一種分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的解調(diào)方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子信息技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種光電傳感技術(shù)，具體是指一種分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的解調(diào)方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]分布式光纖振動傳感系統(tǒng)集傳感與傳輸于一體，可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量與監(jiān)控，主要優(yōu)勢如下:檢測范圍廣、檢測距離長、靈敏度高、誤報率低，工作穩(wěn)定，性價比高、易操作、易管理、易維護(hù)，不受雷電干擾破壞，特別是在雷雨天氣比較多的地方，更顯現(xiàn)出分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的優(yōu)越性。此外，分布式光纖振動傳感系統(tǒng)不受EMI和RFI的干擾，對電磁干擾具有天生免疫性。分布式光纖振動傳感系統(tǒng)在整個傳感光纖長度范圍內(nèi)的探測靈敏度具有一致性，不受土壤重金屬、鹽水和礦物質(zhì)影響，耐腐蝕，能在惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定工作。而且現(xiàn)在傳感光纖隨制造成本的顯著降低變得非常低廉，因此單位信息成本顯著降低。
[0003]為了提高系統(tǒng)對振動時間識別的靈敏度和定位精度。需要極窄的線寬和極小的頻率漂移。線寬與靈敏度有著極大的關(guān)系，線寬越窄，干涉作用就越明顯，系統(tǒng)的靈敏度就越高。因此，窄線寬是光纖振動傳感器的關(guān)鍵，是系統(tǒng)能夠響應(yīng)光相位變化的基本條件。由于頻率漂移會導(dǎo)致后向散射曲線發(fā)生抖動，使入侵引起的曲線變化被淹沒，系統(tǒng)的性能受到嚴(yán)重影響，因此較小的頻率漂移在光纖振動傳感器系統(tǒng)中也非常的重要。
[0004]分布式光纖振動傳感器的傳感光纜一般埋設(shè)于室外，當(dāng)入侵者走在埋設(shè)光纜的地面上或附近時，產(chǎn)生的振動會導(dǎo)致光纖中的瑞利散射光相位發(fā)生變化，由于干涉作用，光相位變化將會引起光強(qiáng)度的變化。通過實時地將當(dāng)前時刻的分布式光纖振動傳感系統(tǒng)后向散射信號與其前一時刻的后向瑞利散射信號連續(xù)相減，檢測這種干涉效應(yīng)就可以定位入侵位置。
[0005]分布式光纖振動傳感系統(tǒng)一般測量的空間范圍大，要采集的數(shù)據(jù)量很多，因此對系統(tǒng)時間分辨率的穩(wěn)定可靠性有很高的要求。信號數(shù)據(jù)采集一般采用了實時采樣方式，即信號一到就開始逐點采樣，直到將整個信號波形被采集完為止。同時采樣點以時間為順序采集，易于實現(xiàn)波形的快速顯示。這就要求模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊處理速度足夠快，即每個采樣點的采入、量化、存儲和運算過程必須在光源的光脈沖所缺的時間間隔內(nèi)完成。分布式光纖振動傳感器能夠測量光纖周圍的任何振動、擾動、聲音信號等。如何在大量的振動信息中提取出有用的信號數(shù)據(jù)是非常關(guān)鍵性的技術(shù)。
[0006]分布式光纖振動傳感由于其獨有的優(yōu)點，有著巨大的應(yīng)用價值。但是目前還存在許多技術(shù)有待更好的解決，比如如何保證在各種復(fù)雜環(huán)境下保持系統(tǒng)的可靠性等系列的問題。如果將這些技術(shù)問題能夠有效地解決了，分布式光纖振動傳感系統(tǒng)必將在實際應(yīng)用中發(fā)揮更大的作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明旨在針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種分布式光纖振動傳感系統(tǒng)解調(diào)方法，能夠提高分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定性及感知事件的靈敏度。
[0008]本發(fā)明的另一目的在于提供一種分布式光纖振動傳感解調(diào)裝置，能夠獲取傳感光纖中的背向散射瑞利光信息，并基于獲取的背向散射瑞利光信息利用上述解調(diào)方法獲取傳感光纖上每一點的振動信號。
[0009]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0010]本發(fā)明提供了一種分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的解調(diào)方法，包括以下步驟:
