CN114485905A - 一种基于不同脉宽光信号的分布式光纤振动与应变传感方法 - Google Patents

Abstract

一种基于不同脉宽光信号的分布式光纤振动与应变传感方法，涉及光纤传感。包括窄带激光器、光调制器、信号发生器、第一光放大器、第二光放大器、光纤环形器、传感光纤、光电检测器、数据采集卡和处理装置；光调制器利用信号发生器产生的不同设定脉宽且脉宽相近的电信号对窄带激光器输出的连续光进行调制，交替生成不同设定脉宽且脉宽相近的若干个不同脉宽光信号，使得这些光信号采集传感光纤内同一传感点的振动信息相近，但光强信号的初始相位集合不同；处理装置分别选取任意两个不同脉宽光信号进行解调处理，在传感光纤振动位置同一传感点处的光强信号进行振动解调。空间分辨率高，解调结果一致性好，抗环境干扰能力强，制造成本低。

Description

一种基于不同脉宽光信号的分布式光纤振动与应变传感方法

技术领域

本发明属于光纤传感领域，具体是涉及一种基于不同脉宽光信号的分布式光纤振动与应变传感方法。

背景技术

振动测量作为实时反应动态应变信息的手段，在公路、隧道、桥梁、管道等工程结构的健康监测中有非常广泛的应用。分布式光纤振动传感技术是光纤传感技术的一种，可实现对全光纤范围内振动信号的连续监测，传感距离通常达到数十公里，空间分辨率可达米级，并通过定位和解调算法实时获得振动信号的位置、频率和幅度等信息。由于其硬件结构简单、抗电磁干扰、抗腐蚀、传感范围大、灵敏度高等特点，近年来在工程中得到更多关注和应用。

目前，分布式光纤振动传感系统主要是基于相位敏感型光时域反射技术实现，传感光纤受到外界振动的影响时，在对应位置处接收到的背向瑞利散射光强会随外界振动变化，可以通过解调算法定位和还原振动信号。在现有的基于直接检测结构的方法中，双脉冲解调法([1]He X,Xie S,Liu F,et al.Multi-event waveform-retrieved distributedoptical fiber acoustic sensor using dual-pulse heterodyne phase-sensitiveOTDR[J].Optics Letters,2017,42(3):442-445；[2]Qian H,Luo B,He H,et al.PhaseDemodulation Based on Differentiate-and-Cross-Multiply Algorithm inΦ-OTDRwith Self-Interference Balance Detection[J].IEEE Photonics TechnologyLetters,2020,PP(99):1-1)引入前后相邻脉冲对间的二次干涉进行解调，空间分辨率较低，系统受环境影响大；大脉宽双点解调法([3]Zhou,Sha,Hao,et al.Phase demodulationmethod in phase-sensitive OTDR without coherent detection[J].Optics Express,2017,25(5):4831-4844)牺牲了空间分辨率，并存在用于解调的双点包含振动附加相位不一致导致解调结果失真的问题，在工程实践上的可行性较低。

鉴于以上分析，针对实际应用设计一种空间分辨率高、抗干扰能力强、解调结果一致性好的分布式光纤振动与应变传感方法，在工程结构的健康检测领域具有重要的意义与价值。

发明内容

本发明的目的在于为了克服直接检测型分布式光纤振动与应变传感方法中存在的缺陷，更好地满足工程实际需求，提供一种直接检测型分布式光纤传感系统。

本发明的另一目的在于提供一种基于不同脉宽光信号的分布式光纤振动与应变传感方法。

所述直接检测型分布式光纤传感系统包括窄带激光器、光调制器、信号发生器、第一光放大器、第二光放大器、光纤环形器、传感光纤、光电检测器、数据采集卡和处理装置；所述窄带激光器的输出端连接光调制器的光输入端，信号发生器的输出端连接光调制器的电输入端，光调制器的输出经过第一光放大器与光纤环形器的第一端相连，该光纤环形器的第二端连接传感光纤，光纤环形器的第三端连接第二光放大器；所述第二光放大器的输出端依次通过光电探测器、数据采集卡，连接至处理装置进行数据解调处理。

