CN107436175B - 具有宽频感测能力的连续分布式光纤振动传感装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有宽频感测能力的连续分布式光纤振动传感装置，包括脉冲发生器、第一激光器、第二激光器、脉冲调制器、掺铒光纤放大器、第一波分复用器、光环行器、探测光纤、第二波分复用器、第一光电探测器、第二光电探测器和信号采集卡。本发明还公开了一种具有宽频感测能力的连续分布式光纤振动传感装置的探测方法，本发明通过对连续光和脉冲光产生的后向瑞利散射光解调，实现对振动的宽频感测以及事件定位。

Description

具有宽频感测能力的连续分布式光纤振动传感装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是一种具有宽频感测能力的连续分布式光纤振动传感装置及方法。

背景技术

随着国民经济的发展，我国已进入大型基础设施的大规模建设阶段，其中主要包括地下传输***（如给排水管道、燃气管道、煤炭传输***），轨道交通***（如高铁轨道、地铁轨道、轻轨轨道）和大型土木建设（如大型桥梁）等，因此在实际应用中需要对这些超长距离、大规模基础设施的结构健康状态进行监测，开发研制可靠的大型基础设施的监测***已成为现今研究的热点。

而对这些大型基础设施的健康监测，不仅要求监测***能够及时发现故障、快速而精确的定位事故发生地，并且需要能够根据故障特征识别故障类型。这些大型基础设施的故障通常表现为振动事件，很多应用场合的故障频率高达十几兆赫兹，比如大型建筑中材料的突然断裂、管道壁裂缝等，这就需要监测***具有较宽的探测频率范围。

目前，Φ-OTDR是已报道的基于光时域反射计技术的分布式振动传感***中应用最广泛的振动监测***，但其频率响应范围受到监测距离的限制，存在频谱折叠现象，无法准确探测高频事件；而基于干涉原理的光纤分布式振动传感***虽然具有可探测频率范围宽的优势，但是很难实现振动定位，且干涉仪结构无法做到单端监测，这给实际工程应用带来很多不便。因此，已有研究团队针对以上应用需求，提出将Φ-OTDR与干涉仪结构相结合，用以实现对振动的位置以及频率的同时感测，南京大学的Yixin Zhang、Lan Xia等在《Ahybrid single-end-access MZI and Φ-OTDR vibration sensing system with highfrequency response》中使用MZI和Φ-OTDR的融合***实现振动事件的宽频感测，且同时得到振动事件的位置信息。融合***中利用干涉仪结构实现宽频振动感测，但是这个结构需要在光纤末端连接一个反射镜，将连续光反射回前端发生干涉效应，这在安装和损坏后修复复杂过程复杂，对操作人员要求高，难以在工程上推广应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种具有宽频感测能力的连续分布式光纤振动传感装置及方法，可以同时实现高空间分辨率以及宽频振动测量；并且可以根据振动信号本身固有的频率特征来识别事件类型，提高振动事件的识别率。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种具有宽频感测能力的连续分布式光纤振动传感装置，包括脉冲发生器、第一激光器、第二激光器、脉冲调制器、掺铒光纤放大器、第一波分复用器、光环行器、探测光纤、第二波分复用器、第一光电探测器、第二光电探测器和信号采集卡；其中，

脉冲发生器，用于产生调制脉冲、触发脉冲；调制脉冲输入至脉冲调制器，触发脉冲输入至信号采集卡；

第一激光器，用于产生第一连续模式窄线宽激光，并将其输出至第一波分复用器；

第二激光器，用于产生第二连续模式窄线宽激光，并将其输出至脉冲调制器；

脉冲调制器，用于根据接收的调制脉冲，将第二连续模式窄线宽激光转换为脉冲光输出至掺铒光纤放大器；

掺铒光纤放大器，用于将脉冲光放大后输出至第一波分复用器；

第一波分复用器，用于将第一连续模式窄线宽激光和放大后的脉冲光通过两个不同通道进行复用，输出探测光至光环行器；

光环形器，用于将探测光由其第1端口输入，并由其第2端口注入至探测光纤；

探测光纤，用于将产生的背向瑞利散射光输出至光环形器的第2端口，并由光环形器的第3端口输出至第二波分复用器；

第二波分复用器，用于将具有不同波长的背向瑞利散射光通过解复用由两个通道分别输出至第一光电探测器、第二光电探测器；

第一光电探测器，用于将接收到的光转换成第一电信号后输出至信号采集卡；

第二光电探测器，用于将接收到的光转换成第二电信号后输出至信号采集卡；

信号采集卡，用于根据触发脉冲，将第一电信号、第二电信号分别转换为数字信号进行后续处理。

作为本发明所述的一种具有宽频感测能力的连续分布式光纤振动传感装置进一步优化方案，所述调制脉冲和触发脉冲的周期均与脉冲光的周期同步。

作为本发明所述的一种具有宽频感测能力的连续分布式光纤振动传感装置进一步优化方案，所述第一激光器和第二激光器的波长不同。

作为本发明所述的一种具有宽频感测能力的连续分布式光纤振动传感装置进一步优化方案，所述第一波分复用器和第二波分复用器选用的两个波长通道需与第一激光器和第二激光器的波长相匹配。

