基于雙向光放大的超長距離分布式光傳感裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖傳感領(lǐng)域，具體涉及針對區(qū)域周界振動信號的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測、定位方法及監(jiān)測裝置，其為基于雙向光放大的超長距離分布式光傳感方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]全分布式光纖振動傳感屬于功能型光纖傳感器，利用光纖的傳感和傳導(dǎo)特性，沿鋪設(shè)光纖鏈路進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)的振動監(jiān)測，具有超長距離，高靈敏度，無盲區(qū)，抗干擾，耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于周界安防，管道泄露監(jiān)測等場合。
[0003]現(xiàn)有的長距離分布式光纖振動傳感器中，較為成熟的包括采用基于后向散射光探測的分布式振動傳感器，利用后向瑞利散射光間的干涉來得到包含振動信息的相位信號，通過接收到振動變化的時(shí)間來進(jìn)行振動源定位，因此該系統(tǒng)需要線寬非常窄的光源。缺點(diǎn)在于包含了振動信息的后向散射光強(qiáng)較弱，限制了最大傳感距離。如專利CN101893475中所發(fā)明基于光纖延時(shí)線的分布式光纖振動傳感系統(tǒng)。同時(shí)也有為解決信噪比和傳感距離問題而加入單向中繼放大技術(shù)的分布式振動傳感系統(tǒng)，如專利CN101839760中所發(fā)明基于中繼放大傳感技術(shù)的分布式光纖振動傳感器。但基于后向散射的傳感原理依然從原理上限制了信號光強(qiáng)度，同時(shí)單向的光放大對后向散射光的放大效果并不如前向光明顯，難以大幅提高信號信噪比，容易受到外界干擾而造成傳感精度下降甚至定位失敗，需要進(jìn)行重復(fù)性的探測和數(shù)據(jù)處理以得到準(zhǔn)確信息，實(shí)時(shí)性能較差。
[0004]因此在分布式光纖振動傳感系統(tǒng)中，如何在保證實(shí)時(shí)性能的同時(shí)，增大系統(tǒng)的傳感距離，提高信號的信噪比，增加系統(tǒng)的傳感精度是在實(shí)際生活中普及其應(yīng)用的重要研宄方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種基于雙向光放大的超長距離分布式光傳感裝置及方法，本發(fā)明傳感距離長，精度較高，定位效果好。
[0006]本發(fā)明解決技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
[0007]一種基于雙向光放大的超長距離分布式光傳感裝置，包括依次相連的控制與處理裝置、寬帶激光器、第一光纖耦合器、并聯(lián)的第一光纖臂和第二光纖臂、第二光纖耦合器、傳感鏈路和法拉第旋光鏡，控制與處理裝置與第一光纖耦合器之間還接有光電檢測裝置。
[0008]所述的裝置，第一光纖臂上設(shè)有延時(shí)線圈。
[0009]所述的裝置，傳感鏈路包括單模光纖，單模光纖串接有多個(gè)雙向光放大器。
[0010]所述的裝置，雙向光放大器包括串接在單模光纖上的第三光纖耦合器和摻鉺光纖，第三光纖耦合器還接有泵浦激光器。
[0011]所述的裝置，控制與處理裝置包括處理器，寬帶激光器包括寬帶光源，寬帶光源與第一光纖耦合器相連，寬帶光源還接有壓控恒流源電路，壓控恒流源電路依次通過電流采樣電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器與處理器相連，處理器與壓控恒流源電路之間還接有第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器，處理器與寬帶光源之間還接有熱電冷卻驅(qū)動電路。
[0012]所述的裝置，光電檢測裝置依次通過跨阻抗放大器、可編程儀表放大器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連，可編程儀表放大器與處理器之間還接有第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
[0013]所述的裝置，光電檢測裝置包括第一光電探測器和第二光電探測器，它們均與第一光纖親合器相連。
[0014]一種基于雙向光放大的超長距離分布式光傳感方法，包括:將傳感鏈路沿監(jiān)測區(qū)域周界鋪設(shè)，由處理器控制壓控恒流源電路的輸入電壓，驅(qū)動寬帶光源發(fā)出光信號，光信號傳送至第一光纖耦合器一個(gè)進(jìn)口端，通過第一光纖耦合器后被分為兩路光進(jìn)入第一光纖臂和第二光纖臂，其中在第一光纖臂中加入了一段單模光纖作為延時(shí)線圈形成非對稱結(jié)構(gòu)，兩路光通過第二光纖耦合器進(jìn)入傳感鏈路進(jìn)行傳感和放大，到達(dá)法拉第旋光鏡時(shí)原路返回，再次進(jìn)入超長距離傳感鏈路進(jìn)行反向放大，再由第二光纖耦合器分光至第二光纖臂、第一光纖臂，在第一光纖耦合器處匯合形成干涉，由第一光電探測器、第二光電探測器對干涉光信號進(jìn)行接收，處理器進(jìn)行處理。
[0015]所述的方法，電流采樣電路還對壓控恒流源電路輸出的電流進(jìn)行采樣，并將結(jié)果通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出給處理器，同時(shí)處理器通過第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器調(diào)整壓控恒流源電路的輸入電壓值，以設(shè)定驅(qū)動電流大小，熱電冷卻驅(qū)動電路讀取寬帶光源的工作溫度反饋給處理器，處理器同時(shí)控制熱電冷卻驅(qū)動電路以恒定寬帶光源的工作溫度；
