本實用新型涉及的是一種光纖傳感領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種分布式光纖傳感系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

自從20世紀(jì)70年代光纖被實用新型以來，光纖傳感技術(shù)也隨之蓬勃發(fā)展。除了可以用于遠(yuǎn)距離高速率通信，光纖也具備感知外部物理參數(shù)的能力。利用這種敏感的特性，研究人員實用新型了一系列的光纖傳感器件。其中分布式光纖振動傳感器是最近幾年來的研究熱點。它相比于傳統(tǒng)的振動傳感器具有很多優(yōu)勢，比如：防水防潮；抗電磁干擾；使用安全；最重要的是，具有分布式傳感和遠(yuǎn)距離傳感的能力。

目前使用最廣泛、研究最多的是基于光時域反射儀的分布式光纖傳感系統(tǒng)，因為此類系統(tǒng)擁有結(jié)構(gòu)緊湊、解調(diào)算法簡單、定位精度高、信噪比高等優(yōu)點。但是有兩個重大缺陷：一、系統(tǒng)的振動頻率響應(yīng)帶寬和傳感距離是矛盾的。因為傳統(tǒng)的基于光時域反射儀的分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的頻率響應(yīng)帶寬是系統(tǒng)發(fā)射探測脈沖頻率的一半，而發(fā)射探測脈沖頻率的倒數(shù)，即探測脈沖發(fā)射時間間隔，必須大于光在整段傳感光纖中來回傳輸?shù)臅r間，所以傳感光纖長度越長，振動響應(yīng)帶寬越小，反之亦然。這個缺陷嚴(yán)重地限制了該類分布式光纖振動傳感系統(tǒng)在高頻率振動傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。二、系統(tǒng)的空間分辨率和最大探測距離是矛盾的。要想獲得高的空間分辨率，探測光脈沖的持續(xù)時間必須很短，這導(dǎo)致探測光脈沖的功率很低，進而限制了探測距離。

針對振動頻率響應(yīng)帶寬和傳感距離的矛盾，目前有如下幾種解決方案：基于光頻域反射儀的分布式光纖振動傳感系統(tǒng)，雖然能獲取高頻率振動的頻率信息，但是無法獲得振動的時域信息；基于干涉儀的分布式光纖傳感系統(tǒng)，雖然能獲得很大的振動頻率響應(yīng)范圍，但是該類系統(tǒng)有解調(diào)算法復(fù)雜、定位精度差等缺點；基于干涉儀和光時域反射儀融合結(jié)構(gòu)的分布式光纖傳感系統(tǒng)，雖然獲得了兩類系統(tǒng)的優(yōu)點，但是系統(tǒng)變得復(fù)雜，而且傳感光纖需要為環(huán)形結(jié)構(gòu)，不能單端測量；基于頻分復(fù)用技術(shù)和光時域反射儀的分布式傳感系統(tǒng)，綜合性能(空間分辨率、可測量范圍、信噪比)仍然有待提高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型針對現(xiàn)有技術(shù)較多探測脈沖發(fā)射頻率受限于傳感距離，且采用的入侵位置算法基于基于強度解調(diào)，其信噪比較低的同時無法消除偏振衰落和干涉衰落噪聲，易使相位解調(diào)出的振動波形信息出錯等缺陷，提出一種分布式光纖傳感系統(tǒng)，通過產(chǎn)生光頻率梳信號，結(jié)合可消干涉衰落和偏振衰落的相位解調(diào)算法，消除傳感光纖的反射率曲線上的極弱反射點，提高信噪比和定位精度；通過頻分復(fù)用技術(shù)成倍擴大了振動頻率響應(yīng)帶寬，發(fā)射的掃頻光脈沖解決了空間分辨率和探測距離的矛盾。

本實用新型是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

本實用新型涉及一種分布式光纖傳感系統(tǒng)，包括：信號發(fā)生器、光源、光頻率梳生成器、掃頻切串器、光環(huán)形器、傳感光纖、拍頻器、光電轉(zhuǎn)換器和檢測定位器，其中：信號發(fā)生器分別與掃頻切串器、光頻率梳生成器以及檢測定位器相連，光源分別與光頻率梳生成器和拍頻器相連，光頻率梳生成器的輸出端與掃頻切串器相連、環(huán)形器和傳感光纖依次連接，傳感光纖的輸出端與環(huán)形器、拍頻器和光電轉(zhuǎn)換器依次連接，光電轉(zhuǎn)換器的輸出端與檢測定位器相連。

