CN207036249U - 一种高灵敏度的分布式光纤振动传感系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于分布式光纤振动传感技术领域，提供一种高灵敏度的分布式光纤振动传感系统。本实用新型得到系统采用高相干窄线宽激光器作为光源，经耦合器分光为两路，其中一路经脉冲调制器调制为光脉冲序列，使用光放大器放大后经环形器注入到振动传感光纤中，传感光纤中的后向瑞利散射光经过环形器传输回来，与另一路经移频器移频Δf的本振光进行外差拍频，拍频光信号经过探测器转换为电信号，随后进行数据的采集和处理。本实用新型结构简单，可以运用正交解调，对采集到的外差相干拍频信号进行去载频和低通滤波得到幅度和相位信息，基于此互相关信号进行频谱分析，实现更高灵敏度和准确度的提取出振动相关信息。
Description
技术领域
本实用新型属于分布式光纤振动传感技术领域，具体涉及一种高灵敏度的分布式光纤振动传感系统。
背景技术
基于相位敏感光时域反射技术的分布式光纤振动传感系统，用光纤作为传感单元实现全分布式振动实时监测，其基本原理是：利用高相干激光器作为传感光源(一般要求激光源线宽<10kHz)，从光纤一端注入高相干激光脉冲，脉冲光在光纤沿线激发高相干后向瑞利散射光，根据散射光相对于注入光脉冲的时间差，即可实现空间定位，由于注入的脉冲光有一定的时间脉宽(几十ns量级)，光纤中保持时空同步的后向瑞利散射光将发生多光束干涉现象，当光纤线路由于振动、冲击、入侵或者声波等发生扰动时，相应位置处光纤的折射率及长度将会发生动态变化，导致该位置处瑞利散射光的干涉谱发生相应变化，通过对瑞利散射光干涉谱的幅度及相位信息进行解调，即可获得振动扰动的全部信息。
分布式光纤振动传感其单通道监测距离可以达到50公里以上，振动监测频率范围可实现1kHz以上，空间定位精度可以达到5米以内，目前已有的长距离分布式光纤振动传感系统技术实现的振动探测灵敏度基本可达到100nε量级，但针对一些高灵敏度振动监测的场合，如微弱振动、声波侦听等领域，传统分布式光纤振动传感系统的灵敏度仍远远不够，从而造成振动信号识别方面容易出现误报和漏报，针对这一方面的问题，在保持传统分布式光纤振动传感系统基本架构基础上，进一步发展一种提高分布式光纤振动传感灵敏度的互相关解调方法，实现振动传感灵敏度和准确度的大大提升。
在目前已有的基于相位敏感光时域反射的分布式光纤振动传感技术中，实现振动信号解调的方法，有如下三种方式，一是直接强度解调法(Proc.SPIE 75031O,1(2009))，直接探测并采集后向瑞利散射光干涉强度信号，通过对时间采样得到的散射光干涉强度信号序列进行相邻差分来实现振动信号的判别，此方案的缺点是仅可初步判断出来振动的位置，而很难准确收集振动相关的幅度和频率信息；二是外差相干幅度解调探测法(J.Lightwave Technol.28,3243-3249(2010))，先将后向瑞利散射光干涉强度信号与光频略有差别的本地相干光进行拍频后，再探测采集拍频信号，从中提取出幅度信号序列进行相邻差分来实现振动信号的判别，此解调方案中的光学相干拍频可实现振动传感灵敏度的较大提高，可较准确收集振动相关的位置和频率信息，但却很难收集振动相关的幅度信息，从而在应用中会出现误判和漏判；三是外差相干相位解调探测法(Proc.SPIE 8311,83110S,(2011))，先将后向瑞利散射光干涉强度信号与光频略有差别的本地相干光进行拍频后，再探测采集拍频信号，从中提取出相位信号序列进行相邻差分来实现振动信号的判别，此解调方案理论上可较准确收集振动的幅度、频率和位置完整相关信息，但由于光相位的累积效应和相位解卷绕中存在的奇点问题，使得此方案在实际应用中极容易出现误差错误，虽然灵敏度稍微有所提高，但振动误判的概率却提高了很多。基于相位敏感光时域反射的分布式光纤振动传感技术基本均是采用这三种解调方案中间的某一种，虽可实现部分振动信息的获取，但都存在获取的振动信息不完整、振动传感准确度不高以及灵敏度不够等问题，不适合用于高灵敏度高准确度振动监测的场合，如微弱振动、声波侦听等领域。
