CN101893475B - 一种基于光纤延时线的分布式光纤振动传感*** - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种基于光纤延时线的分布式光纤振动传感***，包括：光发射单元；光纤环形器、连接所述光发射单元及传感光纤；分束器、连接所述光纤环形器，用于将所述背向散射光分成第一背向散射光及第二背向散射光，并分别输出；光纤延时线、连接所述分束器的一个输出端，用于将所述第二背向散射光延时；光合波器、连接所述光纤延时线及所述分束器的另一个输出端，用于所述第一背向散射光及所述延时后的第二背向散射光合波；APD光接收模块、连接所述光合波器；AD采集器、连接所述光接收模块；处理分析及显示***、用于分析AD采集器采集后的电信号，得到所述传感光纤的振动位置。本发明的有益效果在于：定位精度高、干涉式测量技术灵敏度好。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别涉及一种基于光纤延时线的分布式光纤振动传感***。
背景技术
光纤传感器的概念不是新的，早在60年代中期就出现了第一个专利，它包括采用传光束的Fotonic机械位移传感器和采用相位调制的超声波传感器。但是，在更为广阔的领域，即光纤传感技术，取得系列研究却是在10年以后，从那时起光纤技术就突破了那种徘徊不前的状态，进入了一日千里的时代。
光纤传感器的基本原理是：由光源发出的光经过光纤进入调制区，在被测对象的作用下，光的强度、波长、频率、相位、偏振态等光学性质发生了变化，使它成为被调制了的信号，再经过光纤送入光探测器和电信号处理装置，最终获得待测对象的信息。
目前，分布式光纤传感技术是光传感技术领域中最有应用前景的，其中带光纤延时线的分布式光纤振动传感器通过一次测量，既可获得光纤所经区域入侵扰动的完整信息。然而带光纤延时线的分布式光纤振动传感器的探测区域很大，测量光缆越长越好，一般大于50Km，防区空间分辨率10m，所以***的光接收动态范围很宽(大于50dB)，实时处理数据很庞大，对光电信号处理***要求极高，所以目前国内能做出性能稳定的分布式光纤振动传感器的厂商很少。由于以上原因，本公司作为国内最早、专业的光纤传感领域集研发、应用为一体的高科技公司，在了解到国家安全和国防建设对高新技术的迫切需求后，研究及消化吸收国内外最新技术，开发出一套带光纤延时线的分布式光纤振动传感器，填补了国内空白。
发明内容
本发明的所要解决的技术方案是提供一种基于光纤延时线的分布式光纤振动传感***，以解决现有技术的不足。
为解决上述技术方案，本发明提供一种基于光纤延时线的分布式光纤振动传感***，包括：光发射单元、用于发射窄脉冲光；光纤环形器、连接所述光发射单元及传感光纤，用于将所述窄脉冲光输入所述传感光纤并接收在所述传感光纤内散射回来的背向散射光；分束器、连接所述光纤环形器，用于将所述背向散射光分成第一背向散射光及第二背向散射光，并分别输出；光纤延时线、连接所述分束器的一个输出端，用于将所述第二背向散射光延时；光合波器、连接所述光纤延时线及所述分束器的另一个输出端，用于所述第一背向散射光及所述延时后的第二背向散射光合波，形成干涉散射光信号；APD光接收模块、连接所述光合波器，用于将所述干涉散射光信号转换为电信号并放大；AD采集器、连接所述光接收模块，用于采集所述电信号，并进行模数转换及数据预处理；处理分析及显示***、用于分析AD采集器采集后的电信号，得到所述传感光纤的振动位置。
作为本发明的优选方案之一，所述光发射单元包括用于输出窄线宽连续光的窄线宽光纤激光器、连接所述窄线宽光纤激光器并将所述窄线宽连续光调制成窄脉冲光的电光调制器、连接所述电光调制器并为所述电光调制器提供PD反馈偏压控制信号及RF驱动脉冲信号的RF窄脉冲偏置驱动模块、及连接所述光电调制器并放大所述窄脉冲光的光放大器EDFA。
作为本发明的优选方案之一，所述RF窄脉冲偏置驱动模块具有同步信号输出端，并通过所述同步信号输出端连接所述AD采集器，以向所述AD采集器输出同步信号，控制其对所述电信号的采集。
作为本发明的优选方案之一，所述光放大器EDFA增益为30dB或以上。
作为本发明的优选方案之一，所述光纤延时线的延时时间T＝(l-L)/C，其中，l为连接所述分束器及所述光纤延时线的光纤、所述光纤延时线、及连接所述光纤延时线及所述光合波器的光纤的长度总和，L为连接所述分束器及所述光合波器的光纤的长度，C为光在光纤中的传播速度。
