CN114777899A - 一种基于分布式传感器的监测***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布式传感器的监测***及监测方法，监测***包括：传感单元；第一相干光产生单元，包括第一脉冲激光器、第一偏振分束器、第一光纤偏振控制器、第一偏振光纤耦合器、第一补偿光纤；第一相干相位解析单元，对第一相干光产生单元产生的第一相干光进行相位解析；第二相干光产生单元，包括第二脉冲激光器、第二偏振分束器、第二光纤偏振控制器、第二偏振光纤耦合器、第二补偿光纤；第二相干相位解析单元，对第二相干光产生单元产生的第二相干光进行相位解析。本发明***简单成本低，信噪比及灵敏度高，分布式传感探测距离长，对光源相干性要求低，无相干衰落影响，***稳定性与耐久性好且可靠性高，可长期在线监测。

Description

一种基于分布式传感器的监测***及方法

技术领域

本发明涉及一种超长距离分布式振动传感技术及装置，用于各类振动、微地震、地震波、声波、超声波、动态应变或加速度的分布式传感。可实现对长距离范围内结构损伤、地质活动、工程振动、水声监测、资源勘测、海洋勘探、光缆检测、入侵扰动等振动及声信号实时在线监测与定位。

背景技术

目前现有全分布式光纤振动及声传感***中，基本都是基于干涉式或相干型传感技术，其一般采用环路或汇聚光路设计，主要是通过两路反向传播路径或两路不同传播路径的光汇聚产生干涉或相干，并对干涉或相干信号强度和相位变化进行探测解析，以获取传播路径外界振动或声信号。现有***缺陷主要在于为了实现长距离分布式干涉传感，通常要求传感光源具有极窄线宽以提高其相干性和传感距离，造成***成本大幅增加且光源线宽严重限制其传感距离。此外，环路或双路相干传感结构导致信号传输距离增大，亦会限制***传感距离，且会带来相干衰落，严重影响其分布传感效果。以上问题迄今仍限制分布式光纤振动传感***技术性能，导致其传感距离无法大幅提升且分布式效果难以进一步改善，***复杂，成本降低困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种超长距离的基于分布式传感器的监测***及方法，用于各类振动、微地震、地震波、声波、超声波、动态应变或加速度的分布式传感。其优点是***简单成本低，通过透射脉冲内自相干实现传感，相干信号功率强，信噪比及灵敏度得以提高，对光源相干性要求低，避免相干性对传感距离限制，使得分布式传感探测距离长，无需环路或双路汇聚干涉设计，无相干衰落影响，***稳定性与耐久性好且可靠性高，可长期在线监测。

本发明的技术方案如下：

本发明首先提供一种基于分布式传感器的监测***，包括：

传感单元，内置有光纤传感器；

第一相干光产生单元，包括第一脉冲激光器、第一偏振分束器、第一光纤偏振控制器、第一偏振光纤耦合器、第一补偿光纤；所述第一脉冲激光器产生的脉冲光信号进入所述传感单元后进入所述第一偏振分束器；所述第一偏振分束器将进入的光信号分为两路振动方向相互垂直的线偏振光输出，第一路进入第一光纤偏振控制器进行振动方向的旋转与第二路的振动方向平行，第二路进入第一补偿光纤进行相位补偿与第一路的相位相同；经所述第一光纤偏振控制器旋转的第一路输出和经第一补偿光纤补偿的第二路输出进入第一偏振光纤耦合器进行耦合形成第一相干光；

第一相干相位解析单元，对所述第一相干光产生单元产生的第一相干光进行相位解析；

第二相干光产生单元，包括第二脉冲激光器、第二偏振分束器、第二光纤偏振控制器、第二偏振光纤耦合器、第二补偿光纤；所述第二脉冲激光器产生的脉冲光信号进入所述传感单元后进入所述第二偏振分束器；所述第二偏振分束器将进入的光信号分为两路振动方向相互垂直的线偏振光输出，第一路进入第二光纤偏振控制器进行振动方向的旋转与第二路的振动方向平行，第二路进入第二补偿光纤进行相位补偿与第一路的相位相同；经所述第二光纤偏振控制器（旋转的第一路输出和经第二补偿光纤补偿的第二路输出进入第二偏振光纤耦合器进行耦合形成第二相干光；

