CN116499573A - 一种基于前向光传感的单芯双向光纤分布式振动检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于前向光传感的单芯双向光纤分布式振动检测系统，属于光纤通信技术领域。所述系统包括发射模块、第一光路耦合模块、第二光路耦合模块、第三光路耦合模块、第一环路控制模块、第二环路控制模块、传感光纤、延时光纤、第一移频模块、第二移频模块、光电探测模块和数据信号处理模块。本发明使用一根单芯光纤传输不同频率、方向的两路传感信号，大大降低前向传感系统的铺设成本和实现、调试的复杂度，并且减少系统中由传感臂光纤不对称引入的额外结构噪声，增强系统对外部各类扰动信号的响应能力。通过构造两个携带明显扰动信息的差分信号，过滤了大部分系统中的相位噪声，可大大提升前向传输传感系统的定位精度和可靠性。

Description

一种基于前向光传感的单芯双向光纤分布式振动检测系统

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，尤其涉及一种基于前向光传感的单芯双向光纤分布式振动检测系统。

背景技术

在分布式光纤传感系统中，外力作用于光纤会发生弹光效应。敏感光纤上产生的应力变化在改变光纤折射率时，会进一步改变该处光信号的相位，即产生了对光的相位调制现象。在接收端完整恢复出光路中的相位信号后可分析出光纤上产生应力变化的物理位置，从而实现对外部扰动事件的定位。

由于具有高灵敏度、抗干扰、检测范围大等特点，基于相位调制的光纤传感器已在基础建设和工业生产中得到了很大的重视并在快速发展。特别是在长距离、多点检测的传感中，分布式光纤传感器拥有巨大优势，可被广泛应用于长距离的边境预警、重要设施地区的周界安全、复杂管道、交通网络等场景。分布式光纤振动传感器是分布式光纤传感器的一个典型分支。其主要针对传感范围内发生的随机扰动、外部破坏等事件进行传感定位。

根据传感结构中信号光的传输方向，可将分布式光纤振动传感器分为后向散射型和前向传输型。通常后向传感系统的精度更高、频率范围更宽，但后向散射的传感范围容易受到散射光传播损耗带来的限制。相比之下，结构简单、坚固的前向传感系统中传输的前向光光强度大，更容易实现百公里以上的传感范围。

相干光探测系统具有滤波性能好、频带利用率高等优势，在弱信号环境下具有很高的灵敏度，在信号形式差异和复杂的电磁环境中，具有广阔的发展前景。相干光探测技术在光传感领域中，可以提高探测信号的信噪比，实现各种传感信号的探测。相干光探测技术通过探测信号光与参考光混频后的信号来放大传感结构中的信号光。该信号光经过信道传输到达接收端时，在探测器光敏面上首先与本地振荡器产生的参考光进行相干混频，然后由光电探测器将混合的光场转化为电场，输出光电流，最后经一系列电信号处理输出探测的信号。

时延估计技术是光纤前向传感系统中解调出扰动物理位置的基本方法。首先在传感光纤中构造两条不同的光传播路径，由于路径不同，外部扰动事件引起的相位变化在两条光路中被先后记录。最终通过互相关运算计算两路信号之间的时间延迟，之后以整条传感光纤长度做参考可由该时延计算出事件发生的绝对位置。

基于光纤前向传输的传感系统主要依靠搭建马赫-曾德尔干涉仪、迈克尔逊干涉仪、萨格纳克干涉仪等结构来实现传感和定位功能。其中使用马赫-曾德尔干涉仪的传感系统实现原理简单、器件成本低，并且改进后的该结构也可以实现定位功能。

目前，使用马赫-曾德尔干涉原理的传感方法包括：

(1)直接使用经典马赫-曾德尔干涉仪结构：在图1a的结构中，激光被耦合器被分成2束，一束经过参考臂，另一束经过传感臂，两束光最终通过耦合器进行干涉。使用信号解调算法可以测量出相对于参考臂，传感臂上相位的变化信息，实现基础传感功能，但无法定位。

