分布式光纖傳感系統(tǒng)及其振動(dòng)檢測定位方法
【專利摘要】一種分布式光纖傳感系統(tǒng)及其振動(dòng)檢測定位方法，包括：信號發(fā)生模塊、光源模塊、光頻率梳生成模塊、掃頻切串模塊、光環(huán)形器、傳感光纖、拍頻模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊和檢測定位模塊；檢測定位模塊中的定位單元通過生成多個(gè)頻段不同且無重疊的數(shù)字帶通濾波器，對來自多個(gè)掃頻探測光脈沖的原始數(shù)據(jù)段進(jìn)行數(shù)字濾波，得到傳感光纖的多條反射率曲線；對反射率曲線進(jìn)行消衰落處理，得到無干涉衰落和偏振衰落的多條綜合反射率曲線；對綜合反射率曲線作相位處理，得到其相位方差曲線；根據(jù)相位方差曲線中的方差進(jìn)行振動(dòng)點(diǎn)的判定并最終得到振動(dòng)點(diǎn)的位置和振動(dòng)波形；本發(fā)明定位精度高，振動(dòng)頻率響應(yīng)范圍大，振動(dòng)波形的信噪比高。
【專利說明】
分布式光纖傳感系統(tǒng)及其振動(dòng)檢測定位方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種光纖傳感領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種分布式光纖傳感系統(tǒng)及其 振動(dòng)檢測定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 自從20世紀(jì)70年代光纖被發(fā)明以來，光纖傳感技術(shù)也隨之蓬勃發(fā)展。除了可以用 于遠(yuǎn)距離高速率通信，光纖也具備感知外部物理參數(shù)的能力。利用這種敏感的特性，研究人 員發(fā)明了一系列的光纖傳感器件。其中分布式光纖振動(dòng)傳感器是最近幾年來的研究熱點(diǎn)。 它相比于傳統(tǒng)的振動(dòng)傳感器具有很多優(yōu)勢，比如:防水防潮;抗電磁干擾;使用安全;最重要 的是，具有分布式傳感和遠(yuǎn)距離傳感的能力。
[0003] 目前使用最廣泛、研究最多的是基于光時(shí)域反射儀的分布式光纖傳感系統(tǒng)，因?yàn)?此類系統(tǒng)擁有結(jié)構(gòu)緊湊、解調(diào)算法簡單、定位精度高、信噪比高等優(yōu)點(diǎn)。但是有兩個(gè)重大缺 陷:一、系統(tǒng)的振動(dòng)頻率響應(yīng)帶寬和傳感距離是矛盾的。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的基于光時(shí)域反射儀的分 布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)的頻率響應(yīng)帶寬是系統(tǒng)發(fā)射探測脈沖頻率的一半，而發(fā)射探測脈沖 頻率的倒數(shù)，即探測脈沖發(fā)射時(shí)間間隔，必須大于光在整段傳感光纖中來回傳輸?shù)臅r(shí)間，所 以傳感光纖長度越長，振動(dòng)響應(yīng)帶寬越小，反之亦然。這個(gè)缺陷嚴(yán)重地限制了該類分布式光 纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)在高頻率振動(dòng)傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。二、系統(tǒng)的空間分辨率和最大探測距離是 矛盾的。要想獲得高的空間分辨率，探測光脈沖的持續(xù)時(shí)間必須很短，這導(dǎo)致探測光脈沖的 功率很低，進(jìn)而限制了探測距離。
