CN114993448B - 一种长距离分布式振动监测装置及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种长距离分布式振动监测装置及监测方法，长距离分布式振动监测装置包括脉冲激光器、传感光纤、第一光纤偏振分束器、第一偏振方向控制单元、第一偏振光纤耦合器、第一平衡光电探测器、第二光纤偏振分束器、第二偏振方向控制单元、第二偏振光纤耦合器、第二平衡光电探测器、数据采集卡、相位差分解析单元、相关性分析单元以及微震解析定位单元。本发明利用外界微震对光纤局部双折射调制，通过探测解析透射光脉冲内两个垂直偏振分量的自相干信号相位变化实现微震传感，在此基础上通过传感光纤上两个反方向传输的透射自相干信号分布式变化分析，最终实现长距离分布式微震传感与定位解析。能够实现长距离范围内微震探测与定位、使用灵活方便、可长期实时在线监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种长距离分布式微震监测装置，用于各类地质活动监测、地下工程结构灾害预警、各类工程结构微震探测与解析，亦可用于各类结构或设施加速度、振动、动态形变、声波的长期在线分布监测。
背景技术
光纤微震探测在各类地质活动变化如断层活化、断裂带监测、测井、地质灾害、地震，其同时也可适用于各类工程、设施振动、加速度、声监测，尤其是分布式微震传感技术，其具有分布式探测、可电磁串扰环境下工作、耐潮湿腐蚀等优点，得到工程领域广泛重视且发展迅速。但目前为止，分布式微震传感大多基于相干型原理，即通过两路光的相干或干涉实现微震探测，此类方案一方面其对光源相干性提出了很高要求，引起系统成本大幅上升，且同时由于现有激光线宽限制，导致其相干探测或者说传感距离大幅降低；另一方面双路相干方式会受到相干衰落、偏振变化等影响，造成系统稳定性大幅降低，信噪比恶化，以上难题极大的困扰了光纤传感系统在长距离、高信噪比、高稳定性长期微震监测方面的工程应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种长距离分布式微震监测装置及方法。
本发明解决技术问题的技术方案如下：
一种长距离分布式振动监测装置，包括：
脉冲激光器，用于发出激光脉冲；
传感光纤，从两端分别进入所述脉冲激光器所发出的激光脉冲并反向输出；
第一光纤偏振分束器，将传感光纤一端输出的脉冲激光分为两路偏振方向正交的线偏振光；
第一偏振方向控制单元，将第一光纤偏振分束器输出的两个振动方向正交的线偏振光调制为两个振动方向相同的线偏振光；
第一偏振光纤耦合器，将经第一偏振方向控制单元调制的两个振动方向相同的线偏振光汇聚相干；
第一平衡光电探测器，将所述第一偏振光纤耦合器汇聚的相关光后转化为电信号；
第二光纤偏振分束器，将传感光纤另一端输出的脉冲激光分为两路偏振方向正交的线偏振光；
第二偏振方向控制单元，将第二光纤偏振分束器输出的两个振动方向正交的线偏振光调制为两个振动方向相同的线偏振光；
第二偏振光纤耦合器，将经第二偏振方向控制单元调制的两个振动方向相同的线偏振光汇聚相干；
第二平衡光电探测器，将所述第二偏振光纤耦合器汇聚的相关光后转化为电信号；
数据采集卡，采集所述第一平衡光电探测器和第二平衡光电探测器转化的电信号；
相位差分解析单元，对所述数据采集卡采集的两路激光线偏振光脉冲所形成相干信号的相位变化进行连续解调分析 ，得到微震所引起两路相干信号相位实时变化，通过相位变化频率及强度反演对应微震信号的频率及其强度；
相关性分析单元，对所述数据采集卡采集的两路线偏振相干光激光脉冲信号间的相位变化的相关性进行分析 ，以识别该相位变化是否为同一微震信号引起；
微震解析定位单元，对传感光纤不同位置上微震连续变化进行分析，最终实现对微震震源定位及其演化发展的监测。
本发明振动监测装置，利用外界微震对光纤局部双折射调制，通过探测解析透射光脉冲内两个垂直偏振分量的自相干信号相位变化实现微震传感，在此基础上通过传感光纤上两个反方向传输的透射自相干信号分布式变化分析，最终实现长距离分布式微震传感与定位解析。
