CN106197649A - 一种基于多芯光缆的光纤分布式管道振动信号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学工程、光纤光学和信号处理技术领域，具体涉及一种基于多芯光缆的光纤分布式管道振动信号检测方法，它采用如下的方法步骤：a)窄线宽激光器经高消光比的电光调制器发射脉冲光信号，光信号进入由多芯光缆构成传感装置的光缆中；b)接收经传感装置反射回来的光信号，微波信号源同步触发数据采集卡进行数据采集，采集后的数据进入信号处理装置进行进一步的信号处理；c)在处理采集信号装置中，进行信号处理以获取到光纤上不同位置受到管线上作用的振动和声波信号中所包含的时频域信息；它具有***信噪比高、灵敏度高、结构简单，在光纤分布式振动传感领域具有广泛的应用前景等优点。

Description

一种基于多芯光缆的光纤分布式管道振动信号检测方法

【技术领域】

本发明涉及光学工程、光纤光学和信号处理技术领域，具体涉及一种基于多芯光缆的光纤分布式管道振动信号检测方法。

【背景技术】

目前，在长距离管线受到的振动信号检测方面，传统的分布式传感***存在如下问题：

1)传统的分布式传感***由于其信噪比以及灵敏度有限，且管道上振动有效信号经过空气传递和介质吸收，单芯光纤探测得到的信号十分微弱，导致检测有效信号非常困难。

2)传统的干涉型分布式传感技术由于基于相位感测原理，该类技术普遍存在***信噪比以及灵敏度有限、定位距离短、需屏蔽光纤、数据处理复杂、偏振态衰落等问题，严重影响***的传感性能，使传感***定位精度较低。

3)传统的分布式传感***只能实现单一位置的测量定位并不能实现多点定位。在实际工程应用中，需要监测的距离可达到几千米甚至几十、上百千米，常会同时出现多点的入侵扰动，因此分布式光纤振动传感***能够测量和定位多点振动的分布式传感***是具有重要意义。

4)传统分布式传感***的检测信号受到很多噪声源的影响，而且是随机噪声或者是统计噪声。在一些需要高精确度、高灵敏度的应用场景下，传统分布式传感***的低信噪比会极大的降低该传感***的价值。

【发明内容】

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种结构简单，设计合理、使用方便的一种基于多芯光缆的光纤分布式管道振动信号检测方法，它通过采用传感光缆中多根光纤芯的信号累积，实现对相同或相邻位置处接收振动(声波)信号的叠加处理，在保持***方案硬件组成和***成本不增加的同时，极大提高了***信噪比，增强了在管道上振动关系检测中的灵敏度，以获取和增强管道上的振动相关时频域信息。

本发明所述的一种基于多芯光缆的光纤分布式管道振动信号检测方法，它采用如下的方法步骤：

a)窄线宽激光器经高消光比的电光调制器发射脉冲光信号，光信号进入由多芯光缆构成传感装置的光缆中；

b)接收经传感装置反射回来的光信号，光信号是每一根光纤芯在受到外界声波信号扰动的某个位置反射回来的后向瑞利散射光；微波信号源同步触发数据采集卡进行数据采集，采集后的数据进入信号处理装置进行进一步的信号处理；

c)在处理采集信号装置中，进行信号处理以获取到光纤上不同位置受到管线上作用的振动和声波信号中所包含的时频域信息。

进一步地，所述步骤a)中，从光源经高消光比的电光调制器发射光信号，脉冲光信号经过掺铒光纤放大器放大以及滤波器抑制噪声后进入由所述多芯光缆构成传感装置的光缆中。

进一步地，所述步骤b)中，从传感装置反射回来的光信号经运算放大器放大以及滤波器消除后向散射噪声后进入探测器，反射光信号是每一根光纤芯在受到外界声波信号扰动的某个位置反射回来的后向瑞利散射光。

进一步地，所述步骤b)中，数据采集卡采集探测器的输出电信号，并且由微波信号源同步触发采集，微波信号源由独立的软件控制。

进一步地，所述步骤c)中，采用FPGA开发板首先经过累加器对信号按照周期进行同步叠加，再通过滑窗积累器对叠加后的信号进行预处理，最后经过三阶累积量运算器进一步提高检测性能,通过处理采集信号以获取到光纤上不同位置受到管线上作用的振动和声波信号中所包含的时频域信息。

