CN101620764B - 基于偏振分束检测的分布式光纤振动传感系统及传感方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种基于偏振分束检测的分布式光纤振动传感系统及传感方法，其包括感应系统、检控系统。感应系统用以感应外界振动事件；包括光源、脉冲调制器、环形器、偏振分束器、第一放大器、第二放大器、第一滤波器、第二滤波器；检控系统用以对振动信号进行检测控制；包括第一探测器、第二探测器、采集器、数据处理器；数据处理器用以处理采集器的输出信号，并对处理后的信号进行分析，选择是否报警。本发明提出的基于偏振分束检测的分布式光纤振动传感系统及传感方法，对振动信号敏感，探测精度高且具有很高的空间分辨率，与现有技术相比，本系统结构简单，信号处理方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种分布式光纤振动传感系统及传感方法，尤其涉及一种基于偏振分束检测的分布式光纤振动传感系统及传感方法。
背景技术
周界安全防范、边境防范、地震检测以及海啸预警等传感报警系统在保障人民生活安定、保护人们生命财产安全方面发挥着巨大的作用，而这类系统的本质在于对振动信号的检测和分析。随着光器件和光通信的发展，光纤传感技术越来越多地应用于传感领域，逐步取代一些传统的电类传感器。
由于光纤的本质特性对振动、应力及声波等信号敏感，基于光纤的振动传感技术尤其是分布式传感受到各国科技工作的重视。光纤式振动传感器是一种采用光纤作为敏感部件的机械振动传感器；其基本构成有发送检测部分、信号传输部分和接收处理部分。发送检测部分是直接利用光纤将检测获得的参数转换成便于传输的光信号，信号传输部分是通过光纤进行信号传输，接收处理部分是对来自光纤的信号进行检测、整形、处理等。
近年来，出现了多种基于不同原理的分布式光纤振动传感技术，例如：UDDERIC等人申请的美国发明专利“Distributed sagnac sensor systems(专利号US5402231)”，该专利利用工作于不同波长的两个Sagnac(萨格奈克)干涉仪结合实现分布式振动传感，这种传感器由两个不同波长的光源、两个探测器和两个Sagnac干涉仪构成，两个Sagnac环重叠于同一个光纤环，两个干涉仪的输出之比和之和分别决定振动信号的位置和幅度。这种基于Sagnac干涉仪的分布式传感器对作用于光纤的振动信号的响应幅度决定于其处于光纤环的位置，越接近光纤环的中心，响应幅度越小，因此系统线性度较差，灵敏度受限。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于偏振分束检测的分布式光纤振动传感系统，以解决现有技术的不足之处。
另外，本发明同时提供上述基于偏振分束检测的分布式光纤振动传感系统的传感方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于偏振分束检测的分布式光纤振动传感系统，其包括感应系统、检控系统。感应系统，用以感应外界振动事件；包括光源、脉冲调制器、环形器、偏振分束器、第一放大器、第二放大器、第一滤波器、第二滤波器；光源用以发出连续光；脉冲调制器用以将所述光源发出的连续光调制成脉冲光；环形器用以将脉冲光注入传感光缆；偏振分束器用以将环形器输出的传感光缆背向散射光分成两束具有正交偏振态线偏振光；第一放大器、第二放大器用以将两束线偏振光信号放大；第一滤波器、第二滤波器分别与所述第一放大器、第二放大器相连。检控系统用以对振动信号进行检测控制；包括第一探测器、第二探测器、采集器、数据处理器；第一探测器、第二探测器分别与所述第一滤波器、第二滤波器连接；采集器用以采集所述第一探测器、第二探测器的输出信号；数据处理器用以处理采集器的输出信号，并对处理后的信号进行分析，选择是否报警。
作为本发明的一种优选方案，所述检控系统还包括控制器，该控制器连接光源、脉冲调制器、采集器，用以控制光源、脉冲调制器、采集器的动作。