[0016]當(dāng)?shù)诙饫w耦合器輸出的光信號進(jìn)入傳感鏈路中的第三光纖耦合器時(shí)，由泵浦激光器發(fā)出的泵浦光耦合進(jìn)去對光信號進(jìn)行正向放大，并通過摻鉺光纖進(jìn)行增益；當(dāng)由法拉第旋光鏡原路返回的光信號通過摻鉺光纖進(jìn)入第三光纖耦合器時(shí)，由泵浦激光器發(fā)出的泵浦光耦合進(jìn)去對光信號進(jìn)行反向放大；
[0017]當(dāng)光電檢測裝置中的第一光電探測器和第二光電探測器接收傳感鏈路傳回來的信號光，產(chǎn)生的光電流通過跨阻抗放大器轉(zhuǎn)化為電壓值，由可編程儀表放大器對信號進(jìn)行第二級放大，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將信號傳給處理器進(jìn)行分析處理計(jì)算，同時(shí)處理器通過第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器對可編程儀表放大器的增益系數(shù)進(jìn)行設(shè)定，調(diào)整電壓放大倍數(shù)。
[0018]所述的方法，處理器進(jìn)行處理的方法包括:
[0019]SI)沿振動源布置好光纖鏈路，振動源對單模光纖施加擾動；
[0020]S2)處理器以最大采樣頻率多次采樣并保存振動源傳感數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)運(yùn)算得到每次采樣信號中的相位信息；再對振動源傳感數(shù)據(jù)逐倍降頻采樣，在每個(gè)采樣頻率下同樣獲得多個(gè)采樣信號相位信息；
[0021]S3)將所有的采樣信號相位信息保存，獲得多個(gè)訓(xùn)練樣本；
[0022]S4)對所有的訓(xùn)練樣本進(jìn)行快速傅里葉變換運(yùn)算得到一次快速傅里葉變換頻率響應(yīng)曲線，再次進(jìn)行快速傅里葉變換，得到一次快速傅里葉變換頻率響應(yīng)曲線的頻率響應(yīng)曲線，稱為二次快速傅里葉變換頻率響應(yīng)曲線，尋找二次快速傅里葉變換頻率響應(yīng)曲線響應(yīng)峰的頻率值f，不同距離的振動源會導(dǎo)致不同的f值；
[0023]S5)計(jì)算所有訓(xùn)練樣本二次快速傅里葉變換頻率響應(yīng)曲線的峰均比，即該曲線峰值和其有效值之比，進(jìn)行判定篩選，如果峰均比高于閾值(比如保留前10%樣本)，則保留該樣本曲線，否則去除該樣本曲線；
[0024]S6)根據(jù)步驟S5得到經(jīng)篩選后的樣本曲線的響應(yīng)峰頻率值計(jì)算訓(xùn)練振動源的距離數(shù)組，計(jì)算公式:L = c/2nf，其中L為振動源距離，η為光纖折射率，c為光速；然后按照距離大小進(jìn)行排序，取中間值為該訓(xùn)練振動源的估計(jì)距離；
[0025]S7)根據(jù)步驟S6得到的估計(jì)距離，根據(jù)估計(jì)距離段-降采樣頻率倍數(shù)的正比例關(guān)系選取相應(yīng)的降采樣頻率倍數(shù)，確定采樣頻率后進(jìn)行多次采集分析，獲得多個(gè)采樣樣本，按步驟S4的方法計(jì)算每個(gè)采樣樣本的響應(yīng)峰頻率值f’ ；
[0026]S8)根據(jù)L’ = c/2nf’計(jì)算距離值L’，按距離大小排序，取中間值和相鄰點(diǎn)(如相鄰2-3個(gè)采樣樣本)作為候選點(diǎn)，計(jì)算并比較峰均比，峰均比最大的距離值視為最終振動距離。
[0027]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下主要的優(yōu)點(diǎn):
[0028]其一.采用了全分布式光纖傳感技術(shù)，以光纖作為室外無源傳感元件，耐壓、耐腐蝕、抗電磁干擾，無盲區(qū)實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測。
[0029]其二.基于白光干涉型薩格納克干涉原理，對光源要求低，傳感器靈敏度高，受外界干擾小。
[0030]其三.采用雙向光功率放大，大幅度提高傳感距離至數(shù)百公里。
[0031]其四.采用了速率自適應(yīng)的數(shù)據(jù)采集定位方法，在不增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理量的同時(shí)提高了長距離條件下的定位精度。
[0032]其五.采用壓控可調(diào)恒流源和增益可調(diào)接收模塊，具有大動態(tài)范圍，廣泛適用于多種場合要求。
【附圖說明】
[0033]圖1是本發(fā)明的基于雙向光放大的超長距離分布式光傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]圖2是本發(fā)明的基于雙向光放大的超長距離分布式光傳感鏈路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]圖3是本發(fā)明的雙向光纖放大器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036]圖4是本發(fā)明的適應(yīng)長距離傳感系統(tǒng)的光收發(fā)模塊示意圖。
[0037]圖5是本發(fā)明的適用于超長距離傳感的數(shù)據(jù)處理方法流程圖。
[0038]圖中:1.寬帶激光器；2.第一(3X3)光纖耦合器；3.第一光纖臂；4.第二光纖臂；5.延時(shí)線圈；6.光纖耦合器；7.帶雙向光放大器的傳感鏈路；8.法拉第旋光鏡；9.第一光電探測器；10.第二光電探測器；11.單模光纖；12.雙向光放大器；13.980nm波長泵浦激光器；14.第三光纖耦合器；15.摻鉺光纖(EDF) ；16.光路結(jié)構(gòu)(圖1的2_8) ；17.寬帶光源；18.壓控恒流源電路；19.電流采樣電路；20.光電探測器；21.跨阻抗放大器；22.可編程儀表放大器；23.模數(shù)轉(zhuǎn)換器；24.處理器；25.TEC控制電路；26.第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器；27.第二數(shù)模轉(zhuǎn)