本發(fā)明涉及光學(xué)工程、光纖光學(xué)和信號處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于多芯光纜的光纖分布式管道振動信號檢測方法。

背景技術(shù)：

目前，在長距離管線受到的振動信號檢測方面，傳統(tǒng)的分布式傳感系統(tǒng)存在如下問題：

1)傳統(tǒng)的分布式傳感系統(tǒng)由于其信噪比以及靈敏度有限，且管道上振動有效信號經(jīng)過空氣傳遞和介質(zhì)吸收，單芯光纖探測得到的信號十分微弱，導(dǎo)致檢測有效信號非常困難。

2)傳統(tǒng)的干涉型分布式傳感技術(shù)由于基于相位感測原理，該類技術(shù)普遍存在系統(tǒng)信噪比以及靈敏度有限、定位距離短、需屏蔽光纖、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜、偏振態(tài)衰落等問題，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的傳感性能，使傳感系統(tǒng)定位精度較低。

3)傳統(tǒng)的分布式傳感系統(tǒng)只能實現(xiàn)單一位置的測量定位并不能實現(xiàn)多點定位。在實際工程應(yīng)用中，需要監(jiān)測的距離可達(dá)到幾千米甚至幾十、上百千米，常會同時出現(xiàn)多點的入侵?jǐn)_動，因此分布式光纖振動傳感系統(tǒng)能夠測量和定位多點振動的分布式傳感系統(tǒng)是具有重要意義。

4)傳統(tǒng)分布式傳感系統(tǒng)的檢測信號受到很多噪聲源的影響，而且是隨機(jī)噪聲或者是統(tǒng)計噪聲。在一些需要高精確度、高靈敏度的應(yīng)用場景下，傳統(tǒng)分布式傳感系統(tǒng)的低信噪比會極大的降低該傳感系統(tǒng)的價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計合理、使用方便的一種基于多芯光纜的光纖分布式管道振動信號檢測方法，它通過采用傳感光纜中多根光纖芯的信號累積，實現(xiàn)對相同或相鄰位置處接收振動(聲波)信號的疊加處理，在保持系統(tǒng)方案硬件組成和系統(tǒng)成本不增加的同時，極大提高了系統(tǒng)信噪比，增強(qiáng)了在管道上振動關(guān)系檢測中的靈敏度，以獲取和增強(qiáng)管道上的振動相關(guān)時頻域信息。

本發(fā)明所述的一種基于多芯光纜的光纖分布式管道振動信號檢測方法，它采用如下的方法步驟：

a)窄線寬激光器經(jīng)高消光比的電光調(diào)制器發(fā)射脈沖光信號，光信號進(jìn)入由多芯光纜構(gòu)成傳感裝置的光纜中；

b)接收經(jīng)傳感裝置反射回來的光信號，光信號是每一根光纖芯在受到外界聲波信號擾動的某個位置反射回來的后向瑞利散射光；微波信號源同步觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)入信號處理裝置進(jìn)行進(jìn)一步的信號處理；

c)在處理采集信號裝置中，進(jìn)行信號處理以獲取到光纖上不同位置受到管線上作用的振動和聲波信號中所包含的時頻域信息。

進(jìn)一步地，所述步驟a)中，從光源經(jīng)高消光比的電光調(diào)制器發(fā)射光信號，脈沖光信號經(jīng)過摻鉺光纖放大器放大以及濾波器抑制噪聲后進(jìn)入由所述多芯光纜構(gòu)成傳感裝置的光纜中。

進(jìn)一步地，所述步驟b)中，從傳感裝置反射回來的光信號經(jīng)運(yùn)算放大器放大以及濾波器消除后向散射噪聲后進(jìn)入探測器，反射光信號是每一根光纖芯在受到外界聲波信號擾動的某個位置反射回來的后向瑞利散射光。

進(jìn)一步地，所述步驟b)中，數(shù)據(jù)采集卡采集探測器的輸出電信號，并且由微波信號源同步觸發(fā)采集，微波信號源由獨(dú)立的軟件控制。

