本發(fā)明涉及光學(xué)工程、光纖光學(xué)和信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)及其應(yīng)用，涉及光纖激光、信號(hào)處理和傳感技術(shù)。

背景技術(shù)：

目前，在高鐵輪軌振動(dòng)信號(hào)檢測方面，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，且輪軌振動(dòng)有效信號(hào)經(jīng)過空氣傳遞和介質(zhì)吸收，單芯光纖探測得到的信號(hào)十分微弱，導(dǎo)致檢測有效信號(hào)非常困難。

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。并且該技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)單一位置的測量定位并不能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)定位。在實(shí)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(huì)同時(shí)出現(xiàn)多點(diǎn)的入侵?jǐn)_動(dòng)，因此分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)能夠測量和定位多點(diǎn)振動(dòng)的分布式傳感系統(tǒng)是具有重要意義。

傳統(tǒng)分布式傳感系統(tǒng)的檢測信號(hào)受到很多噪聲源的影響，而且是隨機(jī)噪聲或者是統(tǒng)計(jì)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(huì)極大的降低該傳感系統(tǒng)的價(jià)值。

中國專利申請?zhí)?01510917944X提供了一種U型傳感光纖部署結(jié)構(gòu)的光纖分布式傳感系統(tǒng)，通過多纜單芯繞成U型，但其振動(dòng)信號(hào)的一致性不夠好，每根纜振動(dòng)的位置不會(huì)完全一致，所以每根纜的振動(dòng)信號(hào)是不完全一致的。其運(yùn)用的是與光時(shí)域反射儀(OTDR)類似的原理。在OTDR中，用探測單元發(fā)射的激光脈沖來探測光纜。當(dāng)光脈沖在光纖中傳播時(shí)，存在于光纖中的瑞利散射光，光電探測器接收后向散射光子。此數(shù)據(jù)被用來匹配光纖的反射率。在該專利申請中，外部振動(dòng)干擾調(diào)制光纖特定位置的后向散射光。通過以高采樣率記錄瑞利信號(hào)的變化，把光纖變成了大量分布式的拾音器或者傳感器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述存在問題或不足，為增強(qiáng)在輪軌振動(dòng)關(guān)系檢測中的靈敏度，提高系統(tǒng)信噪比，以獲取和增強(qiáng)輪軌振動(dòng)相關(guān)時(shí)頻域信息。本發(fā)明提供了一種分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)及其應(yīng)用。

該分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)，包括光源、聲光調(diào)制器、波形發(fā)生器、2個(gè)脈沖放大器、2個(gè)濾波器、環(huán)形器、探測器、數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)處理裝置和傳感裝置組成，其特征在于：

中心波長1550nm的高相干窄線寬光源輸出連續(xù)光，經(jīng)聲光調(diào)制器調(diào)制為脈沖光，聲光調(diào)制器由波形發(fā)生器驅(qū)動(dòng)；

聲光調(diào)制器輸出的脈沖光依次經(jīng)第一脈沖放大器放大以及第一濾波器抑制噪聲后，通過環(huán)形器的1端口耦合經(jīng)其2端口輸至傳感裝置中；

從傳感裝置反射回來的光信號(hào)經(jīng)環(huán)形器2端口傳輸至3端口，再耦合進(jìn)第二脈沖放大器，再由第二濾波器濾除掉第二脈沖放大器放大產(chǎn)生的噪聲和沒有消耗完的泵浦光在傳感裝置中產(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)采集卡采集探測器輸出的電信號(hào)，并送入信號(hào)處理裝置中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；數(shù)據(jù)采集卡由波形發(fā)生器同步觸發(fā)采集，波形發(fā)生器由獨(dú)立的軟件控制；

信號(hào)處理裝置，對采集的信號(hào)進(jìn)行處理以獲取到傳感裝置中傳感光纜上不同位置受到外力作用的振動(dòng)信號(hào)中所包含的時(shí)頻域信息；

