CN117848483A - 一种光纤振动传感系统、方法和光缆巡线分析仪 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种光纤振动传感系统、方法和光缆巡线分析仪。该系统包括光源、耦合器、两个延时光纤、两个四端口环形器、第二四端口环形器、两个传感光纤和分析模块；光源连接耦合器的第一输入端，耦合器的第二输入端连接分析模块，耦合器的第一输出端通过第一延时光纤连接第一四端口环形器的第二端，耦合器的第二输出端通过第二延时光纤连接第二四端口环形器的第二端；第一四端口环形器的第一端连接第二四端口环形器的第四端，第一四端口环形器的第三端连接第一传感光纤，第一四端口环形器的第四端连接第二四端口环形器的第一端；第二四端口环形器的第三端连接第二传感光纤。该系统结构简单、成本低，可实现高灵敏度的光纤传感。

Description

一种光纤振动传感系统、方法和光缆巡线分析仪

技术领域

本申请涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种光纤振动传感系统、方法和光缆巡线分析仪。

背景技术

随着需求的推动，国家大型基础设施、国防重点设施、民用住宅等对周界安防系统的需求紧迫，要求也越来越高。通信运营商和电力系统对于光缆状态的高效监测、智慧监测的需求也越来越大。分布式光纤传感作为一种新型的长距离、高精度监测技术，得到广泛关注。它基于光纤中光的散射效应的高敏感性实现对温度、振动、声音等物理量的分布式探测。

光纤中传输的光波的波长远离光纤的共振频率时，光场能够激发出一个随时间变化的极化偶极子，该偶极子随之会辐射产生的二次光波。这种光纤中传输的光波激发出二次光波的现象就是光的散射。光纤中存在多种光散射现象，分布式光纤传感技术正是利用光纤中的瑞利散射现象，探测外界振动、声波等变化情况，从而实现对外界的感知。传统光纤传感系统为保证定位精度和空间分辨率，需要依赖高成本、高复杂度的结构，不利于推广使用。

发明内容

本申请的目的旨在至少能解决上述的技术缺陷之一，特别是现有振动传感系统无法通过简单、低成本的结构实现精准振动检测和振动定位的技术缺陷。

第一方面，本申请提供了一种光纤振动传感系统，包括光源、耦合器、第一延时光纤、第二延时光纤、第一四端口环形器、第二四端口环形器、第一传感光纤、第二传感光纤和分析模块；光源连接耦合器的第一输入端，耦合器的第二输入端连接分析模块，耦合器的第一输出端通过第一延时光纤连接第一四端口环形器的第二端，耦合器的第二输出端通过第二延时光纤连接第二四端口环形器的第二端；第一四端口环形器的第一端连接第二四端口环形器的第四端，第一四端口环形器的第三端连接第一传感光纤，第一四端口环形器的第四端连接第二四端口环形器的第一端；第二四端口环形器的第三端连接第二传感光纤。

在其中一个实施例中，光源为DFB脉冲激光器。

在其中一个实施例中，第一延时光纤和第二延时光纤的长度相同。

在其中一个实施例中，耦合器的分光比为1:1。

在其中一个实施例中，第一传感光纤和第二传感光纤为单模双芯光纤的两个光纤芯。

在其中一个实施例中，耦合器为3dB耦合器。

在其中一个实施例中，分析模块包括光电转换单元、模数转换单元和控制单元；

光电转换单元连接耦合器的第二输入端和模数转换单元，用于将耦合器的第二输入端输出的干涉光信号转换为干涉电信号，输出到模数转换单元；

模数转换单元连接控制单元，用于将干涉电信号模数转换后输出到控制单元。

在其中一个实施例中，控制单元利用强度解调法分析干涉电信号，得到振动信息。

在其中一个实施例中，分析模块还包括滤波单元，滤波单元连接在控制单元和模数转换单元之间。

第二方面，本申请提供了一种光纤振动传感方法，包括：

光源向耦合器的第一输入端发出脉冲光，耦合器对脉冲光进行分光，从第一输出端通过第一延时光纤输出第一分光到第一四端口环形器的第二端，从第二输出端通过第二延时光纤输出第二分光到第二四端口环形器的第二端；

第一分光从第一四端口环形器的第三端出射到第一传感光纤，第一传感光纤产生第一散射光，从第一四端口环形器第三端入射、第四端出射，进入第二四端口环形器的第一端，再经过第二四端口环形器的第二端、第二延时光纤进入耦合器的第二输出端；