進(jìn)一步地，所述步驟c)中，采用FPGA開發(fā)板首先經(jīng)過累加器對信號按照周期進(jìn)行同步疊加，再通過滑窗積累器對疊加后的信號進(jìn)行預(yù)處理，最后經(jīng)過三階累積量運(yùn)算器進(jìn)一步提高檢測性能,通過處理采集信號以獲取到光纖上不同位置受到管線上作用的振動和聲波信號中所包含的時頻域信息。

進(jìn)一步地，所述步驟b)中，傳感裝置是由一根多芯光纜中的多根平行傳感纖芯組成，多根平行光纖芯之間采用相鄰纖芯首尾連接的方式，多根纖芯應(yīng)在光纜骨架支撐下保持平行分布，纖芯數(shù)為2～8芯。

進(jìn)一步地，所述窄線寬激光器為中心波長1550nm的窄線寬激光器。

采用上述結(jié)構(gòu)后，本發(fā)明有益效果為：本發(fā)明所述的一種基于多芯光纜的光纖分布式管道振動信號檢測方法，它通過采用傳感光纜中多根光纖芯的信號累積，實現(xiàn)對相同或相鄰位置處接收振動(聲波)信號的疊加處理，在保持系統(tǒng)方案硬件組成和系統(tǒng)成本不增加的同時，極大提高了系統(tǒng)信噪比，增強(qiáng)了在管道上振動關(guān)系檢測中的靈敏度，以獲取和增強(qiáng)管道上的振動相關(guān)時頻域信息。具有系統(tǒng)信噪比高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單，在光纖分布式振動傳感領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景等優(yōu)點。

【附圖說明】

此處所說明的附圖是用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定，在附圖中：

圖1是本發(fā)明的分布式聲波傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的信號疊加過程示意圖；

圖3是本發(fā)明的等效多脈沖系統(tǒng)示意圖；

圖4是本發(fā)明的信號疊加結(jié)果示意圖；

圖5是本發(fā)明的系統(tǒng)硬件示意圖；

圖6本發(fā)明的信號處理過程示意圖；

附圖標(biāo)記說明：

1、光發(fā)射接收模塊；2、光纖芯；3、接入光纜；4、傳感光纜；5、傳感光纖；6、平行光纖芯連接處；7、長距離管線；8、聲波信號；9、脈沖光信號。

【具體實施方式】

下面將結(jié)合附圖以及具體實施例來詳細(xì)說明本發(fā)明，其中的示意性實施例以及說明僅用來解釋本發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。

如圖1所示，本具體實施方式所述的一種基于多芯光纜的光纖分布式管道振動信號檢測方法，它采用如下的方法步驟：

a)窄線寬激光器經(jīng)高消光比的電光調(diào)制器發(fā)射脈沖光信號，光信號進(jìn)入由多芯光纜構(gòu)成傳感裝置的光纜中；

b)接收經(jīng)傳感裝置反射回來的光信號，光信號是每一根光纖芯在受到外界聲波信號擾動的某個位置反射回來的后向瑞利散射光；微波信號源同步觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)入信號處理裝置進(jìn)行進(jìn)一步的信號處理；

c)在處理采集信號裝置中，進(jìn)行信號處理以獲取到光纖上不同位置受到管線上作用的振動和聲波信號中所包含的時頻域信息。

所述步驟a)中，從光源經(jīng)高消光比的電光調(diào)制器發(fā)射光信號，脈沖光信號經(jīng)過摻鉺光纖放大器放大以及濾波器抑制噪聲后進(jìn)入由所述多芯光纜構(gòu)成傳感裝置的光纜中。

所述步驟b)中，從傳感裝置反射回來的光信號經(jīng)運(yùn)算放大器放大以及濾波器消除后向散射噪聲后進(jìn)入探測器，反射光信號是每一根光纖芯在受到外界聲波信號擾動的某個位置反射回來的后向瑞利散射光。

所述步驟b)中，數(shù)據(jù)采集卡采集探測器的輸出電信號，并且由微波信號源同步觸發(fā)采集，微波信號源由獨(dú)立的軟件控制。

所述步驟c)中，采用FPGA開發(fā)板首先經(jīng)過累加器對信號按照周期進(jìn)行同步疊加，再通過滑窗積累器對疊加后的信號進(jìn)行預(yù)處理，最后經(jīng)過三階累積量運(yùn)算器進(jìn)一步提高檢測性能,通過處理采集信號以獲取到光纖上不同位置受到管線上作用的振動和聲波信號中所包含的時頻域信息。