本发明振动监测装置用于各类地质活动监测、地下工程结构灾害预警、各类工程结构微震探测与解析，亦可用于各类结构或设施加速度、振动、动态形变、声波的长期在线分布监测。其优点是能够实现长距离范围内微震探测与定位、对光源要求低、无偏振或相干衰落串扰影响、灵敏度高、系统结构简单、硬件参数要求和成本低、使用灵活方便、可长期实时在线监测。
附图说明
图1是本发明的一种具体结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
本实施例提供一种长距离分布式微震监测装置，如图1所示，包括脉冲激光器1、第一光纤耦合器2、第二光纤耦合器3、第三光纤耦合器4、传感光纤5、第一光纤偏振分束器6、第一偏振方向控制单元7（偏振控制器或旋光器）、第一偏振光纤耦合器8、第一光电探测器9、双路数据采集卡10、第二光纤偏振分束器11、第二偏振方向控制单元12（偏振控制器或旋光器）、第二偏振光纤耦合器13、第二光电探测器14、相位差分解析单元15、相关性分析单元16、微震解析定位单元17以及显示与存储单元18。
脉冲激光器1发出的激光脉冲经第一光纤耦合器2后分为两路，分别进入第二光纤耦合器3和第三光纤耦合器4后，通过传感光纤5两端透射进入传感光纤5，两路激光脉冲传播方向相反，在传感光纤5传播后两路脉冲光分别透射进入第二光纤耦合器3和第三光纤耦合器4，其中进入第二光纤耦合器3的透射光经第一光纤偏振分束器6后分为两路偏振方向正交的线偏振光，两路正交线偏振光进入第一偏振方向控制单元7（偏振控制器或旋光器），在第一偏振光纤耦合器8处汇聚相干，相干光信号通过第一平衡光电探测器9后转化为电信号并通过双路数据采集卡10进行采集。进入第三光纤耦合器4的透射光经第二光纤偏振分束器11后亦分为两路偏振方向正交的线偏振光，两路正交线偏振光进入第二偏振方向控制单元12（偏振控制器或旋光器），在第二偏振光纤耦合器13处汇聚相干，相干光信号通过第二平衡光电探测器14后转化为电信号并通过双路数据采集卡10进行采集。双路数据采集卡10同时采集到的两路信号依次经过相位差分解析单元15、相关性分析单元16、微震解析定位分析17后，将分析结果送至显示与存储单元18。
本发明监测装置的工作原理为：脉冲激光器1发出的系列激光脉冲进入第一光纤耦合器2后分为两路，两路激光脉冲分别通过第二光纤耦合器3和第三光纤耦合器4，从传感光纤5两端透射进入且两路透射光传播方向相反，并从传感光纤5两端分别透射进入第二光纤耦合器3和第三光纤耦合器4，其中进入第二光纤耦合器3的透射光经第一光纤偏振分束器6后分为两路偏振方向正交的线偏振光，两路正交线偏振光进入第一偏振方向控制单元7（偏振控制器或旋光器），通过第一偏振方向控制单元7对两路正交线偏振光的振动方向进行调制后，使两路线偏振光的振动方向从垂直正交变为振动方向平行，两路光在第一偏振光纤耦合器8处汇聚产生相干，第一偏振光纤耦合器8输出的相干光信号通过第一平衡光电探测器9后转化为电信号，同时，进入第三光纤耦合器4的透射光经第二光纤偏振分束器11后亦分为两路偏振方向正交的线偏振光，两路正交线偏振光进入第二偏振方向控制单元12（偏振控制器或旋光器），通过第一偏振方向控制单元12对两路正交线偏振光的振动方向进行调制后，使两路线偏振光的振动方向从垂直正交变为振动方向平行，两路光在第二偏振光纤耦合器13处汇聚产生相干，第二偏振光纤耦合器13输出的相干光信号通过第二平衡光电探测器14后转化为电信号，双路数据采集卡10同时对第一平衡光电探测器9和第二平衡光电探测器14所输出相干信号进行同步采集，当外界微震作用于传感光纤5某一位置，两路相干信号的相位和强度会发生对应变化，通过数据采集卡对两路相干信号进行后，依次经过相位差分解析单元15、相关性分析单元16对相位变化进行解调，以实现对微震信号识别，在此基础上通过对传感光纤5不同测点进行分布式微震探测，传感结果进入微震解析定位分析17后，实现对微震源定位，最后将分析结果送至显示与存储单元18进行存储显示。
