CN114252022A - 基于gnss信号的光纤多维监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于GNSS信号的光纤多维监测方法。在远端，通过设置于监测点的至少两根GNSS天线接收GNSS信号并将所接收的GNSS信号分别调制到光域，然后将光载GNSS信号通过传输光纤传输至近端的接收机；在近端，通过向传输光纤发射宽带光探测信号并对光纤沿线的散射信号以及光纤端面的反射光信号进行处理得到传输光纤沿线的分布式监测结果以及传输光纤的长度信息，然后基于所得到的光纤长度信息获得硬件延时信息，最后利用硬件延时信息和载波相位单差模型得到监测点的三维监测信息。本发明还公开了一种基于GNSS信号的光纤多维监测装置。相比现有技术，本发明可同时实现对重点监测部位的高精度三维监测以及对应变、振动、温度等信息的大范围分布式监测。

Description

基于GNSS信号的光纤多维监测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种光纤监测方法，尤其涉及一种基于GNSS(Global NavigationSatellite System，全球导航卫星***)信号的光纤多维监测方法。

背景技术

分布式光纤传感技术作为光纤传感技术中的重要分支，集光信号传输与参量传感于一体，光纤既是传输介质又是传感介质，能实现整个光纤链路的参量连续测量，测量范围极大。在民用领域，桥梁、隧道，搭乘飞机，水坝等的结构安全需要被监测，分布式传感技术是探测这些建筑结构的健康状况的有效手段。石化行业中的易燃易爆、高电压领域缺乏可靠安全监测技术手段，航空发动机、港口装卸设备等重要和大型设备由于结构复杂和工作环境恶劣，也缺乏有效的监测手段，分布式传感可以有效的解决这些需求。在军事领域，光纤***、传感器设备、电子***有机整合，需要在指定地点进行物理参数的检测，例如：可以检测温度数据、压力数据、应变数据等，构建故障监测***、飞行控制***，还能通过先进技术进行军事装备的损伤评估。

传统的分布式光纤传感技术多采用光时域反射或光频域反射方法，能够监测光纤中的损耗和断点等，再基于瑞利散射，能够对光纤的应变、振动、温度等进行监测，但其只能实现二维上的监测，对一些需要重点监测的部位无法做到高精度的三维监测，且其存在一些监测范围上的限制。比如在电网铁塔监测中，既需要监测铁塔的三维形变，又需要监测电缆的分布式应力；又如在管道监测中，既需要对管道的温度变化进行监测，又需要对一些重点部位进行三维高精度监测。在这样的情况下，传统的测量方法无法满足需求，就需要新的光纤多维监测方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种基于GNSS信号的光纤多维监测方法，将分布式光纤传感技术与GNSS定位技术有机结合，可同时实现对重点监测部位的高精度三维监测以及对应变、振动、温度等信息的大范围分布式监测。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于GNSS信号的光纤多维监测方法，在远端，通过设置于监测点的至少两根GNSS天线接收GNSS信号并将所接收的GNSS信号分别调制到光域，然后将所生成的光载GNSS信号通过传输光纤传输至近端的接收机；同时，在近端，通过向所述传输光纤发射宽带光探测信号并对光纤沿线的散射信号以及光纤端面的反射光信号进行处理得到所述传输光纤沿线的分布式监测结果以及所述传输光纤的长度信息，然后基于所得到的光纤长度信息获得GNSS天线与近端接收机之间的硬件延时信息，最后利用GNSS天线到接收机之间的硬件延时信息和载波相位单差模型得到监测点的三维监测信息。

优选地，所述宽带光探测信号为线性调频信号。

基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：

一种基于GNSS信号的光纤多维监测装置，包括：

三维基线测量单元，其设置在远端，用于通过设置于监测点的至少两根GNSS天线接收GNSS信号并将所接收的GNSS信号分别调制到光域；

传输光纤，用于将所生成的光载GNSS信号传输至近端的接收机；

分布式信号与硬件延时信号发射与处理模块，其设置于近端，用于通过向所述传输光纤发射宽带光探测信号并对光纤沿线的散射信号以及光纤端面的反射光信号进行处理得到所述传输光纤沿线的分布式监测结果以及所述传输光纤的长度信息，然后基于所得到的光纤长度信息获得GNSS天线与近端接收机之间的硬件延时信息；

三维基线信号处理模块，利用GNSS天线到接收机之间的硬件延时信息和载波相位单差模型得到监测点的三维监测信息。

优选地，所述宽带光探测信号为线性调频信号。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明技术方案通过将分布式光纤传感技术与GNSS定位技术有机结合，可以同时实现二维分布式监测与重点部位的三维监测，更为重要的是，可以通过两者的信息融合，提升三维监测的精度和监测范围，不仅拓展光纤监测方法的功能并提升监测精度等性能，从而大幅拓宽传感***的应用场景。