一种基于不同脉宽光信号的分布式光纤振动与应变传感方法，采用上述直接检测型分布式光纤传感系统，具体方法包括以下步骤：

1)光调制器利用信号发生器产生的不同设定脉宽且脉宽相近的电信号对窄带激光器输出的连续光进行调制，交替生成不同设定脉宽且脉宽相近的若干个不同脉宽光信号；若干个不同脉宽光信号通过第一光放大器放大后，经过光纤环形器传输给传感光纤，产生背向瑞利散射光；

2)背向瑞利散射光返回后，经过光纤环形器传输给第二光放大器进行放大，并经过光电探测器对背向瑞利散射光进行光电转换后，传输给数据采集卡进行采集，采集后的数据传输给处理装置；

3)处理装置分别选取任意两个不同脉宽光信号进行解调处理，在传感光纤振动位置同一传感点处的光强信号进行振动解调，根据解调结果所得的相位信息还原传感光纤上振动位置的振动信息。

在步骤1)中，所述若干个不同脉宽光信号为至少两个，不同脉宽的值设定相近，可称为第一脉宽光信号、第二脉宽光信号等；

所述若干个不同脉宽光信号由窄带激光器经由同一个光调制器受同一个信号发生器调制交替产生，不同脉宽光信号的脉宽设定应当选取较小值，且设定脉宽相近但不相等，采用传感光纤上同一传感点的光强信息进行解调，提高系统空间分辨率的同时，这些光信号在该传感光纤振动位置同一传感点采集到的振动信息近似相同，但光强信息的初始相位集合不同，使得解调结果的一致性提高。

所述光调制器交替产生所述不同脉宽光信号的时间间隔大于任意脉冲光在所述传感光纤中来回传输的时间间隔，以保证不会引入除背向瑞利散射光自干涉之外的二次干涉。

在步骤3)中，所述振动解调选取任意两个不同脉宽光信号在传感光纤振动位置同一传感点处采集的背向瑞利散射光强信息，进行数据对齐后使用微分交叉相乘解调；

所述还原传感光纤上振动位置的振动信息的具体步骤可为：

(1)使用带通滤波器对输入的光强信息进行滤波，去除其中携带的直流分量、缓变噪声和高频毛刺噪声，使背向瑞利散射光强只保留包含相同振动附加相位的交流分量；

(2)使用第一脉宽光信号和第二脉宽光信号在同一传感点采集的光强信息进行微分交叉相乘运算，获得只包含振动附加相位变化的待积分解调信号；使用二次微分交叉相乘法或包络拟合法，去除待积分解调信号中的缓变趋势系数；

(3)对去除振动缓变趋势系数后的待积分解调信号进行积分，最终还原出振动附加相位和频率信息，从而完整地解调出施加在传感光纤上的振动信息。

本发明的有益效果是：

1.本发明所采用的基于不同脉宽光信号的解调方法，相比于双脉冲解调法和大脉宽双点解调法，空间分辨率更高。双脉冲解调法的空间分辨率由前后相邻脉冲的间隔决定，远大于单脉冲系统的空间分辨率；大脉宽双点解调法由于引入了较大的脉宽，降低系统的空间分辨率。本发明中基于不同脉宽光信号的解调方法可以通过设定较小的脉宽获得更高的空间分辨率，因此系统的空间分辨率高。

2.本发明所采用的基于不同脉宽光信号的解调方法，相比于现有的脉冲对解调法，系统稳定性更好。双脉冲解调法在前后相邻脉冲对间引入了除背向瑞利散射光自干涉之外的二次干涉，放大了环境噪声对其的影响，系统信噪比降低。本发明中基于不同脉宽光信号的系统，没有引入除背向瑞利散射光自干涉外的二次干涉，因此系统抗环境干扰能力更强，系统稳定性更好。

