CN104568120B

CN104568120B - 一种复合原理光纤传感***和传感方法

Info

Publication number: CN104568120B
Application number: CN201510018333.1A
Authority: CN
Inventors: 封皓; 施羿; 王大伟; 曾周末; 靳世久
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin Precision Instrument And Precision Measurement Technology Co ltd
Priority date: 2015-01-14
Filing date: 2015-01-14
Publication date: 2017-11-28
Anticipated expiration: 2035-01-14
Also published as: CN104568120A

Abstract

本发明公开了一种复合原理光纤传感***和传感方法，激光光源产生连续光，经由耦合器分为本振光，两束探测光，一束探测光经由声光调制器后从传感光纤一端注入，另一探测光经由另一声光调制器转换为光脉冲，从传感光纤的另一端注入；在光电探测器前，本振光、正向探测光、背向散射光相干涉，产生拍频信号，光电探测器将拍频信号转换为电信号，电信号经过带通滤波电路滤除差频分量，再经由混频器实现拍频的降低，通过采集卡采集并放大信号，在上位机中，实现不同频率的调幅解调，分别得到正向探测信号和背向散射信号。对背向散射信号使用改进型移动平均算法和均峰比算法获取振动位置；对正向探测信号进行分析识别，判定振动种类，降低误报率。

Description

一种复合原理光纤传感***和传感方法

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种基于马赫-曾德干涉仪和相位型光时域反射仪原理的光纤传感***和传感方法。

背景技术

分布式光纤传感***由于其灵敏度高，不受电磁干扰，检测范围广，成本低等特点，广泛应用于长距离油气管道监测及周界安防，建筑结构健康监测等领域，是近数十年的研究热点。

Mach-Zehnder/Sagnac干涉仪分布光纤传感***，利用检测两传感光路中由外界扰动所造成的相位差变化，并通过相关时延估计的方法进行定位，能对振动进行良好的感知。但由于相关时延估计方法本身确定时延的难度性，使得该方法定位精度不高，对振动点的准确判断困难重重。

基于光时域反射仪(OTDR)技术的分布式光纤传感***利用光波在光纤中传输时发生的瑞丽散射现象，在背向检测瑞利散射光的强度来得到光纤的损耗变化并精确定位光纤故障点。由于这种技术是对瑞利散射光的强度进行测量，因此其测量灵敏度比较低且仅能响应静态损耗的变化。

基于相干瑞利散射的Φ-OTDR(相敏OTDR)技术，通过使用长相干光源，检测光脉冲返回光的相干结果，其干涉方法能有效实现动态响应，能同时实现高定位精度和高灵敏度检测，尤其是对于微弱扰动信号的检测。但是由于其发射脉冲的频率受到光纤长度的限制，其频率响应非常低，导致无法对振动事件进行有效的识别，误报率高。

发明内容

本发明提供了一种复合原理光纤传感***和传感方法，本发明成功结合了Mach-Zehnder干涉仪和相敏OTDR技术，使其同时拥有高定位精度和高频率响应，能够很好地对振动事件进行识别，有效降低误报率，详见下文描述：

一种复合原理光纤传感***，由激光光源、FPGA、EDFA及其滤波器、声光调制器、光纤环形器、耦合器、光电探测器、带通滤波电路、混频器、上位机和传感光纤构成，

激光光源产生连续光，经由耦合器分为3部分，一部分为本振光，另两部分为探测光，一束探测光经由声光调制器后从传感光纤一端注入，另一探测光经由另一声光调制器转换为光脉冲，从传感光纤的另一端注入；

在光电探测器前，本振光、正向探测光、背向散射光相干涉，产生拍频信号，光电探测器将拍频信号转换为电信号，电信号经过带通滤波电路滤除差频分量，再经由混频器实现拍频的降低，通过采集卡采集并放大信号，在上位机中，实现不同频率的调幅解调，分别得到正向探测信号和背向散射信号。