作为本发明的一种优选方案，所述光源包括相连接的激光驱动器及激光器；该激光驱动器连接控制器，接收控制器发出的控制信号，由此驱动激光器发出激光。
作为本发明的一种优选方案，所述检控系统还包括计算机，用以控制所述控制器发出控制信号。
作为本发明的一种优选方案，所述数据处理器还包括计算机，用以处理采集器的输出信号，并对处理后的信号进行分析，选择是否报警。
作为本发明的一种优选方案，所述光源包括相连接的激光驱动器及激光器；所述激光驱动器用以驱动激光器发出激光。
一种上述基于偏振分束检测的分布式光纤振动传感系统的传感方法，该方法包括如下步骤：
感应步骤，感应外界振动事件；包括：
(11)光源发出连续光；
(12)脉冲调制器将所述光源发出的连续光调制成脉冲光；
(13)环形器将脉冲光注入传感光缆；
(14)偏振分束器将环形器输出的传感光缆背向散射光分成两束具有正交偏振态线偏振光；
(15)第一放大器、第二放大器将两束线偏振光信号放大；第一滤波器、第二滤波器分别将上述经过放大的信号滤波；
检控步骤，对振动信号进行检测控制；包括：
(21)第一探测器、第二探测器分别对上述经过滤波的信号进行光电转换；
(22)采集器采集所述第一探测器、第二探测器的输出信号；
(23)数据处理器处理采集器的输出信号，并对处理后的信号进行分析，选择是否报警。
作为本发明的一种优选方案，所述检控步骤还包括：控制器控制所述光源、脉冲调制器、采集器的动作。
作为本发明的一种优选方案，所述光源包括相连接的激光驱动器及激光器；该激光驱动器连接控制器，接收控制器发出的控制信号，由此驱动激光器发出激光。
作为本发明的一种优选方案，所述数据处理器还包括计算机，用以处理采集器的输出信号，并对处理后的信号进行分析，选择是否报警；所述计算机同时用以控制所述控制器发出控制信号。
作为本发明的一种优选方案，当系统判定有事件发生时，根据事件发生的时间t，由ΔL＝(1/2)(C/n)·t可知事件发生的地点，由此对事件进行定位；其中C为真空中光速，n为光纤有效折射率，t为脉冲发生时间与信号接收时间的时间差，τ为脉冲宽度。
本发明的有益效果在于：本发明提出的基于偏振分束检测的分布式光纤振动传感系统及传感方法，对振动信号敏感，探测精度高且具有很高的空间分辨率，与现有技术相比，本系统结构简单，信号处理方便。
附图说明
图1为本发明分布式光纤振动传感系统的结构示意图。
图2为相位敏感OTDR技术原理图。其中，图2-1为激光器线宽Δf＜＜1/τ且激光器中心频率漂移＜＜1/τ时，前后两个脉冲的背向瑞利散射光信号示意图；图2-2为前后背向瑞利散射光信号之差示意图。
图3为基于偏振分束相位敏感OTDR技术原理图。其中，图3-1为未加偏振分束器时系统检测的外界振动信号示意图；图3-2为引入偏振分束器后，系统检测X偏振态光束得到的外界振动信号示意图；图3-3为引入偏振分束器后，系统检测Y偏振态光束得到的外界振动信号示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例一
请参阅图1，本发明揭示了一种基于偏振分束检测的分布式光纤振动传感系统，其包括感应系统、检控系统。
【感应系统】
感应系统用以感应外界振动事件；包括光源、脉冲调制器、环形器、偏振分束器、第一放大器、第二放大器、第一滤波器、第二滤波器。
光源用以发出连续光，本实施例中，所述光源包括相连接的激光驱动器及激光器；所述激光驱动器连接检控系统的一控制器，接收控制器发出的控制信号，由此驱动激光器发出激光。脉冲调制器用以将所述光源发出的连续光调制成脉冲光；环形器用以将脉冲光注入传感光缆；偏振分束器用以将环形器输出的传感光缆背向散射光分成两束具有正交偏振态线偏振光；第一放大器、第二放大器用以将两束线偏振光信号放大；第一滤波器、第二滤波器分别与所述第一放大器、第二放大器相连。
【检控系统】
检控系统用以对振动信号进行检测控制；包括控制器、第一探测器、第二探测器、采集器、数据处理器。
第一探测器、第二探测器分别与所述第一滤波器、第二滤波器连接；采集器用以采集所述第一探测器、第二探测器的输出信号；数据处理器用以处理采集器的输出信号，并对处理后的信号进行分析，选择是否报警。控制器连接光源、脉冲调制器、采集器，用以控制光源、脉冲调制器、采集器的动作。