[0004] 針對振動(dòng)頻率響應(yīng)帶寬和傳感距離的矛盾，目前有如下幾種解決方案:基于光頻 域反射儀的分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)，雖然能獲取高頻率振動(dòng)的頻率信息，但是無法獲得 振動(dòng)的時(shí)域信息；基于干涉儀的分布式光纖傳感系統(tǒng)，雖然能獲得很大的振動(dòng)頻率響應(yīng)范 圍，但是該類系統(tǒng)有解調(diào)算法復(fù)雜、定位精度差等缺點(diǎn);基于干涉儀和光時(shí)域反射儀融合結(jié) 構(gòu)的分布式光纖傳感系統(tǒng)，雖然獲得了兩類系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，但是系統(tǒng)變得復(fù)雜，而且傳感光纖 需要為環(huán)形結(jié)構(gòu)，不能單端測量;基于頻分復(fù)用技術(shù)和光時(shí)域反射儀的分布式傳感系統(tǒng)，綜 合性能(空間分辨率、可測量范圍、信噪比）仍然有待提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)較多探測脈沖發(fā)射頻率受限于傳感距離，且采用的入侵位置 算法基于基于強(qiáng)度解調(diào)，其信噪比較低的同時(shí)無法消除偏振衰落和干涉衰落噪聲，易使相 位解調(diào)出的振動(dòng)波形信息出錯(cuò)等缺陷，提出一種分布式光纖傳感系統(tǒng)及其振動(dòng)檢測定位方 法，通過產(chǎn)生光頻率梳信號，結(jié)合可消干涉衰落和偏振衰落的相位解調(diào)算法，消除傳感光纖 的反射率曲線上的極弱反射點(diǎn)，提高信噪比和定位精度;通過頻分復(fù)用技術(shù)成倍擴(kuò)大了振 動(dòng)頻率響應(yīng)帶寬，發(fā)射的掃頻光脈沖解決了空間分辨率和探測距離的矛盾。
[0006] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0007] 本發(fā)明涉及一種分布式光纖傳感系統(tǒng)，包括:信號發(fā)生模塊、光源模塊、光頻率梳 生成模塊、掃頻切串模塊、光環(huán)形器、傳感光纖、拍頻模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊和檢測定位模塊， 其中：信號發(fā)生模塊分別向掃頻切串模塊和光頻率梳生成模塊輸入放大的掃頻射頻脈沖序 列和放大的單頻正弦波信號，同時(shí)信號發(fā)生模塊向檢測定位模塊發(fā)送觸發(fā)信號;光源模塊 產(chǎn)生的超窄線寬激光分為探測光路和參考光路，并分別輸出至光頻率梳生成模塊和拍頻模 塊;光頻率梳生成模塊向掃頻切串模塊輸入光頻率梳信號，掃頻切串模塊輸出放大的掃頻 探測光脈沖串，經(jīng)過環(huán)形器輸入傳感光纖;傳感光纖產(chǎn)生的瑞利背向散射光經(jīng)環(huán)形器輸入 拍頻模塊，與參考光在拍頻模塊中拍頻，產(chǎn)生的拍頻光信號輸入光電轉(zhuǎn)換模塊;光電轉(zhuǎn)換模 塊將拍頻光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并輸入檢測定位模塊進(jìn)行振動(dòng)點(diǎn)的檢測和定位。
[0008] 所述的信號發(fā)生模塊包括:任意信號發(fā)生器和兩個(gè)射頻信號放大器，其中：兩個(gè)射 頻信號放大器分別與任意信號發(fā)生器的兩個(gè)輸出通道相連。
[0009] 所述的任意信號發(fā)生器的一個(gè)通道重復(fù)輸出掃頻射頻脈沖序列，另一個(gè)通道輸出 單頻正弦波信號。
[0010] 所述的掃頻射頻脈沖序列包括:多個(gè)等時(shí)間間距、相同脈沖寬度、不同且無重疊的 掃頻范圍的掃頻射頻脈沖信號。
[0011] 所述的時(shí)間間距與掃頻射頻脈沖信號的個(gè)數(shù)的乘積等于光在傳感光纖中的來回 傳輸時(shí)間。