基于上述的一种具有宽频感测能力的连续分布式光纤振动传感装置的探测方法，包括以下步骤：

步骤一、采用第一激光器产生第一连续模式窄线宽激光；采用第二激光器产生第二连续模式窄线宽激光，将第二连续模式窄线宽激光转换为脉冲光并将其放大，放大后的脉冲光与第一激光器产生的连续模式窄线宽激光通过第一波分复用器复用后，输出探测光至探测光纤中；

步骤二、探测光在探测光纤中产生背向瑞利散射光；背向瑞利散射光用于探测振动的频率和位置；

步骤三、将背向瑞利散射光通过第二波分复用器分成两路，这两路分别由第一光电探测器、第二光电探测器进行探测，得到第一电信号和第二电信号；

步骤四、第一电信号经过快速傅里叶频谱变换之后，得到振动信号真实的频率信息；第二电信号经过滑动差分处理后得到振动信号的位置信息，以此实现对振动事件的宽频感测以及事件定位。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）实现对振动事件的宽频感测以及事件位置的定位；

（2）具有区分事件类型的功能。

附图说明

图1是本发明的***结构图。

图2是本发明装置及方法测得的高频振动事件的频谱响应。

图3a是普通Φ-OTDR测得锤子敲击事件的频谱图。

图3b是普通Φ-OTDR测得橡胶棒敲击事件的频谱图。

图3c是本发明装置及方法测得锤子敲击事件的频谱图。

图3d是本发明装置及方法测得橡胶棒敲击事件的频谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示是本发明的***结构图，包括脉冲发生器、第一激光器、第二激光器、脉冲调制器、掺铒光纤放大器、第一波分复用器、光环行器、探测光纤、第二波分复用器、第一光电探测器、第二光电探测器和信号采集卡；其中，

脉冲发生器，用于产生调制脉冲、触发脉冲；调制脉冲输入至脉冲调制器，触发脉冲输入至信号采集卡；

第一激光器，用于产生第一连续模式窄线宽激光，并将其输出至第一波分复用器；

第二激光器，用于产生第二连续模式窄线宽激光，并将其输出至脉冲调制器；

脉冲调制器，用于根据接收的调制脉冲，将第二连续模式窄线宽激光转换为脉冲光输出至掺铒光纤放大器；

掺铒光纤放大器，用于将脉冲光放大后输出至第一波分复用器；

第一波分复用器，用于将第一连续模式窄线宽激光和放大后的脉冲光通过两个不同通道进行复用，输出探测光至光环行器；

光环形器，用于将探测光由其第1端口输入，并由其第2端口注入至探测光纤；

探测光纤，用于将产生的背向瑞利散射光输出至光环形器的第2端口，并由光环形器的第3端口输出至第二波分复用器；

第二波分复用器，用于将具有不同波长的背向瑞利散射光通过解复用由两个通道分别输出至第一光电探测器、第二光电探测器；

第一光电探测器，用于将接收到的光转换成第一电信号后输出至信号采集卡；

第二光电探测器，用于将接收到的光转换成第二电信号后输出至信号采集卡；

信号采集卡，用于根据触发脉冲，将第一电信号、第二电信号分别转换为数字信号进行后续处理。

所述调制脉冲和触发脉冲的周期均与脉冲光的周期同步。

所述第一激光器和第二激光器的波长不同。

所述第一波分复用器和第二波分复用器选用的两个波长通道需与第一激光器和第二激光器的波长相匹配。

使用器件性能：第一激光器的型号为RIO激光器，该激光器波长为1561nm，线宽为3kHz，输出光功率为5dBm；第二激光器的型号为RIO激光器，该激光器波长为1550nm，线宽为3kHz，输出光功率为9dBm；脉冲调制器选用电光调制器，可以产生最小20ns的光脉冲；EDFA选用Amonics的放大器，中心频率在1550nm，恒功率增益可以达到23dBm。第一波分复用器和第二波分复用器选择的两个通道波长为1550/1561nm。

结合实验参数的具体步骤如下：

步骤一：第一激光器产生第一连续模式窄线宽激光；

步骤二：第二激光器产生第二连续模式窄线宽激光，将第二连续模式窄线宽激光转换为脉冲光，脉冲宽度在20ns-1us；然后经过EDFA放大，放大后的脉冲光与第一连续模式窄线宽激光通过第一波分复用器复用组成探测光经过光环形器后进入探测光纤。