所述的信號發(fā)生器包括：任意信號發(fā)生器和兩個射頻信號放大器，其中：兩個射頻信號放大器分別與任意信號發(fā)生器的兩個輸出通道相連。

所述的任意信號發(fā)生器的一個通道重復(fù)輸出掃頻射頻脈沖序列，另一個通道輸出單頻正弦波信號。

所述的掃頻射頻脈沖序列包括：多個等時間間距、相同脈沖寬度、不同且無重疊的掃頻范圍的掃頻射頻脈沖信號。

所述的時間間距與掃頻射頻脈沖信號的個數(shù)的乘積等于光在傳感光纖中的來回傳輸時間。

所述的光源包括：依次相連的窄線寬光纖激光器、光纖耦合器和偏振控制器。

優(yōu)選地，所述的光纖耦合器的分光比為90∶10。

所述的光頻率梳生成器包括：直流電壓源和光調(diào)制器，其中：直流電壓源調(diào)整輸入光調(diào)制器的直流偏置電壓，并產(chǎn)生光頻率梳信號。

所述的光調(diào)制器為光強度調(diào)制器或光相位調(diào)制器。

所述的掃頻切串器包括：相連的聲光調(diào)制器/單邊帶調(diào)制器和摻餌光纖放大器。

所述的傳感光纖為單模通信光纖。

所述的拍頻器為50∶50光纖耦合器。

所述的光電轉(zhuǎn)換器為平衡探測器。

所述的檢測定位器包括：相連的數(shù)據(jù)采集卡和定位電路，其中：數(shù)據(jù)采集卡對輸入的電信號進行采樣，將原始數(shù)據(jù)輸入定位電路進行相位解調(diào)。

技術(shù)效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型可同時獲得高空間分辨率和長探測距離，成倍擴大了振動頻率的響應(yīng)帶寬，并且可有效消除反射率曲線上的極弱點，進而消除相位解調(diào)錯誤，達(dá)到提高信噪比、精確檢測和定位振動點的目的。

附圖說明

圖1為分布式光纖傳感系統(tǒng)示意圖；

圖2為掃頻探測光脈沖信號的時頻曲線；

圖3為實施例1中探測到的振動點的振動波形圖；

圖中：1為任意信號發(fā)生器、2、3為射頻信號放大器、4為窄線寬光纖激光器、5為光纖耦合器、6為偏振控制器、7為直流電壓源、8為光調(diào)制器、9為聲光調(diào)制器、10為摻餌光纖放大器、11為光環(huán)形器、12為傳感光纖、13為50∶50光纖耦合器、14為平衡探測器、15為數(shù)據(jù)采集卡、16為定位電路。

具體實施方式

下面對本實用新型的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本實用新型技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本實用新型的保護范圍不限于下述的實施例。

實施例1

如圖1所示，本實施例包括：信號發(fā)生器、光源、光頻率梳生成器、掃頻切串器、光環(huán)形器11、傳感光纖12、拍頻器、光電轉(zhuǎn)換器和檢測定位器，其中：信號發(fā)生器分別與掃頻切串器、光頻率梳生成器以及檢測定位器相連；光源分別與光頻率梳生成器和拍頻器相連；光頻率梳生成器向掃頻切串器輸入光頻率梳信號，掃頻切串器輸出放大的掃頻探測光脈沖串，經(jīng)過光環(huán)形器11的a端口輸入并通過b端口輸出至傳感光纖12；傳感光纖12產(chǎn)生的瑞利背向散射光經(jīng)光環(huán)形器11的b端口輸入光環(huán)形器11并通過c端口輸入拍頻器，與參考光在拍頻器中拍頻，產(chǎn)生的拍頻光信號輸入光電轉(zhuǎn)換器；光電轉(zhuǎn)換器的輸出端與檢測定位器相連。

所述的信號發(fā)生器包括：任意信號發(fā)生器1和兩個射頻信號放大器2、3，其中：兩個射頻信號放大器2、3分別與任意信號發(fā)生器1的兩個輸出通道相連。

所述的任意信號發(fā)生器1的一個通道重復(fù)輸出掃頻射頻脈沖序列，另一個通道輸出單頻正弦波信號。

所述的重復(fù)輸出的掃頻射頻脈沖序列的重復(fù)次數(shù)L＝16，包括：N＝5個等時間間距T(20μs)、相同脈沖寬度τ_P(2μs)、不同且無重疊的掃頻范圍：150～170MHz、170～190MHz、190～210MHz、210～230MHz和230～250MHz的掃頻射頻脈沖信號。