[0012] 所述的光源模塊包括:依次相連的窄線寬光纖激光器、光纖親合器和偏振控制器。
[0013] 優(yōu)選地，所述的光纖耦合器的分光比為90:10。
[0014] 所述的光頻率梳生成模塊包括:直流電壓源和光調(diào)制器，其中：直流電壓源調(diào)整輸 入光調(diào)制器的直流偏置電壓，并產(chǎn)生光頻率梳信號。
[0015] 所述的光調(diào)制器為光強(qiáng)度調(diào)制器或光相位調(diào)制器。
[0016] 所述的掃頻切串模塊包括:相連的聲光調(diào)制器/單邊帶調(diào)制器和摻餌光纖放大器。
[0017] 所述的傳感光纖為單模通信光纖。
[0018]所述的拍頻模塊為50:50光纖親合器。
[0019] 所述的光電轉(zhuǎn)換模塊為平衡探測器。
[0020] 所述的檢測定位模塊包括:相連的數(shù)據(jù)采集卡和定位單元，其中：數(shù)據(jù)采集卡對輸 入的電信號進(jìn)行采樣，將原始數(shù)據(jù)輸入定位單元進(jìn)行相位解調(diào)。
[0021] 本發(fā)明涉及一種基于上述系統(tǒng)的振動(dòng)檢測定位方法，通過多個(gè)頻段不同且無重疊 的數(shù)字帶通濾波器對來自多個(gè)掃頻探測光脈沖的原始數(shù)據(jù)段進(jìn)行數(shù)字濾波，得到傳感光纖 的多條反射率曲線;然后通過對反射率曲線進(jìn)行消衰落處理，得到無干涉衰落和偏振衰落 的多條綜合反射率曲線、通過對綜合反射率曲線作相位處理，得到其相位方差曲線;根據(jù)相 位方差曲線中的方差進(jìn)行振動(dòng)點(diǎn)的判定并最終得到振動(dòng)點(diǎn)的位置和振動(dòng)波形。
[0022] 所述的反射率曲線通過以下方法得到:定位單元生成多個(gè)頻段不同且無重疊的數(shù) 字帶通濾波器，將來自多個(gè)掃頻探測光脈沖的原始數(shù)據(jù)段分成與數(shù)字帶通濾波器相同數(shù)量 的子數(shù)據(jù)段，再將子數(shù)據(jù)段與對應(yīng)的數(shù)字匹配濾波器作互相關(guān)運(yùn)算，得到傳感光纖的反射 率曲線集合。
[0023] 所述的消衰落處理是指：以一條反射率曲線的共輒作為參考，與其他的反射率曲 線作相乘運(yùn)算，得到相位歸零的反射率曲線集合，并對相位歸零的反射率曲線作平均運(yùn)算， 得到無干涉衰落和偏振衰落的綜合反射率曲線。
[0024] 所述的相位處理是指:取各條綜合反射率曲線的相位項(xiàng)為相位曲線，對相位曲線 進(jìn)行時(shí)延，將時(shí)移前后的相位曲線作差分得到差分相位曲線，并對差分相位曲線求方差，得 到其相位方差曲線。
[0025] 所述的振動(dòng)點(diǎn)的判定是指:如果相位方差曲線中的某點(diǎn)的方差大于0.02,則該點(diǎn) 為振動(dòng)點(diǎn)。
[0026] 所述的振動(dòng)點(diǎn)在傳感光纖上的位置為 |其中：c'為光在光纖中的傳播速 度，ts為數(shù)據(jù)采集卡的采樣率，ko為振動(dòng)點(diǎn)對應(yīng)的索引值。
[0027] 所述的振動(dòng)點(diǎn)的振動(dòng)波形為差分相位曲線中振動(dòng)點(diǎn)處的差分相位組成的新序列。 技術(shù)效果
[0028] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可同時(shí)獲得高空間分辨率和長探測距離，成倍擴(kuò)大了振 動(dòng)頻率的響應(yīng)帶寬，并且可有效消除反射率曲線上的極弱點(diǎn)，進(jìn)而消除相位解調(diào)錯(cuò)誤，達(dá)到 提尚?目噪比、精確檢測和定位振動(dòng)點(diǎn)的目的。
【附圖說明】
[0029] 圖1為分布式光纖傳感系統(tǒng)示意圖；
