一種基于雙光路的光纖振動傳感系統(tǒng)及方法，用于對多振動點的同時檢測，屬于分布式光纖傳感技術領域。
背景技術：
分布式光纖傳感器由于可在大空間范圍內進行測量，且具有靈敏度高、結構簡單、使用方便等諸多優(yōu)點，成為國內外安防、監(jiān)測技術領域的研究熱點之一。其中基于otdr的光纖分布式傳感系統(tǒng)可以實現(xiàn)對外界振動時間位置的精確定位以及振動信息的提取，具有傳感距離遠、靈敏度高、抗電磁干擾能力強、體積小等優(yōu)點，因此被廣泛用于油氣管線泄露探測、周邊安全防護、結構健康檢測等領域。
在傳統(tǒng)的φ-otdr光纖傳感系統(tǒng)中，窄線寬激光器發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)過脈沖調制器和光放大器后，通過光環(huán)行器注入傳感光纖，最后通過光電探測器探測光纖中的后向瑞利散射光，實現(xiàn)對外界振動事件的探測及定位。傳統(tǒng)ф-otdr系統(tǒng)中本地光與信號光的光程差較大，為了產生明顯的干涉現(xiàn)象通常需要使用線寬為khz量級的窄線寬激光，大大提高了系統(tǒng)成本；同時因產生干涉的本地光與信號光分別為不同時刻從激光器發(fā)出的光，激光器的自身的相位噪聲也會對傳感精度產生影響。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明針對上述不足之處提供了一種基于雙光路的光纖振動傳感系統(tǒng)及方法，解決現(xiàn)有技術中的傳感系統(tǒng)對窄線寬激光器的依賴，信噪比和靈敏度較低，光源的噪聲、外界溫度等因素對檢測結果產生干擾，造成檢測結果不精確的問題。
本發(fā)明為了實現(xiàn)上述目的，采用的技術方案為：
一種基于雙光路的光纖振動傳感系統(tǒng)，其特征在于：包括激光光源、脈沖調制器、光放大器、耦合器、環(huán)行器、傳感光纖、參考光纖、耦合器、光電探測器，信號采集與處理系統(tǒng)；所述激光光源與脈沖調制器的輸入端相連，脈沖調制器的輸出端與光放大器的輸入端相連，光放大器的輸出端與耦合器的1端口相連接，耦合器的2端口與環(huán)行器的1端口相連，環(huán)行器的2端口與傳感光纖相連接，耦合器的3端口與環(huán)行器的1端口相連接，環(huán)行器的2端口與參考光纖相連接，環(huán)行器的3端口與耦合器的3端口相連接，環(huán)行器的3端口與耦合器的1端口相連接，耦合器的4端口與光電探測器相連接、5端口與光電探測器相連接、6端口與光電探測器相連接，光電探測器與信號采集與處理系統(tǒng)相連接，信號采集與處理系統(tǒng)通過同軸電纜與脈沖調制器相連接。
進一步，所述激光光源為普通激光源。
進一步，所述耦合器為1x2耦合器；所述耦合器為3x3耦合器，分光比為1：1：1，并且各路輸出信號之間存在2π/3的相位差。
進一步，所述參考光纖的長度大于等于傳感光纖的長度。
一種基于雙光路的光纖振動傳感方法，其特征在于，如下步驟：
(1)激光光源發(fā)出連續(xù)光經(jīng)過脈沖調制器調制為光脈沖信號；
(2)脈沖調制器發(fā)出光脈沖信號經(jīng)過放大器進行功率放大后通過耦合器分成兩路光；
(3)一路光經(jīng)過環(huán)形器注入傳感光纖,另一路光通過環(huán)形器注入?yún)⒖脊饫w，產生兩路后向瑞利散射光；
(4)兩路后向瑞利散射光分別進入耦合器輸出三路存在相位差的光信號，得到三路光信號的光強信號；
(5)光電探測器將三路存在相位差的光信號的光強信號轉換為電信號傳輸給信號采集與處理系統(tǒng)進行信息采集和處理，實現(xiàn)了多振動點的同時檢測，并通過傳感光纖和參考光纖各個位置點產生的后向瑞利散射到達光電探測器的時域信號的時間點，將時域信號的時間點映射到傳感光纖和參考光纖上的各個位置點，實現(xiàn)振動事件的定位；
