CN1862239A - 分布式光纤振动传感方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于双环马赫－泽德干涉的分布式光纤振动传感方法及装置。该方法是：激光器(1)发出直流单色光波，通过光纤耦合器分别沿正向和反向耦合进入两根传感光纤(7、8)，形成正、反向环路马赫－泽德干涉光信号；当在光纤沿线受到外界振动信号扰动时，将引起光纤中传输的光波相位变化，形成基于双环马赫－泽德干涉的光信号相位调制传感信号，分别通过光纤耦合器及光环行器送至光电探测器，检测干涉光信号的光强变化，从而实现分布式光纤振动传感。该装置有基于双环马赫－泽德干涉仪的分布式光纤振动区域周界和边界两种传感装置。本发明可以实时监测区域周界的振动事件，具有很强的灵敏度和定位精度，而且抗干扰能力较强，可靠性较高。

Description

分布式光纤振动传感方法及装置

技术领域

本发明涉及传感技术领域，特别是针对区域周界以及线型边界的振动信号的在线实时监测、定位方法及监测装置，其为基于双环马赫-泽德干涉的分布式光纤振动传感方法及装置。

背景技术

周界安全防范、边境防范、地震监测以及海啸预警等传感报警***在保障人民生活安定、保护人们生命财产安全方面发挥着巨大的作用，而这类***的本质在于对振动信号的检测和分析。随着光器件和光通信的发展，光纤传感技术越来越多地应用于传感领域，逐步取代一些传统的电类传感器。由于光纤的本质特性对振动、应力及声波等信号敏感，基于光纤的振动传感技术尤其是分布式传感受到各国科技工作的重视。

目前国内外已有多种基于光纤的分布式振动传感技术和方法，但主要是基于OTDR(Optical Time Domain Reflectometry)技术和多路复用(如时分复用、波分复用、频分复用等)技术。OTDR方法实质是基于光雷达技术，通过监测光纤中产生的背向瑞利散射和菲涅尔反射信号来判断干扰发生并定位，由于采用的输入光是1ns左右的窄光脉冲，因而该技术只能监测静态损耗和变化缓慢的扰动，不能实现振动的实时监测，而且灵敏度较低。多路复用方法实质是一种将多个“点式”传感器结合使用的准分布传感技术，并没有实现真正意义上的分布传感，存在监测盲区，且成本较高。近几年来，出现了一些基于干涉原理的分布式传感新技术，例如：UDD ERIC等人申请的美国发明专利“Distributed sagnac sensorsystems(专利号US5402231)”，该专利利用工作于不同波长的两个Sagnac干涉仪结合实现分布式振动传感，这种传感器由两个不同波长的光源、两个探测器和两个Sagnac干涉仪构成，两个Sagnac环重叠于同一个光纤环，两个干涉仪的输出之比和之和分别决定振动信号的位置和幅度。S.J.Spammer等人在文章“Merged Sagnac-Michelson interferometer fordistributed disturbance detection”，J.Lightwave Technol.，vol.15，p.972-976中，介绍了一种基于Sagnac和Michelson两个干涉仪结合实现分布式监测的技术，同样的利用两个干涉仪的输出之比确定干扰发生位置。这些类型的分布式传感器都基于Sagnac干涉仪，对作用于光纤的振动信号的响应幅度决定于其处于光纤环的位置，越接近光纤环的中心，响应幅度越小，因此***线性度较差，灵敏度受限。另外，Sagnac和Michelson干涉仪对光源相干性的要求是一对矛盾，因此对光源要求较高。同时，传感监测距离受到限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有的分布式光纤传感技术存在的问题，提供一种基于双环马赫-泽德干涉的分布式光纤振动传感方法及装置，该方法具有很高的振动检测灵敏度和振动定位精度，该装置容易实现、成本较低，而且运行可靠。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供一种基于双环马赫-泽德干涉仪的光信号相位调制传感方法，具体是：激光器发出直流单色光波，通过2×2光纤耦合器分别耦合进入两只光环行器，再通过两个3×3光纤耦合器分别沿正向(顺时针)和反向(逆时针)耦合进入两根传感光纤，其中沿正向传播的光波在一个光纤耦合器处汇集产生正向环路马赫-泽德干涉光信号；沿反向传播的光波在另一个光纤耦合器处汇集产生反向环路马赫-泽德干涉光信号。当在光纤沿线受到外界振动信号扰动时，将引起光纤中传输的光波相位变化，形成基于双环马赫-泽德干涉的光信号相位调制传感信号，分别通过两个3×3光纤耦合器及两个光环行器送至六只光电探测器，检测干涉光信号的光强变化，即可检测出传感光纤沿线所发生的振动事件，从而实现分布式光纤振动传感。