[0030] 圖2為掃頻探測光脈沖信號的時(shí)頻曲線；
[0031] 圖3為實(shí)施例1中探測到的振動(dòng)點(diǎn)的振動(dòng)波形圖；
[0032] 圖中：1為任意信號發(fā)生器、2、3為射頻信號放大器、4為窄線寬光纖激光器、5為光 纖耦合器、6為偏振控制器、7為直流電壓源、8為光調(diào)制器、9為聲光調(diào)制器、10為摻餌光纖放 大器、11為光環(huán)形器、12為傳感光纖、13為50:50光纖耦合器、14為平衡探測器、15為數(shù)據(jù)采 集卡、16為定位單元。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。 實(shí)施例1
[0034] 如圖1所示，本實(shí)施例包括:信號發(fā)生模塊、光源模塊、光頻率梳生成模塊、掃頻切 串模塊、光環(huán)形器11、傳感光纖12、拍頻模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊和檢測定位模塊，其中：信號發(fā) 生模塊分別向掃頻切串模塊和光頻率梳生成模塊輸入放大的掃頻射頻脈沖序列和放大的 單頻正弦波信號，同時(shí)信號發(fā)生模塊向檢測定位模塊發(fā)送觸發(fā)信號;光源模塊產(chǎn)生的超窄 線寬激光分為探測光路和參考光路，并分別輸出至光頻率梳生成模塊和拍頻模塊;光頻率 梳生成模塊向掃頻切串模塊輸入光頻率梳信號，掃頻切串模塊輸出放大的掃頻探測光脈沖 串，經(jīng)過光環(huán)形器11的a端口輸入并通過b端口輸出至傳感光纖12;傳感光纖12產(chǎn)生的瑞利 背向散射光經(jīng)光環(huán)形器11的b端口輸入光環(huán)形器11并通過c端口輸入拍頻模塊，與參考光在 拍頻模塊中拍頻，產(chǎn)生的拍頻光信號輸入光電轉(zhuǎn)換模塊;光電轉(zhuǎn)換模塊將拍頻光信號轉(zhuǎn)換 為電信號，并輸入檢測定位模塊進(jìn)行振動(dòng)點(diǎn)的檢測和定位。
[0035] 所述的信號發(fā)生模塊包括:任意信號發(fā)生器1和兩個(gè)射頻信號放大器2、3,其中：兩 個(gè)射頻信號放大器2、3分別與任意信號發(fā)生器1的兩個(gè)輸出通道相連。
[0036]所述的任意信號發(fā)生器1的一個(gè)通道重復(fù)輸出掃頻射頻脈沖序列，另一個(gè)通道輸 出單頻正弦波信號。
[0037]所述的重復(fù)輸出的掃頻射頻脈沖序列的重復(fù)次數(shù)L=16,包括:N = 5個(gè)等時(shí)間間距 T(20ys)、相同脈沖寬度iP(2ys)、不同且無重疊的掃頻范圍：150~170MHz、170~190MHz、 190~210MHz、210~230MHz和230~250MHz的掃頻射頻脈沖信號。
[0038]所述的時(shí)間間距T與掃頻射頻脈沖信號的個(gè)數(shù)N的乘積NT等于光在傳感光纖12中 的來回傳輸時(shí)間，即l〇〇ys。
[0039] 所述的單頻正弦波信號的頻率為100MHz。
[0040] 所述的光源模塊包括:依次相連的窄線寬光纖激光器4、光纖親合器5和偏振控制 器6〇
[00411 所述的光纖耦合器5的分光比為90:10。
[0042]所述的窄線寬光纖激光器4的線寬為1 kHz。
[0043]所述的光頻率梳生成模塊包括:直流電壓源7和光調(diào)制器8,其中：直流電壓源7調(diào) 整輸入光調(diào)制器8的直流偏置電壓，并產(chǎn)生光頻率梳信號。
[0044]所述的光頻率梳信號為輸入光調(diào)制器8的探測光和單頻正弦波信號產(chǎn)生的2M+1 = 3個(gè)光頻率成分的光頻率梳信號，其中:M為光調(diào)制器8產(chǎn)生的邊帶階數(shù)。
[0045] 所述的光調(diào)制器8為光強(qiáng)度調(diào)制器。