实用新型内容
为了克服在先基于相位敏感光时域反射的分布式光纤振动传感技术解调方法的缺点，提供一种高灵敏度的分布式光纤振动传感系统。
一种高灵敏度的分布式光纤振动传感系统，包括光源、第一耦合器、脉冲调制器、光放大器、环形器、移频器、第二耦合器、探测器和振动传感光纤，光源与第一耦合器的输入端连接，第一耦合器的一路输出接脉冲调制器的输入端，脉冲调制器的输出端接环形器的第一端口，环形器的第二端口与振动传感光纤连接，环形器的第三端口和第二耦合器的一个输入端连接，第一耦合器的另一路输出接移频器的输入端，移频器的输出端接第二耦合器的另一个输入端，第二耦合器的输出端接探测器的输入端，探测器的输出端作为信号采集端。
所述光源采用高相干窄线宽激光器。
所述探测器输出与振动相关的交流电流，所述探测器的输出端频谱分析系统连接，进行频谱分析，提取出与振动相关的频谱信息。
进一步地，系统采用高相干窄线宽激光器作为光源，经耦合器分光为两路，其中一路经脉冲调制器调制为光脉冲序列，使用光放大器放大后经环形器注入到振动传感光纤中，传感光纤中的后向瑞利散射光经过环形器传输回来，与另一路经移频器移频Δf的本振光进行外差拍频，拍频光信号经过探测器转换为电信号。
与现有技术相比，本实用新型的特点和优点是：本实用新型结构简单，能综合利用分布式光纤振动传感解调方案中的幅度解调法和相位解调法的优势，基于幅度和相位信息互相关，进一步提取出与振动信号相关的特定频率成分信息，在一定程度上降低了现有解调法的误差，提高了振动传感灵敏度和准确度。
附图说明
图1基于相位敏感光时域反射的分布式光纤振动传感系统结构示意图；
图2本实用新型的应用实例中的一种频谱分析流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本实用新型的具体实施作进一步说明，但本实用新型的实施和保护不限于此，本实用新型要求保护的技术方案已经在前述实用新型内容作了详细说明，以下仅仅为举例，若有涉及原理分析如公式等，均是本领域技术人员可以实现的。
本实例的基于相位敏感光时域反射的高灵敏度分布式光纤振动传感系统，如图1所示，包括光源、第一耦合器、脉冲调制器、光放大器、环形器、移频器、第二耦合器、探测器和振动传感光纤，光源与第一耦合器的输入端连接，第一耦合器的一路输出接脉冲调制器的输入端，脉冲调制器的输出端接环形器的第一端口，环形器的第二端口与振动传感光纤连接，环形器的第三端口和第二耦合器的一个输入端连接，第一耦合器的另一路输出接移频器的输入端，移频器的输出端接第二耦合器的另一个输入端，第二耦合器的输出端接探测器的输入端，探测器的输出端作为信号采集端。
系统采用高相干窄线宽激光器作为光源，经耦合器分光为两路，其中一路经脉冲调制器调制为光脉冲序列，使用光放大器放大后经环形器注入到振动传感光纤中，传感光纤中的后向瑞利散射光经过环形器传输回来，与另一路经移频器移频Δf的本振光进行外差拍频，拍频光信号经过探测器转换为电信号，随后进行数据的采集和处理。
作为本实用新型系统的进一步应用举例，其频谱分析可以采用如下步骤：
