[發明專利]一種復合原理光纖傳感系統和傳感方法

有效

• 申請號: 201510018333.1
• 申請日: 2015-01-14
• 公開（公告）號: CN104568120B
• 公開（公告）日: 2017-11-28
• 發明（設計）人: 封皓;施羿;王大偉;曾周末;靳世久
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 溫國林

技術領域

本發明涉及光纖傳感領域，尤其涉及一種基于馬赫-曾德干涉儀和相位型光時域反射儀原理的光纖傳感系統和傳感方法。

背景技術

分布式光纖傳感系統由于其靈敏度高，不受電磁干擾，檢測范圍廣，成本低等特點，廣泛應用于長距離油氣管道監測及周界安防，建筑結構健康監測等領域，是近數十年的研究熱點。

Mach-Zehnder/Sagnac干涉儀分布光纖傳感系統，利用檢測兩傳感光路中由外界擾動所造成的相位差變化，并通過相關時延估計的方法進行定位，能對振動進行良好的感知。但由于相關時延估計方法本身確定時延的難度性，使得該方法定位精度不高，對振動點的準確判斷困難重重。

基于光時域反射儀(OTDR)技術的分布式光纖傳感系統利用光波在光纖中傳輸時發生的瑞麗散射現象，在背向檢測瑞利散射光的強度來得到光纖的損耗變化并精確定位光纖故障點。由于這種技術是對瑞利散射光的強度進行測量，因此其測量靈敏度比較低且僅能響應靜態損耗的變化。

基于相干瑞利散射的Φ-OTDR(相敏OTDR)技術，通過使用長相干光源，檢測光脈沖返回光的相干結果，其干涉方法能有效實現動態響應，能同時實現高定位精度和高靈敏度檢測，尤其是對于微弱擾動信號的檢測。但是由于其發射脈沖的頻率受到光纖長度的限制，其頻率響應非常低，導致無法對振動事件進行有效的識別，誤報率高。

發明內容

本發明提供了一種復合原理光纖傳感系統和傳感方法，本發明成功結合了Mach-Zehnder干涉儀和相敏OTDR技術，使其同時擁有高定位精度和高頻率響應，能夠很好地對振動事件進行識別，有效降低誤報率，詳見下文描述：

一種復合原理光纖傳感系統，由激光光源、FPGA、EDFA及其濾波器、聲光調制器、光纖環形器、耦合器、光電探測器、帶通濾波電路、混頻器、上位機和傳感光纖構成，

激光光源產生連續光，經由耦合器分為3部分，一部分為本振光，另兩部分為探測光，一束探測光經由聲光調制器后從傳感光纖一端注入，另一探測光經由另一聲光調制器轉換為光脈沖，從傳感光纖的另一端注入；

在光電探測器前，本振光、正向探測光、背向散射光相干涉，產生拍頻信號，光電探測器將拍頻信號轉換為電信號，電信號經過帶通濾波電路濾除差頻分量，再經由混頻器實現拍頻的降低，通過采集卡采集并放大信號，在上位機中，實現不同頻率的調幅解調，分別得到正向探測信號和背向散射信號。

一種用于復合原理光纖傳感系統的傳感方法，所述方法包括以下步驟：

對背向散射信號使用改進型移動平均算法和均峰比算法獲取振動位置；

對正向探測信號進行分析識別，判定振動種類，降低誤報率。

所述對背向散射信號使用改進型移動平均算法和均峰比算法獲取振動位置的步驟具體為：

選取K條跡線、平均次數M和間隔參數n，對第1條到第M條進行平均、第n條到第M-n+1條進行平均……共得T＝int((K-M)/n)+1條平均曲線；

抽取時域信號；分別計算各個時域信號的均峰比，通過均峰比獲取振動位置。

所述計算各個時域信號的均峰比的步驟具體為：

均峰比計算為C_j＝max₁₀₀(|t_j|)/average(|t_j|)，其中max₁₀₀(|t_j|)表示取|t_j|最大100個值的平均值；average(|t_j|)為計算|t_j|的平均值，用以描述光強和噪聲水平；將均峰比C_j作為對光纖上K條跡線時間內的綜合評價。

本發明提供的技術方案的有益效果是：本系統擁有和相敏OTDR一樣的定位精度，同時可以獲得振動的高頻細節，進而進行精確的振動類型識別，有效降低系統的誤報率。用時，系統成功實現光源、傳感光纖、探測器、信號調理等部分的復用，使得系統結構相對簡單，成本較低。本發明克服了現有系統不能同時兼有高定位精度和高頻率分別率的問題，并且本發明成功復用如光源、傳感光纖、探測器、信號調理電路等部分，有效簡化了系統結構。該系統同時具有分布式光纖監檢測系統所特有的分布式、受電磁等外界干擾小等特點，且安裝方便，可以很好的滿足各種振動檢測和監測應用，尤其是長距離的管道監測與周界安防等。

附圖說明

圖1為一種復合原理光纖傳感系統的結構示意圖；

圖2(a)為振動信號時域波形示意圖；