CN111157100B - 基于反馈的全光纤传感定位系统及定位方法 - Google Patents

基于反馈的全光纤传感定位系统及定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于分布式光纤传感测量技术领域，具体为一种基于反馈的全光纤传感定位系统及定位方法。本发明采用反馈型的全光纤干涉技术构建了光纤传感结构。该结构通过获取同一振动源的两种干涉信号，借助两种干涉信号的相位差之差，消除光纤监测系统中频率干扰项的影响，实现定位功能。这种方法的优点是利用改进的频域定位方法获得位置信息大大提高了定位精度。本发明的另一优点能够利用单根光纤进行定位监测，从原理上来说，没有监测范围限制，能够检测微小扰动，灵敏度高。

Description

基于反馈的全光纤传感定位系统及定位方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于反馈的全光纤传感定位系统及定位方法。
背景技术
分布式光纤传感技术是信号探测和定位的最理想手段之一，具有高分辨率、高精度、高响应速度的优点，而其中基于相位调制原理的分布式光纤干涉系统，又同时具有隔离静态、准静态的环境噪声影响、只响应动态信号、对光源相干长度要求低、系统调整方便、测试动态范围广的优点，更具有实用价值。分布式光纤传感系统已经在速度测试、振动传感等领域得到了广泛的应用。
传统的分布式光纤传感扰动源定位方法主要有陷波点法和自相关时延法。陷波点法是通过扰动源引起的光相位差的频谱图中的频率缺失点来获得振动点的位置信息。但是该方法中的频率缺失点位置易受到其他因素的干扰，存在系列扰动频率点，从而使得定位精度下降。自相关时延法是对解调后的相位信号做自相关，利用不同路径光信号之间受到扰动的时延差来实现扰动定位。但该方法计算复杂度高，导致计算缓慢，对处理设备要求较高。
发明内容
本发明针对光纤传感检测系统，提出一种基于反馈的全光纤传感定位系统及定位方法。本发明采用反馈型的全光纤干涉技术构建了光纤传感结构。该结构通过获取同一振动源的两种干涉信号，借助两种干涉信号的相位差之差，消除光纤监测系统中频率干扰项的影响，实现扰动点位置的定位。
一种基于反馈的全光纤传感定位系统，包括：反馈式全光纤传感器模块、光纤扰动检测模块、扰动定位模块，首先通过反馈式全光纤传感器模块输出两路干涉信号，然后通过光纤扰动检测模块将干涉信号转换为电信号，最后通过扰动定位模块利用相关算法得到定位结果。
所述反馈式全光纤传感器模块，采用如下反馈干涉结构它包括第一光纤分路器一、第二光纤分路器、第三光纤分路器、第四光纤分路器、第五光纤分路器、光纤环形器、第一光电转换器、第二光电转换器、第三光电转换器、第四光电转换器、第一反馈装置、第二反馈装置、光纤延迟线Ld、光纤延迟线L3；第二光纤分路器是3×3光纤分路器，第一光纤分路器一、第三光纤分路器、第四光纤分路器、第五光纤分路器是光纤波分复用器；信息处理单元分别与第一光电转换器、第二光电转换器、第三光电转换器、第四光电转换器的端口7b、8b、9b、10b连接；光纤环形器的端口2a1与第一光纤分路器的1b1端口连接，端口2c1与光纤环形器的端口5a1连接；第二光纤分路器的端口3a2与光纤环形器的端口2b1相连，端口3a3与第五光纤分路器的端口6a1连接，端口3b2与第三光纤分路器的端口4a1连接；第三光纤分路器的端口4b1与第一反馈装置连接，端口4b2与第二反馈装置连接；光第一光电转换器、第二光电转换器与第四光纤分路器的端口5b1、5b2连接；第三光电转换器、第四光电转换器与第五光纤分路器的端口6b1、6b2连接；第三光纤分路器的端口4b1附近设置有第二光纤延迟线L3；第二光纤分路器的端口3a1和3a2设置有第一光纤延迟线Ld；第一光纤分路器一的端口1a1、1a2为光源输入端口，第四光纤分路器的端口5b1、5b2、和第五光纤分路器的端口6b1、6b2为干涉信号输出端口。
光源为宽带光源，经下述两条路径传输的光可以相干，形成干涉A，经端口5b1(或5b2)输出：
a)1a1-1b-2a-2b-3a2-3b2-4a-4b1-11-4b1-4a-3b2-3a1-3b1；
b)1a1-1b-2a-2b-3a2-3b1-3a1-3b2-4a-4b1-11-4b1-4a-3b2；
经下述两条路径传输的光可以相干，形成干涉B，经端口6b1(或6b2)输出：
c)1a2-1b-2a-2b-3a2-3b2-4a-4b2-12-4b2-4a-3b2-3a1-3b1；
