基于光纤传感的声波监控系统的制作方法

本发明涉及声波监控领域，特别涉及基于光纤传感的声波监控系统。

背景技术：

随着光纤传感技术的发展，可以通过光纤测量的物理量逐渐增多，如振动、温度、位移等。其中光纤振动传感技术越来越被重视，以光纤测振动为基础的产品市场广阔，包括光纤周界防范系统，基于光纤振动的边境线安全防范系统，用于管道输送光纤振动监测系统等。而在使用现有的声波监控技术的过程中发现声波监控的灵敏度低，监控距离短，范围小，且抗干扰能力低。

现有的声波监控技术一般有基于mz干涉仪的光纤振动传感技术、光纤光栅振动监测系统和各种光纤干涉系统等。其中，基于mz干涉仪的光纤振动传感技术可以对声波信号进行有效的拾取，但是具有以下缺点：(1)由于mz干涉仪结构复杂，在使用时需要在传感光路的两端分别增加耦合器；(2)在使用的过程中需要三根光纤来组成干涉仪，因此对光纤资源要求比较高，从而造成成本高；(3)mz干涉仪对多点同时监控能力弱，不同位置的信号还会相互影响，从而难以进行区分。

而光纤光栅振动监测系统也可以对振动信号进行感知，其技术缺点是(1)该监测系统对低频信号响应较好，但是对中高频信号响应很弱；(2)该监测系统需要在光路上添加光纤光栅光器件，由此额外增加了生产成本；(3)由于光纤光栅光器件对温度变化较为敏感，因此温度变化可能导致光纤光栅光器件对振动信号的灵敏度产生较大变化，从而导致该监测系统的灵敏度也发生很大变化。

在现有技术中还另有各种光纤干涉系统可以对声波信号进行拾取，而这类光纤干涉系统通常需要在传感光路外加入外差探测光路，增加成本的同时使得系统结构极其复杂。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面，本发明提供了一种基于光纤传感的声波监控系统。所述技术方案如下：

本发明的一个目的是提供了一种基于光纤传感的声波监控系统。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于光纤传感的声波监控系统，所述声波监控系统包括监控主机，还包括用于监控声波的全光网络，用于控制所述全光网络的监控主机和全光网络彼此连接，所述全光网络包括彼此串联的多个光纤传感探头，所述多个光纤传感探头分别布置在各个进行声波监控的区域内，且所述多个光纤传感探头中的每一个光纤传感探头均包括至少一个光纤传感探头模块。

进一步地，所述多个光纤传感探头包括用于提取噪声样本的至少一个除噪光纤传感探头和用于声波监控的至少一个声波光纤传感探头，所述至少一个除噪光纤传感探头中所有的除噪光纤传感探头均布置在所述噪声源区域内，所述至少一个声波光纤传感探头中所有的声波光纤传感探头均设置在所述各个进行声波监控的区域内。

具体地，所述各个进行声波监控的区域均串联有所述至少一个除噪光纤传感探头。

进一步地，所述多个光纤传感探头中相邻的光纤传感探头彼此间隔一距离设置。

具体地，所述各个进行声波监控的区域中不同的声波监控区域之间通过所述光纤传感探头的彼此串联以实现连接。

具体地，所述至少一个光纤传感探头模块中的每一个光纤传感探头模块包括弹性圆柱体和多匝光纤，所述多匝光纤均缠绕在所述弹性圆柱体上。

进一步地，所述至少一个光纤传感探头模块为彼此串联的多个光纤传感探头模块，所述多个光纤传感探头模块中相邻的光纤传感探头模块彼此通过光纤连接器连接或者彼此熔接连接。

进一步地，所述多个光纤传感探头中相邻的光纤传感探头彼此通过传输光纤连接。

进一步地，所述多个光纤传感探头中至少一对相邻的光纤传感探头之间设置有中继放大模块。

进一步地，所述多个光纤传感探头在彼此串联之后通过所述传输光纤与所述监控主机连接。

进一步地，所述监控主机为基于瑞利干涉技术的光纤振动传感系统。

进一步地，所述监控主机对所述多个光纤传感探头所传输的信号进行平均降噪处理。

进一步地，所述监控主机控制一个或者多个所述光纤传感探头开启或者关闭。

具体地，所述监控主机通过将信号强度乘以1以启动所述多个光纤传感探头中的至少一个光纤传感探头，

所述监控主机通过将信号强度乘以0以停止所述多个光纤传感探头中的至少一个光纤传感探头。

进一步地，所述监控主机的光纤长度分辨率小于1米。

具体地，所述监控主机包括噪声监控模块，所述噪声监控模块控制所有的除噪光纤传感探头采集噪声信号。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

