CN117053915B - 基于分布式声传感的三分量光纤传感装置及信号还原方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于分布式声传感的三分量光纤传感装置及信号还原方法，装置包括：传感光纤、球状质量块、三个互相垂直的橡胶柱组、减摩擦盖、外壳和底座，三个互相垂直的橡胶柱组通过减摩擦盖固定在球状质量块上，且传感光纤按照笛卡尔坐标系缠绕在三个互相垂直的橡胶柱组以实现传感器的三个分量，外壳和底座连接固定，且底座底部开设有螺旋孔，用于固定尾椎。本发明易于布设，可更换不同尾椎以实现与地面的良好耦合，各个分量都具有较高灵敏度，实现了高信噪比和低功耗的要求。
Description
技术领域
本发明涉及光纤震动传感技术领域，更具体的说是涉及基于分布式声传感的三分量光纤传感装置及信号还原方法。
背景技术
分布式声传感(DAS)是一种创新的地震采集技术，用于地震监测领域，跟踪地震波与光纤相互作用引起的应变变化，从而还原振动。光纤广泛应用于传感领域，光纤传感器展现出了巨大的应用潜力。光纤对温度、应变、振动等外部物理量变化的高灵敏度使其适合于传感用途。DAS为传统地震采集系统提供了一种成本更低的替代方案，它在地震监测中的应用越来越受到关注。
DAS测量的最大缺点之一是光纤对来自侧面的地震波的灵敏度较低。称之为侧向不敏感。DAS测量往往表现出的是单一分量的信息，而为了获得更好的成像或反演结果，拾取多分量数据至关重要。为了解决光纤侧向不敏感问题，Kuvshinov等人提出了螺旋缠绕光纤，这种类型的传感器具有侧向的灵敏度，Innanen等人设计并部署了用于多分量传感的DAS光纤阵列，Takekawa等人提出了一种由缠绕在聚氯乙烯架上的光纤组成的多分量DAS传感模型。
然而在一些地震测量中，光纤的布设成为了又一个问题，光纤的布设好坏直接影响了后续振动信号的质量。因此，如何提供一种易于布设，可更换不同尾椎以实现与地面的良好耦合的三分量光纤传感装置，达到各个分量都具有较高灵敏度，实现高信噪比和低功耗的要求是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于分布式声传感的三分量光纤传感装置及信号还原方法，装置易于布设，可更换不同尾椎以实现与地面的良好耦合，各个分量都具有较高灵敏度，实现了高信噪比和低功耗的要求。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种分布式声传感的三分量光纤传感装置，包括：传感光纤、球状质量块、三个互相垂直的橡胶柱组、减摩擦盖、外壳和底座，所述三个互相垂直的橡胶柱组的一端通过所述减摩擦盖贴合在所述球状质量块上，另一端固定在底座内部，且所述传感光纤按照笛卡尔坐标系缠绕在所述三个互相垂直的橡胶柱组以实现传感器的三个分量，所述外壳和所述底座连接固定，且所述底座底部开设有螺旋孔，用于固定尾椎。
优选地，所述三个互相垂直的橡胶柱组包括X方向橡胶柱组、Y方向橡胶柱组和Z方向橡胶柱组，X方向橡胶柱组、Y方向橡胶柱组和Z方向橡胶柱组均包括2个橡胶柱，2个所述橡胶柱分别通过所述减摩擦盖对称贴合在所述球状质量块上。
优选地，还包括光纤固定装置，所述光纤固定装置固定在所述外壳和所述底座结合处，且光纤固定装置内侧对应位置设置有开口，所述光纤固定装置内部设置有法兰，通过所述法兰固定所述传感光纤且所述传感光纤通过所述开口进入传感装置内部。
优选地，还包括螺栓固定装置，所述螺栓固定装置固定在所述外壳和所述底座结合处，所述螺栓固定装置用于通过螺栓实现所述外壳和所述底座的连接固定。
优选地，所述三个互相垂直的橡胶柱组均为硫化橡胶柱。
一种三分量振动信号还原方法，该方法基于所述的分布式声传感的三分量光纤传感装置实现，包括：
输入振动信号后，球状质量块产生位移，进而导致三个互相垂直的橡胶柱组发生形变；
橡胶柱组发生形变导致传感光纤发生形变，使得光纤内传播光的光相位变化；
通过解调光相位变化还原振动信号。
优选地，单分量橡胶柱组形变计算过程为：