步骤三：探测光在探测光纤中产生的背向瑞利散射光经过光环行器返回到第二波分复用器，解复用出相应波长的散射光进入到第一光电探测器、第二光电探测器。

步骤四：第一光电探测器、第二光电探测器分别将光信号转换为第一电信号和第二电信号，后被采集卡采集处理。

步骤五：第一电信号经过快速傅里叶频谱变换后可以得到振动信号真实的频率信息；第二电信号经过滑动差分处理可以得到振动信号的位置信息。因此，本发明装置及方法可以同时得到振动信号的位置信息和真实的频谱信息，实现对振动事件的宽频感测以及事件定位。实验测得的振动信号为0.1MHz、0.3MHz、0.5MHz、0.7MHz和1.0MHz的频谱响应如图2所示，***最高可探测到频率为1MHz的振动事件。图3a是普通Φ-OTDR测得锤子敲击事件的频谱图。图3b是普通Φ-OTDR测得橡胶棒敲击事件的频谱图。图3c是本发明装置及方法测得锤子敲击事件的频谱图。图3d是本发明装置及方法测得橡胶棒敲击事件的频谱图。通过图3a—图3d的对比，可以说明普通Φ-OTDR由于采样率不够，不能捕获振动事件的完整频谱，而本发明装置及方法提高了Φ-OTDR频率感测范围，可以实现对振动事件的宽频感测，并且具有区分事件类型的能力。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种具有宽频感测能力的连续分布式光纤振动传感装置，其特征在于，包括脉冲发生器、第一激光器、第二激光器、脉冲调制器、掺铒光纤放大器、第一波分复用器、光环行器、探测光纤、第二波分复用器、第一光电探测器、第二光电探测器和信号采集卡；其中，

脉冲发生器，用于产生调制脉冲、触发脉冲；调制脉冲输入至脉冲调制器，触发脉冲输入至信号采集卡；

第一激光器，用于产生第一连续模式窄线宽激光，并将其输出至第一波分复用器；

第二激光器，用于产生第二连续模式窄线宽激光，并将其输出至脉冲调制器；

脉冲调制器，用于根据接收的调制脉冲，将第二连续模式窄线宽激光转换为脉冲光输出至掺铒光纤放大器；

掺铒光纤放大器，用于将脉冲光放大后输出至第一波分复用器；

第一波分复用器，用于将第一连续模式窄线宽激光和放大后的脉冲光通过两个不同通道进行复用，输出探测光至光环行器；

光环形器，用于将探测光由其第1端口输入，并由其第2端口注入至探测光纤；

探测光纤，用于将产生的背向瑞利散射光输出至光环形器的第2端口，并由光环形器的第3端口输出至第二波分复用器；

第二波分复用器，用于将具有不同波长的背向瑞利散射光通过解复用由两个通道分别输出至第一光电探测器、第二光电探测器；

第一光电探测器，用于将接收到的光转换成第一电信号后输出至信号采集卡；

第二光电探测器，用于将接收到的光转换成第二电信号后输出至信号采集卡；

信号采集卡，用于根据触发脉冲，将第一电信号、第二电信号分别转换为数字信号进行后续处理；

所述第一激光器和第二激光器的波长不同。

2.根据权利要求1所述的一种具有宽频感测能力的连续分布式光纤振动传感装置，其特征在于，所述调制脉冲和触发脉冲的周期均与脉冲光的周期同步。

3.根据权利要求1所述的一种具有宽频感测能力的连续分布式光纤振动传感装置，其特征在于，所述第一波分复用器和第二波分复用器选用的两个波长通道需与第一激光器和第二激光器的波长相匹配。

4.基于权利要求1-3中任一项所述的一种具有宽频感测能力的连续分布式光纤振动传感装置的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、采用第一激光器产生第一连续模式窄线宽激光；采用第二激光器产生第二连续模式窄线宽激光，将第二连续模式窄线宽激光转换为脉冲光并将其放大，放大后的脉冲光与第一激光器产生的连续模式窄线宽激光通过第一波分复用器复用后，输出探测光至探测光纤中；

步骤二、探测光在探测光纤中产生背向瑞利散射光；背向瑞利散射光用于探测振动的频率和位置；

步骤三、将背向瑞利散射光通过第二波分复用器分成两路，这两路分别由第一光电探测器、第二光电探测器进行探测，得到第一电信号和第二电信号；

步骤四、第一电信号经过快速傅里叶频谱变换之后，得到振动信号真实的频率信息；第二电信号经过滑动差分处理后得到振动信号的位置信息，以此实现对振动事件的宽频感测以及事件定位。