一种用于复合原理光纤传感***的传感方法，所述方法包括以下步骤：

对背向散射信号使用改进型移动平均算法和均峰比算法获取振动位置；

对正向探测信号进行分析识别，判定振动种类，降低误报率。

所述对背向散射信号使用改进型移动平均算法和均峰比算法获取振动位置的步骤具体为：

选取K条迹线、平均次数M和间隔参数n，对第1条到第M条进行平均、第n条到第M-n+1条进行平均……共得T＝int((K-M)/n)+1条平均曲线；

抽取时域信号；分别计算各个时域信号的均峰比，通过均峰比获取振动位置。

所述计算各个时域信号的均峰比的步骤具体为：

均峰比计算为C_j＝max₁₀₀(|t_j|)/average(|t_j|)，其中max₁₀₀(|t_j|)表示取|t_j|最大100个值的平均值；average(|t_j|)为计算|t_j|的平均值，用以描述光强和噪声水平；将均峰比C_j作为对光纤上K条迹线时间内的综合评价。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本***拥有和相敏OTDR一样的定位精度，同时可以获得振动的高频细节，进而进行精确的振动类型识别，有效降低***的误报率。用时，***成功实现光源、传感光纤、探测器、信号调理等部分的复用，使得***结构相对简单，成本较低。本发明克服了现有***不能同时兼有高定位精度和高频率分别率的问题，并且本发明成功复用如光源、传感光纤、探测器、信号调理电路等部分，有效简化了***结构。该***同时具有分布式光纤监检测***所特有的分布式、受电磁等外界干扰小等特点，且安装方便，可以很好的满足各种振动检测和监测应用，尤其是长距离的管道监测与周界安防等。

附图说明

图1为一种复合原理光纤传感***的结构示意图；

图2(a)为振动信号时域波形示意图；

图2(b)为振动信号小波包分解结果示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、激光光源； 2、1：99耦合器；

3、第一1：1耦合器； 4、80MHz声光调制器；

5、110MHz声光调制器； 6、第一EDFA及其滤波器；

7、第二EDFA及其滤波器； 8、环形器；

9、传感光纤； 10、第二1：1耦合器；

11、第三EDFA及其滤波器； 12、光电探测器；

13、带通滤波电路； 14、信号发生器；

15、混频器机； 16、低通滤波电路；

17、信号采集调理模块； 18、上位机；

19、FPGA。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

一种复合原理光纤传感***，参见图1，该复合原理光纤传感***由：激光光源1、1：99耦合器2、第一1：1耦合器3、80MHz声光调制器4、110MHz声光调制器5、第一EDFA(掺铒光纤放大器)及其滤波器6、第二EDFA及其滤波器7、环形器8、传感光纤9、第二1：1耦合器10、第三EDFA及其滤波器11、光电探测器12、带通滤波电路13、信号发生器14、混频器15、低通滤波电路16、信号采集调理模块17、上位机18和FPGA19构成。

由激光光源1产生窄线宽的连续光，经由1：99耦合器2产生探测光和本振光。本振光直接到达第二1：1耦合器10。探测光经由第一1：1耦合器3分为两束探测光。第一束探测光经由110MHz声光调制器5获得100MHz频移，经第二EDFA极其滤波器7放大之后注入传感光纤9，经由环形器8到达第二1：1耦合器10。另一束探测光经由80MHz声光调制器4，获得80MHz频移并调制为脉宽数百纳秒的窄脉冲(其信号形式受到FPGA19控制)，经由第一EDFA极其滤波器6放大后，通过环形器8注入传感光纤9，其在传感光纤9中各个位置的反向散射光经由环形器8回到第二1：1耦合器10。在第二1：1耦合器10处，本振光、正向探测光、背向散射探测光相干涉形成拍频，其干涉结果被第三EDFA及其滤波器11放大并被光电探测器12转换为光电流，光电流经由带通滤波电路13滤除散粒噪声，信号发生器14发出90MHz正弦波，在混频器15处于光电流混频，之后经由低通滤波电路16消除电流中高频分量，后由信号采集调理模块17采集，送入上位机18中完成调幅解调、定位和报警信号分类，获得分布式传感器沿线的振动情况。

