骤S10中所测得的光纤长度，将光纤中每条纤芯位置映射到光纤的实际位置，取相位变化值最大的点作为实际信号；S40.若相位变化值超过相位变化阈值，则判定为振动入侵点，发出报警信号，并计算振动入侵点的位置；若相位变化值不超过相位变化阈值，则判定无振动信号。本发明采用多个点同时探测发生偏振衰落的机率大大降低，从而减少偏振衰落造成的入侵信号漏检现象。

Description

减少光纤振动系统偏振衰落的方法及应用其的探测系统

技术领域

本发明涉及通信监测的技术领域，更具体地，涉及减少光纤振动系统偏振衰落的方法及应用其的探测系统。

背景技术

分布式光纤振动检测技术越来越广泛地应用于管道泄露探测、管道防开挖以及各种周界安防中。然而，由于种种原因导致光纤传感系统中的偏振衰落：(1)入射到光纤干涉结构的入射光的偏振方向随环境温度等变化随机扰动；(2)光纤干涉结构内部，由于光纤的随机弯曲、扭转等效应导致的双折射效应对传输光的偏振态产生影响，而这些影响又随环境温度、机械振动等外界因素的变化而变化。而上述偏振衰落导致分布式光线振动检测仪器易出现漏报现象，严重制约了分布式光纤振动检测仪器的发展。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种减少光纤振动系统偏振衰落的方法及应用其的探测系统，采用探测光缆并对其中的光纤进行往复布置、多点同时探测同一位置点振动信号，从而减少相干检测中由于偏振衰落而造成漏检的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种减少分布式光纤振动系统偏振衰落的方法，所述光纤包括M条纤芯，所述方法包括以下步骤：

S10.采用光时域反射仪测量光纤的长度并记录，将纤芯头尾熔接组成一条往复布置的长距离光纤；

S20.通过射频信号发生器发出脉冲信号，触发数据采集卡采集数据，数据采集卡采集的数据发送至PC的数据处理程序中进行相位提取和运算得到相位变化值；

S30.根据步骤S10中所测得的光纤长度，将光纤中每条纤芯位置映射到光纤的实际位置，取相位变化值最大的点作为实际信号；

S40.设置相位变化阈值，判断各点相位变化值与相位变化阈值的大小：若相位变化值超过相位变化阈值，则判定为振动入侵点，发出报警信号，并计算所述振动入侵点的位置；若相位变化值不超过相位变化阈值，则判定无振动信号。

本发明的减少分布式光纤振动系统偏振衰落的方法，将多芯光纤的纤芯头尾熔接后连接组成一条往复布置的探测长纤维，当光纤上某一点发生振动时，其内部相连的M条光纤就有M个点同时探测到振动，多个点同时探测发生偏振衰落的机率大大降低，从而减少偏振衰落造成的入侵信号漏检现象。

优选地，步骤S20中，脉冲信号的脉冲周期按下式计算：

T＝2nL/c

(1)

式中，L为光纤长度，n为光纤折射率，c为光速，T为脉冲周期。

脉冲周期由光纤的长度决定，一秒内数据采集卡共采集1/T组数据，脉宽a决定系统的定位精度，脉宽a与脉冲周期之间的关系表示为：T＝M*L/a。

优选地，步骤S30中：长距离光纤的长度为M×L，若以光纤距离起始端S米处为探测位置，则所述探测位置对应至长距离光纤的2NL+S米处以及2NL-S处共M个探测点，其中N取整数。当光纤上某一点发生振动时，其内部相连的M条光纤就有M个点同时探测到振动。

优选地，若其中一探测点发生偏振衰落的几率是x(x<1)，则M个点同时发生偏振衰落的机率为x^M。采用多个点同时探测发生偏振衰落的几率大大降低，减少偏振衰落造成的入侵信号漏检现象。

优选地，步骤S20、步骤S30中，相位变化值按以下步骤进行计算：

S21.数据采集卡采集的波形数据表达为下式：

I(t)＝E₀R(t)cos(2πf_bt+θ_fut(t)+θ(t₀)-θ(t)) (2)

式(2)中，t₀表示激光器的初始相位，E₀表示激光器发射激光的能量，R(t)表示光纤的瑞利散射系数，θ_fut(t)表示外界信号振动导致的被测光纤相位改变量，θ(t₀)-θ(t)表示激光器的相位噪声；

S22.对波形数据表达式进行希尔伯特变换表达为下式：

H(t)＝E₀R(t)sin(2πf_bt+θ_fut(t)+θ(t₀)-θ(t)) (3)