[0046] 所述的掃頻切串模塊包括:相連的聲光調(diào)制器9和摻餌光纖放大器10。
[0047]如圖2所示，所述的掃頻切串模塊輸出的掃頻探測光脈沖串的時(shí)間間距T = 20ys， 脈沖寬度 Tp = 2ys，掃頻范圍 F1 為 50 ~70MHz、70~90MHz、90~110MHz、110~130MHz、130~ 150MHz，F(xiàn)2為150~170MHz、170~190MHz、190~210MHz、210~230MHz、230~250MHz，F(xiàn)3為 250 ~270MHz、270 ~290MHz、290 ~310MHz、310 ~330MHz、330 ~350MHz。
[0048]所述的傳感光纖12為單模通信光纖，全長為10km。
[0049]所述的拍頻模塊為50:50光纖親合器13。
[0050]所述的光電轉(zhuǎn)換模塊為平衡探測器14。
[0051]所述的平衡探測器14的帶寬為400MHz。
[0052]所述的檢測定位模塊包括:相連的數(shù)據(jù)采集卡15和定位單元16,其中：數(shù)據(jù)采集卡 15對輸入的電信號進(jìn)行采樣，將原始數(shù)據(jù)輸入定位單元16進(jìn)行相位解調(diào)。
[0053]所述的數(shù)據(jù)采集卡15的采樣率ts為lGSa/s，分辨率為8bit。
[0054] 本實(shí)施例涉及基于上述系統(tǒng)的檢測定位方法，包括以下步驟：
[0055] 步驟1、定位單元16將數(shù)據(jù)采集卡15采樣的來自NL個(gè)掃頻探測光脈沖的原始數(shù)據(jù) 段按時(shí)間順序標(biāo)記，即：{xn(k) ;k=l，···，K} ;n = l，…，NL，其中：K為來自1個(gè)掃頻探測光脈 沖的原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量;并產(chǎn)生2M+1個(gè)頻段不同且無重疊的數(shù)字帶通濾波器{h n,m(k);k = 1，···，K} ;n = l，. . .，NL;m=l，···，2M+1，將標(biāo)記后的原始數(shù)據(jù)段分成2M+1個(gè)子數(shù)據(jù)段再行標(biāo) 記，即：{xn,m(k) ;k=l，…，K} ;n = l，…，NL; 1 = 1，…，2M+1。
[0056] 步驟2、將上一步驟得到的NL(2M+1)個(gè)子數(shù)據(jù)段與各自對應(yīng)的數(shù)字匹配濾波器 {hn,m(k) ;k=l，···，K} ;n = l，…，NL;m=l，…，2M+1作互相關(guān)運(yùn)算，得到傳感光纖12的NL(2M +1)條反射率曲線。
[0057] 所述的反射率曲線的表達(dá)式為⑷= (以= l…，/φ;? = 1…，A'L;w=1,…，2/W+1， 其中：κ為索引符號，*表示共輒，得到的反射率均為復(fù)數(shù)。
[0058] 所述的反射率曲線上存在干涉衰落和偏振衰落。
[0059]由于兩個(gè)相鄰的探測光脈沖之間的時(shí)間間距T，遠(yuǎn)小于NT，即小于光在傳感光纖12 中最大的來回傳輸時(shí)間，所以兩個(gè)相鄰的探測光脈沖的瑞利背向散射光是在時(shí)間上是有一 段重合的。但是因?yàn)閮蓚€(gè)相鄰的探測光脈沖的頻率不同，對應(yīng)的匹配濾波器也不同，所以可 以用帶通濾波器和匹配濾波器抑制與之不匹配的探測光脈沖的背向反射信號，達(dá)到分離背 向散射光信號的目的。
[0060] 步驟3、取來自標(biāo)記為1的掃頻探測光脈沖的反射率曲線{Ri,m(k);k=l，…，K};m = 1，···，2Μ+1的共軛⑷4=1，…,岣_ = 1,…,2M+1作為參考，與其他反射率曲線相乘，得到 NL(2M+1)條相位歸零的反射率曲線七,,#) = L (吵C? (葉b 1,…，[丨;"=I…置;《 = 1，...，2M + 1 e