第二相干相位解析单元，对所述第二相干光产生单元产生的第二相干光进行相位解析；

相关性分析单元，对第一相干相位解析单元和第二相干相位解析单元的分析结果进行相关性分析。

所述监测***还包括：时延判定定位和振动特征解析；时延判定定位对两组相位变化的相关性和时间延迟进行分析对比以实现对扰动定位；振动特征解析对不同脉冲间干涉信号相位变化频谱等信号特征进行分析识别，以确定外界扰动类型与特征。

在所述传感单元的前端连接有第一光纤耦合器，在所述传感单元的后端连接有第二光纤耦合器；所述第一脉冲激光器的输出经所述第一光纤耦合器进入所述传感光缆并从第二光纤耦合器输出；所述第二脉冲激光器的输出经所述第二光纤耦合器进入所述传感单元并从第一光纤耦合器输出。

第一相干光产生单元还包括第一光电探测器和第一数据采集单元；第一光电探测器将第一偏振光纤耦合器产生的第一相干光转化为电信号后，进入第一数据采集单元。

第二相干光产生单元还包括第二光电探测器和第二数据采集单元；第二光电探测器将第二偏振光纤耦合器产生的第二相干光转化为电信号后，进入第二数据采集单元。

所述传感单元为传感光缆。

本发明还提供一种基于分布式传感器的监测方法，其特征在于，包括：

采用第一脉冲激光器，使经过传感单元的脉冲激光在第一偏振分束器、第一光纤偏振控制器、第一偏振光纤耦合器和第一补偿光纤的作用下产生第一相干光；

采用第二脉冲激光器，使经过传感单元的脉冲激光在第二偏振分束器、第二光纤偏振控制器、第二偏振光纤耦合器、第二补偿光纤的作用下产生第二相干光；

对第一相干光和第二相干光进行相位解析；

对经相位解析的两组相干光进行相关性分析和时间延迟分析，以实现对扰动定位。

对经相位解析的两组相干光进行相关性分析和时间延迟分析，以实现对扰动定位的方法是：通过分别分析两个光电探测器就收到传感光纤两端透射的光信号扰动特征的互相关性，对是否为同一扰动信号进行分析识别和确认，在此基础上通过对两个信号的时间延迟量进行分析，以此确认扰动发生位置。

还包括：对不同脉冲间干涉信号相位变化频谱信号特征进行分析识别，以识别外界扰动源。

对不同脉冲间干涉信号相位变化频谱信号特征进行分析识别的方法是：

对一系列脉冲相干光信号相位依次进行解调；

分别通过相邻和等间隔脉冲间信号进行差分获取相位信号的变化规律与趋势，并对相位信号变化的频谱特征进行分析；

将分析得到的频谱特征与设定的扰动类型进行匹配，得出扰动源的类型。扰动源例如挖掘、车辆驶过、地震、结构开裂 、滑坡、落石等。

本发明监测装置和方法，用于各类振动、微地震、地震波、声波、超声波、动态应变或加速度的分布式传感，利用任意一个脉冲光信号均可分解为两个垂直振动分量，通过旋光晶体使得两个振动方向垂直的分量变为振动方向平行的分量，从而使得两个分量能够满足干涉条件并汇聚产生自相干，降低超长距离光纤传感对光源高相干性的要求，在此基础上结合光纤双折射效应，利用外界振动或声引起光纤微变形使得两个振动分量相位变化不同，通过探测解析光信号的两个分量自相干信号的相位差变化实现对外界振动和声信号传感，并有效避免相干或偏振衰落造成影响，最终实现高信噪比长距离分布式声传感。

附图说明

图1是本发明的一种具体结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

下面结合图1，对发明作详细说明：

本实施例提供一种监测装置，包括第一脉冲激光器1、第一光纤耦合器2、传感光缆3、第二光纤耦合器4、第一偏振分束器5、第一光纤偏振控制器6、第一偏振光纤耦合器7、第一补偿光纤8、第一光电探测器9、第一数据采集单元10、第一相干相位解析单元11、第二脉冲激光器13、第二偏振分束器14、第二光纤偏振控制器15、第二偏振光纤耦合器16、第二补偿光纤17、第二光电探测器18、第二数据采集单元19、第二相干相位解析单元20和相关性分析单元12。

