CN102997945A - 光纤分布式扰动传感器的多点扰动定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤分布式扰动传感器的多点扰动定位方法，所述光纤分布式扰动传感器为基于双马赫-泽德干涉仪型光纤分布式扰动传感器，所述方法包括以下步骤：S1：分别通过双马赫-泽德干涉仪的两个干涉仪得到第一输出信号和第二输出信号；S2：分别对所述第一输出信号和第二输出信号进行预处理，得到所述第一输出信号和第二输出信号中的相位信息；S3：将经过所述预处理后的所述第一和第二输出信号进行时域互相关处理；S4：对经过所述时域互相关处理后的结果进行频域谱分析处理；提取多点扰动信号的位置信息。通过使用本发明的方法，使得可以采用结构简单、硬件成本低的光纤分布式扰动传感器实现多点扰动的定位。

Description

光纤分布式扰动传感器的多点扰动定位方法

技术领域

本发明涉及光纤扰动信号监测技术领域，尤其涉及一种光纤分布式扰动传感器的多点扰动定位方法。

背景技术

光纤分布式扰动传感器可以对传感光纤上任意一点处的扰动(时变信号)进行监测，得到扰动信号的时域波形，根据扰动事件性质进行判断，给出报警信息；同时给出扰动事件发生的空间位置信息。

根据不同的工作原理，光纤分布式传感器可以分为干涉仪型、光纤光栅型、光时域反射计型，光频域反射计型以及强度调制型等传感技术。其中，由于干涉仪型分布式传感器具有实现原理简单，灵敏度高，响应速度快，硬件成本低，适于长距离传感等优良特性，已经成为光纤分布式扰动传感器的主要技术方案。

目前，干涉仪型分布式光纤扰动传感器的理论方案主要包括单萨格奈克型、双马赫-泽德型、双萨格奈克型、萨格奈克+迈克尔逊型和萨格奈克+马赫-泽德型、双波长萨格奈克型、以及双调制频率萨格奈克型干涉仪等。其中，基于双马赫-泽德型光纤分布式传感器光路结构简单，硬件成本低，不存在信号频谱范围的限制，通过相关时延算法可以实现单点扰动的定位。但是现有技术中在多位置(多点)同时扰动的情况下，无法给出扰动位置的准确定位，降低了传感器的实用性能。并且除双波长萨格奈克型干涉仪外，现有技术中其它干涉仪型光纤分布式扰动传感器也难以实现多点同时扰动定位的问题。

基于双波长萨格奈克型干涉仪的光纤分布式扰动传感器的光路原理图如图1所示。一个宽带低相干光源被采用波分复用技术按波长分成两个光波带。光以不同的波长在两个不同的萨尼亚克干涉仪中传播。第一个干涉仪由光源A、光路B、光纤延时线圈光路C、传感光纤光路E、压电相位调制器光路F、光路H和探测器I组成的双向光路构成；第二个萨尼亚克干涉仪由光源A、光路B、压电相位调制器光路D、传感光纤光路E、光纤延时线圈光路G、光路H和探测器I组成的双向光路构成。每一个萨尼亚克干涉仪都以一个正弦应变信号(频率分别为f₁、f₂)产生一个相位偏置，而f₁、f₂是不一样的，应该满足|f₁-f₂|大于被测信号的扰动频率，也就是大于传感器的输出的基频宽度。由于相位偏置给不同的干涉仪提供了不同频率的幅值调制载波信号，所以两个干涉仪可以共用一个光探测器。通过调整***的工作点到正弦相位相应的高斜坡区域可以提高干涉仪的灵敏度。当萨尼亚克环上有扰动时，偏差调制的奇次谐波信号开始能被探测到。光电探测器接收到的信号经双有源零差解调技术分解出两个萨尼亚克干涉仪的输出信号。图2为双波长萨格奈克型干涉仪的光纤分布式扰动传感器解调电路的原理框图，其中clock为时钟，f₁、f₂、2f₁、2f₂分别为两个偏差调制频率和两倍的调制频率。信号进入两个锁定放大器中，分别解调出D(f₁)、D(f₂)、D(2f₁)、D(2f₂)可简单地处理出的与位置有关的结果。当***保持扰动引起的光相位调制小于0.1rad，输出结果就与扰动的变化率和幅值几乎没有关系了。

上述基于双波长萨格奈克干涉仪型的光纤分布式扰动传感器的缺点在于：

1)扰动信号解调与定位的前提是假设***受到小信号的作用(即扰动信号引起的相位差小于0.1rad)；2)扰动产生的相对相移是萨格奈克环上位置的函数，其中传感器在环中心位置的灵敏度接近于零；3)由于采用了波分复用器(WDM)等器件，增加了***的硬件成本和结构的复杂性；4)由于波分复用器的非理想型，使得存在一定量的光串行干扰，导致***输出结果的误差，从而提高了***的误警率并降低了***的定位精度。