3.本发明所采用的基于不同脉宽光信号的解调方法，相比于大脉宽双点解调法解调结果一致性更好。大脉宽双点法选取同一振动区域附近相邻采样点的光强信号进行解调，受到数据采集卡采样率的限制，两点包含的振动信息不一致，会导致解调结果失真。本发明中基于不同脉宽光信号的系统采用了脉宽相近的光脉冲，保证了不同脉宽光信号在同一位置包含的振动信息近似相同，使得该系统的相位解调结果与实际振动的一致性好。

附图说明

图1为直接检测型分布式光纤传感系统的结构示意图。

图2为光调制器生成不同脉宽光信号的对比示意图。

图3为传感光纤在振动处采集的原始光强信号和基于不同脉宽光信号解调的振动附加相位结果对比图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施中的技术方案，下面结合附图对本发明实施案例中的技术方案做进一步的描述说明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，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。

图1为一种基于不同脉宽光信号的分布式光纤振动与应变传感方法的一个装置结构示意图。该系统包括窄带激光器、信号发生器、光调制器、第一光放大器、光纤环形器、传感光纤、第二光放大器、光电探测器、数据采集卡和处理装置，所述激光器的输出端连接光调制器的光输入端，信号发生器的输出端连接光调制器的电输入端，该光调制器的输出端连接第一光放大器的输入端，该第一光放大器的输入端与光纤环形器的第一端相连，该光纤环形器的第二段连接传感光纤，光纤环形器的第三端连接第二光放大器，该第二光放大器的输出端经过所述光电探测器、数据采集卡连接该处理装置(如计算机等设备)。

所述光纤环形器采用三端口光纤环形器，图1中标记1～3表示三端口光纤环形器的三个端口。

所述信号发生器交替产生不同脉宽的电脉冲信号驱动光调制器，使得所述光调制器对激光器产生的连续光进行调制，交替形成具有不同设定脉宽且脉宽相近的脉冲光，称为第一脉宽光信号、第二脉宽光信号等。该信号发生器交替发射不同脉宽电脉冲信号的时间间隔大于任意脉宽光信号在传感光纤中来回传播的时间；所述不同脉宽光信号依次经过第一光放大器、光纤环形器进入传感光纤内，产生背向瑞利散射光，该背向瑞利散射光经过第二光放大器、光电探测器连接数据采集卡，该数据采集卡对信号进行采集后将数据传给处理装置进行解调处理。图2给出光调制器生成不同脉宽光信号的对比示意图。

在分布式光纤振动传感系统中，利用相位敏感型光时域反射技术，可以通过背向瑞利散射光强信号产生的时间对传感光纤上的传感点进行定位。当在传感光纤某一位置施加振动时，该传感点产生的背向瑞利散射光强信号会产生随振动变化的周期性变化。

在振动测量的使用场景中，受光弹效应影响，传感光纤上某一位置z处的传感点产生的背向瑞利散射光强信号由该传感点附近半脉宽区域内散射点的瑞利散射信号叠加而成，写为如下形式：

其中，D(z)表示传感光纤z位置处背向瑞利散射光强的直流分量集合，A(z)表示传感光纤z位置处背向瑞利散射光强的交流幅值大小；

表示传感光纤z位置处瑞利散射光强的初始相位集合，并随散射点集合的不同在[-π,π]范围内随机变化；θ(t)表示振动附加相位，在单位传感光纤内与振动施加的应变大小成正比。

在上述的公式中，背向瑞利散射光强信号的幅值及初始相位集合，与传感点的位置以及光脉冲信号的宽度直接相关。光强信号与振动附加相位呈非线性关系，因此需要对振动附加相位进行解调处理，使解调结果与振动信息呈线性关系。

基于以上分析，本发明基于直接检测型分布式光纤传感系统，使用不同脉宽光信号进行解调处理。

现有的双脉冲解调法，使用前后相邻脉冲间的二次干涉进行解调处理，其空间分辨率取决于前后脉冲间隔，远低于单脉冲结构的空间分辨率；由于引入了背向瑞利散射自干涉之外的二次干涉，背向瑞利散射光强信号不稳定，受环境影响较大。

