CN112532337B - 分布式高精度光纤振动入侵与在线监测探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分布式高精度光纤振动入侵与在线监测探测器，采用基于Mach‑Zehnder干涉原理结合多路脉冲辅助定位技术，采用波分复用技术，脉冲采用多路同时发送，一路经过Mach‑Zehnder干涉仪采集振动信号；一路经过耦合器辅助定位和实时在线监测。采用双路脉冲解调技术和辅助脉冲定位技术，大幅度提高了定位精度，同时实现了实时光纤在线监测技术，有效降低了系统成本，能同时实现分布式高精度振动报警和实时高精度光纤在线测量。

Description

分布式高精度光纤振动入侵与在线监测探测器
技术领域
本发明涉及光纤探测技术领域，具体涉及一种分布式高精度光纤振动入侵与在线监测探测器。
背景技术
光纤传感技术是伴随着光纤技术和光通信技术，发展起来的一种新型传感技术。光纤传感器与传统传感器相比，具有无源、本质安全、抗电磁干扰能力强、抗辐射、耐高温高压、抗腐蚀能力强、灵敏度高等优点。近年来，光纤传感技术在机械、电子仪器仪表、航天航空、石油、化工、食品安全等领域的生产过程安全防护、自动控制、在线检测、故障诊断等方面，得到了卓有成效的发展和推广。
光纤振动传感技术，是光纤传感领域中研究和开发较为活跃的技术，以应用到周界安全防护、城市管廊、管道预警等诸多领域。传统的光纤振动传感器一般采用单光源(脉冲光源)结构。然而，该技术存在模式识别不准确，甚至只能采用阈值判别，误报率高、定位的同时做光纤实时在线监测等缺点。
而且光纤振动探测器普遍定位精度不高，一般长度5km时，定位误差±5m左右；长度10km时，定位误差±10m左右；长度20km时，定位误差±20m左右。导致应用场景受限，推广困难。
此外，光纤振动探测器只用于振动信号的监测，对光纤状态监测也仅限于断纤、有无损耗点，无法进行精确监测。需要测量光纤状态时，还需要借助光时域分析仪(OTDR)等辅助仪器，并且这些仪器需要专业人员进行操作，有一定的技术门槛，会造成很多不便。
发明内容
本发明要解决的技术问题是解决上述现有技术的不足，提供一种分布式高精度光纤振动入侵与在线监测探测器。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种分布式高精度光纤振动入侵与在线监测探测器，包括光源模块、脉冲发生器、波分复用模块、分光器、耦合器、核心光路、传感光缆、尾包、光电转化模块、数据采集卡以及上位机；其中核心光路包括声光调制器、光环形器、光接收组件；传感光缆为双芯光缆；
所述光源包括两个光源，且两者波长不同，其中一个光源产生连续光，另一个光源连接脉冲发生器产生脉冲光，分光器连接该光源将脉冲光分成两束，其中一束脉冲光和连续光经过波分复用模块合成一束光，另一束脉冲光经过耦合器连接传感光纤；波分复用模块连接核心光路、核心光路连接传感光缆，传感光缆连接尾包；
其中，其中光耦合器、波分复用模块还连接光电转化模块，将返回的三路光信号转成电压信号并传送给数据采集卡，数据采集卡连接上位机；
其中，波分复用分离出的脉冲波用于振动信号定位，耦合器分离出的脉冲波用于在线监测以及采瞬时损耗点位置；
进一步，上位机根据波分复用分离出的脉冲波通过Mach-Zehnder干涉计算出振动点初步位置，并且计算光纤上瞬时损耗点的位置，采集动点初步位置附近的损失损耗点位置，取平均值。
进一步的，其中一个光源发出中心波长为1310nm的激光，另一个光源发出中心波长为1550nm的激光，其中脉冲发生器发生对1550nm光源进行调制，分光器将1550nm脉冲光分成两个光强为1:1的光束。
本发明的探测器使用两个不同波长的激光器，采用波分复用技术，采用双路脉冲解调技术和辅助脉冲定位技术，大幅度提高了定位精度，同时实现了实时光纤在线监测技术。并且该技术有效降低了系统成本，能同时实现分布式高精度振动报警和实时高精度光纤在线测量。
附图说明
图1为本发明的功能框图
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式做具体说明。
本发明的分布式高精度光纤振动入侵与在线监测探测器如图1所示，包括如下组成：
上位机1(上位机软件)：内置数据处理软件，实现对高速数据采集卡2,送入的采集信号进行处理，然后解调出振动连续波用于模式识别分类，脉冲信号进行定位和在线监测计算；
高速数据采集卡2：四路150M高速采集卡，可以同时对四路光电探测器的电压信号进行采集，四路都支持150M数据采集，并且采集速度可调；
脉冲发生器3：控制脉冲光源发送脉冲信号；
1550nm光源模块4：中心波长在1550nm附近的脉冲激光器；
1310nm光源模块5：中心波长在1310nm附近的连续波激光器；
光电转化模块6：将光信号转成为电压信号传送给数据采集卡；
1310/1550WDM模块7：用于分离出1550nm波段和1310波段的波分复用器；
耦合器8：1550nm50:50光纤耦合器；
核心光路9：包括声光调制器、光环行器和光接收组件；
传感光缆10：普通国标通信光缆G.652D，为双薪光纤；
尾包11：包含光耦合器和光隔离器。
系统开始运行后，脉冲发生器控制1550nm脉冲光源发送脉冲光，脉冲光经过耦合器，转换成两束脉冲光，其中一路脉冲光与1310nm光源模块发出的连续光，经过1310/1550WDM模块进行波分复用合成一束光。再经过核心光路中的声光调制器调制成较高频率光，高频光在光环形器中进行干涉后传送到传感光缆采集振动信号，通过尾包的处理，再经过传感光缆返回核心光路模块，经过核心光路中的光环行器进行光分离，并将分离出来的光传送到内部的光接收组件进行放大，处理后的光信号通过1310/1550WDM分成1310nm和1550nm两个不同波段的光信号，通过光电转换电路模块转成电压值，最终由高速数据采集卡采集后传送给上位机软件进行分析。另一束1550nm脉冲光经过耦合器后，直接发送到传感光缆，采集振动和光纤状态，经过耦合器处理后，经过光电转换电路模块转换成电压值，然后由数据采集卡采集信号后，传递给上位机软件进行处理。上位机软件收到三组信号，一路连续波、两路脉冲波(波分复用分离出的脉冲波和经过耦合器分离出的脉冲波)。连续波输入到模式识别模块用于分类判别，例如对雨天、风、入侵、攀爬等情况进行判断。波分复用分离出的脉冲波用于振动信号定位；耦合器分离出的脉冲波，用于辅助精确定位和光纤在线监测；两路脉冲波互不干扰。
光源技术中，1310nm光信号连续采集传感光缆中的振动信号，用于模式识别判别，最大限度的提取了传感光缆上的振动特征，有效的提高了模式识别的准确性；一路1550nm光脉冲信号用于振动信号的初步定位，减少了冗余功能，定位速度更快；另一路用于辅助定位和光纤在线监测，系统功能更加完备，集成度更高，不仅大幅度提高了定位精度，而且解决了光纤振动入侵探测器无法精确监测光纤状态问题。
其中，初步定为采用Mach-Zehnder干涉，激光器向光纤中发射一束相干光，相干光经过耦合器分成两个光强为1:1的光束，分别注入信号光纤和参考光纤，随后进入耦合器进行干涉，当振动光纤发生振动时，信号臂光纤的折射率发生变化，导致其内部光束与参考光纤内部光束产生相位差，并产生明显干涉，经过光环形器得到两个有一定时间延迟的光波信号。通过对光波相位进行调制，通过时间差计算出振动发生的位置。本发明中，1550nm光经过核心光路9中的光环形器得到存在相位差的振动信号。通过时间差计算定位位置，公式为：
Figure BDA0002819854870000031
其中：L：光纤长度，c：光速，t1-t2：为光发送与接收的时间差，n：光纤的平均折射率。
通过Mach-Zehnder干涉计算出初步定位点位置，结合该位置附近脉冲光纤损耗点计算，能精确计算出振动发生的具体位置。具体的，计算光纤上瞬时损耗点的位置，采集定位点初步位置附近的损失损耗点位置，取平均值，将其作为振动点的位置，其精度更高。
与传统的Mach-Zehnder干涉技术的光纤振动传感器系统不同，本探测器使用两个不同波长的激光器，采用波分复用技术，采用双路脉冲解调技术和辅助脉冲定位技术，大幅度提高了定位精度，同时实现了实时光纤在线监测技术。并且该技术有效降低了系统成本，能同时实现振动报警和光纤在线测量。