第一脉冲激光器1发出激光脉冲经第一光纤耦合器2进入传感光缆3，传感光缆3透射光经第二光纤耦合器4进入第一偏振分束器5后分为两路，第一路经第一光纤偏振控制器6后进入第一偏振光纤耦合器7，另一路经第一补偿光纤8后进入第一偏振光纤耦合器7。第一偏振光纤耦合器7输出光经第一光电探测器9转化为电信号后，依次通过第一数据采集单元10和第一相干相位解析单元11分别进行数据采集和相位解析后进入相关性分析单元12。第二脉冲激光器13发出激光脉冲经第二光纤耦合器4进入传感光3缆，传感光缆3透射光经第一光纤耦合器2进入第二偏振分束器14后分为两路，第一路经第二光纤偏振控制器15后进入第二偏振光纤耦合器16，另一路经第二补偿光纤17后进入第二偏振光纤耦合器16。第二偏振光纤耦合器16的输出光经第二光电探测器18转化为电信号后，依次通过第二数据采集单元19和第二相干相位解析单元20分别进行数据采集和相位解析后，进入相关性分析单元12。

在一个实施例中，本发明监测***还保罗时延判定定位单元22、振动特征解析单元23和显示存储单元24组成。两路信号经相关性分析单元12分析后依次进行时延判定定位单元22和振动特征解析单元23，得到外界扰动位置和扰动信号特征，最后进入显示存储单元24对最终结果进行显示存储。

第一脉冲激光器1产生高功率激光脉冲经第一光纤耦合器2进入传感光缆3后沿传感光缆3向前传播，在传播过程中由于传感光缆双折射效应，当外界振动、声扰动作用于传感光缆后，使得经过传感光缆3透射输出的激光脉冲偏振态发生变化，透射激光脉冲经第二光纤耦合器4进入第一偏振分束器5后被分为两路振动方向相互垂直的线偏振光，其中一路通过第一偏振控制器6改变其偏转方向后进入第一偏振光纤耦合器7，另一路则通过第一补偿光纤8对第一偏振控制器6所引起光路时延偏差进行补偿后进入第一偏振光纤耦合器7，两路光由于偏振控制使得其振动方向平行，因此满足相干条件并在第一偏振光纤耦合器7处产生干涉，第一光电探测器9将干涉光信号转化为电信号后，依次经过第一数据采集单元10进行信号采集和第一相干相位解析单元11对信号相位变化进行分析。同时，第二脉冲激光器13产生高功率激光脉冲则进行对称反向传输，经第二光纤耦合器4进入传感光缆3后沿传感光缆3向前传播，在传播过程中由于传感光缆双折射效应，经过传感光缆3透射输出的激光脉冲偏振态同样会发生变化，透射激光脉冲经第一光纤耦合器2进入第二偏振分束器14后被亦分为两路振动方向相互垂直的线偏振光，其中一路通过第二偏振控制器15改变其偏转方向后进入第二偏振光纤耦合器16，另一路则通过第二补偿光纤17对第二偏振控制器15所引起光路时延偏差进行补偿后进入第二偏振光纤耦合器16，两路光满足相干条件并在第二偏振光纤耦合器16处产生干涉，第二光电探测器18将干涉光信号转化为电信号后，依次经过第二数据采集单元19进行信号采集和第二相干相位解析单元20对信号相位变化进行分析。第一相干相位解析单元11所得到的解析结果进入相关性分析单元12，第二相干相位解析单元20所得到的解析结果经信号传输单元21也同时进入相关性分析单元12，相关性分析单元对两路解析结果进行相关性分析识别，并通过时延判定定位22对两路信号变化进行时间延迟分析以实现对扰动定位，在此基础上通过振动特征解析23对解析结果频谱等信号特征进行分析识别，以确定外界扰动类型与特征。最后在显示存储24对所有信号及其分析结果进行显示和存储。