步骤101：假设输入振动信号为x(t)，输出信号为橡胶柱组的形变z(t)，并且引入中间变量y(t)为质量块的位移，则有：y(t)+z(t)＝x(t)；
步骤102：根据步骤101中三者的关系建立运动微分方程：
其中，m为质量块的质量，c为运动粘度系数，k为弹簧的刚度系数，t为时间，x是输入振动信号，z是输出信号；
步骤103：对运动微分方程进行拉普拉斯变换并求解出传递函数：
其中，Z(s)是z(t)的拉普拉斯变换，X(s)是x(t)的拉普拉斯变换；
步骤104：通过传递函数计算频率响应函数：
其中，S(ω)为幅频特性，幅频特性描述的是系统或电子电路对不同频率信号的幅度或振幅响应，为相频特性，相频特性描述的是系统或电子电路对不同频率信号的相位响应，ω为输入信号的角速度；
得到幅频特性和相频特性后解出运动微分方程的通解，即是橡胶柱组的形变。
优选地，单分量光相位变化量δφ计算过程为：
δφ＝δφl+δφn
其中，v为传感光纤的泊松比，λ0是光的波长，n为传感光纤折射率，δφl表示传感光纤长度变化直接引起的光相位变化，δφn表示传感光纤长度变化导致其折射率发生变化，从而间接引起的相位变化，δL为缠绕在橡胶柱上光纤的形变量，p11和p12弹光系数。
优选地，传递函数的具体表达式为：
其中，谐振频率阻尼比/>K为系统增益，这里K＝1，
通过传递函数表达式求出幅频特性和相频特性：
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于分布式声传感的三分量光纤传感装置及信号还原方法，通过采集三分量的振动信号，再通过I/Q解调实现对振动信号三个分量的还原，从而达到拾取三分量振动信号的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为分布式声传感的三分量光纤传感装置整体结构示意图。
图2附图为分布式声传感的三分量光纤传感装置内部结构示意图。
图3附图为减摩擦盖结构示意图。
图4(a)附图为单分量模型简化示意图。
图4(b)附图为光纤的动态模型示意图。
图5附图为三分量振动信号还原方法流程图。
图6(a)附图为振动传感器校准仪的直接输出信号与本发明光纤传感器采集信号两者归一化的信号对比图。
图6(b)附图为振动传感器校准仪的直接输出信号与本发明光纤传感器采集信号的频谱图。
图6(c)附图为振动传感器校准仪的直接输出信号与本发明光纤传感器采集信号两种信号归一化之后的比较图，红色表示的是光纤传感器，而蓝色是振动传感器校准仪的直接输出。
图7(a)附图为本发明光纤三分量传感器采集的三次激发的信号与动圈式检波器采集的信号对比图，红绿蓝分别表示三个分量XYZ。
图7(b)附图为三个分量XYZ的单独对比图，红色为本发明光纤传感器，绿色则为动圈式检波器。
其中，1、传感光纤，2、球状质量块，3、橡胶柱组，301、X方向橡胶柱组，302、Y方向橡胶柱组，303、Z方向橡胶柱组，4、减摩擦盖，401、贴合部，402、插接部，5、外壳，6、底座，7、光纤固定装置，701、第一部件，702、第二部件，8、法兰，9、螺栓固定装置，10、开口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种分布式声传感的三分量光纤传感装置，如图1和图2所示，包括：传感光纤1、球状质量块2、三个互相垂直的橡胶柱组3、减摩擦盖4、外壳5和底座6，三个互相垂直的橡胶柱组3的一端通过减摩擦盖4固定在球状质量块2上，另一端固定在底座6内部，底座内部设置有插接块，插接块与底座一体成型，设置在底座6内部，将插接块插接在橡胶柱组的另一端，即可将橡胶柱组固定在底座6上，且传感光纤1按照笛卡尔坐标系缠绕在三个互相垂直的橡胶柱组3以实现传感器的三个分量，外壳5和底座6连接固定，且底座6底部开设有螺旋孔，以便更换不同的尾椎来适应不同的地形。
在本实施例中，三个互相垂直的橡胶柱组3包括X方向橡胶柱组301、Y方向橡胶柱组302和Z方向橡胶柱组303，X方向橡胶柱组301、Y方向橡胶柱组302和Z方向橡胶柱组303均包括2个橡胶柱，2个橡胶柱分别通过减摩擦盖4对称贴合在球状质量块2上。