所述步驟b)中，傳感裝置是由一根多芯光纜中的多根平行傳感纖芯組成，多根平行光纖芯之間采用相鄰纖芯首尾連接的方式，多根纖芯應(yīng)在光纜骨架支撐下保持平行分布，纖芯數(shù)為2～8芯。

所述窄線寬激光器為中心波長1550nm的窄線寬激光器。

本發(fā)明中，如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明的分布式聲波傳感系統(tǒng)主要由光發(fā)射接收模塊1和傳感光纜4組成。光發(fā)射接收模塊1是由光源和光接收機(jī)組成。光纜部分由接入光纜3和傳感光纜4組成。接入光纜3可以是任何一種能夠?qū)⒐饷}沖從光源傳輸?shù)絺鞲泄饫|中去的光纜。傳感光纜4是由多根平行光纖芯2組成，平行光纖芯連接處6采用平行光纖芯2首尾相連結(jié)構(gòu)連接。在傳感光纜4末端，將傳感光纜4用一根長度為600米的接入光纜3連接至光發(fā)射接收模塊1。光源和光接收機(jī)分別用來發(fā)射光脈沖到光纜中和探測從光纜多個位置反射回來的后向散射光。

如圖1、圖4所示，本發(fā)明的光纜被放置在靠近發(fā)射聲波信號8的噪聲源的位置，聲波信號8傳播至光纜時會導(dǎo)致傳感裝置的形變。形變會暫時的改變光纜的后向散射光的性質(zhì)。因為光纜的突然形變，光接收機(jī)會探測出后向散射光性質(zhì)的改變，以及隨著光信號和后向散射光沿著光纜的傳輸，形變的位置也將被探測到。特別地，通過識別和接收來自某段光纖的后向散射光信號，可以檢測出此段光纖的聲波(振動)信息。在本發(fā)明中，多根光纖的相同或相鄰位置都會被同時執(zhí)行檢測，每段光纖都包含了振動位置的相關(guān)時頻域信息。

傳感裝置是由一根多芯光纜中的多根平行傳感纖芯組成，多根平行光纖芯之間采用相鄰纖芯首尾連接的方式，多根纖芯應(yīng)在光纜骨架支撐下保持平行分布，纖芯數(shù)為2～8芯。

如圖2所示，圖2中的虛線框就是一個典型的形變位置，而被虛線框圈住的就是典型的多根平行光纖結(jié)構(gòu)。振動位置對應(yīng)的每段光纖反射的瑞利散射光信號經(jīng)傳感光纖全部匯聚在光接收機(jī)中。

如圖1、圖5和圖6所示，從中心波長1550nm的窄線寬光源輸出連續(xù)光，經(jīng)高消光比的電光調(diào)制器調(diào)制為脈沖光信號9，電光調(diào)制器由微波信號源驅(qū)動(TTL信號)，重復(fù)頻率為1kHz，脈寬為200ns(占空比為0.02％)，對應(yīng)了20m的空間分辨率。脈沖光信號9經(jīng)過摻鉺光纖放大器放大以及濾波器抑制噪聲后通過環(huán)形器的1端口耦合進(jìn)由多芯光纜構(gòu)成傳感裝置的光纜中。從傳感裝置反射回來的光信號經(jīng)環(huán)形器3端口耦合進(jìn)運(yùn)算放大器放大，并由濾波器濾除掉運(yùn)算放大器放大產(chǎn)生的噪聲和沒有消耗完的泵浦光在傳感光纖中產(chǎn)生的散射光后，送入具有增益可調(diào)和濾波功能的探測器。數(shù)據(jù)采集卡采集探測器的輸出電信號，并送入信號處理裝置中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集卡也由微波信號源同步觸發(fā)采集，微波信號源由獨(dú)立的軟件控制。在信號處理裝置中，由于光接收機(jī)接收到各個時刻反射回來的瑞利散射光信號的信噪比為12dB，采用FPGA開發(fā)板首先經(jīng)過累加器對信號按照周期進(jìn)行同步疊加，利用信號的相關(guān)性和噪聲的不相關(guān)特性，信噪比提高將近5dB，有效增強(qiáng)信號強(qiáng)度和抑制噪聲，提高系統(tǒng)信噪比；再通過滑窗積累器對疊加后的信號進(jìn)行預(yù)處理，去除了部分帶外噪聲，信噪比提高13dB，進(jìn)一步提升系統(tǒng)信噪比；最后經(jīng)過三階累積量運(yùn)算器，大部分帶內(nèi)噪聲被濾除，信號明顯突出，信噪比又提高2dB，系統(tǒng)信噪比顯著提升。通過處理采集信號，從而獲取到整個傳感裝置上在某個位置受到管線上作用的振動和聲波信號8中所包含的時頻域信息。