S23.结合式(2)和式(3)计算得到相位信号

和强度信号A(t)：

S24.考虑平衡探测器噪声对相位提取的影响，相位信号表示为式(6)：

式(6)中，A表示幅度，

表示提取出来的相位，N(t)表示平衡探测器的电噪声；

S25.经相位提取，按式(7)计算待测光纤上任意两点间的相位信号差分值：

S26.根据限脉冲宽度大小及数据采集卡的采样速率计算采样点数目N，将多个采样点的相位累加求取相位和，表示为式(8)：

S27.取式(8)中两组数据间的相位差为相位变化值，表示为式(9)：

优选地，步骤S40中，所述振动入侵点的位置按下式计算：

式中，n为光纤折射率，c为光速，Δt为数据采集卡采集到振动入侵点所需的时间。

本发明还提供了一种应用减少分布式光纤振动系统偏振衰落方法的探测系统，包括顺次连接的第二光纤耦合器、平衡探测器、数据采集卡及PC机，所述第二光纤耦合器的输入端连接有第一输入回路及第二输入回路：

所述第一输入回路包括信号连接的光源及第一光纤耦合器，所述第一光纤耦合器连接于第二光纤耦合器的第一输入端；

所述第二输入回路包括顺次信号连接的光源、第一光纤耦合器、声光调制器、光纤放大器及光回旋器，所述光回旋器连接于第二光纤耦合器的第二输入端，所述声光调制器连接有射频信号发生器，所述射频信号发生器与PC机连接，所述光回旋器将光脉冲耦合进入待测光纤；

所述PC机嵌置写入有如前所述的减少分布式光纤振动系统偏振衰落的方法的程序模块。

本发明的应用减少光纤系统偏振衰落方法的探测系统，光源发射出的连续光经过第一光纤耦合器后分别通过两条支路，一路经过声光调制器调制成有频移的光脉冲后再经过光纤放大器放大后由光回旋器器耦合进入待测光纤；另一路光为本振参考光，测试光纤中瑞利散射回的光与本振参考光在第光纤二耦合器中相干后输入到平衡探测器，如果待测光纤稳定，反射回来的瑞利散射信号统计特征则是固定不变的，所以散射回来的瑞利信号是不变的。一旦待测光纤有外界振动，振动会引起光纤长度变化或者折射率变化，最终表现在瑞利散射曲线上是振动点位置的相位信号发生变化；探测的数据上传至PC机进行分析处理即可提取到相位的变化值。本发明采用多个点同时探测，发生偏振衰落的机率大大降低，能够减少偏振衰落造成的入侵信号漏检现象。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的减少分布式光纤振动系统偏振衰落的方法及应用其的探测系统，将多芯光纤的纤芯头尾熔接后连接组成一条往复布置的探测长纤维，当光纤上某一点发生振动时，其内部相连的M条光纤就有M个点同时探测到振动，多个点同时探测发生偏振衰落的机率大大降低，有效减少偏振衰落造成的入侵信号漏检现象。

附图说明

图1为实施例一中减少分布式光纤振动系统偏振衰落的方法的流程图；

图2为实施例一中往复布置的长距离光纤的结构示意图；

图3为实施例二中应用减少分布式光纤振动系统偏振衰落方法的探测系统的系统框图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例一

本实施例为减少分布式光纤振动系统偏振衰落的方法的实施例，所述光纤包括M条纤芯，所述方法包括以下步骤：

S10.采用光时域反射仪测量光纤的长度并记录，将纤芯头尾熔接组成一条往复布置的长距离光纤；

S20.通过射频信号发生器发出脉冲信号，触发数据采集卡采集数据，数据采集卡采集的数据发送至PC的数据处理程序中进行相位提取和运算得到相位变化值；

S30.根据步骤S10中所测得的光纤长度，将光纤中每条纤芯位置映射到光纤的实际位置，取相位变化值最大的点作为实际信号；

S40.设置相位变化阈值，判断各点相位变化值与相位变化阈值的大小：若相位变化值超过相位变化阈值，则判定为振动入侵点，发出报警信号，并计算所述振动入侵点的位置；若相位变化值不超过相位变化阈值，则判定无振动信号。

步骤S20中，脉冲信号的脉冲周期按下式计算：

T＝2nL/c

(1)

