CN109708742A - 基于特征提取的分布式光纤振动传感***及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于特征提取的分布式光纤振动传感***，包括信号控制与提取模块，2个2×2耦合器，2条延时光纤，3个1×2机械式光开关，时序控制模块，三端口光纤环形器及传感光路。此种***可通过对机械式光开关的开关时序控制，实现不同光路切换，并基于信号特征提取方法实现振动信号的提取。本发明还公开一种基于特征提取的分布式光纤振动传感***的控制方法。

Description

基于特征提取的分布式光纤振动传感***及其控制方法

技术领域

本发明属于光纤传感及传感网络技术领域，特别涉及一种分布式光纤传感***。

背景技术

随着国民经济的飞速发展，国家大型基础设施、边界线、国防重点设施、民用住宅等对周界安防***的需求紧迫，要求也越来越高。各类安防技术手段得到了广泛的应用。在一些重要的区域，如机场、军事基地、政府、工业园区、监狱、银行金库、博物馆、发电厂、油库、学校等处，为了防止非法的入侵和各种破坏活动，传统的防范措施通常是采取“人防+物防”相结合举措。多年来，传统的周界安防***解决方案(红外点对点对射方案、视频监控方案、泄漏电缆方案、振动电缆方案、微波对射方案、电子围栏、电网等等)为社会平安保障做出了应有贡献，但受一些客观技术条件等因素所限，还存在着一些缺陷。

分布式光纤振动传感***采用光信号在光纤中背向散射信号来感知外界振动变化。由于在光纤中传播的光的相位、强度、及偏振态会受到光纤沿测的物理场，比如，温度、压力、振动等的影响，通过检测光的参数，可以还原出这些物理量。分布式光纤传感技术可以实时连续感知和定位光纤沿测的物理量。在目前众多的技术中，分布式振动传感***具有长距离、抗干扰、连续感知外界信息、监测并辨识入侵等性能，通过控制技术实现感知信号传输、联网，因此脱颖而出。然而，在***应用到工程现场的过程中又面临着一系列的问题，对精度、传感距离、误报率等性能指标有更高的要求。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种基于特征提取的分布式光纤振动传感***及其控制方法，其可通过对机械式光开关的开关时序控制，实现不同光路切换，并基于信号特征提取方法实现振动信号的提取。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种基于特征提取的分布式光纤振动传感***，包括信号控制与提取模块，2个2×2耦合器，2条延时光纤，3个1×2机械式光开关，时序控制模块，三端口光纤环形器及传感光路，其中，信号控制与提取模块的触发信号输出端连接时序控制模块的输入端，所述时序控制模块根据信号控制与提取模块发送的触发信号对3个1×2机械式光开关进行控制；所述信号控制与提取模块的光信号输出端分别连接第一耦合器的第一、第二输入端，第一耦合器的第一输出端经第一延时光纤连接第二机械式光开关的固定端口，第二机械式光开关的第二动端连接第三机械式光开关的第二动端，第二机械式光开关的第一动端连接第二耦合器的第二输出端；第三机械式光开关的第一动端连接第一机械式光开关的第二动端，第三机械式光开关的固定端口经第二延时光纤连接三端口光纤环形器的输入端，三端口光纤环形器的第一输出端连接传感光路，三端口光纤环形器的第二输出端连接第二耦合器的输入端，第二耦合器的第一输出端连接第一机械式光开关的第一动端，第一机械式光开关的固定端口连接第一耦合器的第二输出端。

上述第二延时光纤的长度大于第一延时光纤的长度。

上述信号控制与提取模块包括光源脉冲控制模块、脉冲光源、光电转换模块、AD转换模块、特征提取及振动定位模块和用户交互显示模块，其中，光源脉冲控制模块周期性地发出电脉冲信号，驱动脉冲光源提供脉冲光信号到光路之中；光电转换模块接收从光路中返回的背向散射信号，转换为电信号后送入AD转换模块转换为数字信号，然后同时送入用户交互显示模块和特征提取及振动定位模块中，以进行波形的实时显示和振动入侵的特征提取和定位。

基于如前所述的基于特征提取的分布式光纤振动传感***的控制方法，光源脉冲控制模块在kT时刻发出一个脉冲触发信号，分别送给脉冲光源和时序控制模块，k为整数；

脉冲光源接收到触发信号以后发出一个固定脉宽的光信号，此光信号进入第一耦合器后分为两部分，一部分进入第一延时光纤中，然后进入第二机械式光开关，另外一部分直接进入第一机械式光开关；