本***在需要检测振动的范围内铺设一条传感光纤9，利用传感光纤9作为传感器和信号传输介质，实现振动的检测和监测。激光光源1为超窄线宽光源，相干长度大于传感距离，输出连续光，并通过耦合器分为3个部分，一部分作为本振，直接到达光电探测器12，另两部分作为第一探测光和第二探测光。第一探测光经过110MHz声光调制器5调制，光波获得一个频移f₁(可选取110MHz)，仍为连续光波，经过EDFA放大，并滤除EDFA自发幅值后，注入传感光纤9，通过传感光纤9，经过环形器到8达光电探测器12，此时光波携带了传感光纤9沿线丰富的频率信息。第二探测光经由80MHz声光调制器4调制，光波获得另一个频移f₂(可选取80MHz)，同时被调制为窄脉冲，经过另一个EDFA放大，并滤除EDFA自发幅值后，经由环形器8从传感光纤9的另一端注入，其反向散射光通过环形器8后到达光电探测器12，此时光波携带了精确的振动定位信息。在光电探测器12前的第二1：1耦合器10处，本振光、第一探测光以及第二探测光的背向散射光发射干涉，形成频率为f₁,f₂,f₁-f₂的拍频信号，并用高速光电探测器探测，转化为相应的电信号。通过调节EDFA的放大倍数，可是使得到达光电探测器12的3束光光强相近。光电探测器12的电信号先通过带通滤波电路13，去除***的高频噪声以及低频干扰，通过混频器15将带通滤波结果和预设的正弦波混频(其频率为f₂＜f₀＜f₁，可设为90MHz)，混频后，拍波频率将降至数十兆赫兹，即f₁-f₀,f₀-f₂,f₀-(f₁-f₂)，通过低通滤波电路16，将干扰拍f₀-(f₁-f₂)去除，之后放大调理信号，经由采集卡以100MHz的速率采集。在上位机中，对频率在|f_i-f₀|(i＝1,2)的拍信号进行调幅解调，将分别解调出背向散射信号S₂以及正向的探测信号S₁，根据80MHz声光调制器4的调制信号的重复频率，将S₂按时间顺序截断为多条散射迹线r＝{r₁,r₂,r₃,…,r_i,…,r_k}

为了实现振动事件的定位，使用改进型移动平均算法降低信号噪声，使用均峰比法消除光纤沿线衰减的影响并快速准确定位振动发生位置，该光纤传感方法具体包括以下过程：

101：选取K条迹线r＝{r₁,r₂,r₃,…,r_i,…,r_k}，选取平均次数M(推荐M>50)，间隔参数n(推荐n＝5)，对K条迹线采用：第1条到第M条进行平均、第n条到第M-n+1条进行平均……共得T＝int((K-M)/n)+1条平均曲线，即：

其中，R_i为第i条移动平均所得曲线，int()为向下取整运算。

102：抽取时域信号t_j＝{x_ij}，其中x_ij为R_i的第j个值。这里j表征空域，对应位置信息；

103：分别计算各个时域信号的均峰比。

其中，均峰比计算为C_j＝max₁₀₀(|t_j|)/average(|t_j|)，其中max₁₀₀(|t_j|)表示取|t_j|最大100个值的平均值，以消除偶然的毛刺影响，average(|t_j|)为计算|t_j|的平均值，用以描述光强和噪声水平。将均峰比C_j作为对光纤上K条迹线时间内的综合评价，参见图2(a)该值越大表明振动越强烈，通过公式A＝(j·c)/(2n_cf_s)可确定振动位置。其中c为光速，n_c为光纤折射率，f_s为采集卡采样率。