[0061] 步驟4、對上一步驟得到的相位歸零的反射率曲線作平均運(yùn)算，得到NL條無干涉衰 落和偏振衰落的綜合反射率曲線：
[0062]步驟5、取上一步驟得到的NL條綜合反射率曲線的相位項(xiàng)，得到NL條相位曲線： {<K(k)= angle[rn(k)] ;k=l，."，K};n=l，."，NL〇
[0063] 對步驟3~5解釋如下：以n = l時(shí)為例，2M+1條反射率曲線{Ri,m(k) ;k=l，…，K} ;m =1，…，2M+1解調(diào)自同一個(gè)掃頻探測光脈沖的瑞利背向散射光的2M+1個(gè)部分，這2M+1條反 射率曲線上都存在著嚴(yán)重的干涉衰落和偏振衰落點(diǎn)，這些衰落點(diǎn)的反射率的模值很小，受 噪聲影響，這些點(diǎn)的相位解調(diào)會(huì)出錯(cuò)。但因?yàn)檫@2M+1個(gè)部分的頻率各不相同，所以這2M+1條 反射率曲線也各不相同，即干涉衰落和偏振衰落導(dǎo)致的極弱點(diǎn)在這2M+1條反射率曲線上的 位置也各不相同。對這2M+1條反射率曲線做平均運(yùn)算便能夠消除這些極弱點(diǎn)，從而消除這 些點(diǎn)上出現(xiàn)的相位解調(diào)錯(cuò)誤。但是由于反射率是復(fù)數(shù)，由復(fù)數(shù)加法的知識可知，復(fù)數(shù)相加的 結(jié)果的模值不一定變大，有時(shí)會(huì)變小。為了使反射率相加后的模值最大化，需要先旋轉(zhuǎn)反射 率，使它們的夾角歸零，然后再相加。
[0064] 步驟6、對上一步驟得到的NL條相位曲線時(shí)延D個(gè)單位，再將時(shí)移前后的相位曲線 作差分，得到NL條差分相位曲線：{ Δ φη(1〇 = <K(k)-<K(k-D) ;k=l，···，K} ;n = l，···，NL。
[0065] 步驟7、對上一步驟得到的NL條差分相位曲線求方差，得到其相位方差曲線：
[0066]步驟8、如果上一步驟得到的相位方差曲線中k = kQ處的方差大于0.02,則該點(diǎn)為 振動(dòng)點(diǎn)，它在傳感光纖12上的位置為
|其中：c'為光在光纖中的傳播速度，ts為數(shù) 據(jù)采集卡15的采樣率，kQ為振動(dòng)點(diǎn)對應(yīng)的索引值;振動(dòng)點(diǎn)的振動(dòng)波形為步驟6得到的NL條差 分相位曲線中k=kQ處的差分相位組成的新序列:{Δ為?;? = 1,…，AXj。
[0067]本實(shí)施例的空間分辨率Δ z由掃頻探測光脈沖的掃頻范圍決定：
7其中： γ為掃頻速度。
[0068]本實(shí)施例的振動(dòng)頻率響應(yīng)帶寬由掃頻探測光脈沖的發(fā)射時(shí)間間隔決定，為1/2Τ。 相比于傳統(tǒng)方案，理論上振動(dòng)頻率響應(yīng)帶寬增加Ν倍。
[0069]本實(shí)施例設(shè)置一個(gè)振動(dòng)點(diǎn)，在傳感光纖12的9.93km處發(fā)生頻率為21kHz的單頻振 動(dòng)，振動(dòng)點(diǎn)的振動(dòng)覆蓋范圍為1 〇m。
[0070] 本實(shí)施例中，1(=100000小=5兒=16，1 = 80，]?=1，0 = 100;三個(gè)數(shù)字帶通濾波器 的頻段的帶寬分別為50~150MHz、150~250MHz和250~350MHz;則80個(gè)掃頻探測光脈沖的 原始數(shù)據(jù)段按時(shí)間順序標(biāo)記為^(1〇 ;1^=1，'"，1(};11=1^"，80，分成的80\3 = 240個(gè)子數(shù) 據(jù)段標(biāo)記為{xn,m(k) ;k=l，···，K} ;n = l，···，80;m=l，2,3。
[0071] 本實(shí)施例得到的反射率曲線為 相位歸零的反射率曲線為⑷=尺,》⑷X疋靡〇〇〇};? = 1，…,紙/? = 1,2,3，綜合 反射率曲線為