(1)本发明提供的基于光纤传感的声波监控系统为一种基于光纤传感的分区域声波监控系统，能够利用光纤感知振动的原理进行声波的采集、处理、存储和分析；

(2)本发明提供的基于光纤传感的声波监控系统在需要声波监控的各个区域内分别布设光纤传感探头，且相邻的光纤传感探头之间采用传输光纤连接，使得在监控主机处可以对各个区域的声音进行监控；

(3)本发明提供的基于光纤传感的声波监控系统主要用于探测一根光纤上的振动点的位置，并且可以对振动点进行精确地定位，并且各个点之间没有相互干扰；

(4)本发明提供的基于光纤传感的声波监控系统的优势在于传感网络为全光网络，使得隐蔽性强，且难以探测，同时光纤传感探头灵敏度高，且动态范围大；

(5)本发明提供的基于光纤传感的声波监控系统通过对光纤传感探头中光纤长度的调节，可以在较大范围内调节光纤传感探头的灵敏度，并通过监控主机处的特殊处理，可以任意启用或者停止特定数目的光纤传感探头；

(6)本发明提供的基于光纤传感的声波监控系统以一根普通的通信光纤作为传感器，安装简单，信号抗干扰能力强，且对温度变化不敏感。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的基于光纤传感的声波监控系统的结构示意图；

图2是在同一个声波监控区域中设置多个声波光纤传感探头的结构示意图；

图3是图1所示的设置有中继放大模块的基于光纤传感的声波监控系统的结构示意图；

图4是图1所示的光纤传感探头的结构示意图；

图5是图4所示的设置有光纤连接器的光纤光纤传感探头模块的结构示意图；

图6是图4所示的光纤传感探头模块平均降噪的原理示意图；

图7是图1所示的监控主机启动和停止相应的光纤传感探头的示意图。

其中，100基于光纤传感的声波监控系统，10监控主机，20全光网络，21光纤传感探头，211光纤传感探头模块，212弹性圆柱体，213多匝光纤，214光纤连接器，22传输光纤，23中继放大模块，25除噪光纤传感探头，26声波光纤传感探头，261第一声波光纤传感探头，262第二声波光纤传感探头，263第三声波光纤传感探头，264第四声波光纤传感探头，265第五声波光纤传感探头。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

参见图1，其示出了根据本发明的一个实施例的基于光纤传感的声波监控系统100。声波监控系统100包括用于监控声波的全光网络20和用于控制全光网络20的监控主机10，且监控主机10和全光网络20彼此连接。全光网络20包括彼此串联的多个光纤传感探头21，多个光纤传感探头21分别布置在各个进行声波监控的区域内，且多个光纤传感探头21中的每一个光纤传感探头21均包括至少一个光纤传感探头模块211。

在本发明的一个示例中，监控主机10为基于相干瑞利干涉技术的高光纤长度分辨率的光纤振动传感系统经过特殊信号处理而成。采用该高光纤长度分辨率的光纤振动传感系统可以更加细分光纤的传感单元，在同样的光纤长度上相当于增加了传感器的个数。监控主机10控制一个或者多个光纤传感探头21进行单独开启或者关闭。在本发明的另一示例中，由于在声波监控系统100中设计全光网络20，使得整个声波监控系统100的隐蔽性强，难以探测且抗电流干扰能力强。在全光网络20中，多个光纤传感探头21中相邻的光纤传感探头21彼此间隔一距离(例如几米至几十公里均可)设置，且每一个光纤传感探头21负责一个声波监控区域。

在本发明的还一示例中，监控主机10的光纤长度分辨率小于1米，即每个传感单位长度小于1米。而且光纤长度分辨率上的每个传感单位相互之间彼此独立，相互之间没有信号干扰，这样使得监控主机10对多个光纤传感探头21所传输的信号能够进行独立处理。