第一脉冲激光器1和第二脉冲激光器13同时发出一系列激光脉冲并分别从传感光缆3两端进入传感光缆3，且在传感光缆3中传播方向相反。当传感光缆3上任意一点受到振动或声扰动后，经过该点的两个传播方向相反的脉冲均会受到影响，由于光纤双折射效应，每一个激光脉冲信号都可分为两个振动方向垂直的线偏振分量，且两个分量之间相位差与光纤微弯、变形及其它扰动影响相关，但由于两个振动分量相互垂直，因此通过旋转其中一个偏振分量振动方向，使得两个分量振动方向平行，可使得两个分量产生叠加干涉，并通过解析干涉信号相位差变化测得外界扰动。基于此，第一脉冲激光器1所发出所有激光脉冲经第一偏振分束器5后分为两个垂直振动分量，其中一个分量经第一光纤偏振控制器6旋转振动方向后和另一分量在第一光纤偏振耦合器7处干涉；而第二脉冲激光器13所发出所有激光脉冲经第二偏振分束器14后分为两个垂直振动分量，其中一个分量经第二光纤偏振控制器15旋转振动方向后和另一分量在第二光纤偏振耦合器16处产生干涉。由于此干涉为同一信号两个偏振态之间的干涉，因此对光脉冲信号相干性要求大为降低，甚至可以在传输极长距离后仍然可以相干，以此实现超长距离分布式传感。此外，由于第一光纤偏振控制器6和第二光纤偏振控制器15导致两个分量间增加额外光程，引起两个分量脉冲光产生时延差，因此可分别通过第一补偿光纤7和第二补偿光纤17消除时延差。经光电探测和采集后，通过第一相干相位解析单元11和第二相干相位解析单元20分别对第一光纤偏振耦合器7和第二光纤偏振耦合器16处的两组干涉信号相位与强度变化进行同步解析，在此基础上分别通过相关性分析单元12和时延判定定位22对两组相位变化的相关性和时间延迟进行分析对比以实现对扰动定位，最后通过振动特征解析23对不同脉冲间干涉信号相位变化频谱等信号特征进行分析识别，以确定外界扰动类型与特征。

本实施例提供一种基于分布式传感器的监测方法，包括：

采用第一脉冲激光器1，使经过传感单元3的脉冲激光在第一偏振分束器5、第一光纤偏振控制器6、第一偏振光纤耦合器7和第一补偿光纤8的作用下产生第一相干光；

采用第二脉冲激光器13，使经过传感单元3的脉冲激光在第二偏振分束器14、第二光纤偏振控制器15、第二偏振光纤耦合器16、第二补偿光纤17的作用下产生第二相干光；

对第一相干光和第二相干光进行相位解析；

对经相位解析的两组相干光进行相关性分析和时间延迟分析，以实现对扰动定位。

通过分别分析两个光电探测器就收到传感光纤两端透射的光信号扰动特征的互相关性，对是否为同一扰动信号进行分析识别和确认，在此基础上通过对两个信号的时间延迟量进行分析，以此确认扰动发生位置。

本实施例的监测方法，还包括如下步骤：对不同脉冲间干涉信号相位变化频谱信号特征进行分析识别，以识别外界扰动源。

对不同脉冲间干涉信号相位变化频谱信号特征进行分析识别的方法是：

对一系列脉冲相干光信号相位依次进行解调；

分别通过相邻和等间隔脉冲间信号进行差分获取相位信号的变化规律与趋势，并对相位信号变化的频谱特征进行分析；

将分析得到的频谱特征与设定的扰动类型进行匹配，得出扰动源的类型。设定的扰动源例如挖掘、车辆驶过、地震、结构开裂 、滑坡、落石等。

Claims (10)

1.一种基于分布式传感器的监测***，其特征在于，包括：

传感单元（3），内置有光纤传感器；

第一相干光产生单元，包括第一脉冲激光器（1）、第一偏振分束器（5）、第一光纤偏振控制器（6）、第一偏振光纤耦合器（7）、第一补偿光纤（8）；所述第一脉冲激光器（1）产生的脉冲光信号进入所述传感单元（3）后进入所述第一偏振分束器（5）；所述第一偏振分束器（5）将进入的光信号分为两路振动方向相互垂直的线偏振光输出，第一路进入第一光纤偏振控制器（6）进行振动方向的旋转与第二路的振动方向平行，第二路进入第一补偿光纤（8）进行相位补偿与第一路的相位相同；经所述第一光纤偏振控制器（6）旋转的第一路输出和经第一补偿光纤（8）补偿的第二路输出进入第一偏振光纤耦合器（7）进行耦合形成第一相干光；