第二分光从第二四端口环形器的第三端出射到第二传感光纤，第二传感光纤产生第二散射光，从第二四端口环形器第三端入射、第四端出射，进入第一四端口环形器的第一端，再经过第一四端口环形器的第二端、第二延时光纤进入耦合器的第一输出端；

第一散射光和第二散射光在耦合器中发生干涉，产生干涉光信号，从耦合器的第二输入端输出到分析模块；

分析模块根据干涉光信号得到振动信息。

第三方面，本申请提供了一种光缆巡线分析仪，包括上述任一实施例中的光纤振动传感系统。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

基于本实施例中的光纤振动传感系统，光源发出的光经耦合器分为两路，分别经过延时光纤延时，在对应的环形器的路由下，进入对应的传感光纤，发生光的散射。散射光在对应环形器的路由下，又可回到耦合器，在耦合器中发生干涉。由于两条光路光程相同，可以由分析模块从干涉光的强度变化中解调出振动信息。该种结构对光源线宽的要求较低，有助于降低系统成本，而双路传感、等程干涉的思路可以在简单的强度解调法的支持下，高定位精度、高空间分辨率的获取到振动信息。总之，该方案实现了长距离、高灵敏、低成本的分布式光纤振动检测。它为油气管道、电力线路、国境线等关键基础设施的安防监测，电力系统、通信运营商的高效智能巡线提供了有力支撑，极大拓展了光纤传感系统的应用空间。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请一个实施例提供的光纤振动传感系统的结构示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

本申请提供了一种光纤振动传感系统，包括光源、耦合器、第一延时光纤、第二延时光纤、第一四端口环形器、第二四端口环形器、第一传感光纤、第二传感光纤和分析模块。

光源是提供激光信号的源头设备。传统技术中的光纤振动传感系统，比如流行的φ-OTDR，所使用的光纤对线宽要求很高，需要使用非常窄线宽的激光发射器作为光源，导致成本居高不下。而本实施例中的机构对线宽的要求较低，可以使用DFB(DistributedFeedback Laser，分布式反馈激光)激光发射器作为光源，其线宽虽然相较于外腔激光器等超窄线宽的激光器更宽，但可靠性更高，成本更低，应用在本实施例中的系统里，可以进一步降低成本。

光源的出射端连接的是耦合器的第一输入端，耦合器可以把从输入端进入的光信号分成两路或多路输出，耦合器的结构决定了其分光比的大小，本实施例中的耦合器可选用2x2的耦合器。光源发出的激光信号入射耦合器的第一输入端以后，将按照耦合器对应的分光比进行分光，分别从耦合器的第一输出端和第二输出端出射。从耦合器的第一输出端输出的为第一分光，从耦合器的第二输出端输出的为第二分光。为了保证两路信号光强均衡，以获得高对比度的高质量干涉信号，分光比可以选择为1:1。在选择耦合器时，一般还需注意其插入损耗、回波损耗、耦合角度和波长范围，通常要求插入损耗小于0.5dB，回波损耗小于-10dB，耦合角度小于5度，其波长范围需要覆盖所选用光源所发出激光信号的波长。

延时光纤是一种用于使光的传播获得延时的光纤装置。光在光纤中以一定的速度传播，根据光在光纤中的传播长度，可以获得相应时间的光传播延迟。从耦合器的两个输出端出射的两个分光将分别经过第一延时光纤和第二延时光纤进行延时。这是由于这两个分光将分别经过不同的光路，他们所产生的散射光将会回到耦合器发生干涉，延时光纤的设置是为了保证发生干涉的两束光经过充分的延时，可以实现光程相等的干涉，产生稳定的干涉效应，使干涉光的光强变化可以直接反映出振动情况。在本技术方案的设计中，两条延时光纤的延时长短可以选择为相同的，进一步保证光的等程干涉。

四端口环形器是用于路由光信号的四端口光学器件，从任一端口入射的光信号，将按照确定的方向顺序传入到下一端口出射。具体而言，从第一端入射的光信号将从第二端出射，从第二端入射的光信号将从第三端出射，从第三端入射的光信号将从第四端出射，从第四端入射的光信号将从第一端出射。光环形器的实现原理有很多，包括透射式、反射式等，可结合器件的大小、成本、集成难度等选择。四端口环形器可以是由两个三端口环形器组成的，也可以是一个独立的四端口环形器。本实施例中共需要两个四端口环形器，分别为第一四端口环形器和第二四端口环形器。第一延时光纤的另一端连接在第一四端口环形器的第二端。第一分光经过第一延时光纤的延时后，从第一四端口环形器的第二端入射，再从第一四端口环形器的第三端出射。第二延时光纤的另一端连接在第二四端口环形器的第二端。第二分光经过第二延时光纤的延时后，从第二四端口环形器的第二端入射，再从第二四端口环形器的第三端出射。