时序控制模块在kT时刻收到光源脉冲控制模块发出的同步触发信号之后，分别发出3个机械式光开关的控制信号，从而控制3个机械式光开关的通断。

上述3个机械式光开关的开关时序是：

在kT～kT+t1期间，第一机械式光开关的固定端口和第二动端直通，第二机械式光开关的固定端口和第二动端直通，第三机械式光开关的第一动端和固定端口直通；

在kT+t1～kT+t2期间，第一机械式光开关的固定端口和第一动端直通，第二机械式光开关的固定端口和第二动端直通，第三机械式光开关的第二动端和固定端口直通；

在kT+t2～kT+t3期间，第一机械式光开关的固定端口和第一动端直通，第二机械式光开关的固定端口和第一动端直通，第三机械式光开关的固定端口和第一/第二动端直通。

采用上述方案后，本发明的改进在于：

(1)本发明采用宽带SLED作为***光源，与如今流行的φ-OTDR方案相比，大大降低了***成本；

(2)本发明利用三个机械式光开关与三端口光纤环形器相结合，通过不断改变机械式光开关的开关时序，巧妙地把两束光耦合进一条传感光纤之中，避免了使用耦合器耦合带来的3db损耗；

(3)与传统的基于瑞丽散射的sagnac干涉方案相比，在保证定位精度和空间分辨率的同时，本发明的理论空间动态范围和灵敏度可以扩展为传统方案的2倍。

附图说明

图1是本发明的整体结构图；

图2是本发明中信号控制与提取模块的结构图；

图3是信号流向示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种基于特征提取的低损耗高灵敏度分布式光纤振动传感***，包括：信号控制与提取模块，2个2×2耦合器；2条延时光纤；3个1×2机械式光开关；时序控制模块；三端口光纤环形器；以及传感光路；其中，信号控制与提取模块的触发信号输出端连接时序控制模块的输入端，所述时序控制模块根据信号控制与提取模块发送的触发信号对3个1×2机械式光开关进行控制；所述信号控制与提取模块的光信号输出端连接耦合器1的第一输入端，耦合器1的第一输出端经延时光纤1连接机械式光开关2的固定端口，机械式光开关2的第一动端连接机械式光开关3的第一动端，机械式光开关2的第二动端连接耦合器2的第二输出端；机械式光开关3的第二动端连接机械式光开关1的第一动端，机械式光开关3的固定端口经延时光纤2连接三端口光纤环形器的输入端，三端口光纤环形器的端口2连接传感光路，三端口光纤环形器的端口3连接耦合器2的输入端，耦合器2的第一输出端连接机械式光开关1的第二动端，机械式光开关1的固定端口连接耦合器1的第二输入端，而耦合器1的第二输出端连接信号控制与提取模块。

在本实施例中，光源发出的脉冲信号经过耦合器1后被分为功率相等的两部分，然后间隔一定的时间先后通过1*2机械式光开关3，最后相继进入环形器。为了保证速度较慢的那一部分光在恰好完全通过1*2机械式光开关3时，整个光路中没有背向瑞利散射光进入1*2机械式光开关1和1*2机械式光开关2。所以，延时光纤2的长度必须大于延时光纤1的长度，以保证光的干涉条件。

如图2所示，是信号控制与提取模块的内部结构，包括：光源脉冲控制模块；脉冲光源；光电转换模块；AD转换模块；特征提取及振动定位模块；用户交互显示模块。光源脉冲控制模块周期性地发出一电脉冲信号，控制脉冲光源同步地发出周期性光脉冲到光路之中进行传感；随后，从光路中返回的背向瑞丽散射信号进入光电转换模块转换为电信号；接下来，上述电信号在AD转换模块中被转换为数字信号，然后同时被送到用户交互显示模块和特征提取及振动定位模块中，以进行波形的实时显示和振动入侵的特征提取和定位，具体来说，特征提取及振动定位模块用于根据信号的特征对信号进行分类，找出扰动点并定位，而用户交互显示模块用于为用户提供可视化界面并对***参数进行设定，例如脉冲宽度、采样率等。

具体工作过程如下：光源脉冲控制模块在kT(k为整数)时刻发出一个脉冲触发信号，分别送给脉冲光源和时序控制模块。

脉冲光源接收到触发信号以后发出一个固定脉宽的光信号，此光信号进入耦合器1后分为两部分，一部分进入延时光纤1中，然后进入机械式光开关2的1端口，另外一部分直接进入机械式光开关1的1端口。

时序控制模块在kT时刻收到光源脉冲控制模块发出的同步触发信号之后，分别发出三个机械式光开关的控制信号，从而控制三个机械式光开关的通断。

机械式光开关在上述控制时序的作用下，光电转换模块最终可以接收到4条不同路径的瑞利散射信号，如图3所示分别为：

1)耦合器1--延时光纤1--1*2机械式光开关2--1*2机械式光开关3--延时光纤2—三端口光纤环形器--传感光路--三端口光纤环形器--耦合器2--1*2机械式光开关2--延时光纤1--耦合器1；