本发明提供一种基于双环马赫-泽德干涉仪的分布式光纤振动区域周界传感装置，其包括激光器、光纤耦合器，两个光环行器、光纤耦合器和传感光纤，以及六只光电探测器，它们依次光路连接。该装置中，两根单模传感光纤沿监测区域周界铺设，六只光电探测器的输出电信号经高速数据采集卡、输入计算机进行数据分析处理和振动事件监测报警管理。

本发明提供一种基于双环马赫-泽德干涉仪的分布式光纤振动线型边界传感装置，其在上述分布式光纤振动区域周界传感装置的基础上，在远端光纤耦合器与光环行器及三个光电探测器之间增加三根传导光纤。该装置中：两根单模传感光纤沿监测线型边界铺设，经光环行器输出的反向传输光波通过传导光纤送至远端光纤耦合器；远端光纤耦合器的光干涉信号由两根传导光纤直接送至三个光电探测器。

本发明与现有技术相比，具有以下主要的优点：

其一.采用了光纤传感技术，以光纤作为室外无源传感元件，因而耐压、耐腐蚀、抗电磁干扰，避免了有源传感器对使用场合和环境的限制，扩大了应用范围。

其二.基于双环马赫-泽德干涉原理，传感器灵敏度高，***结构简单。

其三.采用直流光定位技术，***结构简单，可真正实现无盲区的分布式传感，监测范围广、定位精度高、实时性高、响应带宽宽，完全满足各种振动信号的要求。

其四.采用无源信号解调技术，快速、准确、动态范围大，不仅适于微振动信号，也适于强振动信号，为振动信号的幅度及频率分析提供依据。

其五.采用多点定位技术，解决同时出现多点振动的情况，满足实际应用环境的要求。

其六.本传感装置中所采用的各种光电元器件均采用现有的各种元器件的工业品，可以在正常的工业环境中安全、可靠的工作，而且成本低，容易实现。

本传感装置不但可以广泛应用于学校、住宅小区、政府机关、军队、银行等场所的区域周界防范，也可用于输油管道、国防边境线以及地震监测和海啸预警。

附图说明

图1是本发明的区域周界传感***结构示意图。图中：1.激光器；2.光纤耦合器(2×2)；3、4.光环行器；5、6.光纤耦合器(3×3)；7、8.传感光纤；9、10、11、12、13、14光电探测器；15.高速数据采集卡；16.计算机。

图2是本发明的线型边界传感***结构示意图。图中：1.激光器；2.光纤耦合器(2×2)；3、4.光环行器；5、6.光纤耦合器(3×3)；7、8.传感光纤；9、10、11、12、13、14光电探测器；15.高速数据采集卡；16.计算机；17、18、19.传导光纤。

图3是本发明的直流定位技术原理示意图。

图4是本发明的解调技术原理示意图。

图5是本发明的多点振动定位技术原理示意图。

具体实施方式

本发明提供了基于双环马赫-泽德干涉仪分布式光纤振动传感方法及其装置。

一.基于双环马赫-泽德干涉的分布式光纤振动传感方法

1.本方法包括以下步骤：

激光器1发出直流单色光波，通过2×2光纤耦合器2分别耦合进入两只光环行器3、4，再通过两个3×3光纤耦合器5、6分别沿正向和反向耦合进入两根传感光纤7、8，其中：沿正向传播的光波在光纤耦合器6处汇集产生正向环路马赫-泽德干涉光信号，沿反向传播的光波在光纤耦合器5处汇集产生反向环路马赫-泽德干涉光信号。当在光纤沿线受到外界振动信号扰动时，将引起光纤中传输的光波相位变化，形成基于双环马赫-泽德干涉的光信号相位调制传感信号，分别通过3×3光纤耦合器5、6及光环行器3、4送至光电探测器9、10、11、12、13和14，检测干涉光信号的光强变化，即可检测出传感光纤沿线所发生的振动事件，从而实现分布式光纤振动传感。

