CN116358687A - 一种传输型光纤传感系统中振动信号定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种传输型光纤传感系统中振动信号定位的方法，涉及光纤传感技术领域，使用双波长超稳激光器发出两路连续激光，由第一密集波分复用器合束后经第一分束器分为两束；其中一束作为信号光，所述信号光经光纤环形器及声光调制器移频进入光纤链路，到达远端经第二分束器回环后沿原光纤链路返回；另一束作为参考光，所述参考光与信号光经第二密集波分复用器合束拍频之后在波长上分束，由光电探测器进行光电探测；数据采集系统采集光电探测到的两路信号光经长光纤链路的震动扰动信号，通过互相关两路信号，可精准定位振动信号的位置。

Description

一种传输型光纤传感系统中振动信号定位的方法

技术领域

本申请涉及传输型光纤传感系统中的振源定位技术领域，尤其涉及一种传输型光纤传感系统中振动信号定位的方法。

背景技术

光纤传感技术是伴随着光纤及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光波为载体，光纤为媒介，感知和传输外界被测信号的新型传感技术。光纤传感技术因具有灵敏度高、体积小质量轻、外形改变灵活、抗电磁干扰、抗腐蚀性强等特点，自出现起就广泛应用于社会的多个领域。

光纤传感包含对外界信号(被测量)的感知和传输两种功能。所谓感知，是指外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量，如强度(功率)、波长、频率、相位和偏振态等发生变化，测量光参量的变化即“感知”外界信号的变化。传输是指光纤将外界信号调制的光波传输到光探测器进行检测，将外界信号从光波中提取出来并按需要进行数据处理，也就是解调。因此，光纤传感技术包括调制与解调两方面的技术，即外界信号(被测量)如何调制光纤中的光波参量的调制技术(或加载技术)及如何从被调制的光波中提取外界信号(被测量)的解调技术(或检测技术)。根据被外界信号调制的光波的物理特征参量的变化情况，可将光波的调制分为光强度调制、光波长调制、光相位调制和偏振调制等类型。

反射型光纤传感(如DAS)利用瑞利散射光作为信号进行探测，根据光纤链路不同位置反射的光信号到达时间不同，可以同时实现多点振动信号定位，且分辨率高，但反射型光纤传感受限于远距离下的信噪比，其传感范围通常不超过50公里；传输型光纤传感利用传输激光作为信号进行探测，传感范围广，通常可达数百公里，甚至数千公里，但传输型光纤传感探测的振动信号为整个光纤链路的累积，因此无法直接对振动信号进行定位。通常我们主要城市之间的距离通常在数百公里，传输型光纤传感对于城际间地震、泥石流、滑坡等自然灾害的监测具有十分重要的意义，因此对于大范围下振动信号的精准定位就十分重要。

对于大范围的传输型光纤传感系统，目前通常采用两根并行的光纤对作为传感器装置，探测激光一分为二分别注入两根光纤，且两根光纤在远端直连形成回环，两束激光各自循环一周后回到本地，之后分别与本振光干涉进行探测，根据两束激光探测到信号的时间差，再结合光纤总长度以及光在光纤中的传播速度即可定位出振动信号的位置，但在实际应用中光纤资源稀缺，价格昂贵，更希望仅用一根光纤实现传输型光纤振动传感系统中振动信号的定位。

发明内容

基于此，本发明通过利用光纤的色散，同时在一根光纤中注入两种不同波长的激光，由于不同波长的激光在光纤中传输速度不同，根据两种波长激光探测到信号的时间差，结合两种激光在光纤中的速度差异及光纤总长度，即可精准定位振动信号的位置。

一种传输型光纤传感系统中振动信号定位的方法，包括如下步骤：

使用双波长超稳激光器发出波长为λ₁、λ₂的两路连续激光，由第一密集波分复用器合束后经第一分束器分为两束；

其中一束作为信号光，所述信号光经光纤环形器及声光调制器移频进入光纤链路，到达远端经第二分束器回环后沿原光纤链路返回；

另一束作为参考光，所述参考光与信号光经第二密集波分复用器合束拍频之后在波长上分束，由光电探测器进行光电探测；

数据采集系统采集光电探测到的波长为λ₁、λ₂的两路信号光经长光纤链路的震动扰动信号，通过互相关两路信号，计算得出扰动点的位置。

进一步地，通过下式互相关两路信号：

其中，

为t时刻波长为λ₁的信号光恢复的扰动信号，/>

为t+τ时刻波长为λ₂的信号光恢复的扰动信号，互相关最大值所对应的时间参数τ即为两路信号的到达时间差ΔT，根据ΔT计算得出扰动点的位置。

进一步地，设长光纤链路的总长度为L，光源与扰动点之间的距离为L₁，扰动点经远端回环到达探测器的距离为L₂+L，波长为λ₁的探测光光速为c₁，自扰动点到达光电探测器的时间为t₁，波长为λ₂的探测光光速为c₂，自扰动点到达光电探测器的时间为t₂；

两波长不同的探测光自扰动点经远端回环到达光电探测器的时间差ΔT：

其中C为常数，由此得出：

光源距扰动点的距离：

L₁＝2L-L₂；

由此定位出链路中扰动点的具体位置。

进一步地，扰动点经远端回环达到光电探测器的距离L₂+L为：

L₂+L＝c₁t₁＝c₂t₂；

由此得出：

其中C为常数；

相比于现有技术，本发明具有如下有益技术效果：

本发明通过利用光纤的色散，同时在一根光纤中注入两种不同波长的激光，由于不同波长的激光在光纤中传输速度不同，根据两种波长激光探测到信号的时间差，结合两种激光在光纤中的速度差异及光纤总长度，即可精准定位振动信号的位置。

