專利名稱：光纖分布式擾動傳感器的多點(diǎn)擾動定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖擾動信號監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光纖分布式擾動傳感器的多點(diǎn)擾動定位方法。
背景技術(shù)：
光纖分布式擾動傳感器可以對傳感光纖上任意一點(diǎn)處的擾動(時變信號)進(jìn)行監(jiān)測，得到擾動信號的時域波形，根據(jù)擾動事件性質(zhì)進(jìn)行判斷，給出報(bào)警信息；同時給出擾動事件發(fā)生的空間位置信息。 根據(jù)不同的工作原理，光纖分布式傳感器可以分為干涉儀型、光纖光柵型、光時域反射計(jì)型，光頻域反射計(jì)型以及強(qiáng)度調(diào)制型等傳感技術(shù)。其中，由于干涉儀型分布式傳感器具有實(shí)現(xiàn)原理簡單，靈敏度高，響應(yīng)速度快，硬件成本低，適于長距離傳感等優(yōu)良特性，已經(jīng)成為光纖分布式擾動傳感器的主要技術(shù)方案。目前，干涉儀型分布式光纖擾動傳感器的理論方案主要包括單薩格奈克型、雙馬赫-澤德型、雙薩格奈克型、薩格奈克+邁克爾遜型和薩格奈克+馬赫-澤德型、雙波長薩格奈克型、以及雙調(diào)制頻率薩格奈克型干涉儀等。其中，基于雙馬赫-澤德型光纖分布式傳感器光路結(jié)構(gòu)簡單，硬件成本低，不存在信號頻譜范圍的限制，通過相關(guān)時延算法可以實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)擾動的定位。但是現(xiàn)有技術(shù)中在多位置(多點(diǎn))同時擾動的情況下，無法給出擾動位置的準(zhǔn)確定位，降低了傳感器的實(shí)用性能。并且除雙波長薩格奈克型干涉儀外，現(xiàn)有技術(shù)中其它干涉儀型光纖分布式擾動傳感器也難以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時擾動定位的問題?；陔p波長薩格奈克型干涉儀的光纖分布式擾動傳感器的光路原理圖如圖1所示。一個寬帶低相干光源被采用波分復(fù)用技術(shù)按波長分成兩個光波帶。光以不同的波長在兩個不同的薩尼亞克干涉儀中傳播。第一個干涉儀由光源A、光路B、光纖延時線圈光路C、傳感光纖光路E、壓電相位調(diào)制器光路F、光路H和探測器I組成的雙向光路構(gòu)成；第二個薩尼亞克干涉儀由光源A、光路B、壓電相位調(diào)制器光路D、傳感光纖光路E、光纖延時線圈光路G、光路H和探測器I組成的雙向光路構(gòu)成。每一個薩尼亞克干涉儀都以一個正弦應(yīng)變信號(頻率分別為f\、f2)產(chǎn)生一個相位偏置，而f\、f2是不一樣的，應(yīng)該滿足If^f2I大于被測信號的擾動頻率，也就是大于傳感器的輸出的基頻寬度。由于相位偏置給不同的干涉儀提供了不同頻率的幅值調(diào)制載波信號，所以兩個干涉儀可以共用一個光探測器。通過調(diào)整系統(tǒng)的工作點(diǎn)到正弦相位相應(yīng)的高斜坡區(qū)域可以提高干涉儀的靈敏度。當(dāng)薩尼亞克環(huán)上有擾動時，偏差調(diào)制的奇次諧波信號開始能被探測到。光電探測器接收到的信號經(jīng)雙有源零差解調(diào)技術(shù)分解出兩個薩尼亞克干涉儀的輸出信號。圖2為雙波長薩格奈克型干涉儀的光纖分布式擾動傳感器解調(diào)電路的原理框圖，其中clock為時鐘，4、4、24、2&分別為兩個偏差調(diào)制頻率和兩倍的調(diào)制頻率。信號進(jìn)入兩個鎖定放大器中，分別解調(diào)出D(f\)、D(f2)、D(2f\)、D(2f2)可簡單地處理出的與位置有關(guān)的結(jié)果。當(dāng)系統(tǒng)保持?jǐn)_動引起的光相位調(diào)制小于O. lrad，輸出結(jié)果就與擾動的變化率和幅值幾乎沒有關(guān)系了。上述基于雙波長薩格奈克干涉儀型的光纖分布式擾動傳感器的缺點(diǎn)在于
