基于脉冲编码外调制的分布式光纤振动传感方法及其系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于脉冲编码外调制的分布式光纤振动传感方法及其系统，方法包括：选取连续K次所发射光脉冲得到的反向回波曲线，预设平均次数，间隔参数，获取多条平均曲线；将标准化后的平均曲线组合成一个2维信号矩阵Y，选取范围矩阵计算局部极差，根据极差矩阵中每个元素评价传感光纤的振动强度，获取振动空间位置，提取解码延迟后回波曲线中每条曲线的第i点数据，得到振动的时域采样信号。系统包括：光电探测器形成电信号，信号采集调理装置进行放大和模数转换形成数字信号，送入计算机中完成解码、时延、定位和提取时域处理，获得分布式传感器沿线的振动情况。本发明满足了各种振动检测和监测应用，尤其是长距离的管道监测与周界安防。
【专利说明】基于脉冲编码外调制的分布式光纤振动传感方法及其系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种基于脉冲编码外调制的分布式光纤振动传感方法及其系统。
【背景技术】
[0002]分布式光纤传感系统由于其灵敏度高，不受电磁干扰，检测范围广，成本低等特点，广泛应用于长距离油气管道监测及周界安防，建筑结构健康监测等领域，是近数十年的研究热点。
[0003]Mach-Zehnder/Sagnac干涉仪分布光纤传感系统,利用检测两传感光路中由外界扰动所造成的相位差变化，并通过相关时延估计的方法进行定位，能对振动进行良好的感知。但由于相关时延估计方法本身确定时延的难度性，使得该方法定位精度不高，对振动点的准确判断困难重重。
[0004]基于光时域反射仪(OTDR)技术的分布式光纤传感系统利用光波在光纤中传输时发生的瑞丽散射现象，在背向检测瑞利散射光的强度来得到光纤的损耗变化并精确定位光纤故障点。由于这种技术是对瑞利散射光的强度进行测量，因此其测量灵敏度比较低且仅能响应静态损耗的变化。
[0005]基于相干瑞利散射的Φ-OTDR(相敏0TDR)技术，通过使用长相干光源，检测光脉冲返回光的相干结果，其干涉方法能有效实现动态响应，能同时实现闻定位精度和闻灵敏度检测，尤其是对于微弱扰动信号的检测。同时，由于空间分辨率和脉冲长度相关，为了空间分辨率，常使用非常窄的脉冲，常见为数十至数百纳秒，因此返回光强度微弱，在长距离传输后，信号分辨率较低，限制动态范围。
[0006]综上所述,在现有的技术方案中,Mach-Zehnder/Sagnac干涉仪分布光纤传感系统的传感精度较高但定位能力较弱，且易受干扰；0TDR式分布式传感系统定位的精度高但系统敏感度较差；相位敏感OTDR系统在定位精度和系统灵敏度方面都有较好的表现，但其脉冲宽度窄，返回光信号弱，信号分辨率差，动态范围窄，传感距离有限。
【发明内容】
[0007]本发明提供了一种基于脉冲编码外调制的分布式光纤振动传感方法及其系统，本发明在保证定位精度的条件下，克服现有监检测系统传感灵敏度不足的问题，详见下文描述:
[0008]一种基于脉冲编码外调制的分布式光纤振动传感方法，所述方法包括以下步骤:
[0009]选取编码矩阵S，其大小为N*N，在光电探测器处形成散射回波曲线Li ;以散射回波曲线Li为行向量，同时考虑背景噪声，形成回波信号矩阵L ；
[0010]对回波信号矩阵L进行解码获取单次回波的瑞利散射信号ω’，同时获取N个所需信号巧⑴；
[0011]选取连续K次所发射光脉冲得到的共K条反向回波曲线，预设平均次数M，间隔参数n，获取多条平均曲线；对所得每条平均曲线进行标准化处理；
[0012]将标准化后的平均曲线组合成一个2维信号矩阵Y，选取大小aXb局部极差计算范围矩阵，根据范围矩阵中的每个元素7〃评价传感光纤的振动强度，并获取振动空间位置，提取解码延迟后回波曲线中每条曲线的第i点数据，得到振动的时域采样信号。
[0013]所述回波信号矩阵L为:
[0014]L = [L1 L2...Ln]t = S.[ω1 ω2...ωΝ]τ+[θι e2...eN]T，其中 ω? 为脉冲 Pi 的理想散射回波曲线，ei为背景噪声，i = 1,2,-,N0
[0015]所述单次回波的瑞利散射信号ω’为:
[0016]ω，= [ ω ' λ ω，2 …ω，Ν]τ = S-1.[L1 L2 …Ln] τ ;
[0017]所述N个所需信号& (t)为:
[0018]ri(t) = ω' i(t+(1-l).0，其空间分辨率保持为尺=€~，c为真空中的光速，
η。为光纤折射率，τ为脉冲宽度。
[0019]—种基于脉冲编码外调制的分布式光纤振动传感系统,包括:激光光源组、声光/电光调制器及其驱动器组、FPGA、多路光耦合器、光纤环形器、光电探测器、信号采集调理装置、计算机和传感光纤，
