一種單光源脈沖編碼的光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)及其傳感方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及光纖傳感領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種單光源脈沖編碼的光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)及 其傳感方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 分布式光纖傳感系統(tǒng)由于其靈敏度高，不受電磁干擾，檢測(cè)范圍廣，成本低等特 點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)距離油氣管道監(jiān)測(cè)及周界安防，建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，是近數(shù)十年的 研究熱點(diǎn)。
[0003] Mach-Zehnder/Sagnac干設(shè)儀分布光纖傳感系統(tǒng)，利用檢測(cè)兩傳感光路中由外界 擾動(dòng)所造成的相位差變化，并通過相關(guān)時(shí)延估計(jì)的方法進(jìn)行定位，能對(duì)振動(dòng)進(jìn)行良好的感 知。但由于相關(guān)時(shí)延估計(jì)方法本身確定時(shí)延的難度性，使得該方法定位精度不高，對(duì)振動(dòng)點(diǎn) 的準(zhǔn)確判斷困難重重。
[0004] 基于光時(shí)域反射儀（OTDR)技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)利用光波在光纖中傳輸時(shí) 發(fā)生的瑞麗散射現(xiàn)象，在背向檢測(cè)瑞利散射光的強(qiáng)度來得到光纖的損耗變化并精確定位光 纖故障點(diǎn)。由于該種技術(shù)是對(duì)瑞利散射光的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，因此其測(cè)量靈敏度比較低且僅 能響應(yīng)靜態(tài)損耗的變化。
[0005] 基于相干瑞利散射的O-0TDR(相敏OTDR)技術(shù)，通過使用長(zhǎng)相干光源，檢測(cè)光脈 沖返回光的相干結(jié)果，其干設(shè)方法能有效實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高定位精度和高靈敏 度檢測(cè)，尤其是對(duì)于微弱擾動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)。同時(shí)，由于空間分辨率和脈沖長(zhǎng)度相關(guān)，為了空 間分辨率，常使用非常窄的脈沖，常見為數(shù)十至數(shù)百納秒，因此返回光強(qiáng)度微弱，在長(zhǎng)距離 傳輸后，信號(hào)分辨率較低，限制動(dòng)態(tài)范圍。
[0006] 基于脈沖調(diào)制的O-0TDR，有效的在保證空間分辨率的基礎(chǔ)上提高了傳感距離，但 由于需要各個(gè)調(diào)制脈沖之間保持相互獨(dú)立，所W需要多個(gè)光源來實(shí)現(xiàn)，其系統(tǒng)復(fù)雜程度較 高，成本也較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供了一種單光源脈沖編碼的光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)及其傳感方法，本發(fā)明在 不增加系統(tǒng)復(fù)雜程度的基礎(chǔ)上，通過脈沖編碼，成功提高了注入光能量，抑制了散粒噪聲， 提高了傳感距離，詳見下文描述：
[000引一種單光源脈沖編碼的光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)，由激光光源、FPGA、聲光調(diào)制器組、光 纖環(huán)形器、禪合器、光電探測(cè)器、信號(hào)采集調(diào)理裝置、帶通濾波電路、混頻器、上位機(jī)和傳感 光纖構(gòu)成，
[0009] 激光光源產(chǎn)生連續(xù)光，經(jīng)由控制頻率不同的聲光調(diào)制器組轉(zhuǎn)換為光脈沖，在FPGA 的控制下，光脈沖形成編碼，通過禪合器形成編碼脈沖光，通過光纖環(huán)形器注入傳感光纖， 其傳播過程中所產(chǎn)生的背向傳播散射光產(chǎn)生干設(shè)，經(jīng)由光纖環(huán)形器進(jìn)入禪合器，與本振光 相干設(shè)，產(chǎn)生拍頻信號(hào)，光電探測(cè)器將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，所形成的電信號(hào)經(jīng)過帶通濾波電路 濾除差頻分量，再經(jīng)由混頻器實(shí)現(xiàn)拍頻的降低，最后由采集卡采集并放大信號(hào)，在上位機(jī) 中，實(shí)現(xiàn)各個(gè)控制頻率的各自調(diào)幅解調(diào)，再進(jìn)行解碼和定位處理。