作为本发明的优选方案之一，所述APD光接收模块包括光电探测器、及连接所述光电探测器的前级放大电路；所述光电探测器连接所述光纤合波器的输出端，用于将所述干涉散射光信号转换为电信号，所述前级放大器用于将所述电信号放大。
作为本发明的优选方案之一，所述基于光纤延时线的分布式光纤振动传感***还包括APD高压温控模块，用于向所述APD光接收模块提供恒增益控制电压。
作为本发明的优选方案之一，所述APD光接收模块及所述AD采集器之间还连接有放大匹配电路。
作为本发明的优选方案之一，所述处理分析及显示***包括：连接所述AD采集器，并对所述AD采集器输出的数据进行进一步预处理的数据协处理***；连接所述数据协处理***，并通过分析其输出数据，获得所述传感光纤的振动位置信息的监测分析处理***；连接所述监测分析处理***，实现信息共享的主控器***；连接所述监测分析处理***，实时显示所述振动位置信息的显示***；连接所述监测分析处理***，以便对所述传感光缆的振动实施报警的报警***；连接所述监测分析处理***，用以存储所述振动位置信息的存储***。
作为本发明的优选方案之一，所述处理分析及显示***还包括用于提供电源的电源***。
本发明的有益效果在于：本发明针对以往多数光纤振动传感器设计的测量距离和防区空间分辨率不高等缺陷，提出了基于光时域反射技术和干涉测量技术的带光纤延时线的分布式光纤振动传感器的设计方法，该传感器结构通过利用光波在光纤中传输时产生的瑞利散射效应，采用光时域反射和干涉式测量方法，对目标区域内的振动事件进行测量，***具有ODTR技术定位精度高和干涉式测量技术灵敏度好的特点。
附图说明
图1为基于光纤延时线的分布式光纤振动传感***的结构示意图。
图2为光纤延时线的连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
请参阅图1，本发明提供的基于光纤延时线的分布式光纤振动传感***主要包括四个部分：发出窄脉冲光的光发射单元；获得含传感光纤振动信号并对其分束延时后合波形成干涉光的部分；将合波后的含传感光纤振动信号的干涉光放大的部分；及将光信号转换为电信号，并分析处理所述电信号以获得传感光纤振动位置信息的处理分析及显示***。
所述光反射单元包括顺次连接的窄线宽光纤激光器11、电光调制器12、光放大器EDFA13、及连接所述电光调制器12的RF窄脉冲偏置驱动模块14。
所述的窄线宽光纤激光器11是一种激光光源，用于输出窄线宽连续光。
所述的电光调制器12是一种高速电光转换器，电光调制器12包括光输入端、光输出端、PD背光监测接口端、偏置电压控制输入端与RF驱动输入端。光输入端连接窄线宽光纤激光器11，光输出端连接光放大器EDFA13。电光调制器12经RF窄脉冲偏置驱动模块14驱动将输入的连续光调制成所需的窄脉冲光输出。
所述的RF窄脉冲偏置驱动模块包括PD背光监测输入端、偏置电压控制输出端与RF驱动输出端，RF窄脉冲偏置驱动模块14的偏置电压控制输出端与电光调制器12的偏置电压控制输入端相连，RF窄脉冲偏置驱动模块14的RF驱动输出端与电光调制器12的RF驱动输入端相连，RF窄脉冲偏置驱动模块14为电光调制器12提供PD反馈偏压控制信号及RF驱动脉冲信号。
所述的光放大器EDFA13是一种光放大器件器，增益30dB。
光纤环形器22、分束器23、光纤延时线24及光合波器25构成获得含传感光纤振动信号并对其分束延时后合波形成干涉光的部分。
光放大器EDFA13的光输出端输入光纤环形器22的光入射端，光纤环形器22的的反馈端与传感光纤21相连，并将传感光纤21中的后向瑞利散射光经光纤环形器22的光输出端与分束器23输入端相连；瑞利散射光再经分束器23分离后得携带振动信号的第一背向散射光(也可称为第一瑞利散射光)和第二背向散射光(也可称为第二瑞利散射光)，第二瑞利散射光输入光纤延时线24进行延时，光纤延时线24的输出与第一瑞利散射光输入光合波器25合成，并在光合波器25中形成干涉散射光。
请参阅图2，光纤延时线的延时时间T＝(l-L)/C，其中，l为连接所述分束器及所述光纤延时线的光纤、所述光纤延时线、及连接所述光纤延时线及所述光合波器的光纤的长度总和，L为连接所述分束器及所述光合波器的光纤的长度，C为光在光纤中的传播速度。其中，光纤延时线X为一段长度较长的光纤。
请继续参阅图1，APD高压温控模块33、APD光接收模块34及放大匹配电路构成将合波后的含传感光纤振动信号的干涉光放大的部分。