；《: = 1，….，8〇,.相位曲線為{ Φ n(k) = angle [rn (k)];k=l,…，100000} ;n = 1，…，80,差分相位曲線為{ Δ φ n(k) = Φ η(1〇-φ n(k-100) ;k = 1，…，100000}; η = 1，…，80，相位方差曲線為
[0072]在相位方差曲線中，k〇 = 99300處的方差大于0.02,可判定該點(diǎn)為振動(dòng)點(diǎn)，振動(dòng)點(diǎn) 在傳感光纖12上的位置即為
這與設(shè)定的振動(dòng)位置相吻合。振動(dòng)點(diǎn)的振動(dòng)波 形為{ Δ φ 983(K)(n); n = 1，…，80}，如圖3所示，獲取的振動(dòng)波形的信噪比達(dá)到25dB。
[0073]本實(shí)施例突破了傳感光纖12的長度對振動(dòng)頻率響應(yīng)范圍的限制：由于傳感光纖12 全長為10km，在傳統(tǒng)的基于光時(shí)域反射儀的分布式光纖傳感系統(tǒng)中，最大可測量的振動(dòng)頻 率只有5kHz，而本實(shí)施例成功測量到21kHz的振動(dòng)頻率，且具有高信噪比。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于，包括:信號發(fā)生模塊、光源模塊、光頻率梳生 成模塊、掃頻切串模塊、光環(huán)形器、傳感光纖、拍頻模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊和檢測定位模塊，其 中：信號發(fā)生模塊分別向掃頻切串模塊和光頻率梳生成模塊輸入放大的掃頻射頻脈沖序列 和放大的單頻正弦波信號，同時(shí)信號發(fā)生模塊向檢測定位模塊發(fā)送觸發(fā)信號;光源模塊產(chǎn) 生的超窄線寬激光分為探測光路和參考光路，并分別輸出至光頻率梳生成模塊和拍頻模 塊;光頻率梳生成模塊向掃頻切串模塊輸入光頻率梳信號，掃頻切串模塊輸出放大的掃頻 探測光脈沖串，經(jīng)過環(huán)形器輸入傳感光纖;傳感光纖產(chǎn)生的瑞利背向散射光經(jīng)環(huán)形器輸入 拍頻模塊，與參考光在拍頻模塊中拍頻，產(chǎn)生的拍頻光信號輸入光電轉(zhuǎn)換模塊;光電轉(zhuǎn)換模 塊將拍頻光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并輸入檢測定位模塊進(jìn)行振動(dòng)點(diǎn)的檢測和定位。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征是，所述的信號發(fā)生模塊包括： 任意信號發(fā)生器和兩個(gè)射頻信號放大器，其中：兩個(gè)射頻信號放大器分別與任意信號發(fā)生 器的兩個(gè)輸出通道相連； 所述的任意信號發(fā)生器的一個(gè)通道重復(fù)輸出掃頻射頻脈沖序列，另一個(gè)通道輸出單頻 正弦波信號，其中：掃頻射頻脈沖序列包括:多個(gè)等時(shí)間間距、相同脈沖寬度、不同且無重疊 的掃頻范圍的掃頻射頻脈沖信號。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征是，所述的時(shí)間間距與掃頻射頻 脈沖信號的個(gè)數(shù)的乘積等于光在傳感光纖中的來回傳輸時(shí)間。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征是，所述的光源模塊包括:依次 相連的窄線寬光纖激光器、光纖禪合器和偏振控制器，其中：光纖禪合器的分光比為90:10。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征是，所述的光頻率梳生成模塊包 括:直流電壓源和光調(diào)制器，其中：直流電壓源調(diào)整輸入光調(diào)制器的直流偏置電壓，并產(chǎn)生 光頻率梳信號。