附图说明

图1为本发明光纤多维监测装置的结构原理示意图；

图2为本发明光纤多维监测装置一个具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

针对现有技术不足，本发明的解决思路是基于GNSS信号和光纤传输、传感原理，用多路的载波观测值的差分获取GNSS天线间的三维向量，实现重点部位的三维全向监测，同时利用宽带光探测信号获取硬件延时信息和分布式传感信息，并进一步利用硬件延时信息提升三维向量的测量精度。

本发明所提出的基于GNSS信号的光纤多维监测方法，具体如下：

在远端，通过设置于监测点的至少两根GNSS天线接收GNSS信号并将所接收的GNSS信号分别调制到光域，然后将所生成的光载GNSS信号通过传输光纤传输至近端的接收机；同时，在近端，通过向所述传输光纤发射宽带光探测信号并对光纤沿线的散射信号以及光纤端面的反射光信号进行处理得到所述传输光纤沿线的分布式监测结果以及所述传输光纤的长度信息，然后基于所得到的光纤长度信息获得GNSS天线与近端接收机之间的硬件延时信息，最后利用GNSS天线到接收机之间的硬件延时信息和载波相位单差模型得到监测点的三维监测信息。

本发明所提出的基于GNSS信号的光纤多维监测装置，如图1所示，包括：三维基线测量单元，其设置在远端，用于通过设置于监测点的至少两根GNSS天线接收GNSS信号并将所接收的GNSS信号分别调制到光域；

传输光纤，用于将所生成的光载GNSS信号传输至近端的接收机；

分布式信号与硬件延时信号发射与处理模块，其设置于近端，用于通过向所述传输光纤发射宽带光探测信号并对光纤沿线的散射信号以及光纤端面的反射光信号进行处理得到所述传输光纤沿线的分布式监测结果以及所述传输光纤的长度信息，然后基于所得到的光纤长度信息获得GNSS天线与近端接收机之间的硬件延时信息；

三维基线信号处理模块，利用GNSS天线到接收机之间的硬件延时信息和载波相位单差模型得到监测点的三维监测信息。

优选地，所述宽带光探测信号为线性调频信号。

本发明技术方案可广泛应用于堤坝、桥梁、大楼、供电铁塔、矿井等的结构健康监测，可同时实现对重点监测部位的高精度三维监测以及对应变、振动、温度等信息的大范围分布式监测。为了便于公众理解，下面通过一个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：

图2显示了本发明光纤监测装置应用于桥梁结构健康监测中的具体结构。硬件铺设方式如图2所示，在桥头和桥尾分别放置GNSS天线和电光调制器，从而构成三维基线测量单元；在桥上铺设两路传输光纤将三维基线测量单元所获得的光载GNSS信号传输至近端；由于该传输光纤同时还作为分布式光纤传感***的传感光纤，因此图中将其表示为传输/传感光纤。远端的三维基线测量单元通过天线接收GNSS信号后，经过电光调制将GNSS信号调制到光载波上，再通过传输光纤传输至近端，由光电探测器恢复出GNSS信号。两路GNSS信号经过解算即可获取两路载波相位观测值，从而计算出两个天线间的三维基线向量，实现铺设部位的重点三维全向监测。传输光纤上可通过耦合器设置多个节点，天线可以放置在一条光纤上的任一节点处，从而实现灵活的大范围重点部分监测。在本实施例例中，选取光纤1上的节点1和光纤2上的节点10，监测桥头和桥尾的基线向量的变化。另一方面，在近端，通过硬件延时与分布式信号发射及接收模块发射宽带光探测信号，实现GNSS天线到接收模块间硬件时延监测，以提升三维监测的精度；同时，利用该宽带光探测信号，通过光纤中的瑞利散射，可以获得传感光纤上的分布式传感信息，从而实现GNSS天线间高精度三维监测与光纤沿线分布式监测的光纤多维监测。

本实施例通过复用光电探测模块和数据采集单元，对光纤内返回的信号进行单次采集，同时获取光纤沿线的散射信号和光纤端面的反射信号；在信号获取后，通过对光纤沿线的散射信号进行互相关处理获取分布式监测信息；通过对光纤端面的反射信号进行脉冲压缩处理，获取高精度的硬件延时信息，从而完成分布式解算和三维基线解算。

本发明所涉及的光纤分布式传感信息的采集与解算，载波相位单差模型，光纤长度的解算等均为现有技术，为便于公众理解，下面分别对其基本原理予以简单说明：

三维基线的解算基于光载GNSS单差模型，可以实现三维高精度测量。该模型需要测量出天线到接收机之间的硬件延时信息，也就是光纤长度的测量精度，对其精度要求达到mm级。

通过对不同天线做差，并且采用共时钟板卡设计的接收机消除钟差后，可得到载波相位单差模型：

其中i和j表示不同的天线，k表示不同的卫星，

为载波相位差、P^k为卫星与天线间的矢量关系,

为卫星的整周模糊度，ΔL_ij表示硬件延时。将测量值与待求值分开，单差模型可以表示为：

上述模型可简化为：

令载波相位测量精度和硬件延时测量精度分别为

和

则三维基线的测量精度可表示为：

则可知，硬件延时测量精度需要和载波相位测量精度达到同一水平，载波相位测量方法的精度可达mm级，故硬件延时测量也需要达到mm级。

为满足该需求，用于测量的宽带光探测信号必须具有足够高的空间分辨率，为此，本实施例中采用线性调频信号(LFM)作为探测信号，这样既可达到所需精度，假设线性调频信号扫频速率为γ，则