(2)双马赫曾德尔干涉仪结构：在图1b的结构中，构造两个传输路径不同的马赫-曾德尔干涉仪，在不同光路中分别解调出1、2两组相位信号，由扰动引起的相位突变现象在1和2中相对位置不同，且与实际扰动位置有对应关系，由此系统可在实现检测扰动事件的功能基础上，可进一步还原出扰动事件的物理位置。但由于干涉仪的结构特性，传感臂多为环状，且传感长度受到限制。

(3)传感臂对折的马赫曾德尔干涉仪结构：将传感臂光纤对折并紧密靠近，扰动事件会同时改变传感臂上信号光两处的相位，这两处相位变化之间的时间间隔与扰动发生位置存在对应关系。该方法通过多跨段放大可延长传感臂长度到几百公里，可以实现对扰动事件的检测和定位，但在定位精度、定位成功率、低频扰动响应等性能指标上效果欠佳。

上述的前向干涉式光纤传感系统的定位性能较弱，这些传感结构如果应用在实际场景中，会带来传感能力弱、可靠性低、维护成本高等一系列问题，需要改进。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于前向光传感的单芯双向光纤分布式振动检测系统，使用一根单芯光纤传输不同频率、方向的两路传感信号，大大降低前向传感系统的铺设成本和实现、调试的复杂度，并且减少系统中由传感臂光纤不对称引入的额外结构噪声，增强系统对外部各类扰动信号的响应能力。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种基于前向光传感的单芯双向光纤分布式振动检测系统，包括发射模块、第一光路耦合模块、第二光路耦合模块、第三光路耦合模块、第一环路控制模块、第二环路控制模块、传感光纤、延时光纤、第一移频模块、第二移频模块、光电探测模块和数据信号处理模块；

所述发射模块发出的前向探测光经过所述第一光路耦合模块分成本振光和信号光，本振光进入所述光电探测器，信号光进入所述第一环路控制模块；信号光包括两条光路，分别为基带信号和中频信号，两条光路依次经过所述传感光纤、所述第二环路控制模块、所述第二光路耦合模块后分离；基带信号经过所述第一移频模块进入所述第三光路耦合模块，中频信号经过所述第二移频模块和所述延时光纤后进入所述第三光路耦合模块，由所述第三光路耦合模块进行光路耦合；耦合后的两条光路依次经过所述第二环路控制模块、所述传感光纤、所述第一环路控制模块后进入所述光电探测器；所述光电探测器基于相干探测技术接收并提取光路的相位信号，所述数据信号处理模块根据提取的相位信号实现对扰动事件的定位。

优选地，所述发射模块采用超窄线宽的1550nm激光器。

优选地，所述第一光路耦合模块采用99:1的光纤耦合器，将前向探测光分为1％的本振光和99％的信号光；

所述第二光路耦合模块和所述第三光路耦合模块采用50:50的光纤耦合器。

优选地，所述第一环路控制模块和所述第二环路控制模块采用环形器，能够使光路沿预定路径传输，从而实现在传感光纤内传输两个不同方向的光路信号。

优选地，所述传感光纤采用单模光纤，据实际需求，铺设长度为几公里到几百公里。

优选地，所述第一移频模块和所述第二移频模块采用声光调制器，实现对光路信号的调制和频移，使得传感光纤内同时传播两个不同频率的光路信号。

优选地，所述延时光纤采用单模光纤，用来控制两条光路信号的时移长度。

优选地，所述光电探测模块采用平衡光电探测器，通过相干探测技术完成光路信号的接收，此时的光路信号包含两个频率分量，即基带信号和中频信号；在频域中分离基带信号和中频信号，并通过下变频技术提取基带相位信号

和中频相位信号

其中和/>分别是两条光路中的结构相位噪声；Φ(t)是外部扰动引起的光信号相位变化；/>和/>为系统工作时器件的中心频率偏移引起的计算误差；为系统光源引入的激光器噪声。

