一種基于頻分復(fù)用技術(shù)的高頻振動(dòng)測(cè)量分布式光纖傳感系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是分布式光纖傳感技術(shù)一一相位敏感光時(shí)域反射技術(shù)和馬赫曾德 爾干涉儀結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)合實(shí)現(xiàn)高頻多點(diǎn)振動(dòng)的測(cè)量。
【背景技術(shù)】
[0002] 分布式光纖傳感技術(shù)在近年來(lái)，隨著油氣管道、高鐵、大型建筑等的高速發(fā)展，其 安全越來(lái)越受到各界關(guān)注，而分布式光纖傳感技術(shù)由于其本身大量的優(yōu)點(diǎn)，使得其成為長(zhǎng) 距離、惡劣環(huán)境下進(jìn)行外界信息感知的關(guān)鍵技術(shù)。而相位敏感的光時(shí)域反射技術(shù)正是分布 式光纖傳感技術(shù)大家庭中的一員，其主要功能是用來(lái)測(cè)量外界擾動(dòng)、入侵等，不僅能對(duì)其進(jìn) 行定位還能測(cè)量其擾動(dòng)頻率。但是該技術(shù)在測(cè)量擾動(dòng)頻率時(shí)，系統(tǒng)所能響應(yīng)的最大頻率受 到傳感距離的限制，傳感距離越長(zhǎng)，其所能響應(yīng)的最高頻率就越低。因?yàn)檫@個(gè)缺點(diǎn)，使得其 在很多既需要進(jìn)行事件定位又需要實(shí)現(xiàn)事件類型識(shí)別(事件頻率)的場(chǎng)合失效。相位光時(shí)域 反射技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)定位，但是對(duì)于頻率較高的擾動(dòng)，該技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量;而馬赫 曾德爾干涉儀能響應(yīng)的擾動(dòng)頻率僅受到數(shù)據(jù)采集設(shè)備的采樣率，系統(tǒng)能響應(yīng)的擾動(dòng)頻率高 達(dá)兆赫茲甚至吉赫茲。因此，將這兩種技術(shù)進(jìn)行結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)高頻擾動(dòng)的定位和頻率的準(zhǔn) 確測(cè)量。目前將該二者進(jìn)行結(jié)合的主要有兩個(gè)系統(tǒng)：1、基于脈沖調(diào)制融合型傳感系統(tǒng);該系 統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高頻振動(dòng)的測(cè)量，但是仍然存在個(gè)缺點(diǎn)：（1)系統(tǒng)定位信噪比隨著系統(tǒng)振動(dòng)頻率 靈敏度的增加而降低；（2)系統(tǒng)在測(cè)量頻帶上存在一個(gè)頻率盲區(qū)；（3)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高頻多 點(diǎn)振動(dòng)的定位和頻率測(cè)量，但是不能將所測(cè)得的頻率與振動(dòng)位置對(duì)應(yīng)起來(lái)。2、基于時(shí)間復(fù) 用技術(shù)的融合型傳感系統(tǒng)；（1)該系統(tǒng)解決了上面系統(tǒng)中存在的定位信噪比隨測(cè)量頻率靈 敏度的增加而降低的問(wèn)題，但是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，時(shí)序控制和信號(hào)解調(diào)更加復(fù)雜；（2)系 統(tǒng)頻率測(cè)量中的盲區(qū)仍然存在；（3)多點(diǎn)高頻測(cè)量仍然不能實(shí)現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 鑒于現(xiàn)有的相位光時(shí)域反射技術(shù)和馬赫曾德爾干涉儀結(jié)合的系統(tǒng)的不足，本發(fā)明 的目的是提出一種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)二者的結(jié)合，并且解決以上背景中系統(tǒng)提到的問(wèn)題，（1)系統(tǒng)采 用頻分復(fù)用技術(shù)，并結(jié)合相干探測(cè)接收技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)距離的傳感；（2)在簡(jiǎn)單時(shí)序控制和 解調(diào)方法的基礎(chǔ)上解決了系統(tǒng)定位信噪比受頻率測(cè)量靈敏度影響的問(wèn)題；（4)去除了系統(tǒng) 在測(cè)量頻帶上存在的頻率盲區(qū)；（5)通過(guò)頻譜映射方法將所測(cè)得的頻率與振動(dòng)位置對(duì)應(yīng)起 來(lái)，實(shí)現(xiàn)了高頻多點(diǎn)振動(dòng)的定位和頻率測(cè)量。
[0004] 本發(fā)明的目的是基于如下分析提出方案和實(shí)現(xiàn)的：
[0005] -種基于頻分復(fù)用技術(shù)的高頻振動(dòng)測(cè)量分布式光纖傳感系統(tǒng)，光路采用三路光信 號(hào)，一路連續(xù)光用作馬赫曾德爾干涉儀的探測(cè)光；中間一路光通過(guò)聲光調(diào)制器進(jìn)行移頻和 脈沖調(diào)制后用作相位光時(shí)域反射技術(shù)的探測(cè)光;第三路光用作本地光與上面兩路光信號(hào)結(jié) 合實(shí)現(xiàn)相干探測(cè)。電路則利用不同通帶的電濾波器將相位光時(shí)域反射結(jié)構(gòu)的信號(hào)和馬赫曾 德爾干涉儀結(jié)構(gòu)獲得的信號(hào)分離開來(lái)。然后，經(jīng)過(guò)低通濾波器的馬赫曾德爾干涉儀所獲得 的信號(hào)經(jīng)過(guò)采集后直接進(jìn)行快速傅里葉變換以獲取信號(hào)頻率;另外一路通過(guò)帶通濾波器的 信號(hào)則經(jīng)過(guò)采集后進(jìn)行自混頻解調(diào)：