[0020]由所述激光光源组产生连续光，经由所述声光/电光调制器极其驱动器组形成脉冲光，其中所述声光/电光调制器极其驱动器组由所述计算机写入所述FGPA的程序控制通断时序，依次产生相应时延，并使产生的脉冲光符合设定好的编码矩阵S，多路脉冲光在所述多路光耦合器处形成编码脉冲光，编码脉冲光经由所述光纤环形器注入所述传感光纤，在传播过程中，产生的背向散射光与输入编码脉冲光传播方向相反，编码内部的光脉冲瑞利散射光产生干涉效应，最终反向通过所述光纤环形器进入所述光电探测器形成电信号，通过所述信号采集调理装置进行放大和模数转换形成数字信号，送入所述计算机中完成解码、时延、定位和提取时域处理，获得分布式传感器沿线的振动情况。
[0021]本发明提供的技术方案的有益效果是:本发明克服了现有系统信号分辨率和空间分辨率相互制约、灵敏度低、噪声水平制约动态范围的问题。且该系统具有分布式光纤监检测系统所特有的分布式、受电磁等外界干扰小等特点，且安装方便，可以很好的满足各种振动检测和监测应用，尤其是长距离的管道监测与周界安防等。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为一种基于脉冲编码外调制的分布式光纤振动传感方法的流程图；
[0023]图2为一种基于脉冲编码外调制的分布式光纤振动传感系统的结构示意图。
[0024]附图中，各标号所代表的部件列表如下:
[0025]1:激光光源组；2:光/电光调制器及其驱动器组；
[0026]3 =FPGA ；4:多路耦合器；
[0027]5:光纤环形器；6:光电探测器；
[0028]7:信号采集调理模块； 8:计算机；
[0029]9:传感光纤。【具体实施方式】
[0030]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0031]为了克服分布式光纤传感系统信号分辨率和空间分辨率的相互制约关系，在保持空间分辨率不变的情况下，本发明通过声光调制器(AOM)对分布式光纤传感系统的输入脉冲进行外编码调制，增加脉冲宽度，提高输入光能量，进而提高返回光的能量，同时通过译码过程降低系统的背景噪声，提高系统的信号分辨率。常用的脉冲编码方式有伪随机序列码、格雷码、Simplex编码(S编码)等。
[0032]101:选取编码矩阵S，其大小为N*N，在光电探测器处形成散射回波曲线Li,
[0033]即，根据需要选取N*N(本发明推荐N>3)的编码矩阵
【权利要求】
1.一种基于脉冲编码外调制的分布式光纤振动传感方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: 选取编码矩阵S，其大小为N*N，在光电探测器处形成散射回波曲线Li ;以散射回波曲线Li为行向量，同时考虑背景噪声，形成回波信号矩阵L ； 对回波信号矩阵L进行解码获取单次回波的瑞利散射信号ω’，同时获取N个所需信号ri(t)； 选取连续K次所发射光脉冲得到的共K条反向回波曲线，预设平均次数Μ，间隔参数η，获取多条平均曲线；对所得每条平均曲线进行标准化处理； 将标准化后的平均曲线组合成一个2维信号矩阵Y，选取大小aXb局部极差计算范围矩阵，根据范围矩阵中的每个元素评价传感光纤的振动强度，并获取振动空间位置，提取解码延迟后回波曲线中每条曲线的第i点数据，得到振动的时域采样信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲编码外调制的分布式光纤振动传感方法，其特征在于，所述回波信号矩阵L为: L= [L1 L2 …LN]T = S.[GJ1 ω2...ωΝ]τ+[θι e2-eN]T，其中 Oi 为脉冲 Pi 的理想散射回波曲线，ei为背景噪声，i = 1,2,…，N。
3.根据权利要求1所述的一种基于脉冲编码外调制的分布式光纤振动传感方法，其特征在于，所述单次回波的瑞利散射信号ω’为:
ω，= [ω , j ω，2 …ω，Ν]τ = S-1.[L1 L2 …LN]τ ; 所述N个所需信号ri(t)为: ri(t) = ω' i(t+(1-l).τ)，其空间分辨率保持为R= tc/2nc，c为真空中的光速，η。为
光纤折射率，τ为脉冲宽度。
4.一种基于脉冲编码外调制的分布式光纤振动传感系统,包括:激光光源组、声光/电光调制器及其驱动器组、FPGA、多路光耦合器、光纤环形器、光电探测器、信号采集调理装置、计算机和传感光纤，其特征在于， 由所述激光光源组产生连续光，经由所述声光/电光调制器极其驱动器组形成脉冲光，其中所述声光/电光调制器极其驱动器组由所述计算机写入所述FGPA的程序控制通断时序，依次产生相应时延，并使产生的脉冲光符合设定好的编码矩阵S，多路脉冲光在所述多路光耦合器处形成编码脉冲光，编码脉冲光经由所述光纤环形器注入所述传感光纤，在传播过程中，产生的背向散射光与输入编码脉冲光传播方向相反，编码内部的光脉冲瑞利散射光产生干涉效应，最终反向通过所述光纤环形器进入所述光电探测器形成电信号，通过所述信号采集调理装置进行放大和模数转换形成数字信号，送入所述计算机中完成解码、时延、定位和提取时域处理，获得分布式传感器沿线的振动情况。
【文档编号】G01H9/00GK104034409SQ201410301334
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2014年6月27日
【发明者】封皓, 施羿, 曾周末, 张宇, 靳世久 申请人:天津大学