d)1a2-1b-2a-2b-3a2-3b1-3a1-3b2-4a-4b2-12-4b2-4a-3b2。
所述光纤扰动检测模块由光源、光源驱动和保护电路、隔离器、光电探测器、前置放大器和放大滤波信号调理电路组成。
外部扰动引起的总的相位变化，表示为：
Figure BDA0002353301790000021
式中L1为3b1到扰动点D的距离，L2为扰动点D的距离，Ld为延迟线圈的长度,n是光纤的有效折射率，c是真空中光速。
传统的定位方法根据
Figure BDA0002353301790000022
陷波点的位置对扰动点进行定位。即扰动点位置与特征频率的关系是通过
Figure BDA0002353301790000031
得到的，与
Figure BDA0002353301790000032
无关，因此该方法存在由
Figure BDA0002353301790000033
造成的“伪陷波点”的干扰。从而使在某些情况下“陷波点”不明显，降低定位准确性。本发明在此基础上，解决伪陷波点问题，提高定位精度。
综上所述，通过波分复用系统构建含有相同扰动信息的一路干涉系统，引入中间函数，消除干扰频率的影响。具体方案介绍如下。
基于上述系统，基于反馈的全光纤传感定位方法的步骤如下：
步骤1：将采集到的同一振动对应不同光源和光路位置的两束干涉光信号经过相位还原得到干涉相位差信号
Figure BDA0002353301790000034
和
Figure BDA0002353301790000035
步骤2：根据步骤1得到的干涉相位差信号特征，引入中间函数θ(t)；
步骤3：根据步骤2结果计算两光路系统的相位差信号之差
Figure BDA0002353301790000036
步骤4：对步骤3的结果求积分，得到信号
Figure BDA0002353301790000037
其中n是光纤的有效折射率，c是真空中光速，L2为扰动点位置的距离；
步骤5：计算步骤1的相位差信号与步骤4的积分结果信号比值，消除伪陷波点频率的干扰；
步骤6：对步骤5的信号进行傅立叶变换得到频谱，即可找到特征频率得到定位距离。其中扰动点位置L与特征频率f的关系为：
Figure BDA0002353301790000038
本发明采用反馈型的全光纤干涉技术构建了光纤传感结构。该结构通过获取同一振动源的两种干涉信号，借助两种干涉信号的相位差之差，消除光纤监测系统中频率干扰项的影响，实现定位功能。这种方法的优点是利用改进的频域定位方法获得位置信息大大提高了定位精度。本发明的另一优点是能够利用单根光纤进行定位监测，从原理上来说，没有监测范围限制，能够检测微小扰动，灵敏度高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明的反馈式全光纤传感器模块的结构示意图；
图2为基于反馈的全光纤传感定位方法的定位算法流程图；
图3为本发明实施例采用的光路系统图；
图4为本发明在实施例中在32.37km处的定位曲线图；
图5为基于反馈的全光纤传感定位系统组成框图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
一种基于反馈的全光纤传感定位系统，包括：反馈式全光纤传感器模块、光纤扰动检测模块、扰动定位模块。首先通过反馈式全光纤传感器模块输出两路干涉信号，然后通过光纤扰动检测模块将干涉信号转换为电信号，最后通过扰动定位模块利用相关算法得到定位结果。
如图1所示，所述反馈式全光纤传感器模块，采用如下反馈干涉结构它包括第一光纤分路器一1、第二光纤分路器3、第三光纤分路器4、第四光纤分路器5、第五光纤分路器6、光纤环形器2、第一光电转换器7、第二光电转换器8、第三光电转换器9、第四光电转换器10、第一反馈装置11、第二反馈装置12、光纤延迟线Ld、光纤延迟线L3；第二光纤分路器3是3×3光纤分路器，第一光纤分路器一1、第三光纤分路器4、第四光纤分路器5、第五光纤分路器6是光纤波分复用器；信息处理单元13分别与第一光电转换器7、第二光电转换器8、第三光电转换器9、第四光电转换器10的端口7b、8b、9b、10b连接；光纤环形器2的端口2a1与第一光纤分路器1的1b1端口连接，端口2c1与光纤环形器2的端口5a1连接；第二光纤分路器3的端口3a2与光纤环形器2的端口2b1相连，端口3a3与第五光纤分路器6的端口6a1连接，端口3b2与第三光纤分路器4的端口4a1连接；第三光纤分路器4的端口4b1与第一反馈装置11连接，端口4b2与第二反馈装置12连接；光第一光电转换器7、第二光电转换器8与第四光纤分路器5的端口5b1、5b2连接；第三光电转换器9、第四光电转换器10与第五光纤分路器6的端口6b1、6b2连接；第三光纤分路器4的端口4b1附近设置有第二光纤延迟线L3；第二光纤分路器3的端口3a1和3a2设置有第一光纤延迟线Ld；第一光纤分路器一1的端口1a1、1a2为光源输入端口，第四光纤分路器5的端口5b1、5b2、和第五光纤分路器6的端口6b1、6b2为干涉信号输出端口。