参见图2，多个光纤传感探头中相邻的光纤传感探头彼此间隔一距离设置。具体地，多个光纤传感探头21包括彼此间隔设置的用于提取噪声样本的至少一个除噪光纤传感探头25和用于声波监控的至少一个声波光纤传感探头26。至少一个除噪光纤传感探头25中所有的除噪光纤传感探头25均布置在噪声源区域内，至少一个声波光纤传感探头26中所有的声波光纤传感探头26均设置在各个进行声波监控的区域内，且各个进行声波监控的区域均串联有至少一个除噪光纤传感探头25。由于除噪光纤传感探头25均设置在噪声源附近，因此该除噪光纤传感探头25所采集到的声音信号以噪声为主，由此监控主机10能够以除噪光纤传感探头25所采集到的声音信号为噪声样本，对声波监控信号进行噪声去除。

具体地，监控主机10中的噪声监控模块(未示出)控制所有的除噪光纤传感探头25采集噪声信号。即首先在使用前，在噪声监控模块中输入所有的除噪光纤传感探头分别与监控主机10之间的距离，之后噪声监控模块根据所输入的距离将相应的除噪光纤传感探头所采集的信号定义为噪声信号。例如布设在噪声源a附近的除噪光纤传感探头与监控主机10之间的距离是10.5km-10.7km，那么将该数据在使用前输入至噪声监控模块中，之后噪声监控模块则定义该区域所采集到的信号为噪声信号。本示例仅是一种说明性示例，本领域技术人员 不应当理解为对本发明的一种限制。

在使用时，各个进行声波监控的区域中不同的声波监控区域之间通过光纤传感探头的彼此串联以实现连接。例如彼此连接的声波监控区域之间可以通过设置在不同声波监控区域的除噪光纤传感探头25与声波光纤传感探头26彼此串联实现连接，也可以通过分别设置在不同声波监控区域的两个除噪光纤传感探头25彼此串联以实现连接，还可以通过分别设置在不同声波监控区域的两个声波光纤传感探头26彼此串联以实现连接。本领域技术人员可以明白本示例仅是一种说明性示例，不应当理解为对本发明的一种限制。

如图2所示，在需要进行声波监控的某室内(即进行声波监控的区域内)依次串联有至少一个声波光纤传感探头26中的第一声波光纤传感探头261、第二声波光纤传感探头262、第三声波光纤传感探头263、第四声波光纤传感探头264和第五声波光纤传感探头265，其中第一声波光纤传感探头261的两端分别与监控主机10和第二声波光纤传感探头262串联。之后在该室外设置有用于提取室外噪声的除噪光纤传感探头25，该除噪光纤传感探头25与第五声波光纤传感探头265串联。本领域技术人员可以明白，在该声波监控区域内可以设置1个、2个或者更多个声波光纤传感探头26，也可以在室外设置1个、3个或者更多个除噪光纤传感探头25，还可以在室内的噪声源附近设置1个、5个或者更多个除噪光纤传感探头25，本示例仅是一种说明性示例不应当理解为对本发明的一种限制。

继续参见图2，第一至第五声波光纤传感探头261-265分别设置在该进行声波监控的区域的不同位置处，而除噪光纤传感探头25设置在室外时为环境噪声消除探头，当室外存在持续噪声时，例如由于风、雨和/或过车等所产生的噪声，被除噪光纤传感探头25采集并提取为噪声信号样本，之后将该噪声信号样本传送至监控主机10，之后监控主机10对第一至第五声波光纤传感探头主动进行噪声消除。

在本发明的一个示例中，在不同的声波监控区域中可以分别设置一个或者多个光纤传感探头21。也就是说，不同的声波监控区域可以设置数量相同的光纤传感探头21，例如在多个声波监控区域均可以只设置1个(例如图2所示)或者更多个光纤传感探头21，也可以设置不同数量的光纤传感探头21，例如一部分声波监控区域仅设置1个光纤传感探头21、另一部分声波监控区域设置3 个光纤传感探头21，剩余的声波监控区域设置6个光纤传感探头21，本示例仅是一种说明性示例，本领域技术人员可以根据需要进行相应的调整。