优选地，所述数据信号处理模块通过滤波算法，由直接得到的两路相位信号和/>经过平移和做差，得到两个携带扰动信息的差分信号D₁(t)和D₂(t)：

其中Δt是光信号在延时光纤中的传播时间；对有时延关系的差分信号D₁(t)和D₂(t)进行时延估计，计算两个差分信号的时延差，该时延差的实际含义是光从传感光纤上扰动事件发生处到系统远端的传输时间的两倍，由此换算出实际定位距离，完成系统对扰动事件的定位。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的基于前向光传感的单芯双向光纤分布式振动检测系统，使用一根单芯光纤传输不同频率、方向的两路传感信号，大大降低前向传感系统的铺设成本和实现、调试的复杂度，并且减少系统中由传感臂光纤不对称引入的额外结构噪声，增强系统对外部各类扰动信号的响应能力。本发明通过构造两个携带明显扰动信息的差分信号，过滤了大部分系统中的相位噪声，可大大提升前向传输传感系统的定位精度和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a和图1b分别是经典马赫曾德尔干涉仪结构和双马赫曾德尔干涉仪结构的示意图及发生扰动事件时对应解调出的传感臂相位信号示意图；

图2是本发明实施例提供的单芯双向光纤分布式振动检测系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的单芯双向光纤分布式振动检测系统的定位检测流程示意图；

图4是本发明实施例提供的本发明实施例提供的单芯双向光纤分布式振动检测系统运行时的光信号路径和定位实现过程示意图；

图5是本发明实施例提供的定位结果分布情况示意图。

如图所示，为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在本发明的保护范围中。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的实施例提供了一种基于前向光传感的单芯双向光纤分布式振动检测系统，如图2所示，所述系统包括发射模块、第一光路耦合模块、第二光路耦合模块、第三光路耦合模块、第一环路控制模块、第二环路控制模块、传感光纤、延时光纤、第一移频模块、第二移频模块、光电探测模块和数据信号处理模块。

其中，发射模块发出的前向探测光经过第一光路耦合模块分成本振光和信号光，本振光进入光电探测器，信号光进入第一环路控制模块；信号光包括两条光路，分别为基带信号和中频信号，两条光路依次经过传感光纤、第二环路控制模块、第二光路耦合模块后分离；基带信号经过第一移频模块进入第三光路耦合模块，中频信号经过第二移频模块和延时光纤后进入第三光路耦合模块，由第三光路耦合模块进行光路耦合；耦合后的两条光路依次经过第二环路控制模块、传感光纤、第一环路控制模块后进入光电探测器；光电探测器基于相干探测技术接收并提取光路的相位信号，数据信号处理模块根据提取的相位信号实现对扰动事件的定位。

本发明实施例中，为尽量减少激光器噪声，发射模块采用超窄线宽的1550nm激光器。

第一光路耦合模块采用99:1的光纤耦合器，将前向探测光分为1％的本振光Lo和99％的信号光；第二光路耦合模块和第三光路耦合模块采用50:50的光纤耦合器。其中，第一光路耦合模块和第二光路耦合模块中的光纤耦合器实现光信号的拆分，第三光路耦合模块中的光纤耦合器实现光信号的耦合。

第一环路控制模块和第二环路控制模块采用环形器(Circle)，能够使光路沿预定路径传输，从而实现在传感光纤内传输两个不同方向的光路信号。

本发明实施例中，传感光纤采用单模光纤，据实际需求，铺设长度为几公里到几百公里不等。延时光纤采用单模光纤，用来控制两条光路信号的时移长度。

第一移频模块和第二移频模块采用声光调制器(AOM)，实现对光路信号的调制和频移，通过复用技术在传感光纤内同时传播两个不同频率的光路信号，使得两个光路信号可在频域内被区分开。

所述光电探测模块采用平衡光电探测器(BPD)，通过相干探测技术完成光路信号的接收，此时的光路信号包含两个频率分量，即基带信号和中频信号；在频域中分离基带信号和中频信号，并通过下变频技术提取基带相位信号