传感光纤是用来感受振动的光纤。振动将导致传感光纤发生变化，从而使光纤中基于光的散射现象所产生的散射光发生变化。基于此，通过分析散射光的变化情况，就可以确定得到振动相关的信息。光的散射现象包括多种类型，如瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射等，本实施例中所分析的散射光主要是基于瑞利散射现象所产生的散射光。瑞利散射具有强度高、方向性好、抗干扰性强、可调制性好等优点，且其和源光有明确的相位变化关系，有利于后续对相干光进行分析。相较于同样基于瑞利散射的sagnac结构，本实施例中的方案也具有优秀的定位精度和空间分辨率，成本和系统复杂度也更低。本实施例共需要两个传感光纤，分别为第一传感光纤和第二传感光纤。第一四端口环形器的第三端连接第一传感光纤。第一分光从第一四端口环形器的第三端出射后进入第一传感光纤，在第一传感光纤中发生瑞利散射，产生第一散射光。第一散射光将反向传播回到第一四端口环形器的第三端，再从第一四端口环形器的第四端出射。第二四端口环形器的第三端连接第二传感光纤。第二分光从第二四端口环形器的第三端出射后进入第二传感光纤，在第二传感光纤中发生瑞利散射，产生第二散射光。第二散射光将反向传播回到第二四端口环形器的第三端，再从第二四端口环形器的第四端出射。

第一四端口环形器的第四端连接第二四端口环形器的第一端，第一散射光从第二四端口环形器的第一端入射后，将从第二四端口环形器的第二端出射，经过第二延时光纤的延时后进入到耦合器的第二输出端。第二四端口环形器的第四端连接第一四端口环形器的第一端，第二散射光从第一四端口环形器的第一端入射后，将从第一四端口环形器的第二端出射，经过第一延时光纤的延时后进入到耦合器的第一输出端。

基于上述器件，本实施例中所存在的两条光路分别为：

(1)耦合器--第一延时光纤--第一四端口环形器的2端口--第一四端口环形器的3端口--第一传感光纤--第一四端口环形器的3端口--第一四端口环形器的4端口--第二四端口环形器的1`端口--第二四端口环形器的2`端口--第二延时光纤--耦合器；

(2)耦合器--第二延时光纤--第二四端口环形器的2`端口--第二四端口环形器的3`端口--第二传感光纤--第二四端口环形器的3`端口--第二四端口环形器的4`端口--第一四端口环形器的1端口--第一四端口环形器的2端口--第一延时光纤--耦合器。

对比上述两条光路可知，两条光路的光程相同，第一散射光和第二散射光在分别从耦合器的第二输出端和第一输出端进入耦合器后，可以在耦合器内部发生光程相等的干涉。在光程相等条件下所发生的干涉现象更为稳定，方便后续对振动信息的提取。

第一散射光和第二散射光在耦合器发生干涉后，可以利用分析模块从耦合器的第二输入端检测到干涉光信号，分析模块可以对干涉光信号进行一系列的处理，从而提取到第一传感光纤和第二传感光纤对应的检测位置的振动信息。可以帮助在光缆巡线时，实现发现异常、定位振动等功能。由于本实施例基于的是等光程的两束散射光发生的干涉，其光强信息可以很好的反映第一传感光纤和第二传感光纤当前状态与原始状态的变化，分析模块对干涉光信号所采用的解调方法可以是成熟、简单的强度解调方法。本光纤传感系统的主要光路十分简单，且可集成性高，可以全部集中在一片硅片上实现，助力减小设备体积。

基于本实施例中的光纤振动传感系统，光源发出的光经耦合器分为两路，分别经过延时光纤延时，在对应的环形器的路由下，进入对应的传感光纤，发生光的散射。散射光在对应环形器的路由下，又可回到耦合器，在耦合器中发生干涉。由于两条光路光程相同，可以由分析模块从干涉光的强度变化中解调出振动信息。该种结构对光源线宽的要求较低，有助于降低系统成本，而双路传感、等程干涉的思路可以在简单的强度解调法的支持下，高定位精度、高空间分辨率的获取到振动信息。总之，该方案实现了长距离、高灵敏、低成本的分布式双路特征提取的光纤振动检测。它为油气管道、电力线路、国境线等关键基础设施的安防监测，电力系统、通信运营商的高效智能巡线提供了有力支撑，极大拓展了光纤传感系统的应用空间。