式中，L为光纤长度，n为光纤折射率，c为光速，T为脉冲周期。其中，脉冲周期由光纤的长度决定，一秒内数据采集卡共采集1/T组数据，脉宽a决定系统的定位精度，脉宽a与脉冲周期之间的关系表示为：T＝M*L/a。

步骤S30中：长距离光纤的长度为M×L，若以光纤距离起始端S米处为探测位置，则所述探测位置对应至长距离光纤的2NL+S米处以及2NL-S处共M个探测点，其中N取整数。当光纤上某一点发生振动时，其内部相连的M条光纤就有M个点同时探测到振动。如此，若其中一探测点发生偏振衰落的几率是x(x<1)，则M个点同时发生偏振衰落的机率为x^M，多个点同时探测发生偏振衰落的几率大大降低，减少偏振衰落造成的入侵信号漏检现象。

步骤S20、步骤S30中，相位变化值按以下步骤进行计算：

S21.数据采集卡采集的波形数据表达为下式：

I(t)＝E₀R(t)cos(2πf_bt+θ_fut(t)+θ(t₀)-θ(t)) (2)

式(2)中，t₀表示激光器的初始相位，E₀表示激光器发射激光的能量，R(t)表示光纤的瑞利散射系数，θ_fut(t)表示外界信号振动导致的被测光纤相位改变量，θ(t₀)-θ(t)表示激光器的相位噪声；

S22.对波形数据表达式进行希尔伯特变换表达为下式：

H(t)＝E₀R(t)sin(2πf_bt+θ_fut(t)+θ(t₀)-θ(t)) (3)

S23.结合式(2)和式(3)计算得到相位信号

和强度信号A(t)：

S24.考虑平衡探测器噪声对相位提取的影响，相位信号表示为式(6)：

式(6)中，A表示幅度，

表示提取出来的相位，N(t)表示平衡探测器的电噪声；

S25.经相位提取，按式(7)计算待测光纤上任意两点间的相位信号差分值：

S26.根据限脉冲宽度大小及数据采集卡的采样速率计算采样点数目N，将多个采样点的相位累加求取相位和，表示为式(8)：

关于采样点数目N的计算，如：数据采集卡采样率是250MB/S，系统的脉冲宽度是100ns(定位精度10米)，则将25个采样点(采样一个点时间为4ns，对应脉冲宽度100ns需要25个采样点时间)为一组。

S27.取式(8)中两组数据间的相位差为相位变化值，表示为式(9)：

求取每组数据中相邻两组间的相位差后即可得到一个二维矩阵R_mn，其中，m是数据采集卡采样组数，n是数据采集卡采样一次后通过上述运算得到的相位差的数量)将矩阵转置为R_nm矩阵，求取其相位标准差就能获得最终振动信号。

步骤S40中，所述振动入侵点的位置按下式计算：

式中，n为光纤折射率，c为光速，Δt为数据采集卡采集到振动入侵点所需的时间。

经过以上步骤：当光纤上某一点发生振动时，其内部相连的M条光纤就有M个点同时探测到振动，多个点同时探测发生偏振衰落的机率大大降低，从而减少偏振衰落造成的入侵信号漏检现象。

实施例二

本实施例为应用实施例一中方法的探测系统的实施例，包括顺次连接的第二光纤耦合器、平衡探测器、数据采集卡及PC机，所述第二光纤耦合器的输入端连接有第一输入回路及第二输入回路：

所述第一输入回路包括信号连接的光源及第一光纤耦合器，所述第一光纤耦合器连接于第二光纤耦合器的第一输入端；

所述第二输入回路包括顺次信号连接的光源、第一光纤耦合器、声光调制器、光纤放大器及光回旋器，所述光回旋器连接于第二光纤耦合器的第二输入端，所述声光调制器连接有射频信号发生器，所述射频信号发生器与PC机连接，所述光回旋器与待测光纤连接；

所述PC机嵌置写入有实施例一所述的减少分布式光纤振动系统偏振衰落的方法的程序模块。

本实施例在实施时，以窄线宽激光器作为光源，输出功率为40毫瓦线宽为100Hz，光源发射出的连续光经过第一光纤耦合器后分别通过两条支路，一路经过声光调制器调制成有频移的光脉冲后再经过光纤放大器放大后由光回旋器器耦合进入待测光纤；另一路光为本振参考光，测试光纤中瑞利散射回的光与本振参考光在第光纤二耦合器中相干后输入到平衡探测器，如果待测光纤稳定，反射回来的瑞利散射信号统计特征则是固定不变的，所以散射回来的瑞利信号是不变的。一旦待测光纤有外界振动，振动会引起光纤长度变化或者折射率变化，最终表现在瑞利散射曲线上是振动点位置的相位信号发生变化；探测的数据上传至PC机按照实施例一的方法进行分析处理即可提取到相位的变化值。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种减少分布式光纤振动系统偏振衰落的方法，其特征在于，所述光纤包括M条纤芯，所述方法包括以下步骤：