附图说明

图1为本发明的光纤传感系统结构原理示意图；

图2为本发明的优选实施例的光纤传感系统结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述系统中的各元件的工作原理，表现所述装置中各部分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的信号传输方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。

如图1所示，为本发明的光纤传感系统结构原理示意图。

设链路的总长度为L，光源与扰动点之间的距离为L₁，扰动点与探测器之间的距离为L₂。光源发出波长为λ₁、λ₂的两种信号光，波长为λ₁的探测光光速为c₁，自扰动点到达探测器的时间为t₁，波长为λ₂的探测光光速为c₂，自扰动点到达探测器的时间为t₂。

扰动点与探测器之间的距离L₂：

L₂＝c₁t₁＝c₂t₂；

由此可以得出：

其中，C为常数。

两波长不同的探测光自扰动点到达探测器的时间差ΔT：

由此可以得出：

光源距扰动点的距离L₁：

L₁＝L-L₂；

由此可以定位出链路中扰动点的具体位置。

如图2所示，为本发明的优选实施例的光纤传感系统结构示意图。

在优选实施例中，使用双波长PDH锁定的超稳激光器FP发出波长为1520nm和1620nm的两路连续激光，由第一密集波分复用器DWDM1合束后再经第一分束器BS1分为两束，其中一束作为信号光，经光纤环形器C及声光调制器AOM移频进入光纤链路，再到达远端经BS2合束回环后沿原光纤链路返回；另一束作为参考光，参考光与信号光中的1520nm及1620nm激光经第二密集波分复用器DWDM 2合束拍频之后在波长上分束，分别由第一光电探测器PD1及第二光电探测器PD2进行光电探测，最后经数据采集系统Data acquisition采集，分别获取1520nm及1620nm两路信号光经长光纤链路的震动扰动信号，再通过互相关两路信号：

其中，

为t时刻1520nm信号光恢复的扰动信号，/>

为t+τ时刻1620nm信号光恢复的扰动信号，互相关最大值所对应的时间参数τ即为两路信号的到达时间差ΔT，根据ΔT可计算得出扰动点的位置。

设链路的总长度为L，光源与扰动点之间的距离为L₁，扰动点经远端回环到达探测器的距离为L₂+L。光源发出波长为1520nm、1620nm的两种信号光，波长为1520nm的探测光光速为c₁，自扰动点到达探测器的时间为t₁，波长为1620nm的探测光光速c₂，自扰动点到达探测器的时间为t₂。

扰动点经远端回环达到探测器的距离：

L₂+L＝c₁t₁＝c₂t₂；

由此可以得出：

其中C为常数；

两波长不同的探测光自扰动点经远端回环到达探测器的时间差ΔT：

由此可以得出：

光源距扰动点的距离：

L₁＝2L-L₂；

由此可以定位出链路中扰动点的具体位置。

本发明通过利用光纤的色散，同时在一根光纤中注入两种不同波长的激光，由于不同波长的激光在光纤中传输速度不同，根据两种波长激光探测到信号的时间差，结合两种激光在光纤中的速度差异及光纤总长度，即可精准定位振动信号的位置。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disk，SSD))等。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种传输型光纤传感系统中振动信号定位的方法，其特征在于，包括如下步骤：

使用双波长超稳激光器发出波长为λ₁、λ₂的两路连续激光，由第一密集波分复用器合束后经第一分束器分为两束；

其中一束作为信号光，所述信号光经光纤环形器及声光调制器移频进入光纤链路，到达远端经第二分束器回环后沿原光纤链路返回；

另一束作为参考光，所述参考光与信号光经第二密集波分复用器合束拍频之后在波长上分束，由光电探测器进行光电探测；

数据采集系统采集光电探测到的波长为λ₁、λ₂的两路信号光经长光纤链路的震动扰动信号，通过互相关两路信号，计算得出扰动点的位置。

2.根据权利要求1所述的振动信号定位的方法，其特征在于，通过下式互相关两路信号：

其中，

为t时刻波长为λ₁的信号光恢复的扰动信号，/>

为t+τ时刻波长为λ₂的信号光恢复的扰动信号，互相关最大值所对应的时间参数τ即为两路信号的到达时间差ΔT，根据ΔT计算得出扰动点的位置。

3.根据权利要求2所述的振动信号定位的方法，其特征在于，设长光纤链路的总长度为L，光源与扰动点之间的距离为L₁，扰动点经远端回环到达探测器的距离为L₂+L，波长为λ₁的探测光光速为c₁，自扰动点到达光电探测器的时间为t₁，波长为λ₂的探测光光速为c₂，自扰动点到达光电探测器的时间为t₂；

两波长不同的探测光自扰动点经远端回环到达光电探测器的时间差ΔT：

其中C为常数，由此得出：

光源距扰动点的距离：

L₁＝2L-L₂；

由此定位出链路中扰动点的具体位置。

4.根据权利要求3所述的振动信号定位的方法，其特征在于，扰动点经远端回环达到光电探测器的距离L₂+L为：

L₂+L＝c₁t₁＝c₂t₂；

由此得出：

其中C为常数；

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