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征是，所述的掃頻切串模塊包括： 相連的聲光調(diào)制器/單邊帶調(diào)制器和滲巧光纖放大器。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征是，所述的檢測定位模塊包括： 相連的數(shù)據(jù)采集卡和定位單元，其中：數(shù)據(jù)采集卡對輸入的電信號進(jìn)行采樣，將原始數(shù)據(jù)輸 入定位單元進(jìn)行相位解調(diào)。8. -種基于上述任一權(quán)利要求所述系統(tǒng)的振動(dòng)檢測定位方法，其特征在于，定位單元 通過生成多個(gè)頻段不同且無重疊的數(shù)字帶通濾波器，對來自多個(gè)掃頻探測光脈沖的原始數(shù) 據(jù)段進(jìn)行數(shù)字濾波，得到傳感光纖的多條反射率曲線;對反射率曲線進(jìn)行消衰落處理，得到 無干設(shè)衰落和偏振衰落的多條綜合反射率曲線;對綜合反射率曲線作相位處理，得到其相 位方差曲線;根據(jù)相位方差曲線中的方差進(jìn)行振動(dòng)點(diǎn)的判定并最終得到振動(dòng)點(diǎn)的位置和振 動(dòng)波形。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的振動(dòng)檢測定位方法，其特征是，所述的反射率曲線通過W下方 法得到：定位單元生成多個(gè)頻段不同且無重疊的數(shù)字帶通濾波器，將來自多個(gè)掃頻探測光 脈沖的原始數(shù)據(jù)段分成與數(shù)字帶通濾波器相同數(shù)量的子數(shù)據(jù)段，再將子數(shù)據(jù)段與對應(yīng)的數(shù) 字匹配濾波器作互相關(guān)運(yùn)算，得到傳感光纖的反射率曲線集合。10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的振動(dòng)檢測定位方法，其特征是，所述的消衰落處理是指：W - 條反射率曲線的共輛作為參考，與其他的反射率曲線作相乘運(yùn)算，得到相位歸零的反射率 曲線集合，并對相位歸零的反射率曲線作平均運(yùn)算，得到無干設(shè)衰落和偏振衰落的綜合反 射率曲線。11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的振動(dòng)檢測定位方法，其特征是，所述的相位處理是指:取各條 綜合反射率曲線的相位項(xiàng)為相位曲線，對相位曲線進(jìn)行時(shí)延，將時(shí)移前后的相位曲線作差 分得到差分相位曲線，并對差分相位曲線求方差，得到其相位方差曲線。12. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的振動(dòng)檢測定位方法，其特征是，所述的振動(dòng)點(diǎn)的判定是指：當(dāng) 相位方差曲線中的某點(diǎn)的方差大于0.02，則該點(diǎn)為振動(dòng)點(diǎn)； 所述的振動(dòng)點(diǎn)在傳感光纖上的位置為：Z = ，其中：C '為光在光纖中的傳播速度，ts 為數(shù)據(jù)采集卡的采樣率，ko為振動(dòng)點(diǎn)對應(yīng)的索引值； 所述的振動(dòng)點(diǎn)的振動(dòng)波形為差分相位曲線中振動(dòng)點(diǎn)處的差分相位組成的新序列。
【文檔編號】G01H9/00GK106092305SQ201610719172
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月25日
【發(fā)明人】何祖源, 劉慶文, 陳典, 樊昕昱
【申請人】上海交通大學(xué)