和中频相位信号

其中和/>分别是两条光路中的结构相位噪声；Φ(t)是外部扰动引起的光信号相位变化；/>和/>为系统工作时器件的中心频率偏移引起的计算误差；为系统光源引入的激光器噪声。

数据信号处理模块通过滤波算法，由直接得到的两路相位信号和/>经过平移和做差，得到两个携带扰动信息的差分信号D₁(t)和D₂(t)：

其中Δt是光信号在延时光纤中的传播时间；对有时延关系的差分信号D₁(t)和D₂(t)进行时延估计，计算两个差分信号的时延差，该时延差的实际含义是光从传感光纤上扰动事件发生处到系统远端的传输时间的两倍，由此换算出实际定位距离，完成系统对扰动事件的定位。

如图3所示，本发明提供的检测系统的定位检测流程如下：

S1、铺设单光纤的系统前向光传感光纤链路；S2、使用激光器向系统输入连续的正弦波作为探测光Ls；S3、使用光电探测器接收携带扰动信息的光信号；

S4、通过离线或在线的数据信号处理模块来对接收的光信号进行解调，最终计算出定位位置。

如图4所示，本发明所述系统运行时的光信号路径和定位实现过程如下：

(1)超窄线宽激光器输入连续前向探测光到系统，通过99:1的光纤耦合器1分离成两条光束，图4中③为1％的光束，作为相干探测的本振光(Lo)，进入光电探测器，其余部分作为信号光进入环形器1；

(2)环形器1控制信号光的传输方向，原始探测光只能向传感光纤方向传播，后续传感光纤内的回传光直接沿环形器1传输到光电探测器；

具体地，信号光进入环形器1，包括基带信号和中频信号，两条光路依次经过传感光纤、环形器2、光纤耦合器2后分离；基带信号经过声光调制器1进入光纤耦合器3，中频信号经过声光调制器2和延时光纤后进入光纤耦合器3，由光纤耦合器3进行光路耦合；耦合后的两条光路依次经过环形器2、传感光纤、环形器1改变光路方向后进入光电探测器；

(3)系统中存在两条频率不同的光路，分别是基带信号和中频信号，扰动事件发生时两条光路中的相位信号都会改变；

(4)在光电探测器处基于相干探测技术接收并提取光路的相位信号，此时的光路信号包含两个频率分量，即基带信号和中频信号；在频域中分离基带信号和中频信号，并通过下变频技术提取基带相位信号：

和中频相位信号：

(5)数据信号处理模块通过一系列滤波算法，将信号中的噪声项滤除并得到两个有明显时延关系的差分信号D₁(t)和D₂(t)，

通过上面的步骤，得到两个携带明显扰动信息的差分信号。对有时延关系的差分信号D₁(t)和D₂(t)进行时延估计，计算两个信号的时延差，该时延差的实际含义是光从传感光纤上扰动事件发生处到系统远端的传输时间的两倍。由此换算出实际定位距离，完成系统对扰动事件的定位。

本发明设计并实现了一种基于前向光传感的单芯双向光纤分布式振动检测系统，可在百公里范围上实现对不同类型振动信号的检测与定位功能。本发明设计的系统极大地提升了前向传输传感技术的综合定位性能。图5是系统在对121km位置附近的10kHz正弦扰动的定位结果分布情况。重复实验200次后，定位结果服从正态分布，定位标准差为13.8m，据有较高的定位准确率。

与现有技术相比，本发明实施例中，使用一根单芯光纤传输不同频率、方向的两路传感信号，大大降低前向传感系统的铺设成本和实现、调试的复杂度，并且减少系统中由传感臂光纤不对称引入的额外结构噪声，增强系统对外部各类扰动信号的响应能力。此外，本发明通过构造两个携带明显扰动信息的差分信号，过滤了大部分系统中的相位噪声，可大大提升前向传输传感系统的定位精度和可靠性。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

在说明书中提到“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等指示所述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征、结构或特性。另外，在结合实施例描述特定特征、结构或特性时，结合其它实施例(无论是否明确描述)实现这种特征、结构或特性应在相关领域技术人员的知识范围内。