上面的这些缺陷严重影响了传感器在实际监测应用中的可靠性，限制了该方案的实际实施。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提供一种光纤分布式扰动传感器的多点扰动定位方法，其基于结构简单、硬件成本低的光纤分布式扰动传感器实现了多点扰动的定位，并且不存在双波长萨格奈克型干涉仪固有的缺陷。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种光纤分布式扰动传感器的多点扰动定位方法，所述光纤分布式扰动传感器为基于双马赫-泽德干涉仪型光纤分布式扰动传感器，所述方法包括以下步骤：

S1：分别通过双马赫-泽德干涉仪的两个干涉仪得到第一输出信号和第二输出信号；

S2：分别对所述第一输出信号和第二输出信号进行预处理，得到所述第一输出信号和第二输出信号中的相位信息；

S3：将经过所述预处理后的所述第一和第二输出信号进行时域互相关处理；

S4：对经过所述时域互相关处理后的结果进行频域谱分析处理；提取多点扰动信号的位置信息。

优选地，步骤S2所述的预处理包括：

S21：分别对所述第一输出信号和第二输出信号进行隔直处理，滤除直流项和低频干扰项；

S22：分别求取经隔直处理后的所述第一和第二输出信号的光强与可见度信息，以消除第一和第二输出信号可见度的变化、以及得到所述第一和第二输出信号的光强与可见度信息；

S23：分别提取经步骤S22处理后的所述第一和第二输出信号的相位信息，并滤除相位缓变的干扰信号。

优选地，所述步骤S21中的隔直处理通过直接在电路上加电容实现、或通过有源或无源的高通滤波方式实现。

优选地，所述步骤S22中通过分段求取峰峰值的方法来消除所述第一和第二输出信号可见度的变化、以及得到所述第一和第二输出信号的光强与可见度信息。

优选地，所述步骤S22中通过抗偏振衰落技术和光功率稳定控制技术消除所述第一和第二输出信号可见度的变化，并通过求取峰峰值得到所述第一和第二输出信号的光强信息。

优选地，所述步骤S23通过相位提取方法或PGC调制方法得到所述第一和第二输出信号的相位信息。

优选地，所述步骤S23通过高通滤波来滤除相位缓变的干扰信号。

优选地，所述步骤S2所述的预处理还包括在步骤S21和S22之间增加对所述第一和第二输出信号进行放大和滤波调理的步骤，用于抑制噪声和干扰。

(三)有益效果

1)本发明保留了目前最具优势也是应用最广泛的双马赫-泽德干涉仪的光路结构，具有光路结构简单，硬件成本低等优势；2)本发明通过对扰动信号的预处理消除了在定位计算过程中可能受到的光功率波动和信号偏振诱导衰落等因素引起的干涉信号可见度的变化，从而也间接消除了可见度变化引起的可能的传感器定位失效的问题；3)本发明通过对扰动信号的预处理也同时滤除了相位漂移信号，从而消除了相位缓变的影响；4)本发明通过对预处理后的信号进行时域相关和频域谱分析，提取出了不同扰动同时发生时各自的位置信息。实现多点扰动定位的手段仅作用于信号处理模块，可以通过软件实现，不改变光路结构，从而没有引入额外的光路误差和器件成本。

附图说明

图1为现有技术中基于双波长萨格奈克型干涉仪的光纤分布式扰动传感器的光路原理图；

图2为现有技术基于双波长萨格奈克型光纤分布式扰动传感器解调电路原理图；

图3为本发明基于双马赫-泽德干涉仪型光纤分布式扰动传感器的光路原理图；

图4为根据本发明多点扰动定位方法的流程图；

图5为根据本发明预处理过程的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明如下。

图3为本发明基于双马赫-泽德干涉仪型光纤分布式扰动传感器的光路原理图。如图3所示，激光器Laser发出的光波经由第一耦合器C₁分光：一路光波沿着逆时针方向传播，经过第一光纤L_c传输，经第三耦合器C₃分光后分别注入传感臂L_a和参考臂L_b，然后再在第二耦合器C₂处发生干涉，由第一光电探测器PD₁接收，构成了第一个干涉仪；另一路光波沿着顺时针方向传播，经过第二耦合器C₂分光后分别注入传感臂L_a和参考臂L_b，然后再在第三耦合器C₃处发生干涉，通过第二光纤L_d传输，由第二光电探测器PD₂接收，构成了第二个干涉仪。