2.在上述实时监测过程中，实现对振动事件发生位置的定位方法：

1)本发明双环马赫-泽德干涉仪的技术原理如图1所示：采用连续激光器做光源，激光器1发出的直流光束通过光纤环行器分别从马赫-泽德干涉仪的两端输入，在干涉仪中产生正、反相向传输的两路直流光，从而使单个干涉仪等价于传播路径不同的两个干涉仪。当传感光纤某处有振动发生时，在干涉仪中传输的正反向光波同时受到相同的相位调制，携带相同振动信息的光信号继续沿各自的方向向前传播，由于传输路径不同，两路光波到达监测终端的时间不同，测量出两路信号波形之间的时间差即可得到振动发生的位置。

利用本方法可实现对振动信号的波形恢复。汇合耦合器的其中一个输出端口与光纤环形器的一个输入端口相连，利用汇合耦合器的另外两个输出端口和光纤环形器的相应输出端口的三路输出光实现振动信号解调。采用这种结构，可以充分利用3×3耦合器的三路输出光，实现灵敏度高、动态范围大的信号解调。

在传感光纤沿线的多点同时出现不同频率的振动信号时，解调出的信号是多点信号的叠加，其步骤包括：首先分别解调监测终端接收到的两路信号，即将长程马赫-泽德干涉仪中传输的正反向光波信号，利用汇合耦合器的另外两个输出端口和光纤环形器的相应输出端口的三路输出光实现振动信号解调方法分别解调，再将每路解调信号进行频谱分析得到所包含的频率成分，然后通过自适应滤波分离出各频段信号，最后将两路解调信号中分离出的相同频段的信号分别进行互相关运算，得到每个频率的振动信号所对应的时间差，从而获得各点振动发生的位置信息。

2)本发明的事件定位技术原理如图3所示：S为传感光纤的起点，T为传感光纤的末端，P为振动发生位置。其中S到T之间的光纤总长为L，L的长度已知，光波在光纤中的传播速度V已知。设S和P两点之间的光纤长度为Z，则P至T之间的光纤长度为L-Z。当传感光纤在P点发生一振动事件，传感光纤中顺时针方向(CW)传播和逆时针方向(CCW)传播的两束直流光波同时受到相同的相位调制，并继续沿各自的方向向前传播：CW光的传输路径为P-T-探测器，经过距离L_CW＝L-Z；CCW光的传输路径为P-S-探测器，经过距离L_ccw＝Z。由于传输路径不同，两束光波到达监测终端的时间不同，两路信号波形之间的时间差ΔT＝(L-2Z)/V，测量出ΔT即可利用公式Z＝(L-ΔT·V)/2精确计算出振动发生位置。

3)本发明用于从光电探测器的输出信号中恢复原始振动信号的解调技术原理如图4所示：传感光纤7、8中存在正反相向传输的两束光波，这里只针对其中的反向(逆时针)传输光作以说明：输入光波通过3×3光纤耦合器6等功率分成两束光分别进入传感光纤7、8中，反向传输至3×3光纤耦合器5处汇合，光纤耦合器5的两路输出光信号分别进入光电探测器12和14进行光电转换及信号放大，另一路输出光信号经光环行器3进入光电探测器13进行光电转换及信号放大。光电探测器12、13、14的输出电信号送入高速数据采集卡15，进行A/D转换后，经过计算机16的数据处理完成信号解调。其中数据处理按照下面算法实现：

根据对称3×3耦合器输出相位的互补对称特性可知，在理想分光比的情况下光电探测器12、13、14的输出分别为：

      U_k＝D+Ecos[(t)+(k-1)×2π/3](k＝0，1，2)        (1)