为了降低***的误报率，在定位振动后，还需对振动细节进行分析识别，判定振动种类。当均峰比C_j显示有振动产生时，提取K条迹线对应时间内的前向探测信号S₁。由于正向探测信号S₁为连续光探测，其频率分辨率为fs/2＝50MHz。在得到振动细节信息后可有多种方法对信号进行分类(例如：经验模态分解法、多尺度混沌法、小波包能量法等)，这里仅以小波包能量法举例说明。具体包括以下过程：

1)由于管道沿线振动频率通常在20KHz以下，信号频率对信号S₁进行降采样，将采样率降低到40KHz。之后进行4层小波包分解，可得到16个小波包分量，选取前8个分量，如图2(b)所示，作为BP神经网络的输入特征向量；

2)在应用前，先将事先采集的事件信号作为训练和验证集，对BP网络进行训练和验证；

3)使用训练好的神经网络即可实现常见事件的判别。

例如：针对管道应用的人工挖掘、机械挖掘等。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种复合原理光纤传感***，包括：激光光源、FPGA、EDFA及其滤波器、声光调制器、光纤环形器、第一1：1耦合器、第二1：1耦合器、光电探测器、带通滤波电路、混频器、上位机和传感光纤，其特征在于，

激光光源为超窄线宽光源，相干长度大于传感距离，输出连续光，并通过第一1：1耦合器分为3个部分，一部分作为本振光，直接到达光电探测器，另两部分作为第一探测光和第二探测光，第一探测光经过110MHz声光调制器调制，光波获得一个频移f₁，仍为连续光波，经过EDFA放大，并滤除EDFA自发幅值后，注入传感光纤，通过传感光纤，经过光纤环形器到达光电探测器，此时光波携带了传感光纤沿线丰富的频率信息；

第二探测光经由80MHz声光调制器调制，光波获得另一个频移f₂，同时被调制为窄脉冲，经过另一个EDFA放大，并滤除EDFA自发幅值后，经由光纤环形器从传感光纤的另一端注入，其背向散射光通过光纤环形器后到达光电探测器，此时光波携带了精确的振动定位信息；

在光电探测器前的第二1：1耦合器处，本振光、第一探测光以及第二探测光的背向散射光发射干涉，形成频率为f₁,f₂,f₁-f₂的拍频信号，并用光电探测器探测，转化为相应的电信号；通过调节EDFA的放大倍数，使得到达光电探测器的3束光光强相近；

光电探测器的电信号先通过带通滤波电路，去除***的高频噪声以及低频干扰，通过混频器将带通滤波结果和预设的正弦波混频，混频后，拍波频率将降至数十兆赫兹，即f₁-f₀,f₀-f₂,f₀-(f₁-f₂)，通过低通滤波电路，将干扰拍f₀-(f₁-f₂)去除，之后放大调理信号，经由采集卡以100MHz的速率采集；

在上位机中，对频率在|f_i-f₀|,i＝1,2的拍信号进行调幅解调，将分别解调出背向散射信号S₂以及正向的探测信号S₁，根据80MHz声光调制器的调制信号的重复频率，将S₂按时间顺序截断为多条散射迹线r。

2.一种用于权利要求1所述的复合原理光纤传感***的传感方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的传感方法，其特征在于，所述对背向散射信号使用改进型移动平均算法和均峰比算法获取振动位置的步骤具体为：

选取K条迹线、平均次数M和间隔参数n，对第1条到第M条进行平均、第n条到第M-n+1条进行平均，共得T＝int((K-M)/n)+1条平均曲线；

4.根据权利要求2所述的传感方法，其特征在于，所述计算各个时域信号的均峰比的步骤具体为：

均峰比计算为C_j＝max₁₀₀(|t_j|)/average(|t_j|)，其中max₁₀₀(|t_j|)表示取|t_j|最大100个值的平均值；average(|t_j|)为计算|t_j|的平均值，用以描述光强和噪声水平；将均峰比C_j作为对光纤上K条迹线时间内的综合评价；t_j为抽取时域信号。