[0011]步驟一，將光脈沖周期性注入傳感光纖，并獲取經(jīng)傳感光纖散射的背向散射瑞利光?目息;
[0012]步驟二，重復(fù)步驟一，對于傳感光纖中同一測量位置的背向散射瑞利光信息構(gòu)成一個序列，按照隨機(jī)抽樣方法生成一個子序列，子序列首尾相連，形成循環(huán)序列；
[0013]步驟三，微分循環(huán)序列，生成待處理瑞利相位敏感序列；
[0014]步驟四，按照上確界方法處理瑞利相位敏感序列，得到瑞利相位敏感序列的上確界，并以得到的上確界作為處理后的背向散射瑞利光信息；
[0015]步驟五，根據(jù)設(shè)定的閾值對處理后得到的背向散射瑞利光信息的劃分，確定測量位置是否有振動事件，如果有，對由背向散射光信息構(gòu)成的序列進(jìn)行快速傅里葉變換，獲得振動事件的中心頻率。
[0016]上述分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的解調(diào)方法，光脈沖是由窄線寬連續(xù)激光經(jīng)外調(diào)制轉(zhuǎn)換得到的。
[0017]上述分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的解調(diào)方法，獲取的背向散射瑞利光信息為經(jīng)硬件模塊多次數(shù)字平均后的背向散射瑞利光信息；上述硬件模塊可以為硬件累加器，即將在設(shè)定時間段內(nèi)接收到的背向散射瑞利光信息進(jìn)行累加然后求平均得到所需要的背向散射人力光信息。
[0018]上述分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的解調(diào)方法，步驟二中重復(fù)步驟一，將在某一時間段內(nèi)，將獲得的傳感光纖中同一測量位置的背向散射瑞利光信息構(gòu)成一個序列，并按照隨機(jī)抽樣方法生成一個子序列。上述隨機(jī)抽樣方法的實現(xiàn)方式之一為，將背向散射瑞利光信息構(gòu)成的序列中相鄰兩個元素求平均生成一個子序列。
[0019]上述分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的解調(diào)方法，步驟三中的微分循環(huán)序列的實現(xiàn)方法之一為，將循環(huán)序列中相鄰兩個元素相減生成待處理瑞利相位敏感序列。
[0020]上述分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的解調(diào)方法，依據(jù)步驟二至步驟四，得到處理后傳感光纖上所有測量點的背向散射瑞利光信息。依據(jù)步驟二至步驟四，對于傳感光纖中其它測量位置的背向散射瑞利光信息做同樣的處理，即同一測量位置的背向散射瑞利光信息構(gòu)成一個序列；再按照隨機(jī)抽樣方法生成一個子序列，子序列首尾相連，形成循環(huán)序列；微分循環(huán)序列，生成待處理瑞利相位敏感序列；按照上確界方法處理瑞利相位敏感序列，得到瑞利相位敏感序列的上確界，并以得到的上確界作為處理后的背向散射瑞利光信息；最后便得到處理后傳感光纖上所有測量點的背向散射瑞利光信息(由所有的上確界構(gòu)成)。
[0021]上述分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的解調(diào)方法，步驟五中，閾值的設(shè)定跟外界敏感事件相對應(yīng)。根據(jù)外界敏感事件的分類來設(shè)定相應(yīng)的閾值，當(dāng)獲得的上確界大于等于閾值時，就認(rèn)為有振動事件發(fā)生，此時對由背向散射光信息構(gòu)成的序列進(jìn)行快速傅里葉變換，獲得振動事件的中心頻率。例如，對于外界敏感事件為輸油、輸氣管道的第三方破壞，石油傳輸場站、飛機(jī)場、學(xué)校等的安防周界被入侵，道路、橋梁、建筑物等大型設(shè)施有破壞或者損毀等，根據(jù)分別設(shè)置的閾值能夠?qū)崟r地得到入侵、斷裂或破損導(dǎo)致的振動信號，從而判斷是哪種敏感事件發(fā)生，同時有效地給出發(fā)生的位置。
[0022]本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種分布式光纖振動傳感解調(diào)裝置，包括激光驅(qū)動組件、光纖環(huán)形器、光電探測器組件和微處理器；微處理器發(fā)出啟動信號，控制激光驅(qū)動組件發(fā)出脈沖激光經(jīng)光纖環(huán)形器注入傳感光纖，返回的背向散射瑞利光(拉曼光不考慮)經(jīng)光纖環(huán)形器導(dǎo)向光電探測器組件，光電探測器組件將經(jīng)數(shù)據(jù)平均后的背向散射瑞利光信息發(fā)送給微處理器，并由微處理器按照上述解調(diào)方法獲取傳感光纖上每一測量點的振動信號。