其中，D、E是与耦合器有关的常数；k代表光电探测器12、13、14的输出序号；(t)为振动信号引起的相位变化，正比于振动信号；因：

$\mathrm{Sum}=\underset{k=0}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{U}_k=3D---\left(2\right)$

所以：

记：

则：

因为：

故(4)式各路信号求和得到：

(3)式各路信号求和得到：

(6)和(7)式相除即可消除E的影响：

(8)式经过积分，即可得到正比于振动信号的相位变化信号：

4)本发明解决传感光纤沿线多点同时发生振动事件时的定位问题的多点振动定位技术原理如图5所示：当传感光纤沿线多点同时收到非同频振动信号影响时，正向和反向输出光波分别经过A/D转换和解调后，恢复的信号是多个振动信号的叠加。通过快速傅立叶变换进行频谱分析，得到包含振动信号分量的个数n(n≤8)和各个频率f_i(i＝1，2，L n)，根据频谱分析结果自适应地设计n个中心频率分别为f_i的带通数字滤波器。每路解调信号都分别通过这n个数字滤波器，得到各频率的振动分量。取两路信号相同频率的振动分量做互相关运算，即可得到该振动分量的位置信息。从而可以获得多点振动时每个振动事件的发生位置。

二.基于双环马赫-泽德干涉的分布式光纤振动区域周界传感装置

本装置的结构如图1所示：包括激光器1，光纤耦合器2，光环行器3、4，光纤耦合器5、6，传感光纤7、8，以及光电探测器9、10、11、12、13和14，依次光路连接。

本装置的工作原理是：两根单模传感光纤7、8沿监测区域周界铺设，激光器1发出直流单色光波，通过2×2光纤耦合器2分别耦合进入两只光环行器3、4，再通过两个3×3光纤耦合器5、6分别沿正向(顺时针)和反向(逆时针)耦合进入两根传感光纤7、8，其中沿正向传播的光波在光纤耦合器6处汇集产生正向环路马赫-泽德干涉光信号；沿反向传播的光波在光纤耦合器5处汇集产生反向环路马赫-泽德干涉光信号。当在光纤沿线受到外界振动信号扰动时，将引起光纤中传输的光波相位变化，形成基于双环马赫-泽德干涉的光信号相位调制传感信号，分别通过3×3光纤耦合器5、6及光环行器3、4送至光电探测器9、10、11、12、13和14，检测干涉光信号的光强变化，其输出电信号经高速数据采集卡15输入计算机16进行高速数据采集，数字信号处理，再通过分析软件进行数字信号处理和数据分析，即可检测出传感光纤沿线所发生的振动事件，从而实现分布式光纤区域周界振动事件监测和报警管理。

三.基于双环马赫-泽德干涉仪的分布式光纤振动线型边界传感装置

本装置的结构如图2所示：其在图1所示分布式光纤振动区域周界传感装置的基础上，在远端光纤耦合器6与光环行器4及光电探测器12、13、14之间增加三根传导光纤17、18、19。本装置的工作原理是：

两根单模传感光纤7、8沿监测线型边界铺设，激光器1发出直流单色光波，通过2×2光纤耦合器2分别耦合进入两只光环行器3、4，其中光环行器3输出光波通过近端3×3光纤耦合器5沿正向耦合进入传感光纤7、8，并在远端3×3光纤耦合器6处汇集产生正向马赫-泽德干涉光信号；光环行器5输出光波通过传导光纤18送至远端3×3光纤耦合器5沿反向耦合进入两根传感光纤7、8，并在近端3×3光纤耦合器4处汇集产生反向马赫-泽德干涉光信号。当在光纤沿线受到外界振动信号扰动时，将引起光纤中传输的光波相位变化，形成基于双向马赫-泽德干涉的光信号相位调制传感信号，分别送至光电探测器9、10、11、12、13和14，检测干涉光信号的光强变化，其输出电信号经高速数据采集卡15输入计算机16进行高速数据采集，数字信号处理，再通过分析软件进行数字信号处理和数据分析，即可检测出传感光纤沿线所发生的振动事件，从而实现分布式光纤线型边界振动事件监测和报警管理。

