一种u型传感光纤部署结构的光纤分布式传感系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学工程、光纤光学和信息获取与感知技术领域，具体涉及光纤传感、信号处理技术。
【背景技术】
[0002]随着我国以及世界各国高铁、城市地铁等轨道交通的快速发展，日益增多的轨道线路和机车使得纵横交错的轨道交通日益繁忙，同时对于轨道上运行机车的全线精确定位、轮轨关系的实时监测以及准确测速等方面提出了更高的要求。针对这样的情况，传统的电学传感器在很多电磁干扰强烈的地方已不能满足需要，其可靠性和安全性存在极大隐串
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[0003]光纤分布式传感器是基于光时域反射技术(OTDR)的一种分布式应力传感系统。该技术是由于光纤制备工艺的限制，造成光纤上各点的密度不均匀，进而折射率不均匀，这种不均勾性引起光在光纤中传输时发生瑞利散射。同时，光纤受到各种施加的外力(强烈的机械振动或微弱的声波振动)时也会导致局部折射率的变化，也会使得光纤中的散射光发生变化。这样，当在光纤一端注入脉冲激光进行传输时，其中一部分的背向散射光反向传输回光入射端，通常这对于光纤通信来说这是一种反射损耗，然而也正是因为这样的特性，可以通过探测接收到的随时间变化的背向散射光信号，来监测光纤链路上受到的应力变化情况，这就是通常所说的光时域反射技术。
[0004]将一定重复频率的脉冲激光注入光纤进行探测时，其空间分辨率受限于激光脉冲宽度(T)的限制，最小空间分辨率要大于脉冲宽度的一半(T/2)。因此，如果采用缩短脉宽的办法来提升空间分辨率，那么注入光纤的激光能量将相应降低，从而导致探测距离的大幅下降，且探测系统的信噪比将急剧下降。另一方面，由于现有激光技术限制，减小激光的脉冲宽度成本很高昂且难以实现集成化，其通常的脉冲宽度为10米到几十米，从而导致基于OTDR技术的光纤分布式传感器的空间分辨率难以提高。
[0005]同时决定光纤分布式传感器空间分辨率的另一个因素是其用于探测背向散射光信号的光电探测器的最低积分时间。由于光电探测器并不能分辨“高重复频率”信号，因此光电探测器输出的每一点电信号均是一小段时间内光子数的累积，对应于空间长度来说，光电探测器输出的每一点电信号均是一小段光纤内光子数的累积。因此，接收到的光时域反射信号经光电转换后，时域波形上其每一点的值均是一小段光纤中背向散射光的强度。由此可知，光电探测器的最低积分时间也限制了光纤分布式传感器的空间分辨率。
[0006]基于上述光时域反射技术(OTDR)的光纤分布式传感器具有很高的灵敏度，同时具有极强的抗电磁干扰特性，且可在现有的基础设施上利用普通通信光缆实现长距离分布式传感，因此其在高铁和城市地铁等轨道交通系统中具有广泛的应用前景。但入射激光的脉冲宽度和光电探测器的最低积分时间极大的限制了该类系统的空间分辨率。面对日益复杂且高速的现代轨道交通，要达到对机车位置和速度高精度实时监控的要求，就必须要进一步提高光纤分布式传感系统的空间分辨率。
【发明内容】
[0007]针对上述存在问题和不足，为了解决传统光纤分布式传感系统的空间分辨率受限于脉冲激光的脉冲宽度和光电探测器的最低积分时间，无法进一步提高系统的空间分辨率。本发明提供了一种U型传感光纤部署结构的光纤分布式传感系统。
[0008]该U型传感光纤部署结构的光纤分布式传感系统，其特征在于:光纤分布式传感系统中用于检测振动信号的传感光纤Fl布置成多U型结构，该多U型结构含有N(N>1)条平行边构成N-1个U型，且相邻U型方向相反。从传感光纤起始端将其依次划分为一系列连续且等长的通道C1、C2、C3……Cn，每个通道的长度为入射脉冲激光线宽T的一半，S卩T/2。
[0009]所述多U型结构传感光纤各平行边上的每个通道与相邻平行边对应的通道在垂直于平行边方向上不重叠，即每一个通道均与相邻平行边在垂直于平行边方向上相对应的通道组成一组虚拟传感通道。
[0010]所述多U型结构传感光纤中的通道在垂直于平行边方向上不与任何通道重叠，SP每一个通道均与其他平行边在垂直于平行边方向上相对应的通道组成一组虚拟传感通道。
[0011]上述U型传感光纤部署结构的光纤分布式传感系统，其在轨道监测中工作过程为:
[0012]步骤1:将基于分布式光纤传感系统的传感光纤沿铁路轨道一侧布置成U型结构，根据所用脉冲激光的脉冲宽度参数T，将多U型结构的光纤配置成为长度为T/2的连续通道，该U型结构传感光纤中的平行边与火车轨道保持平行且最近的平行边与其保持20cm至30cm的直线距离。
[0013]步骤2:在U型结构光纤的一端连续注入一系列脉冲激光，机车在轨道上运动所产生的振动将间接作用于传感光纤，这将改变传感光纤的传输和散射特性。同时在注入激光的同一端使用环形器将光纤上各个通道的背向散射光引导入光电探测器模块，使用光电探测器对接收到的背向散射光进行探测。
[0014]步骤3:将光电探测器接收到的关于各个通道的背向散射光信号的数据送入信号处理模块，根据OTDR的原理将时域波形与空间距离相对应，对时域信号波形进行空间域的表示，最后将U型结构中空间位置上相互对应的通道的探测数据进行相加处理及相应的定位算法，实现对光纤链路上机车运动等振动源的定位与测速。
[0015]进一步的，步骤I所述传感光纤是指对于机车运动、声音振动等振动信号均敏感的光纤。
[0016]进一步的，步骤3所述的探测数据相加处理及相应的定位算法，是通过对相互交错的通道组的数据的叠加，从算法上缩短了光纤链路上背向散射光的采样长度，提高系统空间分辨率。
[0017]进一步将多U型结构传感光纤部署于轨道沿线，进一步增加沿每一段轨道传感光纤的交错通道数，进一步提高系统空间分辨率。
[0018]综上所述，与现有技术相比，本发明在不减小光源脉冲宽度，不牺牲光源入射功率，不减小光电探测器最小积分时间的基础上，将传统基于单条传感光纤的光纤分布式传感器分辨率提高K(K > 2)倍，可完全实现对高铁和城市地铁等轨道交通车辆的高分辨率定位与测速。
【附图说明】
[0019]图1是本发明的基于U型光纤部署结构的光纤分布式传感系统的结构示意图；
[0020]图2是传统基于单条光纤部署结构的光纤分布式传感系统的结构示意图；
[0021]图3是基于重叠单U型分布结构的光纤分布式传感系统的结构示意图；
[0022]图4是本发明基于交错单U型分布结构通过交错通道信号叠加增加系统空间分辨率的原理图；
[0023]图5是本发明基于交错3U型分布结构的光纤分布式传感系统的结构示意图；
[0024]图6是本发明基于交错多U型分布结构的光纤分布式传感系统的结构示意图；
[0025]附图标记:Fl为用于传感的光纤，D为地表，E为轨道，G为车轮，H为车轮运行方向，C1、C2、C3……〇69为各个通道，1'代表通道05，31、32、33、34、55……S(N_2)、S(N_1)为每一个U型结构的中点，Hl为环形器，L为窄带脉冲激光光源，M为光电探测模块，N为电信号处理模±^,A0,AUA2,A3,A4……A(N_1)、A(N)为入射光脉冲，R0、R1、R2、R3、R4……R(N_1)、R(N)为背向散射光，Z为车轮行进时发产生的振动信号，在此处表示为振动源。4-A为车轮在运动过程中产生的振动信号(2)波形，4-8为光脉冲在光纤中传输时，通道020、021、022、023、024、〇25所采样的背向散射光信号波形，4-(:为光脉冲在光纤中传输时，通道(:10、(:11、(:12、(:13、C14所采样的背向散射光信号波形，4-D为将上述相互对应的通道的采样值进行叠加，形成虚拟通道D1、D2、D3、D4……DKL5-A为车轮在运动过程中产生的振动信号(Z)波形，5-B为光脉冲在光纤中传输时，通道C55、C56、C57、C58、C59、C60所采样的背向散射光信号波形，5-C为光脉冲在光纤中传输时，通道C49、C48、C47、C46、C45、C44所米样的背向散射光信号波形，5-D为光脉冲在光纤中传输时，通道C21、C22、C23、C24、C25所采样的背向散射光信号波形，54为光脉冲在光纤中传输时，通道(:13、(:12、(:11、(:10、09所采样的背向散射光信号波形，5-F为将上述相互对应的通道的采样值进行叠加，形成虚拟通道Dl、D2、D3、D4……D20。
【具体实施方式】
[0026]下面将结合附图及【具体实施方式】对本发明作进一步的描述。
[0027]实施例1
[0028]基于单U型光纤分布结构的光纤分布式传感系统
[0029]图1展示了基于单U型传感光纤分布结构的光纤分布式传感系统，将一种单U型的光纤Fl沿轨道浅埋于地表以下土层，与火车轨道保持平行且与火车轨道保持20cm至30cm的直线距离，以保证传感光纤对振动保持高灵敏度。机车在轨道上运动所产生的振动