所述的時間間距T與掃頻射頻脈沖信號的個數(shù)N的乘積NT等于光在傳感光纖12中的來回傳輸時間，即100μs。

所述的單頻正弦波信號的頻率為100MHz。

所述的光源包括：依次相連的窄線寬光纖激光器4、光纖耦合器5和偏振控制器6。

所述的光纖耦合器5的分光比為90∶10。

所述的窄線寬光纖激光器4的線寬為1kHz。

所述的光頻率梳生成器包括：直流電壓源7和光調(diào)制器8，其中：直流電壓源7調(diào)整輸入光調(diào)制器8的直流偏置電壓，并產(chǎn)生光頻率梳信號。

所述的光頻率梳信號為輸入光調(diào)制器8的探測光和單頻正弦波信號產(chǎn)生的2M+1＝3個光頻率成分的光頻率梳信號，其中：M為光調(diào)制器8產(chǎn)生的邊帶階數(shù)。

所述的光調(diào)制器8為光強度調(diào)制器。

所述的掃頻切串器包括：相連的聲光調(diào)制器9和摻餌光纖放大器10。

如圖2所示，所述的掃頻切串器輸出的掃頻探測光脈沖串的時間間距T＝20μs，脈沖寬度τ_P＝2μs，掃頻范圍F1為50～70MHz、70～90MHz、90～110MHz、110～130MHz、130～150MHz，F(xiàn)2為150～170MHz、170～190MHz、190～210MHz、210～230MHz、230～250MHz，F(xiàn)3為250～270MHz、270～290MHz、290～310MHz、310～330MHz、330～350MHz。

所述的傳感光纖12為單模通信光纖，全長為10km。

所述的拍頻器為50∶50光纖耦合器13。

所述的光電轉(zhuǎn)換器為平衡探測器14。

所述的平衡探測器14的帶寬為400MHz。

所述的檢測定位器包括：相連的數(shù)據(jù)采集卡15和定位電路16，其中：數(shù)據(jù)采集卡15對輸入的電信號進行采樣，將原始數(shù)據(jù)輸入定位電路16進行相位解調(diào)。

所述的數(shù)據(jù)采集卡15的采樣率t_s為1GSa/s，分辨率為8bit。

本實施例涉及基于上述系統(tǒng)的檢測定位方法，包括以下步驟：

步驟1、定位電路16將數(shù)據(jù)采集卡15采樣的來自NL個掃頻探測光脈沖的原始數(shù)據(jù)段按時間順序標(biāo)記，即：{x_n(k)；k＝1,…,K}；n＝1,…,NL，其中：K為來自1個掃頻探測光脈沖的原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量；并產(chǎn)生2M+1個頻段不同且無重疊的數(shù)字帶通濾波器{h_n,m(k)；k＝1,…,K}；n＝1,...,NL；m＝1,…,2M+1，將標(biāo)記后的原始數(shù)據(jù)段分成2M+1個子數(shù)據(jù)段再行標(biāo)記，即：{x_n,m(k)；k＝1,…,K}；n＝1,…,NL；l＝1,…,2M+1。

步驟2、將上一步驟得到的NL(2M+1)個子數(shù)據(jù)段與各自對應(yīng)的數(shù)字匹配濾波器{h_n,m(k)；k＝1,…,K}；n＝1,...,NL；m＝1,…,2M+1作互相關(guān)運算，得到傳感光纖12的NL(2M+1)條反射率曲線。

所述的反射率曲線的表達(dá)式為其中：κ為索引符號，*表示共軛，得到的反射率均為復(fù)數(shù)。

所述的反射率曲線上存在干涉衰落和偏振衰落。

由于兩個相鄰的探測光脈沖之間的時間間距T，遠(yuǎn)小于NT，即小于光在傳感光纖12中最大的來回傳輸時間，所以兩個相鄰的探測光脈沖的瑞利背向散射光是在時間上是有一段重合的。但是因為兩個相鄰的探測光脈沖的頻率不同，對應(yīng)的匹配濾波器也不同，所以可以用帶通濾波器和匹配濾波器抑制與之不匹配的探測光脈沖的背向反射信號，達(dá)到分離背向散射光信號的目的。

步驟3、取來自標(biāo)記為1的掃頻探測光脈沖的反射率曲線{R_1,m(k)；k＝1,…,K}；m＝1,…,2M+1的共軛作為參考，與其他反射率曲線相乘，得到NL(2M+1)條相位歸零的反射率曲線：

