一種長距離光纖分布式振動監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種檢測技術(shù)，特別涉及一種基于光學(xué)脈沖時間編碼的長距離光纖分布式振動監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖分布式振動傳感技術(shù)在周界安防、管線監(jiān)護和光纜海纜等監(jiān)護領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用需求。以往的技術(shù)通常采用雙向馬赫曾德干涉儀或者光時域反射技術(shù)，檢測距離較短且不能用于光纜中含有單向光放大器的環(huán)境。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明是針對光纖分布式振動傳感存在檢測距離有限和抗干擾能力差的問題，提出了一種光纖分布式振動監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法，采用光脈沖時間編碼方法，結(jié)合激光干涉檢測和光纖技術(shù)，實現(xiàn)對光纖光纜沿線的外加振動信號進行檢測和定位，不限檢測距離的約束，適應(yīng)各種檢測環(huán)境。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種長距離光纖分布式振動監(jiān)測系統(tǒng)，包括脈沖編碼器、相干激光光源、時間編碼光源、第一光纖親合器、第二光纖親合器、第一波分復(fù)用器、第二波分復(fù)用器、干涉探測器、編碼探測器和信號處理單元，脈沖編碼器對相干激光光源和時間編碼光源進行按格雷碼的序列編碼，被編碼的相干激光光源輸出光脈沖進入到光纖系統(tǒng)，先被第一光纖耦合器分兩路，一路通過光纖傳輸后再經(jīng)過串聯(lián)的第一波分復(fù)用器和第二波分復(fù)用器進入到第二光纖耦合器，另一路直接向前傳輸后進入第二光纖耦合器，第二光纖耦合器輸出信號到干涉探測器，得到干涉光信號，兩個光纖耦合器之間兩路光纜長度相等；被編碼的時間編碼光源通過光纖傳輸后經(jīng)過串聯(lián)的波分復(fù)用器進入到編碼探測器，干涉探測器和編碼探測器將按得到的光信號進行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電信號進入到信號處理單元，信號處理單元處理信號，實現(xiàn)對振動信號的定位。
[0005]進一步的，所述的脈沖編碼器分別與所述的相干激光光源和時間編碼光源連接，時間編碼光源與第一波分復(fù)用器連接，相干激光光源與所述的第一光纖親合器連接，第一光纖耦合器分兩路輸出，其中一路通過光纖與所述的第二光纖耦合器連接，另一路與第一波分復(fù)用器連接，第一波分復(fù)用器與第二波分復(fù)用器通過光纖連接，第二波分復(fù)用器與第二光纖耦合器連接，第二光纖耦合器與所述的干涉探測器連接，干涉探測器與所述的信號處理單元連接，第二波分復(fù)用器與所述的編碼探測器連接，編碼探測器與信號處理單元連接。
[0006]所述兩個光纖耦合器之間傳輸光纜的長度L滿足條件以下:T = Lrwf/c>M/f，其中nrff為光纖的有效折射率，c為光在真空中的光速，T為一組格雷碼的周期，M為格雷碼碼位數(shù)，f為AD采樣頻率。
[0007]所述兩個光纖耦合器之間傳輸光纜傳輸距離過長時，在滿足兩個光纖耦合器之間傳輸光纜的長度L滿足條件的情況下，在光纖中增加單向傳輸放大模塊。
[0008]所述長距離光纖分布式振動監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法，編碼探測器得到序列脈沖，相鄰兩組編碼脈沖之間的時間間隔為T，對于兩個光纖耦合器之間傳輸光纜傳輸距離，有T =neffL/c ；
[0009]干涉探測器得到干涉脈沖序列S，每個序列的第一個脈沖Sn與時間脈沖N對應(yīng)，最后一個脈沖SN+1與時間脈沖N+1對應(yīng)，在N和N+1之間插入M個格雷碼編碼的脈沖，M由探測定位的精度確定，對應(yīng)脈沖周期為Λ ；
[0010]當(dāng)光纜上某一位置X發(fā)生振動事件的時候，通常第N組編碼脈沖已經(jīng)往前傳輸τ時間，在信號處理單元中，每探測得到一個時間編碼脈沖N，就打開相應(yīng)的高速計數(shù)器，記錄下時間τ，并同時啟動對干涉探測器探測到的信號的分析，當(dāng)從干涉脈沖序列S中確定有事件發(fā)生是，即停止對τ的計時，利用這個時間τ，結(jié)合干涉脈沖的編碼序列號Μχ，就可以得到振動發(fā)生的位置為:
[0011]X = (MX Λ - τ )C/neffo
[0012]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明光纖分布式振動監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法，適用于含有或不含有光中繼放大器的長距離光纜的外部安全監(jiān)護。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明長距離光纖分布式振動監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2為通信傳輸光纜中的光放大環(huán)節(jié)示意圖；
[0015]圖3為本發(fā)明實施例示意圖；
[0016]圖4為本發(fā)明編碼和探測示意圖。
【具體實施方式】
[0017]如圖1所示長距離光纖分布式振動監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，脈沖編碼器M對相干激光光源LI和時間編碼光源L2進行按格雷碼的序列編碼，被編碼的光源輸出光脈沖進入到光纖系統(tǒng)，相干激光光源LI發(fā)出的相干光脈沖通過光纖耦合器Cl分成兩路，分別進入到傳輸光纜的兩根光纖中，一根光纖直接向前傳輸后再經(jīng)過光纖耦合器C2，另一根光纖依次通過波分復(fù)用器Wl、W2進入光纖耦合器C2，光纖耦合器C2輸出信號進入到干涉探測器roi，得到干涉光信號；脈沖編碼器M通過內(nèi)部高精度時鐘，采用二進制格雷碼方式對時間編碼光源L2進行精確編碼，時間編碼光源L2發(fā)出的特定編碼的序列光脈沖則經(jīng)過波分復(fù)用器Wl進入到傳輸光纜，再經(jīng)過波分復(fù)用器W2進入到編碼探測器TO2。LI和L2的脈沖序列根據(jù)光纜的長度和編碼的位數(shù)來確定，即發(fā)出第一組格雷編碼脈沖之后，根據(jù)光纜的精確長度，在確定這組脈沖已經(jīng)完全到達(dá)PDl和PD2的情況下，再發(fā)出下一組格雷編碼脈沖。PDl和PD2將得到的光信號進行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電信號進入到信號處理單元進行相應(yīng)的模數(shù)AD轉(zhuǎn)換，并進行高速數(shù)字信號處理，首先從TO2中得到的光脈沖信號中采用時鐘恢復(fù)技術(shù)恢復(fù)時鐘源，供給后續(xù)電路作為時間基準(zhǔn)，同時從干涉脈沖信號中經(jīng)過信號分析，提煉出作用在光纜上的振動信息，依據(jù)該信息的能量特征，結(jié)合時間編碼信號，確定能量最集中的點所對應(yīng)的時間編碼，由此得到振動信號作用在光纜上的確切時間，再得到該振動信號所發(fā)生的在光纜上的具體位置，實現(xiàn)對振動信號的定位。
[0018]保證對光脈沖的高精度編碼，時間準(zhǔn)確性Δ T要達(dá)到ns量級，以保證對定位的精度要求。當(dāng)光纖光纜的長度太短，光的傳輸太快，系統(tǒng)的編碼速率要求會超過AD轉(zhuǎn)換器件和信號處理器的處理能力而使系統(tǒng)無法實現(xiàn)，為保證功能，兩個光纖耦合器之間傳輸光纜的長度L滿足以下條件:T = Lrwf/C>M/f，其中η#為光纖的有效折射率，c為光在真空中的光速，T為一組格雷碼的周期，M為格雷碼碼位數(shù)，f為AD采樣頻率。
[0019]在常規(guī)的大長度通信光纜中，為了克服光纖的固有傳輸損耗，通常相隔50km左右就回加入一對光放大器，如圖2所示通信傳輸光纜中的光放大環(huán)節(jié)示意圖。這種光放大器為了保證光通信信息的質(zhì)量，通常是單向傳輸并放大，因此常規(guī)的分布式振動檢測技術(shù)如基于雙向MZ干涉儀技術(shù)和基于OTDR技術(shù)的測量方法在光學(xué)結(jié)構(gòu)上就無法實現(xiàn)。因為這兩種技術(shù)都要求光在一根光纖里面雙向傳輸，才能構(gòu)成相應(yīng)的分布式光學(xué)系統(tǒng)。
[0020]單向傳輸放大模塊是放置在傳輸距離太長，主要是為了克服信號衰減所使用，通信系