在本实施例中忽略臂长差，因此设传感臂L_a、参考臂L_b、第一光纤L_c和第二光纤L_d的长度均为L。

本实施例记载一种基于上述双马赫-泽德干涉仪型光纤分布式扰动传感器的多点扰动定位方法。图4为本发明多点扰动定位方法的流程图，如图4所示，所述方法包括以下步骤：

S1：由双马赫-泽德干涉仪第一个干涉仪的第一光电探测器PD₁得到第一输出信号；同时由所述双马赫-泽德干涉仪第二个干涉仪的第二光电探测器PD₂得到第二输出信号；

以两点同时扰动为例。当两点扰动f₁(t)和f₂(t)同时发生时，光纤的长度和传播常数将发生变化，从而引起干涉仪中的相位变化。设两个扰动引起的相位变化分别为

和

其中

式中，L是干涉仪的臂长，β为传播常数，ΔL₁和ΔL₂是两臂的光纤长度变化，Δβ₁和Δβ₂是两臂的传播常数变化。根据光纤传感理论，输出相位信息的变化正比于扰动信号，有

式中，B是与扰动相位对应的比例因子。

因此所述第一探测器PD₁和第二探测器PD₂接收到并输出的两路信号分别为

式中，τ₁和τ₂分别是光从两个扰动点到第一探测器PD₁的传播时间，τ₃和τ₄分别是光从两个扰动点到第二探测器PD₂的传播时间。K₁和K₂是干涉仪的可见度，

是干涉仪的初相差，I₀取决于激光器输出的光功率。为了简化分析，忽略传感光纤和传导光纤的长度差，L₁和L₂分别是两个扰动距离第三耦合器C₃的距离，传播时间分别表示为：

${\mathrm{\τ}}_1=\frac{n(L-L_1)}{c}---\left(7\right)$

${\mathrm{\τ}}_2=\frac{n(L-L_2)}{c}---\left(8\right)$

${\mathrm{\τ}}_3=\frac{n(L+L_1)}{c}---\left(9\right)$

${\mathrm{\τ}}_4=\frac{n(L+L_2)}{c}---\left(10\right)$

S2：分别对所述第一输出信号和第二输出信号进行预处理，得到所述第一输出信号和第二输出信号中的相位信息；

步骤S2所述的预处理包括：

S21：分别对所述第一输出信号和第二输出信号进行隔直处理，滤除直流项和低频干扰项；所述步骤S21中的隔直处理通过直接在电路上加电容实现、或通过有源或无源的高通滤波方式实现；

S22：分别求取经隔直处理后的所述第一和第二输出信号的光强与可见度信息，以消除第一和第二输出信号可见度的变化、以及得到所述第一和第二输出信号的光强与可见度信息；

干涉信号一般具有余弦函数形式，可以通过求取信号峰峰值的方式来求取可见度信息，但是由于偏振衰落等因素的影响，不同时间段的可见度会发生变化，因此在本实施例中通过对时间进行分段求取峰峰值的方法来消除所述第一和第二输出信号可见度的变化、以及得到所述第一和第二输出信号的光强信息，目的是减小或消除可见度的影响，更好地实现求取光强与可见度信息，减小误差；经过步骤S22处理后的第一和第二输出信号为：

除了上述分段求取峰峰值的方法以外，本实施例还可以采用抗偏振衰落技术和光功率稳定控制技术消除所述第一和第二输出信号可见度的变化，并通过求取峰峰值得到所述第一和第二输出信号的光强与可见度信息；

S23：分别提取经步骤S22处理后的所述第一和第二输出信号的相位信息，并滤除相位缓变的干扰信号。

本实施例中通过对式(11)和(12)进行余弦函数相位提取算法来获得I₁′(t)和I₂′(t)的相位信息，得到：

其中，

是相位缓变的干扰信号，本实施例中通过高通滤波来将其滤除，使得式(13)和(14)变为：

本实施例中余弦函数相位提取算法提取出三角函数内的相位信息的目的是为后面的信号定位提供基础性准备，而通过其它相位解缠算法或类似的相位信息提取算法，如PGC调制(包括PGC内调制和PGC外调制)，也可以提取出三角函数内的相位信息。

在其它实施例中，在步骤S21和S22之间还可以增加对所述第一和第二输出信号进行放大和滤波调理的步骤，用于抑制噪声和干扰。

S3：将经过所述预处理后的所述第一和第二输出信号进行时域互相关处理；

一般地，假设两个扰动信号f₁(t)和f₂(t)分别为

式中A_i，A′_j，ω_i，ω′_j，

和

分别表示两个扰动的幅值、角频率和初相位，N和M分别是两个扰动的频率成分分量的数量。

根据式(3)和(4)，可得

式中，B_i和B_j′分别表示两个扰动引起相位差的幅值。

把式(19)和(20)分别代入式(15)和(16)，可得

根据式(21)和(22)推导得出：

(23)