如图1所示，四个声波光纤传感探头26分别对i声波监控区域、ii声波监控区域、iii声波监控区域和iv声波监控区域进行声波监控，其中除噪光纤传感探头25未示出。本领域技术人员可以明白，除噪光纤传感探头25的设定位置根据噪声源的位置而确定，例如当噪声源的位置处于声波监控区域外时，可将除噪光纤传感探头25设置在声波监控区域外；当噪声源的位置处于声波监控区域内时，可将除噪光纤传感探头25设置在声波监控区域内；而当声波监控区域外和声波监控区域内均有噪声源时，可分别在声波监控区域的内外均设置除噪光纤传感探头25。本领域技术人员还可以明白，除噪光纤传感探头25和声波光纤传感探头26的数量可以根据需要分别进行相应的调整，可以设置为1个、3个或者更多个，本示例仅是一种说明性示例，不应当理解为对本发明的一种限制，优选地1个声波光纤传感探头26对应1个声波监控区域，当然本领域技术人员可以根据需要使1个声波监控区域中设计2个、4个或者更多个声波光纤传感探头。

继续参见图1，多个光纤传感探头21中相邻的光纤传感探头彼此通过传输光纤22连接，即传输光纤22负责将监控主机10与彼此串联在一起的光纤传感探头21进行连接或者负责光纤传感探头21之间的连接。也就是说，传输光纤22负责监控主机10与光纤传感探头21(除噪光纤传感探头25或者声波光纤传感探头26)连接，和/或负责除噪光纤传感探头25与除噪光纤传感探头25之间、除噪光纤传感探头25与声波光纤传感探头26之间以及声波光纤传感探头26与声波光纤传感探头26之间连接。通过这样的设计，使得在进行声波监控的过程中，可以利用光纤感知振动的原理对声波进行采集、处理、存储和分析，在声波监控系统100中所有的光纤传感探头21均为对声音振动敏感的部分，而传感光纤22通过监控主机10处理后为对声音振动不敏感的部分。

参见图3，由于监控区域之间的距离可以是几米到几十公里，使得相邻的光纤传感探头21之间的距离也可以是几米到几十公里。当监控区域过多或者监控区域之间距离太长时，可以利用在相邻的光纤传感探头21之间设计一个或者多个中继放大模块23进行中继放大，即在相邻的光纤传感探头21之间设计edfa放大模块。也就是说，可以在除噪光纤传感探头25与除噪光纤传感探头25之 间、除噪光纤传感探头25与声波光纤传感探头26之间和/或声波光纤传感探头26与声波光纤传感探头26之间设计中继放大模块23(例如edfa放大模块)对所传输的信号进行中继放大。当然也可以在一对相邻的光纤传感器21之间设计中继放大模块23，还可以在多对相邻的光纤传感探头21之间设计中继放大模块23，例如可以在2对、5对或者更多对之间设计一个或者多个(例如2个、4个或者更多个)中继放大模块23。

如图4所示，多个光纤传感探头21中的每一个光纤传感探头均包括至少一个光纤传感探头模块211，即除噪光纤传感探头25和声波光纤传感探头26均包括至少一个光纤传感探头模块211。除噪光纤传感探头25和声波光纤传感探头26中的至少一个光纤传感探头模块211中的每一个光纤传感探头模块211包括弹性圆柱体212和多匝光纤213，多匝光纤213密集缠绕在弹性圆柱体212上，由此构成了光纤传感探头21，这样的设计相当于通过探测一根光纤上的振动点的位置，从而实现对振动点的精确地定位，并且还能避免各个振动点之间的相互干扰。

由此可以看出，本发明的基于光纤传感的声波监控系统100为利用一根普通的通信光纤即可作为声波传感器，使得传输信号和传感信号能够同时在光纤中传播，而且当声波监控系统100在探测声波信号时不需要采用特殊的通信光纤，即不需要在普通的通信光纤上外加例如外差探测干涉仪、光栅、耦合器和环形器、法拉第旋转镜，延迟光纤，波分复用器等光学器件等。由于外加上述光学器件，因此增加了光路的复杂度，同时还降低了监测系统的可靠性。当光路需要维护时，还使得维护成本大且维护时间长。而现有的一些光学结构，比如外差探测干涉仪，其的加入本身就是监测系统的额外噪声的引入者，从而使得该监测系统的性能较差。而且即使所有的光缆布设已经完成，也可以通过软件端利用算法对光纤传感探头进行探头合并或者拆封。

