[發明專利]一種分布式振動傳感系統及其應用

在審

• 申請號: 201611188867.X
• 申請日: 2016-12-21
• 公開（公告）號: CN106840356A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 江柳;彭飛;吳宇;饒云江
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 電子科技大學專利中心51203
• 代理人: 閆樹平

技術領域

本發明涉及光學工程、光纖光學和信號處理技術領域，具體為一種分布式振動傳感系統及其應用，涉及光纖激光、信號處理和傳感技術。

背景技術

目前，在高鐵輪軌振動信號檢測方面，傳統的分布式傳感系統由于其信噪比以及靈敏度有限，且輪軌振動有效信號經過空氣傳遞和介質吸收，單芯光纖探測得到的信號十分微弱，導致檢測有效信號非常困難。

傳統的干涉型分布式傳感技術由于基于相位感測原理，該類技術普遍存在系統信噪比以及靈敏度有限、定位距離短、需屏蔽光纖、數據處理復雜、偏振態衰落等問題，嚴重影響系統的傳感性能，使傳感系統定位精度較低。并且該技術只能實現單一位置的測量定位并不能實現多點定位。在實際工程應用中，需要監測的距離可達到幾千米甚至幾十、上百千米，常會同時出現多點的入侵擾動，因此分布式光纖振動傳感系統能夠測量和定位多點振動的分布式傳感系統是具有重要意義。

傳統分布式傳感系統的檢測信號受到很多噪聲源的影響，而且是隨機噪聲或者是統計噪聲。在一些需要高精確度、高靈敏度的應用場景下，傳統分布式傳感系統的低信噪比會極大的降低該傳感系統的價值。

中國專利申請號201510917944X提供了一種U型傳感光纖部署結構的光纖分布式傳感系統，通過多纜單芯繞成U型，但其振動信號的一致性不夠好，每根纜振動的位置不會完全一致，所以每根纜的振動信號是不完全一致的。其運用的是與光時域反射儀(OTDR)類似的原理。在OTDR中，用探測單元發射的激光脈沖來探測光纜。當光脈沖在光纖中傳播時，存在于光纖中的瑞利散射光，光電探測器接收后向散射光子。此數據被用來匹配光纖的反射率。在該專利申請中，外部振動干擾調制光纖特定位置的后向散射光。通過以高采樣率記錄瑞利信號的變化，把光纖變成了大量分布式的拾音器或者傳感器。

發明內容

針對上述存在問題或不足，為增強在輪軌振動關系檢測中的靈敏度，提高系統信噪比，以獲取和增強輪軌振動相關時頻域信息。本發明提供了一種分布式振動傳感系統及其應用。

該分布式振動傳感系統，包括光源、聲光調制器、波形發生器、2個脈沖放大器、2個濾波器、環形器、探測器、數據采集卡、信號處理裝置和傳感裝置組成，其特征在于：

中心波長1550nm的高相干窄線寬光源輸出連續光，經聲光調制器調制為脈沖光，聲光調制器由波形發生器驅動；

聲光調制器輸出的脈沖光依次經第一脈沖放大器放大以及第一濾波器抑制噪聲后，通過環形器的1端口耦合經其2端口輸至傳感裝置中；

從傳感裝置反射回來的光信號經環形器2端口傳輸至3端口，再耦合進第二脈沖放大器，再由第二濾波器濾除掉第二脈沖放大器放大產生的噪聲和沒有消耗完的泵浦光在傳感裝置中產生的散射光后，送入具有增益可調和濾波功能的探測器；

數據采集卡采集探測器輸出的電信號，并送入信號處理裝置中進行數據處理；數據采集卡由波形發生器同步觸發采集，波形發生器由獨立的軟件控制；

信號處理裝置，對采集的信號進行處理以獲取到傳感裝置中傳感光纜上不同位置受到外力作用的振動信號中所包含的時頻域信息；

所述傳感裝置由接入光纜、傳感光纜組成；接入光纜實現環形器與傳感光纜間的光信號傳輸；傳感光纜是一根多芯光纜，多芯光纜中包含多根平行光纖芯，多根平行光纖芯之間采用相鄰纖芯首尾連接的方式，多根纖芯在光纜骨架支撐下保持平行分布，纖芯數為2～8芯。

進一步的，所述信號處理裝置，采用FPGA開發板首先經過累加器對信號按照周期進行同步疊加，提高系統信噪比；再通過滑窗積累器對疊加后的信號進行預處理，去除部分帶外噪聲，進一步提升系統信噪比；最后經過三階累積量運算器濾除帶內噪聲。

進一步的，將上述分布式振動傳感系統傳感裝置的傳感光纜沿高鐵輪軌布置，通過信號處理裝置對采集信號的處理，以獲取到光纖上不同位置受到輪軌作用的振動信號中所包含的時頻域信息，從而實現對鐵軌結構損壞、斷裂點的快速檢測和精確定位。

上述分布式振動傳感系統的工作流程如下：

步驟1、從中心波長1550nm的高相干窄線寬光源經高消光比的聲光調制器發射脈沖光信號，再經過脈沖放大器放大以及濾波器抑制噪聲后進入由多芯光纜構成傳感裝置的光纜中；