从光合波器25合成出来的干涉散射光信号进入APD光接收模块34，将干涉散射光信号转换为电信号并进行前级放大，从而完成信号的光电探测工作；APD高压温控模块35，与所述APD光接收模块34相连，用以向APD光接收模块33提供的恒增益控制电压；放大匹配电路35连接APD光接收模块34的输出端，以便放大其输出的电信号，并使之与后续电路匹配。
所述处理分析及显示***包括AD采集卡44、数据协处理***45、监测分析处理***46、电源***47、主控器***48、显示***、声信号报警***、及存储***。
AD采集卡44，连接APD光接收模块33，AD采集卡44的主要组成部分包括AD前置放大器、AD转换器以及FPGA，用以将所述APD光接收模块33的输出信号进行模数转换，并完成以FPGA为核心的高速数据采集、信号预处理等功能。
其主要技术指标：
每通道采样速率：100MHz
位数：16位
功能：数字累加功能、滤波功能、抽点功能、运算处理功能。
且，AD采集卡44还连接RF窄脉冲驱动电路14的同步输出端7，在其输出的同步信号的控制下开始采集。所述同步信号是与RF窄脉冲偏置驱动模块14输出的光脉冲同步输出的电脉冲信号，触发模式可分为外同步模式。由于传感光纤21的长度很长，因此分为多个防区，并且，为了减小噪声的影响，需要分别对各个防区采集多组数据进行累加后得到平均波形，数据量巨大。因此，AD采集卡内合并了FPGA处理器，FPGA处理速度快，能够将大量的数据进行初步的分批处理，以便后续***进一步处理。
数据协处理***45，与AD采集卡44连接，进行进一步的数据预处理，以便后续***进一步处理。具体地说，数据协处理***45主要对FPGA预处理过的数据进行FFT转换，将原本的时域信息转换为频域信息，便于后续分析处理。
监测分析处理***46，与所述高速AD采集卡44相连，用以数据协处理***45的预处理结果进行信号处理、分析计算，获得对应点的振动位置信息。
主控器***48，与监测分析处理***46连接，实现信息共享；
显示***，连接所述监测分析处理***，实时显示所述振动位置信息；
报警***，连接所述监测分析处理***，以便对所述传感光缆的振动实施报警；
存储***，连接所述监测分析处理***，用以存储所述振动位置信息。
电源***47，用于对所述处理分析及显示***的其他模块供电。
综上所述，本发明根据后向散射光原理，由窄线宽光纤激光器11的输出接入电光调制器12输入，电光调制器12被RF窄脉冲驱动模块14驱动输出窄脉冲光，电光调制器12输出接入光放大器EDFA13输入，光放大器EDFA13输出所需大功率窄脉冲光，大功率窄脉冲光经光纤环形器注入到传感光纤21中，在传感光纤21中将产生后向散射光，包括瑞利散射光。瑞利散射光再经分束器23分离后得携带振动信号的第一瑞利散射光和第二瑞利散射光，第二瑞利散射光输入光纤延时线24进行延时，光纤延时线24的输出与第一瑞利散射光输入光合波器25合成，从光合波器25合成出来的瑞利散射光再进入APD光接收模块34的APD进行光电转换，再经前级放大，从而完成信号的光电探测工作；此时信号已由光信号转换成电信号，再分别进入放大匹配电路35对电信号进行后级放大，而后分别由高速同步信号采集器44进行模数转换，从而得到数字信号，再由数据协处理***45对数字信号进行信号预处理、分析计算，数据预处理结果通信输出到对应监测分析处理***46，便最终监测分析处理***46的分析得到整个防区的入侵振动信息，监测分析处理***46的分析数据结果输入主控器***48进行联动报警。因此，发出大功率窄线宽光脉冲后，对经过延时线后合成的后向瑞利散射光信号进行高速的多点采样，就可获得沿光纤轴向的振动场分布，实现分布式振动测量。
本发明的光学***与调制频率：光源中心波长1550nm，线宽小于500KHz，传感光纤21长度50km，光脉冲重复频率1k，光脉冲宽度100ns，双通道高速AD采集卡采样率100MHz，AD采样精度16位。***的最大测量距离达50Km，光纤直线布放空间分辨率为10m。温度信号在顶层处理，可在现场通过桌面进行报警阈值的测试和设定。
本实施例所述***采用后向散射探测方法，由电光调制器12产生很窄的光脉冲，即光探测脉冲。光探测脉冲的宽度确定了带光纤延时线的分布式光纤振动传感器的空间分辨率，光探测器在某个时刻探测到的光能量是与光脉冲宽度对应的一段光纤的后向散射光能量的贡献总和，因此由光脉冲宽度就决定了一个空间分辨率。由于本发明的光脉冲宽度窄，因此分辨率高。