(6)通過相位解調算法得到各個位置點上振動事件的相位信號，并通過得到的相位信號得到各個振動點處的相位變化，實現(xiàn)分布式傳感。
進一步，所述步驟(4)中的相位差為2π/3。
進一步，所述步驟(4)中，得到三路光信號的光強信號可表示為如下：
其中，zk為傳感光纖和參考光纖的各個位置點，
進一步，所述步驟(3)中，光纖zk處產生的后向瑞利散射光的公式如下：
其中，a為瑞利散射光的振幅，ω為瑞利散射光的角頻率，λ為瑞利散射光的波長，n為瑞利散射光的光纖折射率，i為虛數(shù)單位。
進一步，所述步驟(5)中，時域信號的時間點映射到傳感光纖和參考光纖上的各個位置點的公式如下：
其中，tk為瑞利散射光信號的采集時間，即傳感光纖和參考光纖各個位置點產生的后向瑞利散射到達光電探測器的時域信號的時間點，c為真空光速，n為瑞利散射光的光纖折射率。
進一步，所述步驟(6)中，通過相位解調算法得到各個位置點上振動事件的相位信號的公式如下：
通過將得到的相位信息進行滑動差分，即可得到各個位置點因振動所引起的相位變化的公式如下：
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：
一、本發(fā)明能夠得到振動處后向散射光的相位變化，在得到振動的位置信息的同時可以準確地提取出振動的強度信息，并實現(xiàn)多點分布式傳感。
二、本發(fā)明采用雙路干涉，實質為光脈沖在兩路光纖中相同位置處的后向瑞利散射光相干的結果，發(fā)生干涉的散射光光程差較小，無需使用窄線寬激光光源也可獲得較好的探測靈敏度。
三、本發(fā)明中產生相干的兩路散射光由同一時刻激光器發(fā)出的激光產生，具有相同的相位噪聲，在相干的過程中相位噪聲會被抵消，大大降低了激光器對檢測結果的干擾。
四、本發(fā)明增加了一路參考光纖作為對比，降低了溫度等其他外界因素對振動傳感的影響。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的框架結構示意圖；
圖中：1、激光光源，2、脈沖調制器，3、光放大器，4、耦合器，5、環(huán)行器，6、環(huán)行器，7、傳感光纖，8、參考光纖，9、耦合器，10、光電探測器，11、光電探測器，12、光電探測器，13、信號采集與處理系統(tǒng)。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
傳感光纖處于理想狀態(tài)中，則經(jīng)由傳感光纖返回的后向瑞利散射波形應是不變的，如果在傳感光纖上某點加入振動微擾，這將會導致該位置散射光的相位發(fā)生改變，由于干涉作用，其相應的后向瑞利散射光曲線也會發(fā)生變化。通過檢測瑞利散射不同時刻對應的光強變化即可實現(xiàn)對外界振動事件的探測及定位，即通過解調和計算傳感光纖7與參考光纖8中的后向干涉信號光在不同位置的相位變化，實現(xiàn)對振動信號的檢測。
如圖1所示，一種基于雙光路的光纖振動傳感系統(tǒng)，包括激光光源1、脈沖調制器2、光放大器3、耦合器4、環(huán)行器5、6、傳感光纖7、參考光纖8、耦合器9、光電探測器10、11、12、信號采集與處理系統(tǒng)13。所述激光光源1與脈沖調制器2的輸入端相連，脈沖調制器2的輸出端與光放大器3的輸入端相連，光放大器3的輸出端與耦合器4的1端口相連接，耦合器4的2端口與環(huán)行器5的1端口相連，環(huán)行器5的2端口與傳感光纖7相連接，耦合器4的3端口與環(huán)行器6的1端口相連接，環(huán)行器6的2端口與參考光纖8相連接，環(huán)行器5的3端口與耦合器9的3端口相連接，環(huán)行器6的3端口與耦合器9的1端口相連接，耦合器9的4端口與光電探測器10相連接、5端口端口與光電探測器11相連接、6端口與光電探測器12相連接，光電探測器10、11、12與信號采集與處理系統(tǒng)13相連接，信號采集與處理系統(tǒng)13通過同軸電纜與脈沖調制器2相連接。