一种分布式振动传感系统及其应用的制作方法

本发明涉及光学工程、光纤光学和信号处理技术领域，具体为一种分布式振动传感系统及其应用，涉及光纤激光、信号处理和传感技术。

背景技术：

目前，在高铁轮轨振动信号检测方面，传统的分布式传感系统由于其信噪比以及灵敏度有限，且轮轨振动有效信号经过空气传递和介质吸收，单芯光纤探测得到的信号十分微弱，导致检测有效信号非常困难。

传统的干涉型分布式传感技术由于基于相位感测原理，该类技术普遍存在系统信噪比以及灵敏度有限、定位距离短、需屏蔽光纤、数据处理复杂、偏振态衰落等问题，严重影响系统的传感性能，使传感系统定位精度较低。并且该技术只能实现单一位置的测量定位并不能实现多点定位。在实际工程应用中，需要监测的距离可达到几千米甚至几十、上百千米，常会同时出现多点的入侵扰动，因此分布式光纤振动传感系统能够测量和定位多点振动的分布式传感系统是具有重要意义。

传统分布式传感系统的检测信号受到很多噪声源的影响，而且是随机噪声或者是统计噪声。在一些需要高精确度、高灵敏度的应用场景下，传统分布式传感系统的低信噪比会极大的降低该传感系统的价值。

中国专利申请号201510917944X提供了一种U型传感光纤部署结构的光纤分布式传感系统，通过多缆单芯绕成U型，但其振动信号的一致性不够好，每根缆振动的位置不会完全一致，所以每根缆的振动信号是不完全一致的。其运用的是与光时域反射仪(OTDR)类似的原理。在OTDR中，用探测单元发射的激光脉冲来探测光缆。当光脉冲在光纤中传播时，存在于光纤中的瑞利散射光，光电探测器接收后向散射光子。此数据被用来匹配光纤的反射率。在该专利申请中，外部振动干扰调制光纤特定位置的后向散射光。通过以高采样率记录瑞利信号的变化，把光纤变成了大量分布式的拾音器或者传感器。

技术实现要素：

针对上述存在问题或不足，为增强在轮轨振动关系检测中的灵敏度，提高系统信噪比，以获取和增强轮轨振动相关时频域信息。本发明提供了一种分布式振动传感系统及其应用。

该分布式振动传感系统，包括光源、声光调制器、波形发生器、2个脉冲放大器、2个滤波器、环形器、探测器、数据采集卡、信号处理装置和传感装置组成，其特征在于：

中心波长1550nm的高相干窄线宽光源输出连续光，经声光调制器调制为脉冲光，声光调制器由波形发生器驱动；

声光调制器输出的脉冲光依次经第一脉冲放大器放大以及第一滤波器抑制噪声后，通过环形器的1端口耦合经其2端口输至传感装置中；

从传感装置反射回来的光信号经环形器2端口传输至3端口，再耦合进第二脉冲放大器，再由第二滤波器滤除掉第二脉冲放大器放大产生的噪声和没有消耗完的泵浦光在传感装置中产生的散射光后，送入具有增益可调和滤波功能的探测器；

数据采集卡采集探测器输出的电信号，并送入信号处理装置中进行数据处理；数据采集卡由波形发生器同步触发采集，波形发生器由独立的软件控制；

信号处理装置，对采集的信号进行处理以获取到传感装置中传感光缆上不同位置受到外力作用的振动信号中所包含的时频域信息；

所述传感装置由接入光缆、传感光缆组成；接入光缆实现环形器与传感光缆间的光信号传输；传感光缆是一根多芯光缆，多芯光缆中包含多根平行光纤芯，多根平行光纤芯之间采用相邻纤芯首尾连接的方式，多根纤芯在光缆骨架支撑下保持平行分布，纤芯数为2～8芯。

进一步的，所述信号处理装置，采用FPGA开发板首先经过累加器对信号按照周期进行同步叠加，提高系统信噪比；再通过滑窗积累器对叠加后的信号进行预处理，去除部分带外噪声，进一步提升系统信噪比；最后经过三阶累积量运算器滤除带内噪声。

进一步的，将上述分布式振动传感系统传感装置的传感光缆沿高铁轮轨布置，通过信号处理装置对采集信号的处理，以获取到光纤上不同位置受到轮轨作用的振动信号中所包含的时频域信息，从而实现对铁轨结构损坏、断裂点的快速检测和精确定位。

上述分布式振动传感系统的工作流程如下：

步骤1、从中心波长1550nm的高相干窄线宽光源经高消光比的声光调制器发射脉冲光信号，再经过脉冲放大器放大以及滤波器抑制噪声后进入由多芯光缆构成传感装置的光缆中；

步骤2、从传感装置反射回来的光信号经脉冲放大器放大以及滤波器消除后向散射噪声后进入探测器；所述反射回来的光信号是每一根光纤芯在受到外界振动信号扰动位置反射回来的后向瑞利散射光；波形发生器同步触发数据采集卡进行数据采集，采集后的数据进入信号处理装置进行进一步的信号处理；

步骤3、在信号处理装置中，通过处理采集信号，从而获取到整个传感装置上在某个位置受到轮轨作用的振动信号中所包含的时频域信息。

本发明中的传感光缆是由一根多芯光缆中的多根平行传感纤芯组成，多根平行光纤芯之间采用相邻纤芯首尾连接的方式，多根平行光纤芯在光缆骨架支撑下保持平行分布，纤芯数为2～8芯。利用了单缆多芯的振动信号和振动位置的一致性，即利用单缆多芯光缆的信号叠加技术，处理接收到的信号以检测受到轮轨振动而产生光纤振动信号，从而获取和增强轮轨振动相关时频域信息。实现对相同或相邻位置处接收振动信号的叠加处理，在保持系统方案硬件组成和系统成本不增加的同时，极大提高了系统信噪比，增强了在轮轨振动关系检测中的灵敏度，以获取和增强轮轨振动相关时频域信息。