[0010] 所述傳感方法包括W下步驟：
[001U 上位機(jī)通過FPGA控制N個(gè)控制頻率不同的聲光調(diào)制器組，在N*1路禪合器處使N 個(gè)互有時(shí)延的短脈沖光形成編碼長(zhǎng)度為N，脈沖寬度為N* T的編碼脈沖光，并經(jīng)由光纖環(huán) 形器注入傳感光纖；
[0012] 編碼脈沖光的瑞利散射光與來自激光光源的本振光相干設(shè)，形成頻率fiW及 A f。的拍波，經(jīng)由光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)；
[0013] 通過選取聲光調(diào)制器組的控制頻率，將帶通濾波電路的濾波結(jié)果和預(yù)設(shè)的正弦波 進(jìn)行混頻，獲取降頻后的拍波頻率；
[0014] 上位機(jī)通過對(duì)頻率在降頻后的拍波頻率的拍信號(hào)進(jìn)行調(diào)幅解調(diào)，獲取單個(gè)編碼脈 沖光的瑞利散射信號(hào)；
[0015] 通過對(duì)單個(gè)編碼脈沖光的瑞利散射信號(hào)進(jìn)行移動(dòng)差分計(jì)算，獲取傳感光纖沿線的 振動(dòng)情況。
[0016] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是；本發(fā)明在不增加系統(tǒng)復(fù)雜程度的基礎(chǔ)上， 通過脈沖編碼，成功提高了注入光能量，抑制了散粒噪聲，提高了傳感距離；同時(shí)通過外差 檢測(cè)進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可探測(cè)最小光強(qiáng)并抑制背景散射，并在外差探測(cè)的基礎(chǔ)上，解調(diào)了 各個(gè)編碼脈沖的響應(yīng)，使得在同一個(gè)光源下依然可W實(shí)現(xiàn)編碼和解碼，進(jìn)一步提高了傳感 距離和系統(tǒng)靈敏度。該光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，信號(hào)分辨率高，噪聲水平低、靈敏度高、 定位精度高，克服了現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，同時(shí)其信號(hào)分辨率和空間分辨率相互制 約、靈敏度低、噪聲水平制約動(dòng)態(tài)范圍的問題。且該系統(tǒng)具有分布式光纖監(jiān)檢測(cè)系統(tǒng)所特有 的分布式、受電磁等外界干擾小等特點(diǎn)，且安裝方便，可W很好的滿足各種振動(dòng)檢測(cè)和監(jiān)測(cè) 應(yīng)用，尤其是長(zhǎng)距離的管道監(jiān)測(cè)與周界安防等。
【附圖說明】
[0017] 圖1為一種單光源脈沖編碼的光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖2為一種單光源脈沖編碼的光纖振動(dòng)傳感方法的流程圖。
[0019] 附圖中，各標(biāo)號(hào)所代表的部件列表如下：
[0020] 1、激光光源； 2、1 ; 99禪合器；
[0021] 3、第一多路禪合器； 4、不同控制頻率的聲光調(diào)制器組；
[0022] 5、第二多路禪合器； 6、光纖環(huán)形器；
[0023] 7、傳感光纖； 8、1;1禪合器；
[0024] 9、光電探測(cè)器； 10、帶通濾波電路；
[0025] 11、混頻器； 12、信號(hào)發(fā)生器；
[0026] 13、低通濾波電路； 14、信號(hào)采集調(diào)理模塊；
[0027] 15、上位機(jī)； 16、FPGA。
【具體實(shí)施方式】
[002引為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步 地詳細(xì)描述。
[0029] 實(shí)施例1
[0030] 一種單光源脈沖編碼的光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)，參見圖1，該光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)由激光 光源1、1 ;99禪合器2、第一多路禪合器3、不同控制頻率的聲光調(diào)制器組4、第二多路禪合 器5、光纖環(huán)形器6、傳感光纖7、1 ;1禪合器8、光電探測(cè)器9、帶通濾波電路10、混頻器11、 信號(hào)發(fā)生器12、低通濾波電路13、信號(hào)采集調(diào)理模塊14、上位機(jī)15和FPGA16構(gòu)成。
[0031] 由激光光源1產(chǎn)生窄線寬的連續(xù)光，經(jīng)由1 ;99禪合器2產(chǎn)生探測(cè)光和本振光，探 測(cè)光經(jīng)過第一多路禪合器3分為N路子探測(cè)光，各路子探測(cè)光經(jīng)由聲光調(diào)制器組4形成多 路脈沖光，其中聲光調(diào)制器組4由上位機(jī)15寫入FGPA16的程序控制通斷時(shí)序，依次產(chǎn)生相 應(yīng)時(shí)延