Claims (3)

1.一种分布式高精度光纤振动入侵与在线监测探测器，其特征在于：包括光源模块、脉冲发生器、波分复用模块、分光器、耦合器、核心光路、传感光缆、尾包、光电转化模块、数据采集卡以及上位机；其中核心光路包括声光调制器、光环形器、光接收组件；传感光缆为双芯光缆；
所述光源包括两个光源，且两者波长不同，其中一个光源产生连续光，另一个光源连接脉冲发生器产生脉冲光，分光器连接该光源将脉冲光分成两束，其中一束脉冲光和连续光经过波分复用模块合成一束光，另一束脉冲光经过耦合器连接传感光纤，采集振动和光纤状态；波分复用模块连接核心光路、核心光路连接传感光缆，传感光缆连接尾包；
其中光耦合器、波分复用模块还连接光电转化模块，将返回的三路光信号转成电压信号并传送给数据采集卡，数据采集卡连接上位机；三路光信号包括一路连续波和两路脉冲波，由脉冲光源产生两束脉冲光，其中一路脉冲光与连续光源模块发出的连续光合成一束光后依次经过核心光路、传感光纤采集振动信号后，经传感光纤返回核心光路处理后的光信号通过波分复用模块分为两路不同波段的光信号，另一路脉冲光经过耦合器处理后的信号为第三路光信号，其中，波分复用分离出的脉冲波用于振动信号定位，耦合器分离出的脉冲波用于在线监测以及采集瞬时损耗点位置。
2.根据权利要求1所述的分布式高精度光纤振动入侵与在线监测探测器，其特征在于：
上位机根据波分复用分离出的脉冲波通过Mach-Zehnder干涉计算出振动点初步位置，并且计算光纤上瞬时损耗点的位置，采集动点初步位置附近的损失损耗点位置，取平均值。
3.根据权利要求1所述的分布式高精度光纤振动入侵与在线监测探测器，其特征在于：
其中一个光源发出中心波长为1310nm的激光，另一个光源发出中心波长为1550nm的激光，
其中脉冲发生器发生对1550nm光源进行调制，分光器将1550nm脉冲光分成两个光强为1:1的光束。
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