所述傳感裝置由接入光纜、傳感光纜組成；接入光纜實(shí)現(xiàn)環(huán)形器與傳感光纜間的光信號(hào)傳輸；傳感光纜是一根多芯光纜，多芯光纜中包含多根平行光纖芯，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)一步的，所述信號(hào)處理裝置，采用FPGA開發(fā)板首先經(jīng)過累加器對信號(hào)按照周期進(jìn)行同步疊加，提高系統(tǒng)信噪比；再通過滑窗積累器對疊加后的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，去除部分帶外噪聲，進(jìn)一步提升系統(tǒng)信噪比；最后經(jīng)過三階累積量運(yùn)算器濾除帶內(nèi)噪聲。

進(jìn)一步的，將上述分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)傳感裝置的傳感光纜沿高鐵輪軌布置，通過信號(hào)處理裝置對采集信號(hào)的處理，以獲取到光纖上不同位置受到輪軌作用的振動(dòng)信號(hào)中所包含的時(shí)頻域信息，從而實(shí)現(xiàn)對鐵軌結(jié)構(gòu)損壞、斷裂點(diǎn)的快速檢測和精確定位。

上述分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)的工作流程如下：

步驟1、從中心波長1550nm的高相干窄線寬光源經(jīng)高消光比的聲光調(diào)制器發(fā)射脈沖光信號(hào)，再經(jīng)過脈沖放大器放大以及濾波器抑制噪聲后進(jìn)入由多芯光纜構(gòu)成傳感裝置的光纜中；

步驟2、從傳感裝置反射回來的光信號(hào)經(jīng)脈沖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；所述反射回來的光信號(hào)是每一根光纖芯在受到外界振動(dòng)信號(hào)擾動(dòng)位置反射回來的后向瑞利散射光；波形發(fā)生器同步觸發(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(hào)處理裝置進(jìn)行進(jìn)一步的信號(hào)處理；

步驟3、在信號(hào)處理裝置中，通過處理采集信號(hào)，從而獲取到整個(gè)傳感裝置上在某個(gè)位置受到輪軌作用的振動(dòng)信號(hào)中所包含的時(shí)頻域信息。

本發(fā)明中的傳感光纜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，多根平行光纖芯在光纜骨架支撐下保持平行分布，纖芯數(shù)為2～8芯。利用了單纜多芯的振動(dòng)信號(hào)和振動(dòng)位置的一致性，即利用單纜多芯光纜的信號(hào)疊加技術(shù)，處理接收到的信號(hào)以檢測受到輪軌振動(dòng)而產(chǎn)生光纖振動(dòng)信號(hào)，從而獲取和增強(qiáng)輪軌振動(dòng)相關(guān)時(shí)頻域信息。實(shí)現(xiàn)對相同或相鄰位置處接收振動(dòng)信號(hào)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(shí)，極大提高了系統(tǒng)信噪比，增強(qiáng)了在輪軌振動(dòng)關(guān)系檢測中的靈敏度，以獲取和增強(qiáng)輪軌振動(dòng)相關(guān)時(shí)頻域信息。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及應(yīng)用示意圖；

圖2是實(shí)施例的信號(hào)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(hào)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實(shí)施例的信號(hào)處理過程示意圖；

附圖標(biāo)記：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-平行光纖連接處，7-鐵軌軌道，8-輪軌振動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)，9-光脈沖信號(hào)。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

結(jié)合圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明的分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)由光發(fā)射接收模塊和傳感裝置組成。光發(fā)射接收模塊是由圖5中除傳感裝置以外所有器件所組成。傳感裝置由接入光纜和傳感光纜組成。接入光纜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。傳感光纜是由多根平行光纖芯首尾連接組成。在傳感光纜末端，將傳感光纜用一根長度為600米的接入光纜連接至光發(fā)射接收模塊。光源和探測器分別用來發(fā)射光脈沖到光纜中和探測從光纜多個(gè)位置反射回來的后向散射光。