脉冲激光器1发出的系列激光脉经过第一光纤耦合器2进行分束后，分别通过第二光纤耦合器3和第三光纤耦合器4，从传感光纤5两端透射进入且两路透射光传播方向相反，每一个激光脉冲都具有一定偏振特性，可以分解为两个振动方向正交的线偏振光，当外界微震作用于传感光纤5时，会引起光纤微弯或拉伸，由于光纤的双折射效应，会导致两个正交线偏振光之间相位产生对应变化，但由于两个振动方向正交的线偏振光之间无法产生相干，因此通过第一光纤偏振分束器6和第二光纤偏振分束器11可将每个脉冲所包含的两个振动方向正交的线偏振光进行分离，通过第一偏振方向控制单元7和第二偏振方向控制单元12将两个振动方向正交的线偏振光调制为两个振动方向相同的线偏振光，从而满足相干条件，并最终在第一偏振光纤耦合器8和第二偏振光纤耦合器13处使得两个线偏振光汇聚并产生相干，因此外界微震作用于光纤会引起相干信号相位和强度的变换，同过相位差分解析单元15对一系列激光脉冲之间相干信号的相位变化进行连续解调分析，并利用相关性分析单元16对第一平衡光电探测器9和第二平衡光电探测器14所探测的两路激光脉冲信号间的连续相位变化进行分析，实现对外界微震识别确认，在此基础上通过微震解析定位分析17分析传感光纤5不同位置上微震连续变化，最终实现对微震震源定位及其演化发展的监测。
Claims (6)
1.一种长距离分布式振动监测装置，其特征在于，包括：
脉冲激光器，用于发出激光脉冲；
传感光纤，从两端分别进入所述脉冲激光器所发出的激光脉冲并反向输出；
第一光纤偏振分束器，将传感光纤一端输出的脉冲激光分为两路偏振方向正交的线偏振光；
第一偏振方向控制单元，将第一光纤偏振分束器输出的两个振动方向正交的线偏振光调制为两个振动方向相同的线偏振光；
第一偏振光纤耦合器，将经第一偏振方向控制单元调制的两个振动方向相同的线偏振光汇聚相干；
第一平衡光电探测器，将所述第一偏振光纤耦合器汇聚的相关光后转化为电信号；
第二光纤偏振分束器，将传感光纤另一端输出的脉冲激光分为两路偏振方向正交的线偏振光；
第二偏振方向控制单元，将第二光纤偏振分束器输出的两个振动方向正交的线偏振光调制为两个振动方向相同的线偏振光；
第二偏振光纤耦合器，将经第二偏振方向控制单元调制的两个振动方向相同的线偏振光汇聚相干；
第二平衡光电探测器，将所述第二偏振光纤耦合器汇聚的相关光后转化为电信号；
数据采集卡，采集所述第一平衡光电探测器和第二平衡光电探测器转化的电信号；
相位差分解析单元，对所述数据采集卡采集的两路线偏振光脉冲所形成相干信号的相位变化进行连续解调分析，得到微震所引起两路相干信号相位实时变化，通过相位变化频率及强度反演对应微震信号的频率和微震信号的强度；
相关性分析单元，对所述数据采集卡采集的两路线偏振相干光冲信号间的相位变化的相关性进行分析，以识别该相位变化是否为同一微震信号引起；
微震解析定位单元，对传感光纤不同位置上微震连续变化进行分析，实现对微震震源定位。
2.根据权利要求1所述的一种长距离分布式振动监测装置，其特征在于，所述微震解析定位单元对所解调的两路相位信号进行分析处理，通过包括但不限于逆时偏移、时延差直接探测分析方法对微震源进行定位，通过对微震发生位置、频次密度及强度的分析，实现对微震震源定位及其演化发展的评估。
3.根据权利要求1所述的一种长距离分布式振动监测装置，其特征在于，还包括：
第一光纤耦合器，将所述脉冲激光器发出的脉冲激光分为两路输出；
第二光纤耦合器，将所述第一光纤耦合器输出的一路脉冲激光输出至所述传感光纤的一端；并将所述传感光纤此端输出的脉冲激光输出至所述第一光纤偏振分束器；
第三光纤耦合器；将所述第一光纤耦合器输出的另一路脉冲激光输出至所述传感光纤的另一端；并将所述传感光纤此端输出的脉冲激光输出至所述第二光纤偏振分束器。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种长距离分布式振动监测装置，其特征在于，所述第一偏振方向控制单元为偏振控制器或旋光器。
5.根据权利要求1-3任一所述的一种长距离分布式振动监测装置，其特征在于，所述第二偏振方向控制单元为偏振控制器或旋光器。
6.一种长距离分布式振动监测方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一所述长距离分布式振动监测装置进行监测。
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