在其中一个实施例中，第一传感光纤和第二传感光纤为单模双芯光纤的两个光纤芯。单模双芯光纤是一种特殊结构的光纤，其横截面包含两个独立的单模光纤芯。这两芯共享同一包层结构，邻近排布。但光学特性与单芯单模光纤类似。使用该种结构，两芯间的距离近，所受到的环境影响和损耗相似，有利于后续的振动信息提取，也简化了安装过程，工程价值更高。

在其中一个实施例中，耦合器为3dB耦合器。该种规格的耦合器制作工艺成熟，成本较低，且结构简单，有利于系统集成。

在其中一个实施例中，分析模块包括光电转换单元、模数转换单元和控制单元。光电转换单元连接耦合器的第二输入端和模数转换单元，用于将耦合器的第二输入端输出的干涉光信号转换为干涉电信号，输出到模数转换单元。可以理解，光电转换单元可以将光信号转换为电信号，实现对光信号的采集。可以采用高速光电二极管实现。选择光电二极管时，可以考虑干涉光信号的调制频率，光电二极管的响应速度应当与调制频率相匹配。

模数转换单元连接控制单元，用于将干涉电信号模数转换后输出到控制单元。可以理解，光电转换单元所输出的干涉电信号是模拟信号，不能直接送入计算机设备中进行分析，模数转换单元可以将模拟信号转换为数字信号，方便后续利用预置的算法进行解调分析，提取出振动信息。

控制单元内配置了对数字的干涉电信号进行解析的算法，可选用强度解调算法。控制单元可以是MCU、DSP、FPGA等形式，可根据响应速度、芯片功能、能耗等指标选择合适的芯片作为控制单元。

在其中一个实施例中，分析模块还包括滤波单元，滤波单元连接在控制单元和模数转换单元之间。滤波单元可以对数字的干涉电信号进行过滤，去除其中的噪声。引入滤波单元能有效提升信号的动态范围和信噪比。这将有利于后级控制单元的信息提取，提高系统的精度和灵敏度。

本申请提供了一种光纤振动传感方法，包括：

S1，光源向耦合器的第一输入端发出脉冲光，耦合器对脉冲光进行分光，从第一输出端通过第一延时光纤输出第一分光到第一四端口环形器的第二端，从第二输出端通过第二延时光纤输出第二分光到第二四端口环形器的第二端。

S2，第一分光从第一四端口环形器的第三端出射到第一传感光纤，第一传感光纤产生第一散射光，从第一四端口环形器第三端入射、第四端出射，进入第二四端口环形器的第一端，再经过第二四端口环形器的第二端、第二延时光纤进入耦合器的第二输出端。

S3，第二分光从第二四端口环形器的第三端出射到第二传感光纤，第二传感光纤产生第二散射光，从第二四端口环形器第三端入射、第四端出射，进入第一四端口环形器的第一端，再经过第一四端口环形器的第二端、第二延时光纤进入耦合器的第一输出端。

S4，第一散射光和第二散射光在耦合器中发生干涉，产生干涉光信号，从耦合器的第二输入端输出到分析模块。

S5，分析模块根据干涉光信号得到振动信息。

在上述方法中可得知，从光源发射激光到耦合器后，共存在以下两条光路：

(1)耦合器--第一延时光纤--第一四端口环形器的2端口--第一四端口环形器的3端口--第一传感光纤--第一四端口环形器的3端口--第一四端口环形器的4端口--第二四端口环形器的1`端口--第二四端口环形器的2`端口--第二延时光纤--耦合器；

(2)耦合器--第二延时光纤--第二四端口环形器的2`端口--第二四端口环形器的3`端口--第二传感光纤--第二四端口环形器的3`端口--第二四端口环形器的4`端口--第一四端口环形器的1端口--第一四端口环形器的2端口--第一延时光纤--耦合器。

对比上述两条光路可知，两条光路的光程相同，第一散射光和第二散射光在分别从耦合器的第二输出端和第一输出端进入耦合器后，可以在耦合器内部发生光程相等的干涉。在光程相等条件下所发生的干涉现象更为稳定，分析模块经过光电转换、模数转换后，可利用预置的分析算法提取出振动信息。分析算法可以是基于强度解调思路的相关方法。