所述数据处理器还包括计算机，用以处理采集器的输出信号，并对处理后的信号进行分析，选择是否报警。此外，上述计算机还可以用来控制所述控制器发出控制信号。
以下介绍上述新型分布式光纤振动传感系统的传感方法，传感方法包括如下步骤：
(1)系统开始工作时，计算机驱动控制器发出控制信号，激光驱动器收到控制信号后驱动激光器开始工作，发出激光；
(2)控制器驱动脉冲调制器工作，将激光器发出的连续光调制成一定周期的脉冲光；
(3)脉冲光经光纤环形器后注入传感光缆；
(4)激光在传感光缆中会发生瑞利散射现象，背向瑞利散射光经光纤环形器后被偏振分束器分成两束正交线偏振光；
(5)两束正交线偏振光分别经光纤放大器放大，并通过滤波器滤波，最好分别被第一、第二探测器进行光电转换；
(6)采集器收到控制器的控制信号后，对探测器输出的信号进行信号采集；
(7)控制器发出控制信号驱动数据处理器工作，数据处理器将采集器采集的信号进行预处理，将处理结果送入计算机；
(8)计算机对数据处理器的输出信号进行分析，并通过分析结果选择是否报警。
本发明的原理如下：
激光器为超窄线宽光纤激光器，其发出的光，经脉冲调制器调制后，变成具有一定周期和脉冲宽度的脉冲光；脉冲光纤环形器后注入传感光缆，在传感光缆中产生的背向散射光，经光纤环形器后，被偏振分束器分成两束正交线偏振光；两束正交线偏振光被光纤放大器放大和滤波器滤波后，被光电探测器接收，转换为电信号；光电探测器输出的电信号，经信号采集器采集后，输入数据处理器进行处理，并将处理结果输入计算机；计算机对数据处理器输出的信号进行分析，并选择是否报警。
请参阅图2-1至图2-2，本发明系统采用的是超窄线宽激光器，激光器线宽为Δf，激光器输出激光被脉冲调制后脉冲宽度为τ，脉冲周期为T，且T大于脉冲光在传感光缆中一个传输一个来回所需的时间。当Δf＜＜1/τ且激光器中心频率漂移＜＜1/τ时，光缆中一个脉冲宽度内的背向瑞利散射光，同时到达探测器探测面，会发生干涉现象(如图2-1)。当外界有振动信号施加于传感光缆上时，会引起光缆长度及折射率发生变化，导致光缆中传输的光相位发生变化，经探测器光电转化后，光强会发生变化；将前后两个脉冲的背向瑞利散射光相减，将获得有用的外界振动信息，并据此选择是否报警(如图2-2)。
请参阅图3-1至图3-3，为增加传感系统的探测灵敏度，降低误警率，本发明在传感系统中引入了偏振分束器，将传感光缆传回的背向瑞利散射光分成两束具有正交偏振态的线偏振光，并分别进行独立探测和数据处理，若有一路有报警，则系统判定有事件发生。
当系统判定有事件发生时，根据事件发生的时间t(为脉冲发生时间与信号接收时间的时间差)，由ΔL＝(1/2)(C/n)·t可知事件发生的地点，由此对事件进行定位。系统定位精度为(1/2)(C/n)·τ。其中C为真空中光速，n为光纤有效折射率，τ为脉冲宽度。
综上所述，本发明利用OTDR结构，能够对振动事件进行定位；同时，由于采用超窄线宽、低频率漂移激光光源，系统灵敏度高；此外，系统结构简单，信号处理比较容易。
实施例二
本实施例中，上述基于偏振分束检测的分布式光纤振动传感系统的传感方法，该方法包括如下步骤：
感应步骤，感应外界振动事件；包括：
(11)光源发出连续光；
(12)脉冲调制器将所述光源发出的连续光调制成脉冲光；
(13)环形器将脉冲光注入传感光缆；
(14)偏振分束器将环形器输出的传感光缆背向散射光分成两束具有正交偏振态线偏振光；
(15)第一放大器、第二放大器将两束线偏振光信号放大；第一滤波器、第二滤波器分别将上述经过放大的信号滤波；
检控步骤，对振动信号进行检测控制；包括：
(21)第一探测器、第二探测器分别对上述经过滤波的信号进行光电转换；
(22)采集器采集所述第一探测器、第二探测器的输出信号；
(23)数据处理器处理采集器的输出信号，并对处理后的信号进行分析，选择是否报警。