如图3所示，减摩擦盖4包括贴合部401和插接部402，插接部402用于插接在橡胶柱内部，贴合部401贴合在球状质量块2上。
在本实施例中，还包括光纤固定装置7，光纤固定装置7固定在外壳5和底座6的结合部，具体如图1和图2所示，光纤固定装置7包括第一部件701和第二部件702，第一部件701固定在外壳5上，第二部件702固定在底座6上，且第二部件702内部上设置有法兰8，通过法兰8固定传感光纤1，第一部件701和第二部件702内侧，即靠近橡胶柱的一侧均设置有开口10，传感光纤1通过开口10进入传感装置内部。
在本实施例中，外壳5和底座6对应位置均设置有螺栓固定装置9，螺栓固定装置9用于通过螺栓实现外壳5和底座6的连接固定。具体的，螺栓固定装置9包括上固定部和下固定部，上固定部固定在外壳5外表面，下固定部固定在底座6外表面，螺栓穿过上固定部和下固定部实现外壳5和底座6的连接固定。
在本实施例中，三个互相垂直的橡胶柱组均为硫化橡胶柱。
本发明实施例公开了一种三分量振动信号还原方法，如图5所示，包括：
输入振动信号后，球状质量块产生位移，进而挤压三个互相垂直的橡胶柱组，引起三个互相垂直的橡胶柱组发生轴向形变；
胶柱组发生形变导致传感光纤发生形变，使得光纤内传播光的光相位变化；
通过解调光相位变化还原振动信号。
在本实施例中，三分量是由3个单分量整合而成的，通过单分量可以扩展计算出三分量。为了方便计算，先分析其中一个单分量的传感方案，各个分量的数学推算都与其一致。
其中，分量橡胶柱组形变计算过程为：
步骤101：单分量由1组橡胶柱(其中一个缠绕有光纤)和一个球形质量块组成。将单分量模型简化为弹簧-质量-阻尼系统如图4(a)和图4(b)所示；假设输入信号为x(t)，输出信号为弹簧位移(橡胶柱组的形变)z(t)，并且引入中间变量y(t)为质量块的位移，则有：
y(t)+z(t)＝x(t) (1)；
步骤102：根据步骤101中三者的关系建立运动微分方程：
其中m为质量块的质量，c为运动粘度系数，k为弹簧的刚度系数，t为时间；
步骤103：对运动微分方程进行拉普拉斯变换并求解出传递函数：
其中，Z(s)是z(t)的拉普拉斯变换，X(s)是x(t)的拉普拉斯变换，通过传递函数求出输入输出的关系；
步骤104：通过传递函数计算频率响应函数：
其中，S(ω)为幅频特性，幅频特性描述的是系统或电子电路对不同频率信号的幅度或振幅响应，为相频特性，相频特性描述的是系统或电子电路对不同频率信号的相位响应，ω为输入信号的角速度；
得到幅频特性和相频特性后解出运动微分方程的通解，即是橡胶柱组的形变。
具体的，求解缠绕在橡胶柱上的传感光纤变化量时，由于橡胶柱的体积V不变，则它的横截面积发生变化，设外径变化为δD1，假定外径变化δD1与内径变化δD2与它们的半径成反比，列出关系式并且解出δD1，联立光纤绕制匝数求出光纤的形变量，具体计算公式为：
其中，N为传感光纤匝数，D1为橡胶柱外径，D2为橡胶柱内径，V为橡胶柱的体积，h表示橡胶柱形变前的高度。
在本实施例中，传递函数的具体表达式为：
其中，谐振频率阻尼比/>K为系统增益，这里K＝1由于传感器表现通常为欠阻尼系统，其ζ的取值约为0.7，通过传递函数表达式求出幅频特性与相频特性：
进一步地，当外部振动信号作用在传感光纤上时，在相应位置产生应变，使得光纤相位发生变化，光相位变化可归纳为两个不同因素，首先由于光纤的长度变化会直接引起光相位变化，表示为其次，光纤长度的变化导致其折射率发生变化，从而间接地引起相位变化，表示为/>光在光纤中传播发生的相位变化是这两个因素共同影响的结果：
式中，为波数，则有
其中，λ0是光的波长，n为光纤折射率。
则需要根据弹光矩阵求出：
由于光沿着光纤的轴向传播，所以有各个方向折射率的变化量关系式Δn＝Δny＝Δnx，并且光纤径向应变是相同，即εx＝εy＝-vεz，v为光纤的泊松比，其轴向应变为：
化简矩阵得到：
式子中pij为弹光系数，最终得到相位变化：