I)擾動信號解調(diào)與定位的前提是假設(shè)系統(tǒng)受到小信號的作用(即擾動信號引起的相位差小于O.1rad) ；2)擾動產(chǎn)生的相對相移是薩格奈克環(huán)上位置的函數(shù)，其中傳感器在環(huán)中心位置的靈敏度接近于零；3)由于采用了波分復(fù)用器(WDM)等器件，增加了系統(tǒng)的硬件成本和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性；4)由于波分復(fù)用器的非理想型，使得存在一定量的光串行干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)輸出結(jié)果的誤差，從而提高了系統(tǒng)的誤警率并降低了系統(tǒng)的定位精度。上面的這些缺陷嚴(yán)重影響了傳感器在實(shí)際監(jiān)測應(yīng)用中的可靠性，限制了該方案的實(shí)際實(shí)施。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種光纖分布式擾動傳感器的多點(diǎn)擾動定位方 法，其基于結(jié)構(gòu)簡單、硬件成本低的光纖分布式擾動傳感器實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)擾動的定位，并且不存在雙波長薩格奈克型干涉儀固有的缺陷。(二)技術(shù)方案為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種光纖分布式擾動傳感器的多點(diǎn)擾動定位方法，所述光纖分布式擾動傳感器為基于雙馬赫-澤德干涉儀型光纖分布式擾動傳感器，所述方法包括以下步驟S1:分別通過雙馬赫-澤德干涉儀的兩個干涉儀得到第一輸出信號和第二輸出信號;S2:分別對所述第一輸出信號和第二輸出信號進(jìn)行預(yù)處理，得到所述第一輸出信號和第二輸出信號中的相位信息；S3 :將經(jīng)過所述預(yù)處理后的所述第一和第二輸出信號進(jìn)行時域互相關(guān)處理；S4 :對經(jīng)過所述時域互相關(guān)處理后的結(jié)果進(jìn)行頻域譜分析處理；提取多點(diǎn)擾動信號的位置信息。優(yōu)選地，步驟S2所述的預(yù)處理包括S21 :分別對所述第一輸出信號和第二輸出信號進(jìn)行隔直處理，濾除直流項(xiàng)和低頻干擾項(xiàng)；S22 :分別求取經(jīng)隔直處理后的所述第一和第二輸出信號的光強(qiáng)與可見度信息，以消除第一和第二輸出信號可見度的變化、以及得到所述第一和第二輸出信號的光強(qiáng)與可見度 目息;S23 :分別提取經(jīng)步驟S22處理后的所述第一和第二輸出信號的相位信息，并濾除相位緩變的干擾信號。優(yōu)選地，所述步驟S21中的隔直處理通過直接在電路上加電容實(shí)現(xiàn)、或通過有源或無源的高通濾波方式實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選地，所述步驟S22中通過分段求取峰峰值的方法來消除所述第一和第二輸出信號可見度的變化、以及得到所述第一和第二輸出信號的光強(qiáng)與可見度信息。優(yōu)選地，所述步驟S22中通過抗偏振衰落技術(shù)和光功率穩(wěn)定控制技術(shù)消除所述第一和第二輸出信號可見度的變化，并通過求取峰峰值得到所述第一和第二輸出信號的光強(qiáng)信息。