第一相干相位解析单元（11），对所述第一相干光产生单元产生的第一相干光进行相位解析；

第二相干光产生单元，包括第二脉冲激光器（13）、第二偏振分束器（14）、第二光纤偏振控制器（15）、第二偏振光纤耦合器（16）、第二补偿光纤（17）；所述第二脉冲激光器（13）产生的脉冲光信号进入所述传感单元（3）后进入所述第二偏振分束器（14）；所述第二偏振分束器（14）将进入的光信号分为两路振动方向相互垂直的线偏振光输出，第一路进入第二光纤偏振控制器（15）进行振动方向的旋转与第二路的振动方向平行，第二路进入第二补偿光纤（17）进行相位补偿与第一路的相位相同；经所述第二光纤偏振控制器（15）旋转的第一路输出和经第二补偿光纤（17）补偿的第二路输出进入第二偏振光纤耦合器（16）进行耦合形成第二相干光；

第二相干相位解析单元（20），对所述第二相干光产生单元产生的第二相干光进行相位解析；

相关性分析单元（12），对第一相干相位解析单元（11）和第二相干相位解析单元（20）的分析结果进行相关性分析。

2.根据权利要求1所述的监测***，其特征在于，所述监测***还包括：

时延判定定位单元（22）和振动特征解析单元（23）；时延判定定位单元（22）对两组相位变化的相关性和时间延迟进行分析对比以实现对扰动定位；振动特征解析单元（23）对不同脉冲间干涉信号相位变化频谱等信号特征进行分析识别，以确定外界扰动类型与特征。

3.根据权利要求1所述的监测***，其特征在于，在所述传感单元（3）的前端连接有第一光纤耦合器（2），在所述传感单元（3）的后端连接有第二光纤耦合器（4）；所述第一脉冲激光器1的输出经所述第一光纤耦合器（2）进入所述传感光缆（3）并从第二光纤耦合器（4）输出；所述第二脉冲激光器（13）的输出经所述第二光纤耦合器（4）进入所述传感单元（3）并从第一光纤耦合器（2）输出。

4.根据权利要求1所述的监测***，其特征在于，第一相干光产生单元还包括第一光电探测器（9）和第一数据采集单元（10）；第一光电探测器（9）将第一偏振光纤耦合器（7）产生的第一相干光转化为电信号后，进入第一数据采集单元（10）。

5.根据权利要求1所述的监测***，其特征在于，第二相干光产生单元还包括第二光电探测器（18）和第二数据采集单元（19）；第二光电探测器（18）将第二偏振光纤耦合器（16）产生的第二相干光转化为电信号后，进入第二数据采集单元（19）。

6.根据权利要求1所述的监测***，其特征在于，所述传感单元（3）为传感光缆。

7.一种基于分布式传感器的监测方法，其特征在于，包括：

采用第一脉冲激光器（1），使经过传感单元（3）的脉冲激光在第一偏振分束器（5）、第一光纤偏振控制器（6）、第一偏振光纤耦合器（7）和第一补偿光纤（8）的作用下产生第一相干光；

采用第二脉冲激光器（13），使经过传感单元（3）的脉冲激光在第二偏振分束器（14）、第二光纤偏振控制器（15）、第二偏振光纤耦合器（16）、第二补偿光纤（17）的作用下产生第二相干光；

对第一相干光和第二相干光进行相位解析；

对经相位解析的两组相干光进行相关性分析和时间延迟分析，以实现对扰动定位。

8.根据权利要求7所述的监测方法，其特征在于，对经相位解析的两组相干光进行相关性分析和时间延迟分析，以实现对扰动定位的方法是：通过分别分析两个光电探测器就收到传感光纤两端透射的光信号扰动特征的互相关性，对是否为同一扰动信号进行分析识别和确认，在此基础上通过对两个信号的时间延迟量进行分析，以此确认扰动发生位置。

9.根据权利要求7所述的监测方法，其特征在于，还包括：

对不同脉冲间干涉信号相位变化频谱信号特征进行分析识别，以识别外界扰动源。

10.根据权利要求9所述的监测方法，其特征在于，对不同脉冲间干涉信号相位变化频谱信号特征进行分析识别的方法是：

对一系列脉冲相干光信号相位依次进行解调；

分别通过相邻和等间隔脉冲间信号进行差分获取相位信号的变化规律与趋势，并对相位信号变化的频谱特征进行分析；

将分析得到的频谱特征与设定的扰动类型进行匹配，得出扰动源的类型。

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