[0006]窄線寬激光器1輸出的連續(xù)光經(jīng)光親合器2后分為三路，上面一路光信號(hào)由偏振控 制器3調(diào)制之后經(jīng)光隔離器13直接注入傳感光纖12;中間一路光信號(hào)經(jīng)偏振控制器4調(diào)節(jié)后 由與脈沖發(fā)生器6及聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)7相連的聲光調(diào)制器8調(diào)制為脈沖光之后經(jīng)摻鉺光纖放 大器9放大后經(jīng)環(huán)形器10注入到光纖光柵濾波器11濾除ASE噪聲后，由環(huán)形器10的3 口注入 傳感光纖12;第三路光通過(guò)偏振控制器5調(diào)節(jié)后通過(guò)參考光纖14后與耦合器15連接;脈沖 光，光纖中傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的后向瑞利散射光以及馬赫曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)的連續(xù)探測(cè)光通 過(guò)環(huán)形器10從4 口輸出并通過(guò)耦合器15與本地光耦合成一束光，然后經(jīng)平衡探測(cè)器16進(jìn)行 光電轉(zhuǎn)換，獲得的電信號(hào)經(jīng)過(guò)電低噪放大器17放大后由3dB電功分器18分為兩路，上面一路 經(jīng)電低通濾波器19后通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡21進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，下面一路電信號(hào)經(jīng)電帶通濾波器 20濾波后通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡21進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，最后將采集得到的兩路信號(hào)用上位機(jī)22進(jìn)行數(shù) 據(jù)處理獲得測(cè)量結(jié)果。
[0007] 在本發(fā)明裝置中，
[0008] 采用頻分復(fù)用技術(shù)，由于兩個(gè)結(jié)構(gòu)采用的不同頻率的探測(cè)光，同時(shí)采用相干探測(cè) 的接收技術(shù)，因此只需要在電域通過(guò)不同通帶的電濾波器就能將兩個(gè)信號(hào)分離開來(lái)，方法 簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)非常穩(wěn)定。相位光時(shí)域反射結(jié)構(gòu)測(cè)得的瑞利信號(hào)：
顯然，兩信號(hào)具有不同的頻率，采用不同通帶的電濾波器可以容易地將二者分開。當(dāng)然，由 于本地光與馬赫曾德爾干涉儀的探測(cè)光有相同的頻率，因此馬赫曾德爾干涉儀的探測(cè)光與 瑞利散射光拍頻獲得電信號(hào)頻率與本地光和瑞利散射光拍頻結(jié)果具有相同的電頻率：
[0009]
節(jié)本地光與馬赫曾德爾干涉儀探測(cè)光的光功率比值ELQ(t):EM(t)大于20dB便能使得馬赫曾 德爾干涉儀的靈敏度不影響相位光時(shí)域反射結(jié)構(gòu)的定位性能。從而實(shí)現(xiàn)定位與頻率測(cè)量性 能的同時(shí)兼顧與保證。
[0010] 在本發(fā)明中，采用頻譜映射的方法實(shí)現(xiàn)過(guò)采樣和欠采樣獲得的頻率信號(hào)的映射， 以實(shí)現(xiàn)將高頻多點(diǎn)振動(dòng)的振動(dòng)位置與振動(dòng)頻率映射起來(lái)。欠采樣所呈現(xiàn)出來(lái)的頻率值與過(guò) 采樣所獲得的真實(shí)頻率值之間的數(shù)理關(guān)系：fdis Play= Ifreal-k · fs| (k￡z, |freal-k · fs| < fs/2)，頻率對(duì)應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系A(chǔ)fdisPlay= 2Afre3al_disPlay，這種方法能將二者聯(lián)系起來(lái)從而 實(shí)現(xiàn)呈現(xiàn)出來(lái)的假頻率與真實(shí)頻率值得映射，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)高頻信號(hào)的測(cè)量。
[0011] 本發(fā)明的有益效果是：
[0012] 1.該裝置適用于采用頻分復(fù)用技術(shù)將相位光時(shí)域反射技術(shù)與馬赫曾德爾干涉儀 結(jié)合。采用頻分復(fù)用技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)在于：（1)采用頻分復(fù)用技術(shù)，并結(jié)合相干探測(cè)接收技術(shù)，實(shí) 現(xiàn)更長(zhǎng)距離的傳感；（2)在簡(jiǎn)單時(shí)序控制和解調(diào)方法的基礎(chǔ)上解決了系統(tǒng)定位信噪比受頻 率測(cè)量靈敏度影響的問(wèn)題；（3)去除了系統(tǒng)在測(cè)量頻帶上存在的頻率盲區(qū)；（4)通過(guò)頻譜映 射方法將所測(cè)得的頻率與振動(dòng)位置對(duì)應(yīng)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了高頻多點(diǎn)振動(dòng)的定位和頻率測(cè)量。本 裝置工作穩(wěn)定，在多次測(cè)量中都能準(zhǔn)確的測(cè)量出振動(dòng)的位置和頻率。
【附圖說(shuō)明】：
[0013] 圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0014] 圖2為3. lkm光纖上分別加載單個(gè)振動(dòng)測(cè)量的振動(dòng)定位和頻率測(cè)量結(jié)果圖，其中： a)為原始曲線;b)為振動(dòng)定位圖；c)為振動(dòng)位置空間分辨率;d)、e)、f)為三個(gè)不同頻率的振 動(dòng)頻譜圖。
[0015] 圖3為3. lkm光纖上加載兩個(gè)振動(dòng)測(cè)量的振動(dòng)定位和頻率測(cè)量結(jié)果圖，其中：a)為 原始曲線;b)為振動(dòng)定位圖；c)馬赫曾德爾干