现有的大脉宽双点解调法中，通常选取所述振动区域附近的相邻两点进行解调处理，选取的两点空间间距由数据采集卡的采样速率决定，例如通用的高速数据采集卡采样速率为100MSa/s，此时每个采样点的间隔为10ns，选取相邻的采样数据点时，光脉冲移动会导致包含振动信息的区域前后会错开1m，因此相邻采样点包含的振动信息不一致，会导致解调结果的失真；同时大脉宽双点法为了获取更多采样点，会增大光脉冲的脉宽，降低了空间分辨率。

针对上述两种方法存在空间分辨率低、解调一致性差等问题，本发明所提出的不同脉宽光信号无需增大光脉冲的脉宽，无需使用更高采样速率的数据采集卡，并且没有引入除背向瑞利散射光相干外的二次干涉，使得该系统抗干扰能力强、成本更低、空间分辨率高。

基于不同脉宽光信号的解调方法，通常选取任意两个脉宽的光信号进行解调，如选取第一脉宽光信号和第二脉宽光信号在同一传感点处背向瑞利散射光强信号进行解调。在脉宽相近且取同一传感点的条件下，保证了两个光信号接收到的振动信息近似相同，但初始相位集合由于散射点集合略微不同而存在差异，可以将第一脉宽光信号得到的初始相位集合表示为

第二脉宽光信号得到的初始相位集合表示为

在实际案例中，所选取的第一脉宽光信号和第二脉宽光信号对同一振动位置z处的采集存在时间间隔，需要对采集的光强信号进行数据对齐后，使用如下解调算法进行振动附加相位的解调。

第一脉宽光信号在传感点z处产生的背向瑞利散射光强为：

第二脉宽光信号在传感点z处产生的背向瑞利散射光强为：

上述两路光强信号使用带通滤波器消去直流缓变分量和高频毛刺噪声后，使用微分交叉相乘算法进行运算，结果中的系数K表示随环境缓变的趋势项：

_DCM＝I₁I′₂-I′₁I₂＝K·θ(t)′

通过二次微分交叉相乘法或包络拟合法等方法可以求出缓变趋势系数K，除去系数K之后进行积分运算，最终求出振动附加相位为：

通过以上分析，将解调后的振动附加相位写为θ(t)＝Acos(2πf_st)，其中f_s为振动附加相位的频率，A为振动附加相位的幅度。解调后的振动附加相位与外加振动的频率一致，幅度成正比，依照光弹效应可以推出外加动态应变的大小。因此通过本装置和解调方法可以准确的解调出施加在传感光纤上的振动附加相位幅度和频率信息。

本发明的一个具体实施例中，窄带激光器的激光线宽为3khz，光调制器为声光调制器，不同脉宽光信号的数量为两个，选取第一脉宽光信号为38ns，第二脉宽光信号为40ns，交替发射脉冲间隔为125μs，传感光纤为单模光纤，长度为2.2km，光电探测器带宽为100MHz，数据采集卡采样率为100MSa/s，在单模传感光纤约1.2km处，通过压电陶瓷施加了长度为1m左右的50Hz正弦波振动信号。传感光纤在振动处的光强原始信号和基于不同脉宽光信号的解调结果如图3所示，证明通过该方法可以有效地对振动附加相位进行解调。

本发明利用光调制器调制激光光源，交替产生不同脉宽且脉宽相近的光脉冲信号，使得这些光信号采集传感光纤内同一传感点的振动信息相近，但光强信号的初始相位集合不同；使用任意两个不同脉宽光信号，对施加在传感光纤上的振动进行解调。空间分辨率高，解调结果一致性好，抗环境干扰能力强，制造成本低。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非是对其的限制，尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换，而这些修改和替换，并不使相应的技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，本领域技术人员根据本说明书内容所做出的非本质改进和调整或者替换，均属本发明所要求保护的范围。