其理论的空间分辨率可表示为：

其中T为持续时间。可见，通过选择合适的扫频速率和持续时间，可以得到能够满足要求的空间分辨率。

对分布式信息的解算原理如下：

分布式传感信息的解算来源于光纤中的瑞利散射，光波在光纤中传输时，会产生各个方向的散射光，但是由于光纤的约束特性，实际上其散射光只会表现为前向和背向两个方向。同时，由于光纤所处的外界环境会影响光纤中的光波，当外界环境发生变化时，如温度变化、光纤受到应力、光纤振动等，从探测端探测到的散射光频域信号，其中就含有光纤沿线的外界环境信息，将其解调后，可以得到能反映光纤沿线的外界情况的信号，从而实现对外界环境的监测。

如测试光纤的反射点位于Z处，τ_Z为Z处的反射点返回探测端的测试光与本振光间的时延差，则：

τ_Z＝2Zn/c (6)

其中n为光纤折射率，c为光在真空中的传播速度。所以此时本振光与测试光之间的频差就是拍频，而光纤上每一个散射点与本振光之间的拍频信号有不同的固定频差，所以不同的拍频频差对应的不同位置的散射点，最终通过探测本振光与散射光之间的拍频信号的频率在光纤上定位，所以利用傅里叶变换将光电探测器采集的拍频时域信号变换到频域上，就可以得到光纤沿线不同位置上的信息。

分布式信息解调方法如下：采集参考信号和测量信号，做傅里叶变化转换到距离域；采用滑动窗扫描距离域上的信号，划分为各个本地距离域信号；利用傅里叶反变换将各个本地距离域信号转换到波长域，得到本地瑞利散射光谱信号；对参考信号和测试信号的本地瑞利散射光谱信号做互相关，得到互相关峰偏移量，进而得到所述分布式传感信息。

对三维基线解算原理如下：

对于光纤上的不同节点，耦合器会使其在频谱上表现为明显的峰，通过不同节点对应拍频可解算出相应的硬件延时信息，可表示为：

其中f_b为本振光与测试光之间的频差。

通过对不同天线做差，可以得到载波相位单差模型：

其中Δ是单差算子，通过单差可以消除大部分公共误差，例如电离层，对流层延时和卫星钟差。由于基线长度远小于卫星到天线之间的距离，可将

做出合理近似得到其与基线矢量b的关系：

使用共时钟板卡的硬件设计，消除接收机钟差后，得到载波相位单差模型为：

在此方程中，卫星的载波相位差

卫星与天线间的矢量关系P^k和卫星整周模糊度

均可得到，故通过上述硬件延时信息即可得到硬件延时差ΔL_ij，从而解算出基线向量b^T。

综上可知，本发明能够同时实现二维分布式监测和重点部位的三维监测，而且可以通过两者的信息融合，提升三维监测的精度和监测范围，拓宽传感***的应用场景。

Claims (4)

1.一种基于GNSS信号的光纤多维监测方法，其特征在于，在远端，通过设置于监测点的至少两根GNSS天线接收GNSS信号并将所接收的GNSS信号分别调制到光域，然后将所生成的光载GNSS信号通过传输光纤传输至近端的接收机；同时，在近端，通过向所述传输光纤发射宽带光探测信号并对光纤沿线的散射信号以及光纤端面的反射光信号进行处理分别得到所述传输光纤沿线的分布式监测结果以及所述传输光纤的长度信息，然后基于所得到的光纤长度信息获得GNSS天线与近端接收机之间的硬件延时信息，最后利用GNSS天线到接收机之间的硬件延时信息和载波相位单差模型得到监测点的三维监测信息。

2.如权利要求1所述基于GNSS信号的光纤多维监测方法，其特征在于，所述宽带光探测信号为线性调频信号。

3.一种基于GNSS信号的光纤多维监测装置，其特征在于，包括：

三维基线测量单元，其设置在远端，用于通过设置于监测点的至少两根GNSS天线接收GNSS信号并将所接收的GNSS信号分别调制到光域；

传输光纤，用于将所生成的光载GNSS信号传输至近端的接收机；

分布式信号与硬件延时信号发射与处理模块，其设置于近端，用于通过向所述传输光纤发射宽带光探测信号并对光纤沿线的散射信号以及光纤端面的反射光信号进行处理分别得到所述传输光纤沿线的分布式监测结果以及所述传输光纤的长度信息，然后基于所得到的光纤长度信息获得GNSS天线与近端接收机之间的硬件延时信息；

三维基线信号处理模块，利用GNSS天线到接收机之间的硬件延时信息和载波相位单差模型得到监测点的三维监测信息。

4.如权利要求3所述基于GNSS信号的光纤多维监测装置，其特征在于，所述宽带光探测信号为线性调频信号。

Images