整合上述式子(9)、(10)、(13)，可推算出该传感方案的灵敏度：可以通过灵敏度去衡量传感装置的性能。
为了验证本发明的优越性，与传统检波器作对比实验，具体实施步骤如下所述：
将本发明装置放置在HD-VSC-1振动传感器校准仪上，并且将振动传感器校准仪的输出端接入数据记录仪上，采集振动传感器校准仪的直接输出信号，以及本发明光纤传感方案的采集结果，将两者采集信号作对比；先将采集信号取其中一种频率成分做归一化再进行对比，对比结果如图6(a)-6(c)所示，对比两者的信号波形图与频谱图可以看出本发明光纤传感方案能有效地还原振动信号。
为了进一步验证本发明的效果，将本发明三分量光纤传感装置在室外与传统动圈式检波器作主动源信号接收对比实验，实验中使用10kg的大锤作为激发源，在8个不同位置进行激发，从距离两检波器8米处开始，每个激发点间距为2m，到20米处结束。每个位置共进行3次激励，采样率为1Gsps，扫描率为1kHz；将采集到的光纤数据解调处理，解调对应位置的光纤信号，并且读取传统动圈式检波器采集信号；
任意取其中一个激发位置的信号。将光纤传感装置采集到的三分量信号放在同一张图上分别用红、绿、蓝三种颜色来表征XYZ三个分量，也对检波器采集信号做同样的处理，之后在将光纤传感装置中的各个信号分量与对应检波器的各个信号分量单独作对比，以红色代表光纤传感装置采集信号，绿色表示检波器采集信号，如图7(a)、7(b)所示；从图中信号对比来看，不难发现光纤传感装置采集的信号强度趋势与动圈式检波器采集的信号强度是一致的，信号强度从X向Z方向递减，三个分量的起振点位置相同，相邻激励之间的时间间隔也相同，两者保持着较高的时域一致性，从信号质量来看，虽然在噪声水平上动圈式检波器有显著的优势，但是光纤传感装置却表现出了更高的信号强度，由于动圈式检波器的阻尼特性，它使得信号波形有更长的拖尾，这一点在Z方向上尤为明显，所以在信号质量上光纤传感装置更有优势，计算两者的信噪比能发现，光纤传感装置的平均信噪比表现为：32.2817dB，而动圈式检波器的信噪比表现为：30.4104dB，两者对比发现光纤传感装置有着更高的信噪比。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种分布式声传感的三分量光纤传感装置，其特征在于，包括：传感光纤、球状质量块、三个互相垂直的橡胶柱组、减摩擦盖、外壳和底座，所述三个互相垂直的橡胶柱组的一端通过所述减摩擦盖贴合在所述球状质量块上，另一端固定在底座内部，且所述传感光纤按照笛卡尔坐标系缠绕在所述三个互相垂直的橡胶柱组以实现传感器的三个分量，所述外壳和所述底座连接固定，且所述底座底部开设有螺旋孔，用于固定尾椎；
减摩擦盖包括贴合部和插接部，插接部用于插接在橡胶柱内部，贴合部贴合在球状质量块上；
还包括光纤固定装置，所述光纤固定装置固定在所述外壳和所述底座结合处，且光纤固定装置内侧对应位置设置有开口，所述光纤固定装置内部设置有法兰，通过所述法兰固定所述传感光纤且所述传感光纤通过所述开口进入传感装置内部。
2.根据权利要求1所述的一种分布式声传感的三分量光纤传感装置，其特征在于，所述三个互相垂直的橡胶柱组包括X方向橡胶柱组、Y方向橡胶柱组和Z方向橡胶柱组，X方向橡胶柱组、Y方向橡胶柱组和Z方向橡胶柱组均包括2个橡胶柱，2个所述橡胶柱分别通过所述减摩擦盖对称贴合在所述球状质量块上。
3.根据权利要求1所述的一种分布式声传感的三分量光纤传感装置，其特征在于，还包括螺栓固定装置，所述螺栓固定装置固定在所述外壳和所述底座结合处，所述螺栓固定装置用于通过螺栓实现所述外壳和所述底座的连接固定。
4.根据权利要求1所述的一种分布式声传感的三分量光纤传感装置，其特征在于，所述三个互相垂直的橡胶柱组均为硫化橡胶柱。
5.一种三分量振动信号还原方法，该方法基于权利要求1-4任一所述的分布式声传感的三分量光纤传感装置实现，其特征在于，包括：
输入振动信号后，球状质量块产生位移，进而导致三个互相垂直的橡胶柱组发生形变；