本申请还提供了一种光缆巡线分析仪，包括上述任一实施例中的光纤振动传感系统。光缆作为光纤传输的基本载体，一旦因为建筑施工、不可抗力等外在因素导致光缆断裂，通常光缆内具有多芯光纤，当其中一芯断裂其外观是无法观察出，因此运营商往往不能在第一时间内掌握故障的具体信息。一方面由于光缆故障使客户投诉后再安排抢修，造成响应时间长，不能及时维修。另一方面，目前对于光缆线路障碍及定位需要建立准确、完整的原始资料，再需人工用仪表测试，并与原始资料进行对比后分析得到故障定位，因此故缺乏快速定位的手段，光缆线路障碍定位时间长，效率低。而光缆巡线分析仪可用于解决该问题，可以将光纤振动传感系统的传感光纤与光缆一同设置，使得传感光纤可以感受到光缆所受到的影响。光缆巡线分析仪上可以额外设置交互显示模块，交互显示模块与分析模块连接，分析模块在提取到振动信息后，如振动强弱、振动位置等，即可通过交互显示模块展示出来。在对光缆进行巡检时，可以实现快速定位故障，有针对性的进行检修。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

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，各个实施例之间可以根据需要进行组合，且相同相似部分互相参见即可。

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申请。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申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请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 (10)

1.一种光纤振动传感系统，其特征在于，包括光源、耦合器、第一延时光纤、第二延时光纤、第一四端口环形器、第二四端口环形器、第一传感光纤、第二传感光纤和分析模块；

所述光源连接所述耦合器的第一输入端，所述耦合器的第二输入端连接所述分析模块，所述耦合器的第一输出端通过所述第一延时光纤连接所述第一四端口环形器的第二端，所述耦合器的第二输出端通过所述第二延时光纤连接所述第二四端口环形器的第二端；

所述第一四端口环形器的第一端连接所述第二四端口环形器的第四端，所述第一四端口环形器的第三端连接所述第一传感光纤，所述第一四端口环形器的第四端连接所述第二四端口环形器的第一端；

所述第二四端口环形器的第三端连接所述第二传感光纤。

2.根据权利要求1所述的光纤振动传感系统，其特征在于，所述光源为DFB脉冲激光器。

3.根据权利要求1所述的光纤振动传感系统，其特征在于，所述第一延时光纤和所述第二延时光纤的长度相同。

4.根据权利要求1所述的光纤振动传感系统，其特征在于，所述耦合器的分光比为1:1。

5.根据权利要求1所述的光纤振动传感系统，其特征在于，所述第一传感光纤和所述第二传感光纤为单模双芯光纤的两个光纤芯。

6.根据权利要求1所述的光纤振动传感系统，其特征在于，所述耦合器为3dB耦合器。

7.根据权利要求1所述的光纤振动传感系统，其特征在于，所述分析模块包括光电转换单元、模数转换单元和控制单元；

所述光电转换单元连接所述耦合器的第二输入端和所述模数转换单元，用于将所述耦合器的第二输入端输出的干涉光信号转换为干涉电信号，输出到所述模数转换单元；

所述模数转换单元连接所述控制单元，用于将所述干涉电信号模数转换后输出到所述控制单元。

8.根据权利要求7所述的光纤振动传感系统，其特征在于，所述控制单元利用强度解调法分析所述干涉电信号，得到振动信息。

9.一种光纤振动传感方法，其特征在于，包括：

光源向耦合器的第一输入端发出脉冲光，耦合器对所述脉冲光进行分光，从第一输出端通过第一延时光纤输出第一分光到第一四端口环形器的第二端，从第二输出端通过第二延时光纤输出第二分光到第二四端口环形器的第二端；

所述第一分光从所述第一四端口环形器的第三端出射到第一传感光纤，所述第一传感光纤产生第一散射光，从所述第一四端口环形器第三端入射、第四端出射，进入所述第二四端口环形器的第一端，再经过所述第二四端口环形器的第二端、所述第二延时光纤进入所述耦合器的第二输出端；

所述第二分光从所述第二四端口环形器的第三端出射到第二传感光纤，所述第二传感光纤产生第二散射光，从所述第二四端口环形器第三端入射、第四端出射，进入所述第一四端口环形器的第一端，再经过所述第一四端口环形器的第二端、所述第二延时光纤进入所述耦合器的第一输出端；

所述第一散射光和所述第二散射光在所述耦合器中发生干涉，产生干涉光信号，从所述耦合器的第二输入端输出到分析模块；

所述分析模块根据所述干涉光信号得到振动信息。

10.一种光缆巡线分析仪，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的光纤振动传感系统。