上述实施方式仅限于对本发明的进一步说明，并不构成对本发明技术方案的限定。

Claims (6)

1.一种分布式光纤振动传感方法，其特征是基于双环马赫-泽德干涉仪的光信号相位调制传感：激光器(1)发出直流单色光波，通过2×2光纤耦合器(2)分别耦合进入两只光环行器(3、4)，再通过两个3×3光纤耦合器(5、6)分别沿正向和反向耦合进入两根传感光纤(7、8)，其中沿正向传播的光波在光纤耦合器(6)处汇集产生正向环路马赫-泽德干涉光信号；沿反向传播的光波在光纤耦合器(5)处汇集产生反向环路马赫-泽德干涉光信号；当在光纤沿线受到外界振动信号扰动时，将引起光纤中传输的光波相位变化，形成基于双环马赫-泽德干涉的光信号相位调制传感信号，分别通过3×3光纤耦合器(5、6)及光环行器(3、4)送至光电探测器(9、10、11、12、13、14)，检测干涉光信号的光强变化，即可检测出传感光纤沿线所发生的振动事件，从而实现分布式光纤振动传感。

2.根据权利要求1所述的分布式光纤振动传感方法，其特征是基于直流光的动态实时定位：激光器(1)发出的直流光波分别通过正向和反向马赫-泽德干涉环路传输，等价于传播路径不同的两个干涉仪；当传感光纤某处有振动发生时，在干涉仪中传输的正向和反向传输光波同时受到相同的相位调制，携带相同振动信息的光信号继续沿各自的方向向前传播，由于传输路径不同，两路光波到达监测终端的时间不同，测量出两路信号波形之间的时间差就可得到振动发生的位置。

3.根据权利要求1所述的分布式光纤振动传感方法，其特征是基于光环行器和3×3光纤耦合器的信号解调：3×3光纤耦合器(5、6)输出的三路干涉光信号的一路经光环行器到达光电探测器(10、13)，另外两路干涉光信号直接到达光电探测器(9、11；12、14)，利用三路干涉光信号实现的高高灵敏度和大动态范围的振动信号解调。

4.根据权利要求1所述的分布式光纤振动传感方法，其特征是基于自适应滤波和互相关算法的多点定位：当传感光纤沿线的多点同时出现不同频率的振动信号时，解调出的信号是多点信号的叠加；将每路解调信号进行频谱分析得到所包含的频率成分，然后通过自适应滤波分离出各频段信号，最后将两路解调信号中分离出的相同频段的信号分别进行互相关运算，得到每个频率的振动信号所对应的时间差，从而获得各点振动的位置信息。

5.一种实现权利要求1、2、3和4所述方法的分布式光纤振动传感装置，其包括激光器(1)，光纤耦合器(2)，光环行器(3、4)，光纤耦合器(5、6)，传感光纤(7、8)，以及光电探测器(9、10、11、12、13、14)，依次光路连接，其特征在于所述的装置是一种基于双环马赫-泽德干涉仪的分布式光纤振动区域周界传感装置，该装置中：两根单模传感光纤(7、8)沿监测区域周界铺设，六只光电探测器的输出电信号经高速数据采集卡(15)输入计算机(16)进行数据分析处理和振动事件监测报警管理。

6.一种实现权利要求1、2、3和4所述方法的分布式光纤振动传感装置，其包括激光器(1)、光纤耦合器(2)、光环行器(3、4)、光纤耦合器(5、6)、传感光纤(7、8)、以及光电探测器(9、10、11、12、13、14)，依次光路连接，在光纤耦合器(6)与光环行器(4)及光电探测器(12、13、14)之间设置三根传导光纤(17、18、19)，其特征在于所述的装置是一种基于双环马赫-泽德干涉仪的分布式光纤振动线型边界传感装置，该装置中：两根单模传感光纤(7、8)沿监测边界线型铺设，经光环行器(4)输出的反向传输光波通过传导光纤(18)送至远端光纤耦合器(6)；远端光纤耦合器(6)的光干涉信号由传导光纤(17、19)直接送至光电探测器(12、13、14)。

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