橡胶柱组发生形变导致传感光纤发生形变，使得光纤内传播光的光相位变化；
通过解调光相位变化还原振动信号；
单分量橡胶柱组形变计算过程为：
步骤101：假设输入振动信号为x(t)，输出信号为橡胶柱组的形变z(t)，并且引入中间变量y(t)为质量块的位移，则有：y(t)+z(t)＝x(t)；
步骤102：根据步骤101中三者的关系建立运动微分方程：
其中，m为质量块的质量，c为运动粘度系数，k为弹簧的刚度系数，t为时间，x是输入振动信号，z是输出信号；
步骤103：对运动微分方程进行拉普拉斯变换并求解出传递函数：
其中，Z(s)是z(t)的拉普拉斯变换，X(s)是x(t)的拉普拉斯变换；
步骤104：通过传递函数计算频率响应函数：
其中，A(ω)为幅频特性，为相频特性，ω为输入信号的角速度；
得到幅频特性和相频特性后解出运动微分方程的通解，即是橡胶柱组的形变。
6.根据权利要求5所述的一种三分量振动信号还原方法，其特征在于，单分量光相位变化量δφ计算过程为：
δφ＝δφl+δφn
其中，v为传感光纤的泊松比，λ0是光的波长，n为传感光纤折射率，δφl表示传感光纤长度变化直接引起的光相位变化，δφn表示传感光纤长度变化导致其折射率发生变化，从而间接引起的相位变化，δL为缠绕在橡胶柱上光纤的形变量，p11和p12弹光系数。
7.根据权利要求5所述的一种三分量振动信号还原方法，其特征在于，传递函数的具体表达式为：
其中，谐振频率阻尼比/>K为系统增益，这里K＝1，
通过传递函数表达式求出幅频特性和相频特性：
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| CN202311184766.5A Active CN117053915B (zh) | 2023-09-14 | 2023-09-14 | 基于分布式声传感的三分量光纤传感装置及信号还原方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117053915B (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4893930A (en) * | 1988-01-25 | 1990-01-16 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Multiple axis, fiber optic interferometric seismic sensor |
| CN106289502A (zh) * | 2016-08-11 | 2017-01-04 | 中国船舶重工集团公司第七〇五研究所 | 一种基于分布反馈式光纤激光器的三维矢量水听器及相位解调方法 |
| CN107907202A (zh) * | 2017-10-27 | 2018-04-13 | 北京大学 | 一种实现共模噪声自抑制的光纤矢量水听器及其传感方法 |
| CN110683506A (zh) * | 2019-09-12 | 2020-01-14 | 山东大学 | Moems二分量加速度传感器、测量系统及工作方法 |
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-
2023
- 2023-09-14 CN CN202311184766.5A patent/CN117053915B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 严志刚.三分量全光纤加速度地震检波器数字信号处理系统的研制.《中国优秀硕士学位论文全文数据库 基础科学辑》.2004,18-21. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117053915A (zh) | 2023-11-14 |
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