进一步地，所述步骤b)中，传感装置是由一根多芯光缆中的多根平行传感纤芯组成，多根平行光纤芯之间采用相邻纤芯首尾连接的方式，多根纤芯应在光缆骨架支撑下保持平行分布，纤芯数为2～8芯。

进一步地，所述窄线宽激光器为中心波长1550nm的窄线宽激光器。

采用上述结构后，本发明有益效果为：本发明所述的一种基于多芯光缆的光纤分布式管道振动信号检测方法，它通过采用传感光缆中多根光纤芯的信号累积，实现对相同或相邻位置处接收振动(声波)信号的叠加处理，在保持***方案硬件组成和***成本不增加的同时，极大提高了***信噪比，增强了在管道上振动关系检测中的灵敏度，以获取和增强管道上的振动相关时频域信息。具有***信噪比高、灵敏度高、结构简单，在光纤分布式振动传感领域具有广泛的应用前景等优点。

【附图说明】

此处所说明的附图是用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明的分布式声波传感***结构示意图；

图2是本发明的信号叠加过程示意图；

图3是本发明的等效多脉冲***示意图；

图4是本发明的信号叠加结果示意图；

图5是本发明的***硬件示意图；

图6本发明的信号处理过程示意图；

附图标记说明：

1、光发射接收模块；2、光纤芯；3、接入光缆；4、传感光缆；5、传感光纤；6、平行光纤芯连接处；7、长距离管线；8、声波信号；9、脉冲光信号。

【具体实施方式】

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示，本具体实施方式所述的一种基于多芯光缆的光纤分布式管道振动信号检测方法，它采用如下的方法步骤：

a)窄线宽激光器经高消光比的电光调制器发射脉冲光信号，光信号进入由多芯光缆构成传感装置的光缆中；

b)接收经传感装置反射回来的光信号，光信号是每一根光纤芯在受到外界声波信号扰动的某个位置反射回来的后向瑞利散射光；微波信号源同步触发数据采集卡进行数据采集，采集后的数据进入信号处理装置进行进一步的信号处理；

c)在处理采集信号装置中，进行信号处理以获取到光纤上不同位置受到管线上作用的振动和声波信号中所包含的时频域信息。

所述步骤a)中，从光源经高消光比的电光调制器发射光信号，脉冲光信号经过掺铒光纤放大器放大以及滤波器抑制噪声后进入由所述多芯光缆构成传感装置的光缆中。

所述步骤b)中，从传感装置反射回来的光信号经运算放大器放大以及滤波器消除后向散射噪声后进入探测器，反射光信号是每一根光纤芯在受到外界声波信号扰动的某个位置反射回来的后向瑞利散射光。

所述步骤b)中，数据采集卡采集探测器的输出电信号，并且由微波信号源同步触发采集，微波信号源由独立的软件控制。

所述步骤c)中，采用FPGA开发板首先经过累加器对信号按照周期进行同步叠加，再通过滑窗积累器对叠加后的信号进行预处理，最后经过三阶累积量运算器进一步提高检测性能,通过处理采集信号以获取到光纤上不同位置受到管线上作用的振动和声波信号中所包含的时频域信息。

所述步骤b)中，传感装置是由一根多芯光缆中的多根平行传感纤芯组成，多根平行光纤芯之间采用相邻纤芯首尾连接的方式，多根纤芯应在光缆骨架支撑下保持平行分布，纤芯数为2～8芯。

所述窄线宽激光器为中心波长1550nm的窄线宽激光器。

本发明中，如图1、图2、图3所示，本发明的分布式声波传感***主要由光发射接收模块1和传感光缆4组成。光发射接收模块1是由光源和光接收机组成。光缆部分由接入光缆3和传感光缆4组成。接入光缆3可以是任何一种能够将光脉冲从光源传输到传感光缆中去的光缆。传感光缆4是由多根平行光纤芯2组成，平行光纤芯连接处6采用平行光纤芯2首尾相连结构连接。在传感光缆4末端，将传感光缆4用一根长度为600米的接入光缆3连接至光发射接收模块1。光源和光接收机分别用来发射光脉冲到光缆中和探测从光缆多个位置反射回来的后向散射光。