[0023]上述分布式光纖振動傳感解調(diào)裝置，激光驅(qū)動組件的作用是獲取周期性脈沖激光，作為一種實現(xiàn)方式，激光驅(qū)動組件包括窄線寬連續(xù)激光驅(qū)動器和外調(diào)制器；外調(diào)制器根據(jù)微處理器發(fā)出的啟動信號將窄線寬連續(xù)激光驅(qū)動器發(fā)出的連續(xù)激光轉(zhuǎn)換成周期性脈沖激光，并將脈沖激光經(jīng)光纖環(huán)行器注入傳感光纖。窄線寬連續(xù)激光驅(qū)光器1較好的選擇為3KHzTNK連續(xù)固體激光器。外調(diào)制器可以選擇一般的半導(dǎo)體放大器，頻率為C/ (2nL)，其中，C為光在真空中速率，η為光纖有效折射率，L為傳感光纖長度。
[0024]上述分布式光纖振動傳感解調(diào)裝置，光電探測器組件作用是接收背向散射瑞利光信息，并將光信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再將轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號進(jìn)行累加平均后發(fā)送給微處理器。作為一種實現(xiàn)方式，光電探測器組件包括Aro探測器、A/D轉(zhuǎn)換模塊和硬件累加器；APD探測器將接收的背向散射瑞利光轉(zhuǎn)換為電信號；A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；硬件累加器將連續(xù)接收的數(shù)字信號多次平均后發(fā)送給微處理器。最佳的平均次數(shù)為C/(2nLV。)，其中，C為光在真空中速率，η為光纖有效折射率，L為傳感光纖長度，V。為外界振動的中心頻率。
[0025]本發(fā)明提供的分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的解調(diào)方法，具有以下至少一項有益效果:
[0026](1)通過對獲取的背向散射瑞利光信息的數(shù)據(jù)處理分析，能夠準(zhǔn)確獲取振動事件的位置信息和頻率信息，具有可靠的穩(wěn)定性以及感知事件的靈敏度；
[0027](2)僅通過探測的背向散射瑞利光信息，就可以達(dá)到檢測敏感事件的目的，為簡化分布式光纖振動傳感解調(diào)、檢測手段，降低分布式光纖振動傳感解調(diào)、檢測成本提供了新的研究方向；
[0028](3)本發(fā)明應(yīng)用領(lǐng)域:輸油、輸氣管道的第三方破壞的監(jiān)測，以及石油傳輸場站、飛機(jī)場、學(xué)校等的安防周界警戒系統(tǒng)等；其應(yīng)用領(lǐng)域還包括道路、橋梁、建筑物等大型設(shè)施的安全監(jiān)測，能夠?qū)崟r地得到斷裂或破損導(dǎo)致的振動信號，從而判斷結(jié)構(gòu)損壞的情況，同時有效地給出發(fā)生損害的位置；
[0029](4)由于分布式光纖振動傳感器是無源驅(qū)動，非常適合于長距離實時測量，無論在民用還是軍用領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0030]通過本發(fā)明提供的分布式光纖振動傳感解調(diào)裝置，具有以下至少一項有益效果:
[0031](1)能夠獲得脈沖激光經(jīng)傳感光纖后的背向散射瑞利光信息，并可以基于上述光信息根據(jù)本發(fā)明提供的解調(diào)方法獲得傳感光纖中每一測量點的振動信號，從而實現(xiàn)對敏感事件的監(jiān)測；
[0032](2)由于本發(fā)明提供的解調(diào)方法僅需背向散射瑞利光信息即可，所以避免使用傳統(tǒng)的聲光移頻器部件，大大簡化了解調(diào)裝置的涉及結(jié)構(gòu)，為解調(diào)裝置的小型化、便攜設(shè)計提供了基礎(chǔ)；
[0033](3)此外，該解調(diào)裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、造價成本低，適于在業(yè)內(nèi)普遍推廣。
【附圖說明】
[0034]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，以下將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見地，以下描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖所示實施例得到其它的實施例及其附圖。
[0035]圖1為本發(fā)明提供的分布式光纖振動傳感解調(diào)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖2為本發(fā)明提供的背向散射瑞利光信息的實驗原始數(shù)據(jù)，其中橫坐標(biāo)單位為米，縱坐標(biāo)單位為-dBm ；
[0037]圖3為經(jīng)本發(fā)明提供的解調(diào)方法解調(diào)后的振動信號分布圖，其中橫坐標(biāo)單位為米，縱坐標(biāo)單位為-dBm。
[0038]其中，1-窄線寬連續(xù)激光驅(qū)動器，2-外調(diào)制器，3