優(yōu)選地，所述步驟S23通過相位提取方法或PGC調(diào)制方法得到所述第一和第二輸出信號的相位信息。優(yōu)選地，所述步驟S23通過高通濾波來濾除相位緩變的干擾信號。優(yōu)選地，所述步驟S2所述的預(yù)處理還包括在步驟S21和S22之間增加對所述第一和第二輸出信號進(jìn)行放大和濾波調(diào)理的步驟，用于抑制噪聲和干擾。(三)有益效果I)本發(fā)明保留了目前最具優(yōu)勢也是應(yīng)用最廣泛的雙馬赫-澤德干涉儀的光路結(jié)構(gòu)，具有光路結(jié)構(gòu)簡單，硬件成本低等優(yōu)勢；2)本發(fā)明通過對擾動信號的預(yù)處理消除了在·定位計(jì)算過程中可能受到的光功率波動和信號偏振誘導(dǎo)衰落等因素引起的干涉信號可見度的變化，從而也間接消除了可見度變化引起的可能的傳感器定位失效的問題；3)本發(fā)明通過對擾動信號的預(yù)處理也同時濾除了相位漂移信號，從而消除了相位緩變的影響；4)本發(fā)明通過對預(yù)處理后的信號進(jìn)行時域相關(guān)和頻域譜分析，提取出了不同擾動同時發(fā)生時各自的位置信息。實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)擾動定位的手段僅作用于信號處理模塊，可以通過軟件實(shí)現(xiàn)，不改變光路結(jié)構(gòu)，從而沒有弓I入額外的光路誤差和器件成本。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中基于雙波長薩格奈克型干涉儀的光纖分布式擾動傳感器的光路原理圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)基于雙波長薩格奈克型光纖分布式擾動傳感器解調(diào)電路原理圖；圖3為本發(fā)明基于雙馬赫-澤德干涉儀型光纖分布式擾動傳感器的光路原理圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明多點(diǎn)擾動定位方法的流程圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明預(yù)處理過程的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明如下。圖3為本發(fā)明基于雙馬赫-澤德干涉儀型光纖分布式擾動傳感器的光路原理圖。如圖3所示，激光器Laser發(fā)出的光波經(jīng)由第一耦合器C1分光一路光波沿著逆時針方向傳播，經(jīng)過第一光纖L。傳輸,經(jīng)第三稱合器C3分光后分別注入傳感臂La和參考臂Lb,然后再在第二耦合器C2處發(fā)生干涉，由第一光電探測器TO1接收，構(gòu)成了第一個干涉儀；另一路光波沿著順時針方向傳播，經(jīng)過第二耦合器C2分光后分別注入傳感臂La和參考臂Lb，然后再在第三耦合器C3處發(fā)生干涉，通過第二光纖Ld傳輸，由第二光電探測器PD2接收，構(gòu)成了第二個干涉儀。在本實(shí)施例中忽略臂長差，因此設(shè)傳感臂La、參考臂Lb、第一光纖L。和第二光纖Ld的長度均為L。本實(shí)施例記載一種基于上述雙馬赫-澤德干涉儀型光纖分布式擾動傳感器的多點(diǎn)擾動定位方法。圖4為本發(fā)明多點(diǎn)擾動定位方法的流程圖，如圖4所示，所述方法包括以下步驟SI 由雙馬赫-澤德干涉儀第一個干涉儀的第一光電探測器PD1得到第一輸出信號；同時由所述雙馬赫-澤德干涉儀第二個干涉儀的第二光電探測器^)2得到第二輸出信號;以兩點(diǎn)同時擾動為例。當(dāng)兩點(diǎn)擾動f\(t) f2 (t)同時發(fā)生時，光纖的長度和傳播常數(shù)將發(fā)生變化，從而引起干涉儀中的相位變化。設(shè)兩個擾動引起的相位變化分別為Δ仍⑴和，其中
權(quán)利要求