步驟4、對上一步驟得到的相位歸零的反射率曲線作平均運算，得到NL條無干涉衰落和偏振衰落的綜合反射率曲線：

步驟5、取上一步驟得到的NL條綜合反射率曲線的相位項，得到NL條相位曲線：{φ_n(k)＝angle[r_n(k)]；k＝1,…,K}；n＝1,…,NL。

對步驟3～5解釋如下：以n＝1時為例，2M+1條反射率曲線{R_1,m(k)；k＝1,…,K}；m＝1,…,2M+1解調(diào)自同一個掃頻探測光脈沖的瑞利背向散射光的2M+1個部分，這2M+1條反射率曲線上都存在著嚴(yán)重的干涉衰落和偏振衰落點，這些衰落點的反射率的模值很小，受噪聲影響，這些點的相位解調(diào)會出錯。但因為這2M+1個部分的頻率各不相同，所以這2M+1條反射率曲線也各不相同，即干涉衰落和偏振衰落導(dǎo)致的極弱點在這2M+1條反射率曲線上的位置也各不相同。對這2M+1條反射率曲線做平均運算便能夠消除這些極弱點，從而消除這些點上出現(xiàn)的相位解調(diào)錯誤。但是由于反射率是復(fù)數(shù)，由復(fù)數(shù)加法的知識可知，復(fù)數(shù)相加的結(jié)果的模值不一定變大，有時會變小。為了使反射率相加后的模值最大化，需要先旋轉(zhuǎn)反射率，使它們的夾角歸零，然后再相加。

步驟6、對上一步驟得到的NL條相位曲線時延D個單位，再將時移前后的相位曲線作差分，得到NL條差分相位曲線：{Δφ_n(k)＝φ_n(k)-φ_n(k-D)；k＝1,…,K}；n＝1,…,NL。

步驟7、對上一步驟得到的NL條差分相位曲線求方差，得到其相位方差曲線：

步驟8、如果上一步驟得到的相位方差曲線中k＝k₀處的方差大于0.02，則該點為振動點，它在傳感光纖12上的位置為：其中：c'為光在光纖中的傳播速度，t_s為數(shù)據(jù)采集卡15的采樣率，k₀為振動點對應(yīng)的索引值；振動點的振動波形為步驟6得到的NL條差分相位曲線中k＝k₀處的差分相位組成的新序列：

本實施例的空間分辨率Δz由掃頻探測光脈沖的掃頻范圍決定，即其中：γ為掃頻速度。

本實施例的振動頻率響應(yīng)帶寬由掃頻探測光脈沖的發(fā)射時間間隔決定，為1/2T。相比于傳統(tǒng)方案，理論上振動頻率響應(yīng)帶寬增加N倍。

本實施例設(shè)置一個振動點，在傳感光纖12的9.93km處發(fā)生頻率為21kHz的單頻振動，振動點的振動覆蓋范圍為10m。

本實施例中，K＝100000，N＝5，L＝16，NL＝80，M＝1，D＝100；三個數(shù)字帶通濾波器的頻段的帶寬分別為50～150MHz、150～250MHz和250～350MHz；則80個掃頻探測光脈沖的原始數(shù)據(jù)段按時間順序標(biāo)記為{x_n(k)；k＝1,…,K}；n＝1,…,80，分成的80×3＝240個子數(shù)據(jù)段標(biāo)記為{x_n,m(k)；k＝1,…,K}；n＝1,…,80；m＝1,2,3。

本實施例得到的反射率曲線為：相位歸零的反射率曲線為綜合反射率曲線為相位曲線為{φ_n(k)＝angle[r_n(k)]；k＝1,…,100000}；n＝1,…,80，差分相位曲線為{Δφ_n(k)＝φ_n(k)-φ_n(k-100)；k＝1,…,100000}；n＝1,…,80，相位方差曲線為

在相位方差曲線中，k₀＝99300處的方差大于0.02，可判定該點為振動點，振動點在傳感光纖12上的位置即為這與設(shè)定的振動位置相吻合。振動點的振動波形為{Δφ₉₈₃₀₀(n)；n＝1,…,80}，如圖3所示，獲取的振動波形的信噪比達(dá)到25dB。

本實施例突破了傳感光纖12的長度對振動頻率響應(yīng)范圍的限制：由于傳感光纖12全長為10km，在傳統(tǒng)的基于光時域反射儀的分布式光纖傳感系統(tǒng)中，最大可測量的振動頻率只有5kHz，而本實施例成功測量到21kHz的振動頻率，且具有高信噪比。