結(jié)合圖1、圖4所示，本發(fā)明的光纜2被放置在靠近發(fā)射振動(dòng)信號(hào)的噪聲源的位置，振動(dòng)信號(hào)傳播至光纜時(shí)會(huì)導(dǎo)致傳感裝置的形變。形變會(huì)暫時(shí)的改變光纜的后向散射光的性質(zhì)。因?yàn)楣饫w的突然形變，探測器會(huì)探測出后向散射光性質(zhì)的改變，以及隨著光信號(hào)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(shí)別和接收來自某段光纖的后向散射光信號(hào)，可以檢測出此段光纖的振動(dòng)信息。在本發(fā)明中，多根光纖的相同或相鄰位置都會(huì)被同時(shí)執(zhí)行檢測，每段光纖都包含了振動(dòng)位置的相關(guān)時(shí)頻域信息。

圖2中的虛線框就是一個(gè)典型的形變位置，而被虛線框圈住的就是典型的6根平行光纖結(jié)構(gòu)。振動(dòng)位置對應(yīng)的每段光纖反射的瑞利散射光信號(hào)經(jīng)傳感光纖全部匯聚在探測器中。

結(jié)合圖1、圖5和圖6所示，從中心波長1550nm的高相干窄線寬光源輸出連續(xù)光，經(jīng)高消光比的聲光調(diào)制器調(diào)制為脈沖光，聲光調(diào)制器由波形發(fā)生器驅(qū)動(dòng)(TTL信號(hào))，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。脈沖光經(jīng)過第一脈沖放大器放大以及第一濾波器抑制噪聲后通過環(huán)形器的1端口耦合經(jīng)其2端口輸至傳感裝置中即接入光纜中。從傳感裝置反射回來的光信號(hào)經(jīng)環(huán)形器2端口傳輸至3端口再耦合進(jìn)第二脈沖放大器放大，并由第二濾波器濾除掉第二脈沖放大器放大產(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(hào)，并送入信號(hào)處理裝置中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集卡也由波形發(fā)生器同步觸發(fā)采集，波形發(fā)生器由獨(dú)立的軟件控制。在信號(hào)處理裝置中，由于探測器接收到各個(gè)時(shí)刻反射回來的瑞利散射光信號(hào)的信噪比為20dB，采用FPGA開發(fā)板首先經(jīng)過累加器對信號(hào)按照周期進(jìn)行同步疊加，利用信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)，從而獲取到整個(gè)傳感裝置上在某個(gè)位置受到輪軌作用的振動(dòng)信號(hào)中所包含的時(shí)頻域信息。

本實(shí)施例中，采用FPGA開發(fā)板首先經(jīng)過累加器對信號(hào)按照周期進(jìn)行同步疊加，利用信號(hào)的相關(guān)性和噪聲的不相關(guān)特性，有效增強(qiáng)信號(hào)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(hào)進(jìn)行預(yù)處理，去除了部分帶外噪聲，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(hào)明顯突出，系統(tǒng)信噪比顯著提升。

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(hào)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(hào)，可以提取出振動(dòng)信號(hào)方向和大小的相關(guān)信息。因?yàn)橄嗽肼暎邮盏降寞B加信號(hào)體現(xiàn)了本發(fā)明相對于不使用信號(hào)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)的分布式振動(dòng)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。通過處理分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)噪聲，本發(fā)明將以更高信噪比來分析輪軌振動(dòng)有效信號(hào)。

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(dòng)源的振動(dòng)信號(hào)，它攜帶了輪軌振動(dòng)有效信號(hào)的相關(guān)信息。

綜上所述，通過分析處理接收到的輪軌振動(dòng)有效信號(hào)，本發(fā)明可以對鐵軌損壞、斷裂的位置進(jìn)行快速檢測和精確定位。