2)耦合器1--延时光纤1--1*2机械式光开关2--1*2机械式光开关3--延时光纤2—三端口光纤环形器--传感光路--三端口光纤环形器--耦合器2--1*2机械式光开关1--耦合器1；3)耦合器1--1*2机械式光开关1--1*2机械式光开关3--延时光纤2—三端口光纤环形器--传感光路--三端口光纤环形器--耦合器2--1*2机械式光开关2--延时光纤1--耦合器1；

4)耦合器1--1*2机械式光开关1--1*2机械式光开关3--延时光纤2—三端口光纤环形器--传感光路--三端口光纤环形器--耦合器2--1*2机械式光开关1--耦合器1；

上述4条光路中，由于通过光路2和光路3的光程一样，因此光路2和光路3的信号在耦合器1中发生光的等程干涉。因此，传感光路中的振动信号便可通过光路2和光路3中的信号干涉提取出来。

在机械式光开关控制信号的作用下，在kT～kT+t1期间，机械式光开关1的端口1和端口3直通，机械式光开关2的端口1和端口3直通，机械式光开关3的端口2和端口1直通；

在kT+t1～kT+t2期间，机械式光开关1的端口1和端口2直通，机械式光开关2的端口1和端口3直通，机械式光开关3的端口3和端口1直通；

在kT+t2～kT+t3期间，机械式光开关1的端口1和端口2直通，机械式光开关2的端口1和端口2直通，机械式光开关3的端口1和端口2(或者端口3)直通。

机械式光开关在上述控制时序的作用下，光电转换模块最终可以接收到4条不同路径的瑞利散射信号，4条光路中，有两条光路发生光的等程干涉。因此，传感光路中的振动信号便可通过信号干涉提取出来。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于特征提取的分布式光纤振动传感***，其特征在于：包括信号控制与提取模块，2个2×2耦合器，2条延时光纤，3个1×2机械式光开关，时序控制模块，三端口光纤环形器及传感光路，其中，信号控制与提取模块的触发信号输出端连接时序控制模块的输入端，所述时序控制模块根据信号控制与提取模块发送的触发信号对3个1×2机械式光开关进行控制；所述信号控制与提取模块的光信号输出端分别连接第一耦合器的第一、第二输入端，第一耦合器的第一输出端经第一延时光纤连接第二机械式光开关的固定端口，第二机械式光开关的第二动端连接第三机械式光开关的第二动端，第二机械式光开关的第一动端连接第二耦合器的第二输出端；第三机械式光开关的第一动端连接第一机械式光开关的第二动端，第三机械式光开关的固定端口经第二延时光纤连接三端口光纤环形器的输入端，三端口光纤环形器的第一输出端连接传感光路，三端口光纤环形器的第二输出端连接第二耦合器的输入端，第二耦合器的第一输出端连接第一机械式光开关的第一动端，第一机械式光开关的固定端口连接第一耦合器的第二输出端。

2.如权利要求1所述的基于特征提取的分布式光纤振动传感***，其特征在于：所述第二延时光纤的长度大于第一延时光纤的长度。

3.如权利要求1所述的基于特征提取的分布式光纤振动传感***，其特征在于：所述信号控制与提取模块包括光源脉冲控制模块、脉冲光源、光电转换模块、AD转换模块、特征提取及振动定位模块和用户交互显示模块，其中，光源脉冲控制模块周期性地发出电脉冲信号，驱动脉冲光源提供脉冲光信号到光路之中；光电转换模块接收从光路中返回的背向散射信号，转换为电信号后送入AD转换模块转换为数字信号，然后同时送入用户交互显示模块和特征提取及振动定位模块中，以进行波形的实时显示和振动入侵的特征提取和定位。

4.基于如权利要求3所述的基于特征提取的分布式光纤振动传感***的控制方法，其特征在于：光源脉冲控制模块在kT时刻发出一个脉冲触发信号，分别送给脉冲光源和时序控制模块，k为整数；

脉冲光源接收到触发信号以后发出一个固定脉宽的光信号，此光信号进入第一耦合器后分为两部分，一部分进入第一延时光纤中，然后进入第二机械式光开关，另外一部分直接进入第一机械式光开关；

时序控制模块在kT时刻收到光源脉冲控制模块发出的同步触发信号之后，分别发出3个机械式光开关的控制信号，从而控制3个机械式光开关的通断。

5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于：所述3个机械式光开关的开关时序是：

在kT～kT+t1期间，第一机械式光开关的固定端口和第二动端直通，第二机械式光开关的固定端口和第二动端直通，第三机械式光开关的第一动端和固定端口直通；

在kT+t1～kT+t2期间，第一机械式光开关的固定端口和第一动端直通，第二机械式光开关的固定端口和第二动端直通，第三机械式光开关的第二动端和固定端口直通；

在kT+t2～kT+t3期间，第一机械式光开关的固定端口和第一动端直通，第二机械式光开关的固定端口和第一动端直通，第三机械式光开关的固定端口和第一/第二动端直通。