附图说明

图1是本发明的分布式振动传感系统结构及应用示意图；

图2是实施例的信号叠加过程示意图；

图3是本发明的等效多脉冲系统示意图；

图4是本发明的信号叠加结果示意图；

图5是本发明的系统硬件示意图；

图6实施例的信号处理过程示意图；

附图标记：1-光发射接收模块，2-光纤芯，3-接入光缆，4-传感光缆，5-传感光纤，6-平行光纤连接处，7-铁轨轨道，8-轮轨振动产生的信号，9-光脉冲信号。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步的描述。

结合图1、图2、图3所示，本发明的分布式振动传感系统由光发射接收模块和传感装置组成。光发射接收模块是由图5中除传感装置以外所有器件所组成。传感装置由接入光缆和传感光缆组成。接入光缆可以是任何一种能够将光脉冲从光源传输到传感光缆中去的光缆。传感光缆是由多根平行光纤芯首尾连接组成。在传感光缆末端，将传感光缆用一根长度为600米的接入光缆连接至光发射接收模块。光源和探测器分别用来发射光脉冲到光缆中和探测从光缆多个位置反射回来的后向散射光。

结合图1、图4所示，本发明的光缆2被放置在靠近发射振动信号的噪声源的位置，振动信号传播至光缆时会导致传感装置的形变。形变会暂时的改变光缆的后向散射光的性质。因为光纤的突然形变，探测器会探测出后向散射光性质的改变，以及随着光信号和后向散射光沿着光缆的传输，形变的位置也将被探测到。特别地，通过识别和接收来自某段光纤的后向散射光信号，可以检测出此段光纤的振动信息。在本发明中，多根光纤的相同或相邻位置都会被同时执行检测，每段光纤都包含了振动位置的相关时频域信息。

图2中的虚线框就是一个典型的形变位置，而被虚线框圈住的就是典型的6根平行光纤结构。振动位置对应的每段光纤反射的瑞利散射光信号经传感光纤全部汇聚在探测器中。

结合图1、图5和图6所示，从中心波长1550nm的高相干窄线宽光源输出连续光，经高消光比的声光调制器调制为脉冲光，声光调制器由波形发生器驱动(TTL信号)，重复频率为1kHz，脉宽为200ns(占空比为0.02％)，对应了20m的空间分辨率。脉冲光经过第一脉冲放大器放大以及第一滤波器抑制噪声后通过环形器的1端口耦合经其2端口输至传感装置中即接入光缆中。从传感装置反射回来的光信号经环形器2端口传输至3端口再耦合进第二脉冲放大器放大，并由第二滤波器滤除掉第二脉冲放大器放大产生的噪声和没有消耗完的泵浦光在传感光纤中产生的散射光后，送入具有增益可调和滤波功能的探测器。数据采集卡采集探测器的输出电信号，并送入信号处理装置中进行数据处理。数据采集卡也由波形发生器同步触发采集，波形发生器由独立的软件控制。在信号处理装置中，由于探测器接收到各个时刻反射回来的瑞利散射光信号的信噪比为20dB，采用FPGA开发板首先经过累加器对信号按照周期进行同步叠加，利用信号的相关性和噪声的不相关特性，信噪比提高将近5dB，有效增强信号强度和抑制噪声，提高系统信噪比；再通过滑窗积累器对叠加后的信号进行预处理，去除了部分带外噪声，信噪比提高13dB，进一步提升系统信噪比；最后经过三阶累积量运算器，大部分带内噪声被滤除，信号明显突出，信噪比又提高2dB，系统信噪比显著提升。通过处理采集信号，从而获取到整个传感装置上在某个位置受到轮轨作用的振动信号中所包含的时频域信息。

本实施例中，采用FPGA开发板首先经过累加器对信号按照周期进行同步叠加，利用信号的相关性和噪声的不相关特性，有效增强信号强度和抑制噪声，提高系统信噪比；再通过滑窗积累器对叠加后的信号进行预处理，去除了部分带外噪声，进一步提升系统信噪比；最后经过三阶累积量运算器，大部分带内噪声被滤除，信号明显突出，系统信噪比显著提升。

通过隔离在光发射接收模块接收到的后向散射光，均能将属于每一段光纤的后向散射光信号分离出来以及进行进一步的处理。利用现有技术，在处理器中处理接收到的数据，以及通过接收到的叠加信号，可以提取出振动信号方向和大小的相关信息。因为消除了噪声，接收到的叠加信号体现了本发明相对于不使用信号叠加的分布式传感系统在信噪比上的提升。已经发现，依赖瑞利散射效应的分布式振动传感系统产生的噪声类似于随机噪声，它可以利用叠加技术来消除。通过处理分布式振动传感系统的统计噪声，本发明将以更高信噪比来分析轮轨振动有效信号。

光缆的总长可以是从数米到数十千米，光源至离光源最远的光缆的距离可以是从数米到数十千米。光缆2是被用来传感外界振动源的振动信号，它携带了轮轨振动有效信号的相关信息。

综上所述，通过分析处理接收到的轮轨振动有效信号，本发明可以对铁轨损坏、断裂的位置进行快速检测和精确定位。