S10.采用光时域反射仪测量光纤的长度并记录，将纤芯头尾熔接组成一条往复布置的长距离光纤；

S20.通过射频信号发生器发出脉冲信号，触发数据采集卡采集波形数据，数据采集卡采集的数据发送至PC的数据处理程序中进行相位提取和运算得到相位变化值；

S30.根据步骤S10中所测得的光纤长度，将光纤中每条纤芯位置映射到光纤的实际位置，取相位变化值最大的点作为实际信号；

S40.设置相位变化阈值，判断各点相位变化值与相位变化阈值的大小：若相位变化值超过相位变化阈值，则判定为振动入侵点，发出报警信号，并计算所述振动入侵点的位置；若相位变化值不超过相位变化阈值，则判定无振动信号；

步骤S20、步骤S30中，相位变化值按以下步骤进行计算：

S21.数据采集卡采集的波形数据表达为下式：

I(t)＝E₀R(t)cos(2πf_bt+θ_fut(t)+θ(t₀)-θ(t)) (2)

式(2)中，t₀表示激光器的初始相位，E₀表示激光器发射激光的能量，R(t)表示光纤的瑞利散射系数，θ_fut(t)表示外界信号振动导致的被测光纤相位改变量，θ(t₀)-θ(t)表示激光器的相位噪声；

S22.对波形数据表达式进行希尔伯特变换表达为下式：

H(t)＝E₀R(t)sin(2πf_bt+θ_fut(t)+θ(t₀)-θ(t)) (3)

S23.结合式(2)和式(3)计算得到相位信号

和强度信号A(t)：

S24.考虑平衡探测器噪声对相位提取的影响，相位信号表示为式(6)：

式(6)中，A表示幅度，

表示提取出来的相位，N(t)表示平衡探测器的电噪声；

S25.经相位提取，按式(7)计算待测光纤上任意两点间的相位信号差分值：

S26.根据限脉冲宽度大小及数据采集卡的采样速率计算采样点数目N，将多个采样点的相位累加求取相位和，表示为式(8)：

S27.取式(8)中两组数据间的相位差为相位变化值，表示为式(9)：

2.根据权利要求1所述的减少分布式光纤振动系统偏振衰落的方法，其特征在于，步骤S20中，脉冲信号的脉冲周期按下式计算：

T＝2nL/c (1)

式中，L为光纤长度，n为光纤折射率，c为光速，T为脉冲周期。

3.根据权利要求2所述的减少分布式光纤振动系统偏振衰落的方法，其特征在于，步骤S30中：长距离光纤的长度为M×L，若以光纤距离起始端S米处为探测位置，则所述探测位置对应至长距离光纤的2NL+S米处以及2NL-S处共M个探测点，其中N取整数。

4.根据权利要求3所述的减少分布式光纤振动系统偏振衰落的方法，其特征在于，若其中一探测点发生偏振衰落的几率是x(x<1),则M个点同时发生偏振衰落的机率为x^M。

5.根据权利要求1所述的减少分布式光纤振动系统偏振衰落的方法，其特征在于，步骤S40中，所述振动入侵点的位置按下式计算：

式中，n为光纤折射率，c为光速，Δt为数据采集卡采集到振动入侵点所需的时间。

6.一种应用权利要求1至5任一项所述方法的探测系统，其特征在于，包括顺次连接的第二光纤耦合器、平衡探测器、数据采集卡及PC机，所述第二光纤耦合器的输入端连接有第一输入回路及第二输入回路：

所述第一输入回路包括信号连接的光源及第一光纤耦合器，所述第一光纤耦合器连接于第二光纤耦合器的第一输入端；

所述第二输入回路包括顺次信号连接的光源、第一光纤耦合器、声光调制器、光纤放大器及光回旋器，所述光回旋器连接于第二光纤耦合器的第二输入端，所述声光调制器连接有射频信号发生器，所述射频信号发生器与PC机连接，所述光回旋器将光脉冲耦合进入待测光纤；

所述PC机嵌置写入有权利要求1至5任一项所述的减少分布式光纤振动系统偏振衰落的方法的程序模块。

Images