本发明针对以往多数光纤振动传感器设计的测量距离和防区空间分辨率不高等缺陷，提出了基于光时域反射技术和干涉测量技术的带光纤延时线的分布式光纤振动传感器的设计方法，该传感器结构通过利用光波在光纤中传输时产生的瑞利散射效应，采用光时域反射和干涉式测量方法，通过分析干涉光的时间相位的变化，对目标区域内的振动事件进行测量，***具有ODTR技术定位精度高和干涉式测量技术灵敏度好的特点。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。不脱离本发明精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种基于光纤延时线的分布式光纤振动传感***，包括：
光发射单元、用于发射窄脉冲光；
光纤环形器、连接所述光发射单元及传感光纤，用于将所述窄脉冲光输入所述传感光纤并接收在所述传感光纤内散射回来的背向散射光；
其特征在于，该***进一步包括分束器、连接所述光纤环形器，用于将所述背向散射光分成第一背向散射光及第二背向散射光，并分别输出；
光纤延时线、连接所述分束器的一个输出端，用于将所述第二背向散射光延时；
光合波器、连接所述光纤延时线及所述分束器的另一个输出端，用于所述第一背向散射光及所述延时后的第二背向散射光合波，形成干涉散射光信号；
APD光接收模块、连接所述光合波器，用于将所述干涉散射光信号转换为电信号并放大；
AD采集器、连接所述光接收模块，用于采集所述电信号，并进行模数转换及数据预处理；
处理分析及显示***、用于分析AD采集器采集后的电信号，得到所述传感光纤的振动位置。
2.如权利要求1所述的基于光纤延时线的分布式光纤振动传感***，其特征在于：所述光发射单元包括用于输出窄线宽连续光的窄线宽光纤激光器、连接所述窄线宽光纤激光器并将所述窄线宽连续光调制成窄脉冲光的电光调制器、连接所述电光调制器并为所述电光调制器提供PD反馈偏压控制信号及RF驱动脉冲信号的RF窄脉冲偏置驱动模块、及连接所述电光调制器并放大所述窄脉冲光的光放大器EDFA。
3.如权利要求2所述的基于光纤延时线的分布式光纤振动传感***，其特征在于：所述RF窄脉冲偏置驱动模块具有同步信号输出端，并通过所述同步信号输出端连接所述AD采集器，以向所述AD采集器输出同步信号，控制其对所述电信号的采集。
4.如权利要求2所述的基于光纤延时线的分布式光纤振动传感***，其特征在于：所述光放大器EDFA增益为30dB以上。
5.如权利要求1所述的基于光纤延时线的分布式光纤振动传感***，其特征在于：所述光纤延时线的延时时间T＝(l-L)/C，其中，l为连接所述分束器及所述光纤延时线的光纤、所述光纤延时线、及连接所述光纤延时线及所述光合波器的光纤的长度总和，L为连接所述分束器及所述光合波器的光纤的长度，C为光在光纤中的传播速度。
6.如权利要求1所述的基于光纤延时线的分布式光纤振动传感***，其特征在于：所述APD光接收模块包括光电探测器、及连接所述光电探测器的前级放大电路；所述光电探测器连接所述光合波器的输出端，用于将所述干涉散射光信号转换为电信号，所述前级放大电路用于将所述电信号放大。
7.如权利要求1所述的基于光纤延时线的分布式光纤振动传感***，其特征在于：还包括APD高压温控模块，用于向所述APD光接收模块提供恒增益控制电压。
8.如权利要求1所述的基于光纤延时线的分布式光纤振动传感***，其特征在于：所述APD光接收模块及所述AD采集器之间还连接有放大匹配电路。
9.如权利要求1所述的基于光纤延时线的分布式光纤振动传感***，其特征在于：所述处理分析及显示***包括：连接所述AD采集器，并对所述AD采集器输出的数据进行进一步预处理的数据协处理***；连接所述数据协处理***，并通过分析其输出数据，获得所述传感光纤的振动位置信息的监测分析处理***；连接所述监测分析处理***，实现信息共享的主控器***；连接所述监测分析处理***，实时显示所述振动位置信息的显示***；连接所述监测分析处理***，以便对所述传感光纤的振动实施报警的报警***；连接所述监测分析处理***，用以存储所述振动位置信息的存储***。
10.如权利要求1所述的基于光纤延时线的分布式光纤振动传感***，其特征在于：所述处理分析及显示***还包括用于提供电源的电源***。
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