所述激光光源1為通信波段激光器，線寬不大于10mhz，如普通激光源。所述耦合器4為1x2耦合器，其輸出耦合比為任意值；所述耦合器9為3x3耦合器，分光比為1：1：1，并且各路輸出信號之間存在2π/3的相位差。所述參考光纖8的長度大于等于傳感光纖7的長度。所述參考光纖8放置于與傳感光纖7相同的外界環(huán)境中，但不受到振動影響。其中傳感光纖7與參考光纖8中不同位置、不同相位的后向干涉信號光將在3x3耦合器(9)中進行再次干涉。
一種基于雙光路的光纖振動傳感方法，如下步驟：
(1)激光光源1發(fā)出連續(xù)光經(jīng)過脈沖調制器2調制為光脈沖信號；
(2)脈沖調制器2發(fā)出光脈沖信號經(jīng)過放大器3進行功率放大后通過耦合器4分成兩路光；
(3)一路光經(jīng)過環(huán)形器5注入傳感光纖7,另一路光通過環(huán)形器6注入?yún)⒖脊饫w8，并在傳感光纖7和參考光纖8中分別產生兩路后向瑞利散射光；光纖zk處產生的后向瑞利散射光的公式如下：
其中，zk為傳感光纖和參考光纖的各個位置點，a為瑞利散射光的振幅，ω為瑞利散射光的角頻率，λ為瑞利散射光的波長，n為瑞利散射光的光纖折射率，i為虛數(shù)單位。
(4)兩路后向瑞利散射光分別進入耦合器9輸出三路存在2π/3的相位差的光信號，得到三路光信號的光強信號；得到三路光信號的光強信號可表示為如下：
其中，zk為傳感光纖和參考光纖的各個位置點，
(5)光電探測器10、11、12將三路存在相位差的光信號的光強信號轉換為電信號傳輸給信號采集與處理系統(tǒng)13進行信息采集和處理，實現(xiàn)了多振動點的同時檢測，并通過傳感光纖7和參考光纖8各個位置點產生的后向瑞利散射到達光電探測器的時域信號的時間點，將時域信號的時間點映射到傳感光纖7和參考光纖8上的各個位置點，實現(xiàn)振動事件的定位；其中信號采集與處理系統(tǒng)13對電信號的處理為信號采集與處理系統(tǒng)13對干涉信息進行相位恢復，并采用滑動差分算法，計算傳感光纖各點相位增量，以消除多振動點相位累積產生的誤差和干擾，實現(xiàn)了多振動點的同時檢測，時域信號的時間點映射到傳感光纖7和參考光纖8上的各個位置點的公式如下：
其中，tk為瑞利散射光信號的采集時間，即傳感光纖7和參考光纖8各個位置點產生的后向瑞利散射到達光電探測器的時域信號的時間點，c為真空光速，n為瑞利散射光的光纖折射率。
(6)通過相位解調算法得到各個位置點上振動事件的相位信號，并通過得到的相位信息得到各個振動點處的相位變化，實現(xiàn)分布式傳感。通過相位解調算法得到各個位置點上振動事件的相位信號的公式如下：
通過將得到的相位信息進行滑動差分，即可得到各個位置點因振動所引起的相位變化的公式如下：
實施例1
傳感光纖7的z1位置處發(fā)生振動事件，則z1位置處的后向瑞利散射光的相位會產生相應的相位變化
參考光纖8并不受振動影響，所以z1位置處的后向瑞利散射光表示為：
式中，a1、a2分別為傳感光纖和參考光纖中瑞利散射光的振幅，
兩路瑞利散射光分別進入3x3耦合器9的1、3口，耦合器9輸出的三路光信號的光強信息可以表示為：
其中i為輸入耦合器9的瑞利散射光強度，耦合器9輸出的三路信號分光比為1：1：1，并且各路輸出信號之間存在2π/3的相位差，再通過光電探測器(10，11，12)將三路信號的光強信息轉換為電信號傳輸給信號采集與處理系統(tǒng)(13)，通過相位解調算法，獲得相位信號：
若同時傳感光纖z2處產生振動微擾，引入相位變化
此時參考光纖z2處的瑞利散射光為：
利用上述的解調方法，可以得到：
將結果
同理，如果傳感光纖多處發(fā)生振動微擾，將上述解調方法得到的相位信息進行滑動差分，即可得到各個振動點處的相位變化，從而實現(xiàn)分布式傳感。