对I₃(t)和I₄(t)做互相关运算，可得

(24)

式(24)中，B_k″，ω_k″和

分别表示两个扰动中相同频率成分分量的幅值、角频率和初相位，P是相同频率成分的数量。在式(24)中，相同频率成分分量可以表示为：

其中，

$C\left(k\right)=\frac{B_k^2}{{2\mathrm{\ω}}_k}\cos \left(\frac{{2\mathrm{\ω}}_k{\mathrm{nL}}_1}{c}\right)+\frac{{B_k}^{\′2}}{{2\mathrm{\ω}}_k}\cos \left(\frac{{2\mathrm{\ω}}_k^{\′}{\mathrm{nL}}_2}{c}\right)---\left(26\right)$

$D\left(k\right)=\frac{B_k^2}{{2\mathrm{\ω}}_k}\sin \left(\frac{{2\mathrm{\ω}}_k{\mathrm{nL}}_1}{c}\right)+\frac{{B_k}^{\′2}}{{2\mathrm{\ω}}_k}\sin \left(\frac{{2\mathrm{\ω}}_k^{\′}{\mathrm{nL}}_2}{c}\right)---\left(27\right)$

$\tan \left[\mathrm{\φ}\left(k\right)\right]=\frac{D\left(k\right)}{C\left(k\right)}---\left(28\right)$

S4：对经过所述时域互相关处理后的结果进行频域谱分析处理，提取多点扰动信号的位置信息；即以τ为变量对式(24)进行相位谱分析，可以提取出两个扰动的位置L₁和L₂。将两点扰动的定位算法推广到三点和三点以上的扰动，可以实现基于双马赫-泽德干涉仪的光纤分布式扰动传感器多点同时扰动的检测和定位。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种光纤分布式扰动传感器的多点扰动定位方法，其特征在于，所述光纤分布式扰动传感器为基于双马赫-泽德干涉仪型光纤分布式扰动传感器，所述方法包括以下步骤：

S1：分别通过双马赫-泽德干涉仪的两个干涉仪得到第一输出信号和第二输出信号；

S2：分别对所述第一输出信号和第二输出信号进行预处理，得到所述第一输出信号和第二输出信号中的相位信息；

S3：将经过所述预处理后的所述第一和第二输出信号进行时域互相关处理；

S4：对经过所述时域互相关处理后的结果进行频域谱分析处理；提取多点扰动信号的位置信息。

2.如权利要求1所述的光纤分布式扰动传感器的多点扰动定位方法，其特征在于，步骤S2所述的预处理包括：

S21：分别对所述第一输出信号和第二输出信号进行隔直处理，滤除直流项和低频干扰项；

S22：分别求取经隔直处理后的所述第一和第二输出信号的光强与可见度信息，以消除第一和第二输出信号可见度的变化、以及得到所述第一和第二输出信号的光强与可见度信息；

S23：分别提取经步骤S22处理后的所述第一和第二输出信号的相位信息，并滤除相位缓变的干扰信号。

3.如权利要求2所述的光纤分布式扰动传感器的多点扰动定位方法，其特征在于，所述步骤S21中的隔直处理通过直接在电路上加电容实现、或通过有源或无源的高通滤波方式实现。

4.如权利要求2所述的光纤分布式扰动传感器的多点扰动定位方法，其特征在于，所述步骤S22中通过分段求取峰峰值的方法来消除所述第一和第二输出信号可见度的变化、以及得到所述第一和第二输出信号的光强与可见度信息。

5.如权利要求2所述的光纤分布式扰动传感器的多点扰动定位方法，其特征在于，所述步骤S22中通过抗偏振衰落技术和光功率稳定控制技术消除所述第一和第二输出信号可见度的变化，并通过求取峰峰值得到所述第一和第二输出信号的光强与可见度信息。

6.如权利要求2所述的光纤分布式扰动传感器的多点扰动定位方法，其特征在于，所述步骤S23通过相位提取方法或PGC调制方法得到所述第一和第二输出信号的相位信息。

7.如权利要求6所述的光纤分布式扰动传感器的多点扰动定位方法，其特征在于，所述步骤S23通过高通滤波来滤除相位缓变的干扰信号。

8.如权利要求2所述的光纤分布式扰动传感器的多点扰动定位方法，其特征在于，所述步骤S2所述的预处理还包括在步骤S21和S22之间增加对所述第一和第二输出信号进行放大和滤波调理的步骤，用于抑制噪声和干扰。

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