Claims (7)

1.直接检测型分布式光纤传感系统，其特征在于包括窄带激光器、光调制器、信号发生器、第一光放大器、第二光放大器、光纤环形器、传感光纤、光电检测器、数据采集卡和处理装置；所述窄带激光器的输出端连接光调制器的光输入端，信号发生器的输出端连接光调制器的电输入端，光调制器的输出经过第一光放大器与光纤环形器的第一端相连，该光纤环形器的第二端连接传感光纤，光纤环形器的第三端连接第二光放大器；所述第二光放大器的输出端依次通过光电探测器、数据采集卡，连接至处理装置进行数据解调处理。

2.一种基于不同脉宽光信号的分布式光纤振动与应变传感方法，其特征在于采用如权利要求1所述直接检测型分布式光纤传感系统，其具体方法包括以下步骤：

1)光调制器利用信号发生器产生的不同设定脉宽且脉宽相近的电信号对窄带激光器输出的连续光进行调制，交替生成不同设定脉宽且脉宽相近的若干个不同脉宽光信号；若干个不同脉宽光信号通过第一光放大器放大后，经过光纤环形器传输给传感光纤，产生背向瑞利散射光；

2)背向瑞利散射光返回后，经过光纤环形器传输给第二光放大器进行放大，并经过光电探测器对背向瑞利散射光进行光电转换后，传输给数据采集卡进行采集，采集后的数据传输给处理装置；

3)处理装置分别选取任意两个不同脉宽光信号进行解调处理，在传感光纤振动位置同一传感点处的光强信号进行振动解调，根据解调结果所得的相位信息还原传感光纤上振动位置的振动信息。

3.如权利要求2所述一种基于不同脉宽光信号的分布式光纤振动与应变传感方法，其特征在于在步骤1)中，所述若干个不同脉宽光信号为至少两个。

4.如权利要求2所述一种基于不同脉宽光信号的分布式光纤振动与应变传感方法，其特征在于在步骤1)中，所述若干个不同脉宽光信号由窄带激光器经由同一个光调制器受同一个信号发生器调制交替产生，不同脉宽光信号的脉宽设定应当选取较小值，且设定脉宽相近但不相等，采用传感光纤上同一传感点的光强信息进行解调，提高系统空间分辨率的同时，这些光信号在该传感光纤振动位置同一传感点的光强信息相位集合不同，但采集到的振动信息近似，使得解调结果的一致性提高。

5.如权利要求2所述一种基于不同脉宽光信号的分布式光纤振动与应变传感方法，其特征在于在步骤1)中，所述光调制器交替产生所述不同脉宽光信号的时间间隔大于任意脉冲光在所述传感光纤中来回传输的时间间隔，以保证不会引入除背向瑞利散射光自干涉之外的二次干涉。

6.如权利要求2所述一种基于不同脉宽光信号的分布式光纤振动与应变传感方法，其特征在于在步骤3)中，所述振动解调是选取任意两个不同脉宽光信号在传感光纤振动位置同一传感点处采集的背向瑞利散射光强信息，进行数据对齐后使用微分交叉相乘解调。

7.如权利要求2所述一种基于不同脉宽光信号的分布式光纤振动与应变传感方法，其特征在于在步骤3)中，所述还原传感光纤上振动位置的振动信息的具体步骤为：

(1)使用带通滤波器对输入的光强信息进行滤波，去除其中携带的直流分量、缓变噪声和高频毛刺噪声，使背向瑞利散射光强只保留包含相同振动附加相位的交流分量；

(2)使用不同脉宽光信号在同一传感点采集的光强信息进行微分交叉相乘运算，获得只包含振动附加相位变化的待积分解调信号；使用二次微分交叉相乘法或包络拟合法，去除待积分解调信号中的缓变趋势系数；

(3)对去除振动缓变趋势系数后的待积分解调信号进行积分，最终还原出振动附加相位和频率信息，从而完整地解调出施加在传感光纤上的振动信息。

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