当系统判定有事件发生时，根据事件发生的时间t(为脉冲发生时间与信号接收时间的时间差)，由ΔL＝(1/2)(C/n)·t可知事件发生的地点，由此对事件进行定位；系统定位精度为(1/2)(C/n)·τ。其中C为真空中光速，n为光纤有效折射率，τ为脉冲宽度。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。
Claims (10)
1.一种基于偏振分束检测的分布式光纤振动传感系统，其特征在于，其包括一感应系统和一检控系统；
所述感应系统用以感应外界振动事件，其包括：
光源，用以发出连续光；
脉冲调制器，用以将所述光源发出的连续光调制成脉冲光；
环形器，用以将脉冲光注入传感光缆；
偏振分束器，用以将环形器输出的传感光缆背向散射光分成两束具有正交偏振态线偏振光；
第一放大器、第二放大器，用以将两束线偏振光信号放大；以及
第一滤波器、第二滤波器，分别与所述第一放大器、第二放大器相连；
所述检控系统用以对振动信号进行检测控制，其包括：
第一探测器、第二探测器，分别与所述第一滤波器、第二滤波器连接；
采集器，用以采集所述第一探测器、第二探测器的输出信号；以及
数据处理器，用以处理采集器的输出信号，并对处理后的信号进行分析，选择是否报警。
2.根据权利要求1所述的基于偏振分束检测的分布式光纤振动传感系统，其特征在于：
所述检控系统还包括控制器，该控制器连接光源、脉冲调制器、采集器，用以控制光源、脉冲调制器、采集器的动作。
3.根据权利要求2所述的基于偏振分束检测的分布式光纤振动传感系统，其特征在于：
所述光源包括相连接的激光驱动器及激光器；
该激光驱动器连接控制器，接收控制器发出的控制信号，由此驱动激光器发出激光。
4.根据权利要求2所述的基于偏振分束检测的分布式光纤振动传感系统，其特征在于：
所述检控系统还包括计算机，用以控制所述控制器发出控制信号。
5.根据权利要求1所述的基于偏振分束检测的分布式光纤振动传感系统，其特征在于：
所述数据处理器还包括计算机，用以处理采集器的输出信号，并对处理后的信号进行分析，选择是否报警。
6.根据权利要求1所述的基于偏振分束检测的分布式光纤振动传感系统，其特征在于：
所述光源包括相连接的激光驱动器及激光器；所述激光驱动器用以驱动激光器发出激光。
7.一种使用权利要求2至4任一所述基于偏振分束检测的分布式光纤振动传感系统的传感方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
感应步骤，感应外界振动事件；包括：
(11)光源发出连续光；
(12)脉冲调制器将所述光源发出的连续光调制成脉冲光；
(13)环形器将脉冲光注入传感光缆；
(14)偏振分束器将环形器输出的传感光缆背向散射光分成两束具有正交偏振态线偏振光；
(15)第一放大器、第二放大器将两束线偏振光信号放大；第一滤波器、第二滤波器分别将上述经过放大的信号滤波；
检控步骤，对振动信号进行检测控制；包括：
(21)第一探测器、第二探测器分别对上述经过滤波的信号进行光电转换；
(22)采集器采集所述第一探测器、第二探测器的输出信号；
(23)数据处理器处理采集器的输出信号，并对处理后的信号进行分析，选择是否报警。
8.根据权利要求7所述的传感方法，其特征在于：
所述检控步骤还包括：控制器控制所述光源、脉冲调制器、采集器的动作。
9.根据权利要求7所述的传感方法，其特征在于：
所述光源包括相连接的激光驱动器及激光器；
该激光驱动器连接控制器，接收控制器发出的控制信号，由此驱动激光器发出激光；
所述数据处理器还包括计算机，用以处理采集器的输出信号，并对处理后的信号进行分析，选择是否报警；
所述计算机同时用以控制所述控制器发出控制信号。
10.根据权利要求7所述的传感方法，其特征在于：
当系统判定有事件发生时，根据事件发生的时间t，由ΔL＝(1/2)(C/n)·t可知事件发生的地点，由此对事件进行定位；其中C为真空中光速，n为光纤有效折射率，t为脉冲发生时间与信号接收时间的时间差。
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