如图1、图4所示，本发明的光缆被放置在靠近发射声波信号8的噪声源的位置，声波信号8传播至光缆时会导致传感装置的形变。形变会暂时的改变光缆的后向散射光的性质。因为光缆的突然形变，光接收机会探测出后向散射光性质的改变，以及随着光信号和后向散射光沿着光缆的传输，形变的位置也将被探测到。特别地，通过识别和接收来自某段光纤的后向散射光信号，可以检测出此段光纤的声波(振动)信息。在本发明中，多根光纤的相同或相邻位置都会被同时执行检测，每段光纤都包含了振动位置的相关时频域信息。

传感装置是由一根多芯光缆中的多根平行传感纤芯组成，多根平行光纤芯之间采用相邻纤芯首尾连接的方式，多根纤芯应在光缆骨架支撑下保持平行分布，纤芯数为2～8芯。

如图2所示，图2中的虚线框就是一个典型的形变位置，而被虚线框圈住的就是典型的多根平行光纤结构。振动位置对应的每段光纤反射的瑞利散射光信号经传感光纤全部汇聚在光接收机中。

如图1、图5和图6所示，从中心波长1550nm的窄线宽光源输出连续光，经高消光比的电光调制器调制为脉冲光信号9，电光调制器由微波信号源驱动(TTL信号)，重复频率为1kHz，脉宽为200ns(占空比为0.02％)，对应了20m的空间分辨率。脉冲光信号9经过掺铒光纤放大器放大以及滤波器抑制噪声后通过环形器的1端口耦合进由多芯光缆构成传感装置的光缆中。从传感装置反射回来的光信号经环形器3端口耦合进运算放大器放大，并由滤波器滤除掉运算放大器放大产生的噪声和没有消耗完的泵浦光在传感光纤中产生的散射光后，送入具有增益可调和滤波功能的探测器。数据采集卡采集探测器的输出电信号，并送入信号处理装置中进行数据处理。数据采集卡也由微波信号源同步触发采集，微波信号源由独立的软件控制。在信号处理装置中，由于光接收机接收到各个时刻反射回来的瑞利散射光信号的信噪比为12dB，采用FPGA开发板首先经过累加器对信号按照周期进行同步叠加，利用信号的相关性和噪声的不相关特性，信噪比提高将近5dB，有效增强信号强度和抑制噪声，提高***信噪比；再通过滑窗积累器对叠加后的信号进行预处理，去除了部分带外噪声，信噪比提高13dB，进一步提升***信噪比；最后经过三阶累积量运算器，大部分带内噪声被滤除，信号明显突出，信噪比又提高2dB，***信噪比显著提升。通过处理采集信号，从而获取到整个传感装置上在某个位置受到管线上作用的振动和声波信号8中所包含的时频域信息。

通过隔离在光发射接收模块接收到的后向散射光，均能将属于每一段光纤的后向散射光信号分离出来以及进行进一步的处理。利用现有技术，在处理器中处理接收到的数据，以及通过接收到的叠加信号，可以提取出声波信号8方向和大小的相关信息。因为消除了噪声，接收到的叠加信号体现了本发明相对于不使用信号叠加的分布式传感***在信噪比上的提升。已经发现，依赖瑞利散射效应的分布式声波传感***产生的噪声类似于随机噪声，它可以利用叠加技术来消除。通过处理分布式声波传感***的统计噪声，本发明将以更高信噪比来分析管道受到的振动有效信号。

光缆的总长可以是从数米到数十千米，光源至离光源最远的光缆的距离可以是从数米到数十千米。光缆2是被用来传感外界振动源(声源)的振动(声波)信号，它携带了管道受到的振动有效信号的相关信息。通过分析处理接收到的管道上的振动有效信号，本发明可以对管线损坏、断裂的位置进行快速检测和精确定位。