上述系统首先通过反馈式全光纤传感器模块输出两路干涉信号，然后通过光纤扰动检测模块将干涉信号转换为电信号，最后通过扰动定位模块利用相关算法得到定位结果。
如图2所示，基于上述系统，基于反馈的全光纤传感定位方法的具体步骤如下：
步骤1：将采集到的同一振动对应不同光源和光路位置的两束干涉光信号经过相位还原得到干涉相位差信号
Figure BDA0002353301790000051
和
Figure BDA0002353301790000052
步骤2：根据步骤1得到的干涉相位差信号特征，引入中间函数θ(t)；
步骤3：根据步骤2结果计算两光路系统的相位差信号之差
Figure BDA0002353301790000053
步骤4：对步骤3的结果求积分，得到信号
Figure BDA0002353301790000054
其中n是光纤的有效折射率，c是真空中光速，L2为扰动点位置的距离；
步骤5：计算步骤1的相位差信号与步骤4的积分结果信号比值，消除伪陷波点频率的干扰；
步骤6：对步骤5的信号进行傅立叶变换得到频谱，即可找到特征频率得到定位距离。其中扰动点位置L与特征频率f的关系为：
Figure BDA0002353301790000055
实施例：
在本实施例中，采用图3所示的光纤分布式振动定位系统结构。具体分析如下：
对于波长为1310nm的系统，具体的光路走向为：
a)2-3-4-8-FRM2-8-5-6-7；
b)2-3-4-7-6-5-8-FRM2-8；
通过反正切相位还原得到振动信号相位变化为：
Figure BDA0002353301790000056
式中L2为扰动点位置的距离，Ld为延迟线圈的长度,n是光纤的有效折射率，c是真空中光速。
传统的定位方法根据
Figure BDA0002353301790000061
陷波点的位置对扰动点进行定位。即扰动点位置与特征频率的关系是通过
Figure BDA0002353301790000062
得到的，与
Figure BDA0002353301790000063
无关，因此该方法存在由
Figure BDA0002353301790000064
造成的“伪陷波点”的干扰。从而使在某些情况下“陷波点”不明显，降低定位准确性。本发明在此基础上，解决伪陷波点问题，提高定位精度。
波长1550nm的光相应的干涉光路为：
c)1-3-4-8-FRM1-8-5-6-7；
d)1-3-4-7-6-5-8--FRM1-8；
Figure BDA0002353301790000065
引入中间函数
Figure BDA0002353301790000066
则
Figure BDA0002353301790000067
Figure BDA0002353301790000068
上述两式相减可得：
Figure BDA0002353301790000069
对式(6)积分，可以得到信号
Figure BDA00023533017900000610
因此，
Figure BDA0002353301790000071
上述L1为7到扰动点D的距离，L3为光纤延迟线长度。
消除了
Figure BDA0002353301790000072
的影响。仅令
Figure BDA0002353301790000073
则可以找到扰动点位置L2与特征频率f的关系。
Figure BDA0002353301790000074
对式(7)作傅里叶变换得到频域谱，即可找到特征频率，从而根据式(8)计算出扰动点距离L2，判定扰动点的位置。本实施例中，如图3所示波长为1550nm的系统从PD得到的原始信号(a)和(b)，相位还原的信号(c)和频谱信号(d)。根据频谱信号(d)，计算出陷波点位置的平均值出现在1572.5Hz。定位的长度为32.43km.，与真实长度32.37km相比，误差60m。