(1)首先，对探测器输出的与振动相关的交流电流A(t)采集量化为数据序列，将离散信号A(t)分别乘以一个频率与A(t)同频的正弦和余弦离散信号序列，经过低通滤波后，可分别得到去载频的I(t)和Q(t)两路信号；
(2)然后，根据得到的I(t)和Q(t)信号进一步运算：和Δφ(t)＝arctan(Q(t)/I(t))+kπ(k为自然数)，得到幅度解调信号Δr(t)和相位解调信号Δφ(t)两路信号；
(3)其后，基于Δr(t)和Δφ(t)两路信号进行互相关运算，得到互相关函数信号(T为积分周期时间，τ为Δφ(t)信号提前时间量，Δφ(t+τ)为Δφ(t)提前时间τ后的信号)，此互相关函数信号实现了噪声和误差的抑制，以及振动信号的加强；
(4)最后，对进行频谱分析，提取出与振动相关的频谱信息，实现振动传感灵敏度和准确度的提高。
探测器输出的与振动相关的交流电流A(t)为：
A(t)∝c|r0+Δr(t)|ESEL cos(2πΔft+Δφ(t))
其中，c是光电探测器响应系数，r0为未扰动情况下光纤瑞利散射系数，Δr(t)为振动造成瑞利散射系数的变化，Δφ(t)为振动造成光纤中传输光的相位变化，ES为注入脉冲光场幅度，EL为本地光场幅度，Δf为外差频率差。
如图2所示，将探测器输出的与振动相关交流电流A(t)分别乘以一个频率为Δf的正弦和余弦信号，经过低通滤波后，可分别得到I(t)和Q(t)两路信号：
I(t)∝Δr(t)cosΔφ(t)
Q(t)∝Δr(t)sinΔφ(t)
进一步解调可以得到：
Δφ(t)∝arctan(Q(t)/I(t))+kπ
其中k为自然数，Δr(t)为幅度解调法得到的振动相关信息，Δφ(t)为相位解调法得到的振动相关信息，从解调公式中可以看出，当I(t)趋近于零时，Δφ(t)存在奇点，同时算出主值后还需要判断Δφ(t)处于哪一个象限进而进行解卷绕获取相位信息，在实际信号处理中极容易出现误差错误，因此实际解调信号为：
上式中nr(t)为幅度解调信号噪声，为相位解调信号噪声。
为了综合利用幅度解调法和相位解调法的优势，同时尽可能的抑制相位解调法存在的缺陷，对解调得到的Δr(t)和Δφ(t)进行进一步的处理，通过互相关运算得到互相关函数信号
其中Rs(τ)信号相关的互相关函数，Rn(τ)为噪声相关的互相关函数，在实际应用中，由于nr(t)和均包含有系统激光源和探测器等引入的噪声，但对影响最大的是解卷绕误差部分，此噪声成分nr(t)中并不存在，因此nr(t)和只存在较小系统噪声相关性。并且积分运算时间2T不会无限长，故实际信号处理中Rn(τ)是一个接近于零的随机变量，表现为剩余的噪声，其噪声频谱基本与振动信号频谱分别开来。即对进行频谱分析，就可以提取出其中与振动相关的频谱信息。
Claims (1)
1.一种高灵敏度的分布式光纤振动传感系统，其特征在于包括光源、第一耦合器、脉冲调制器、光放大器、环形器、移频器、第二耦合器、探测器和振动传感光纤，光源与第一耦合器的输入端连接，第一耦合器的一路输出接脉冲调制器的输入端，脉冲调制器的输出端接环形器的第一端口，环形器的第二端口与振动传感光纤连接，环形器的第三端口和第二耦合器的一个输入端连接，第一耦合器的另一路输出接移频器的输入端，移频器的输出端接第二耦合器的另一个输入端，第二耦合器的输出端接探测器的输入端，探测器的输出端作为信号采集端；所述光源采用高相干窄线宽激光器；所述探测器输出与振动相关的交流电流，所述探测器的输出端频谱分析系统连接。
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