本发明中，当携带长距离管线7上的振动相关时频域信息的振动和声波信号8传播至光缆某位置时，会引起此位置对应多根光纤段的瑞利散射光的相位变化，通过干涉作用就会表现出瑞利散射光的光强变化，在探测器接收每根光纤反射回来的瑞利散射光信号，使用FPGA开发板首先采用把脉冲信号按照周期进行同步累积的信号累加器对信号进行叠加，再通过滑窗积累器对叠加后的信号进行预处理，最后采用三阶累积量运算器进一步提高检测性能；通过以上一系列的信号处理方法大大提高了***信噪比和管道上振动关系检测中的灵敏度，以获取更多管道上振动的相关信息，从而实现对管线结构损坏、断裂点的快速检测和精确定位。

本检测方法用于包含长距离管线7受到的振动和声波信号8中获取和增强管道振动相关时频域信息。

本发明所述的一种基于多芯光缆的光纤分布式管道振动信号检测方法，它通过采用传感光缆中多根光纤芯的信号累积，实现对相同或相邻位置处接收振动(声波)信号的叠加处理，在保持***方案硬件组成和***成本不增加的同时，极大提高了***信噪比，增强了在管道上振动关系检测中的灵敏度，以获取和增强管道上的振动相关时频域信息，具有***信噪比高、灵敏度高、结构简单，在光纤分布式振动传感领域具有广泛的应用前景等优点。

以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (7)

1.一种基于多芯光缆的光纤分布式管道振动信号检测方法，其特征在于：它采用如下的方法步骤：

a)窄线宽激光器经高消光比的电光调制器发射脉冲光信号，光信号进入由多芯光缆构成传感装置的光缆中；

b)接收经传感装置反射回来的光信号，光信号是每一根光纤芯在受到外界声波信号扰动的某个位置反射回来的后向瑞利散射光；微波信号源同步触发数据采集卡进行数据采集，采集后的数据进入信号处理装置进行进一步的信号处理；

c)在处理采集信号装置中，进行信号处理以获取到光纤上不同位置受到管线上作用的振动和声波信号中所包含的时频域信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于多芯光缆的光纤分布式管道振动信号检测方法，其特征在于：所述步骤a)中，从光源经高消光比的电光调制器发射光信号，脉冲光信号经过掺铒光纤放大器放大以及滤波器抑制噪声后进入由所述多芯光缆构成传感装置的光缆中。

3.根据权利要求1所述的一种基于多芯光缆的光纤分布式管道振动信号检测方法，其特征在于：所述步骤b)中，从传感装置反射回来的光信号经运算放大器放大以及滤波器消除后向散射噪声后进入探测器，反射光信号是每一根光纤芯在受到外界声波信号扰动的某个位置反射回来的后向瑞利散射光。

4.根据权利要求1所述的一种基于多芯光缆的光纤分布式管道振动信号检测方法，其特征在于：所述步骤b)中，数据采集卡采集探测器的输出电信号，并且由微波信号源同步触发采集，微波信号源由独立的软件控制。

5.根据权利要求1所述的一种基于多芯光缆的光纤分布式管道振动信号检测方法，其特征在于：所述步骤c)中，采用FPGA开发板首先经过累加器对信号按照周期进行同步叠加，再通过滑窗积累器对叠加后的信号进行预处理，最后经过三阶累积量运算器进一步提高检测性能,通过处理采集信号以获取到光纤上不同位置受到管线上作用的振动和声波信号中所包含的时频域信息。

6.根据权利要求1所述的一种基于多芯光缆的光纤分布式管道振动信号检测方法，其特征在于：所述步骤b)中，传感装置是由一根多芯光缆中的多根平行传感纤芯组成，多根平行光纤芯之间采用相邻纤芯首尾连接的方式，多根纤芯应在光缆骨架支撑下保持平行分布，纤芯数为2～8芯。

7.根据权利要求1所述的一种基于多芯光缆的光纤分布式管道振动信号检测方法，其特征在于：所述窄线宽激光器为中心波长1550nm的窄线宽激光器。