本实施例中，1310nm和1550nm的光源皆为电子集团总公司44研究所生产的超辐射发光管(SLD)。光纤分路器、波分复用器为武汉邮电研究院生产。6是3*3均分的光纤耦合器，11是环形器。反馈装置FRM1和FRM2是由光纤末端镀反射膜制成。监控光缆(光纤8)铺设于需要监控管线的附近，光纤干涉模块需置于隔音设备中以屏蔽外界干扰。从波分复用器12、13输出的干涉信号用44所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器将其转为电信号。通过ational Instruments公司数据采集卡PCI-6122将电信号信号采集进计算机进行信号处理，数据处理软件用Labview软件编写。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (2)

1.一种基于反馈的全光纤传感定位方法，利用了一种定位系统，所述系统包括：反馈式全光纤传感器模块、光纤扰动检测模块、扰动定位模块，首先通过反馈式全光纤传感器模块输出两路干涉信号，然后通过光纤扰动检测模块将干涉信号转换为电信号，最后通过扰动定位模块利用相关算法得到定位结果；
其方法步骤如下：
步骤1：将采集到的同一振动对应不同光源和光路位置的两束干涉光信号经过相位还原得到干涉相位差信号
Figure FDA0003551363960000011
和
Figure FDA0003551363960000012
步骤2：根据步骤1得到的干涉相位差信号特征，引入中间函数θ(t)；
步骤3：根据步骤2结果计算两光路系统的相位差信号之差
Figure FDA0003551363960000013
步骤4：对步骤3的结果求积分，得到信号
Figure FDA0003551363960000014
其中n是光纤的有效折射率，c是真空中光速，L2为扰动点位置的距离；
步骤5：计算步骤1的相位差信号与步骤4的积分结果信号比值，消除伪陷波点频率的干扰；
步骤6：对步骤5的信号进行傅立叶变换得到频谱，即可找到特征频率得到定位距离；其中扰动点位置L与特征频率f的关系为：
Figure FDA0003551363960000015
2.根据权利要求1所述的基于反馈的全光纤传感定位方法，其特征在于，所述反馈式全光纤传感器模块，采用如下反馈干涉结构，它包括第一光纤分路器(1)、第二光纤分路器(3)、第三光纤分路器(4)、第四光纤分路器(5)、第五光纤分路器(6)、光纤环形器(2)、第一光电转换器(7)、第二光电转换器(8)、第三光电转换器(9)、第四光电转换器(10)、第一反馈装置(11)、第二反馈装置(12)、第一光纤延迟线(Ld)、第二光纤延迟线(L3)；第二光纤分路器(3)是3×3光纤分路器，第一光纤分路器 (1)、第三光纤分路器(4)、第四光纤分路器(5)、第五光纤分路器(6)是光纤波分复用器；信息处理单元(13)分别与第一光电转换器(7)、第二光电转换器(8)、第三光电转换器(9)、第四光电转换器(10)的输出端口(7b、8b、9b、10b)连接；光纤环形器(2)的端口(2a1)与第一光纤分路器(1)的输出端口(1b1)连接，光纤环形器(2)的输出端口(2c1)与第四光纤分路器(5)的端口(5a1)连接；第二光纤分路器(3)的输入端口(3a2)与光纤环形器(2)的另一输出端口(2b1)相连，第二光纤分路器(3)的一输出端口(3a3)与第五光纤分路器(6)的输入端口(6a1)连接，第二光纤分路器(3)的另一输出端口(3b2)与第三光纤分路器(4)的输入端口(4a1)连接；第三光纤分路器(4)的一输出端口(4b1)与第一反馈装置(11)连接，第三光纤分路器(4)的另一输出端口(4b2)与第二反馈装置(12)连接；第一光电转换器(7)、第二光电转换器(8)与第四光纤分路器(5)的输出端口(5b1、5b2)连接；第三光电转换器(9)、第四光电转换器(10)与第五光纤分路器(6)的输出端口(6b1、6b2)连接；第三光纤分路器(4)的所述输出端口(4b1)附近设置有第二光纤延迟线(L3)；第二光纤分路器(3)的所述输入端口(3a2)和另一输入端口(3a1)之间设置有第一光纤延迟线(Ld)；第一光纤分路器 (1)的输入端口(1a1、1a2)为光源输入端口，第四光纤分路器(5)的所述输出端口(5b1、5b2)和第五光纤分路器(6)的所述输出端口(6b1、6b2)为干涉信号输出端口。
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