1.一種光纖分布式擾動傳感器的多點(diǎn)擾動定位方法，其特征在于，所述光纖分布式擾動傳感器為基于雙馬赫-澤德干涉儀型光纖分布式擾動傳感器，所述方法包括以下步驟S1:分別通過雙馬赫-澤德干涉儀的兩個干涉儀得到第一輸出信號和第二輸出信號； S2:分別對所述第一輸出信號和第二輸出信號進(jìn)行預(yù)處理，得到所述第一輸出信號和第二輸出信號中的相位信息；53:將經(jīng)過所述預(yù)處理后的所述第一和第二輸出信號進(jìn)行時域互相關(guān)處理；54:對經(jīng)過所述時域互相關(guān)處理后的結(jié)果進(jìn)行頻域譜分析處理；提取多點(diǎn)擾動信號的位置信息。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖分布式擾動傳感器的多點(diǎn)擾動定位方法，其特征在于，步驟S2所述的預(yù)處理包括521:分別對所述第一輸出信號和第二輸出信號進(jìn)行隔直處理，濾除直流項(xiàng)和低頻干擾項(xiàng)；522:分別求取經(jīng)隔直處理后的所述第一和第二輸出信號的光強(qiáng)與可見度信息，以消除第一和第二輸出信號可見度的變化、以及得到所述第一和第二輸出信號的光強(qiáng)與可見度信S23:分別提取經(jīng)步驟S22處理后的所述第一和第二輸出信號的相位信息，并濾除相位緩變的干擾信號。
3.如權(quán)利要求2所述的光纖分布式擾動傳感器的多點(diǎn)擾動定位方法，其特征在于，所述步驟S21中的隔直處理通過直接在電路上加電容實(shí)現(xiàn)、或通過有源或無源的高通濾波方式實(shí)現(xiàn)。
4.如權(quán)利要求2所述的光纖分布式擾動傳感器的多點(diǎn)擾動定位方法，其特征在于，所述步驟S22中通過分段求取峰峰值的方法來消除所述第一和第二輸出信號可見度的變化、 以及得到所述第一和第二輸出信號的光強(qiáng)與可見度信息。
5.如權(quán)利要求2所述的光纖分布式擾動傳感器的多點(diǎn)擾動定位方法，其特征在于，所述步驟S22中通過抗偏振衰落技術(shù)和光功率穩(wěn)定控制技術(shù)消除所述第一和第二輸出信號可見度的變化，并通過求取峰峰值得到所述第一和第二輸出信號的光強(qiáng)與可見度信息。
6.如權(quán)利要求2所述的光纖分布式擾動傳感器的多點(diǎn)擾動定位方法，其特征在于，所述步驟S23通過相位提取方法或PGC調(diào)制方法得到所述第一和第二輸出信號的相位信息。
7.如權(quán)利要求6所述的光纖分布式擾動傳感器的多點(diǎn)擾動定位方法，其特征在于，所述步驟S23通過高通濾波來濾除相位緩變的干擾信號。
8.如權(quán)利要求2所述的光纖分布式擾動傳感器的多點(diǎn)擾動定位方法，其特征在于，所述步驟S2所述的預(yù)處理還包括在步驟S21和S22之間增加對所述第一和第二輸出信號進(jìn)行放大和濾波調(diào)理的步驟，用于抑制噪聲和干擾。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光纖分布式擾動傳感器的多點(diǎn)擾動定位方法，所述光纖分布式擾動傳感器為基于雙馬赫-澤德干涉儀型光纖分布式擾動傳感器，所述方法包括以下步驟S1分別通過雙馬赫-澤德干涉儀的兩個干涉儀得到第一輸出信號和第二輸出信號；S2分別對所述第一輸出信號和第二輸出信號進(jìn)行預(yù)處理，得到所述第一輸出信號和第二輸出信號中的相位信息；S3將經(jīng)過所述預(yù)處理后的所述第一和第二輸出信號進(jìn)行時域互相關(guān)處理；S4對經(jīng)過所述時域互相關(guān)處理后的結(jié)果進(jìn)行頻域譜分析處理；提取多點(diǎn)擾動信號的位置信息。通過使用本發(fā)明的方法，使得可以采用結(jié)構(gòu)簡單、硬件成本低的光纖分布式擾動傳感器實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)擾動的定位。
文檔編號G01D5/26GK102997945SQ20111027468
公開日2013年3月27日 申請日期2011年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月16日
發(fā)明者李立京, 李勤, 許文淵, 鐘翔, 林文臺, 張春熹, 李彥, 鄔戰(zhàn)軍 申請人:北京航空航天大學(xué)