通過隔離在光發(fā)射接收模塊接收到的后向散射光，均能將屬于每一段光纖的后向散射光信號分離出來以及進(jìn)行進(jìn)一步的處理。利用現(xiàn)有技術(shù)，在處理器中處理接收到的數(shù)據(jù)，以及通過接收到的疊加信號，可以提取出聲波信號8方向和大小的相關(guān)信息。因為消除了噪聲，接收到的疊加信號體現(xiàn)了本發(fā)明相對于不使用信號疊加的分布式傳感系統(tǒng)在信噪比上的提升。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，依賴瑞利散射效應(yīng)的分布式聲波傳感系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲類似于隨機(jī)噪聲，它可以利用疊加技術(shù)來消除。通過處理分布式聲波傳感系統(tǒng)的統(tǒng)計噪聲，本發(fā)明將以更高信噪比來分析管道受到的振動有效信號。

光纜的總長可以是從數(shù)米到數(shù)十千米，光源至離光源最遠(yuǎn)的光纜的距離可以是從數(shù)米到數(shù)十千米。光纜2是被用來傳感外界振動源(聲源)的振動(聲波)信號，它攜帶了管道受到的振動有效信號的相關(guān)信息。通過分析處理接收到的管道上的振動有效信號，本發(fā)明可以對管線損壞、斷裂的位置進(jìn)行快速檢測和精確定位。

本發(fā)明中，當(dāng)攜帶長距離管線7上的振動相關(guān)時頻域信息的振動和聲波信號8傳播至光纜某位置時，會引起此位置對應(yīng)多根光纖段的瑞利散射光的相位變化，通過干涉作用就會表現(xiàn)出瑞利散射光的光強(qiáng)變化，在探測器接收每根光纖反射回來的瑞利散射光信號，使用FPGA開發(fā)板首先采用把脈沖信號按照周期進(jìn)行同步累積的信號累加器對信號進(jìn)行疊加，再通過滑窗積累器對疊加后的信號進(jìn)行預(yù)處理，最后采用三階累積量運(yùn)算器進(jìn)一步提高檢測性能；通過以上一系列的信號處理方法大大提高了系統(tǒng)信噪比和管道上振動關(guān)系檢測中的靈敏度，以獲取更多管道上振動的相關(guān)信息，從而實現(xiàn)對管線結(jié)構(gòu)損壞、斷裂點的快速檢測和精確定位。

本檢測方法用于包含長距離管線7受到的振動和聲波信號8中獲取和增強(qiáng)管道振動相關(guān)時頻域信息。

本發(fā)明所述的一種基于多芯光纜的光纖分布式管道振動信號檢測方法，它通過采用傳感光纜中多根光纖芯的信號累積，實現(xiàn)對相同或相鄰位置處接收振動(聲波)信號的疊加處理，在保持系統(tǒng)方案硬件組成和系統(tǒng)成本不增加的同時，極大提高了系統(tǒng)信噪比，增強(qiáng)了在管道上振動關(guān)系檢測中的靈敏度，以獲取和增強(qiáng)管道上的振動相關(guān)時頻域信息，具有系統(tǒng)信噪比高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單，在光纖分布式振動傳感領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景等優(yōu)點。

以上所述僅是本發(fā)明的較佳實施方式，故凡依本發(fā)明專利申請范圍所述的構(gòu)造、特征及原理所做的等效變化或修飾，均包括于本發(fā)明專利申請范圍內(nèi)。