同时，在声波监控系统100的灵敏度足够的情况下，可以将一个光纤传感探头可以分解为多个光纤传感探头，光纤传感探头21最多可拆封的个数为该光纤传感探头21的光纤长度或者传感单位长度。在声波监控系统100的灵敏度欠佳的情况下，可以将多个光纤传感探头合并为一个光纤传感探头探头。由此通过本发明所设计声波监控系统100可以实现在光纤传感单位的尺度上，传感器(例如声波光纤传感探头、除噪光纤传感探头)可以自由拆分和/或合并，但需 以最佳声音传感效果为准则。

继续参见图4，光纤传感探头21中的光纤传感头模块211的数量可根据实际灵敏度需要而设定，例如可以设置为1个、3个或者更多个。结合图3和图4所示，当光纤传感探头模块211为多个光纤传感探头模块211时，多个光纤传感探头模块211彼此串联，且相邻的光纤传感探头模块211之间可以由光纤连接器214连接，还可以采用直接熔接的方式彼此连接在一起，本示例仅是一种说明性示例，不应当理解为对本发明的一种限制，本领域可以采用现有的可替代的方式进行相应的替代，只要能实现光纤传感探头模块211之间的信号传输、监控即可。

参见图6，声波监控系统100采用分布式光纤振动传感，相当于把同一光纤传感模块211内的光缆等分为数段，如5图中所示的x(1)、x(2)、x(3)……x(n)段，其中每一段均可以独立工作。而在效果上等效于一个光纤传感探头21上有n个传感点，光纤传感探头21上的传感点的数目与光纤传感头模块211的数目和每个光纤传感头模块上光纤的长度有关。换句话说，每个光纤传感探头模块211由数个传感点组成，而缠绕在光纤传感探头模块211上的光纤的长度决定了传感探头模块211的传感点的个数，且传感点总数不限，由此可以保证声波监控的灵敏度和灵敏度可调性。为了达到提升灵敏度的效果，可以对一个光纤传感探头21的n个传感点进行平均降噪，即监控主机10对多个光纤传感探头21所传输的信号都可以采用平均降噪处理。例如某个光纤传感探头的每个传感点的信号分别为s(1)、s(2)……s(n)，可以取s＝1/n*(s(1)+s(2)+…+s(n))来代表这个光纤传感探头21所传输的信号。

如图7所示，由于光纤传感探头21的独立性，使得监控主机21可以任意启动或者停止特定数目的光纤传感探头21，例如同时启动特定数目的光纤传感探头21，也可以对1个或者多个(即任意个，例如2个、5个或者更多个)光纤传感探头21进行单独启动或者停止。在使用过程中，对于需要启动的光纤传感探头21首先确定需要操作的光纤传感器探头21处的光纤长度范围，之后监控主机10使信号强度乘以1并将该信号传输至需要启动的部分，以启动所需启动的光纤传感探头21，即使得所输出的信号sout＝1*s。而对于需要停止的光纤传感探头21，首先确定需要操作的光纤传感探头21处的光纤长度范围，之后监控主机10使信号强度乘以0并将该信号传输至需要停止的部分，以停止所需停 止的光纤传感探头21，即使得所输出的信号sout＝0*s。同时监控主机10对于传感光纤22所传输的信号为sout＝0*s。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

(1)本发明提供的基于光纤传感的声波监控系统为一种基于光纤传感的分区域声波监控系统，能够利用光纤感知振动的原理进行声波的采集、处理、存储和分析；

(2)本发明提供的基于光纤传感的声波监控系统在需要声波监控的各个区域内分别布设光纤传感探头，且相邻的光纤传感探头之间采用传输光纤连接，使得在监控主机处可以对各个区域的声音进行监控；

(3)本发明提供的基于光纤传感的声波监控系统主要用于探测一根光纤上的振动点的位置，并且可以对振动点进行精确地定位，并且各个点之间没有相互干扰；

(4)本发明提供的基于光纤传感的声波监控系统的优势在于传感网络为全光网络，使得隐蔽性强，且难以探测，同时光纤传感探头灵敏度高，且动态范围大；

(5)本发明提供的基于光纤传感的声波监控系统通过对光纤传感探头光纤长度的调节，可以在较大范围内调节光纤传感探头的灵敏度，通过监控主机处的特殊处理，可以任意启用或者停止特定数目的光纤传感探头；

(6)本发明提供的基于光纤传感的声波监控系统以一根普通的通信光纤作为传感器，安装简单，信号抗干扰能力强，且对温度变化不敏感。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。