本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。另外，为了避免对本发明的实质造成不必要的混淆，并没有详细说明众所周知的方法、过程、流程、元件和电路等。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于计算机可读取存储介质中，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于前向光传感的单芯双向光纤分布式振动检测系统，其特征在于，包括发射模块、第一光路耦合模块、第二光路耦合模块、第三光路耦合模块、第一环路控制模块、第二环路控制模块、传感光纤、延时光纤、第一移频模块、第二移频模块、光电探测模块和数据信号处理模块；

所述发射模块发出的前向探测光经过所述第一光路耦合模块分成本振光和信号光，本振光进入所述光电探测器，信号光进入所述第一环路控制模块；信号光包括两条光路，分别为基带信号和中频信号，两条光路依次经过所述传感光纤、所述第二环路控制模块、所述第二光路耦合模块后分离；基带信号经过所述第一移频模块进入所述第三光路耦合模块，中频信号经过所述第二移频模块和所述延时光纤后进入所述第三光路耦合模块，由所述第三光路耦合模块进行光路耦合；耦合后的两条光路依次经过所述第二环路控制模块、所述传感光纤、所述第一环路控制模块后进入所述光电探测器；所述光电探测器基于相干探测技术接收并提取光路的相位信号，所述数据信号处理模块根据提取的相位信号实现对扰动事件的定位。

2.根据权利要求1所述的基于前向光传感的单芯双向光纤分布式振动检测系统，其特征在于，所述发射模块采用超窄线宽的1550nm激光器。

3.根据权利要求1所述的基于前向光传感的单芯双向光纤分布式振动检测系统，其特征在于，所述第一光路耦合模块采用99:1的光纤耦合器，将前向探测光分为1％的本振光和99％的信号光；

所述第二光路耦合模块和所述第三光路耦合模块采用50:50的光纤耦合器。

4.根据权利要求1所述的基于前向光传感的单芯双向光纤分布式振动检测系统，其特征在于，所述第一环路控制模块和所述第二环路控制模块采用环形器，能够使光路沿预定路径传输，从而实现在传感光纤内传输两个不同方向的光路信号。

5.根据权利要求1所述的基于前向光传感的单芯双向光纤分布式振动检测系统，其特征在于，所述传感光纤采用单模光纤，据实际需求，铺设长度为几公里到几百公里。

6.根据权利要求1所述的基于前向光传感的单芯双向光纤分布式振动检测系统，其特征在于，所述第一移频模块和所述第二移频模块采用声光调制器，实现对光路信号的调制和频移，使得传感光纤内同时传播两个不同频率的光路信号。

7.根据权利要求1所述的基于前向光传感的单芯双向光纤分布式振动检测系统，其特征在于，所述延时光纤采用单模光纤，用来控制两条光路信号的时移长度。

8.根据权利要求1所述的基于前向光传感的单芯双向光纤分布式振动检测系统，其特征在于，所述光电探测模块采用平衡光电探测器，通过相干探测技术完成光路信号的接收，此时的光路信号包含两个频率分量，即基带信号和中频信号；在频域中分离基带信号和中频信号，并通过下变频技术提取基带相位信号

和中频相位信号

其中和/>分别是两条光路中的结构相位噪声；Φ(t)是外部扰动引起的光信号相位变化；/>和/>为系统工作时器件的中心频率偏移引起的计算误差；为系统光源引入的激光器噪声。

9.根据权利要求8所述的基于前向光传感的单芯双向光纤分布式振动检测系统，其特征在于，所述数据信号处理模块通过滤波算法，由直接得到的两路相位信号和/>经过平移和做差，得到两个携带扰动信息的差分信号D₁(t)和D₂(t)：

其中Δt是光信号在延时光纤中的传播时间；对有时延关系的差分信号D₁(t)和D₂(t)进行时延估计，计算两个差分信号的时延差，该时延差的实际含义是光从传感光纤上扰动事件发生处到系统远端的传输时间的两倍，由此换算出实际定位距离，完成系统对扰动事件的定位。