[發明專利]光纖空間定位系統及其實現方法

有效

• 申請號: 202011333050.3
• 申請日: 2020-11-24
• 公開（公告）號: CN112484837B
• 公開（公告）日: 2021-12-28
• 發明（設計）人: 王子南;邱子杰;劉純野;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;G01S5/18
• 代理公司: 成都弘毅天承知識產權代理有限公司 51230
• 代理人: 楊保剛

本發明涉及光纖傳感測量領域，提出一種光纖空間定位系統及其實現方法。本發明中，系統包括：分布式光纖傳感系統模塊、振動聲源模塊陣列、待測傳感光纖及解算定位模塊；方法包括：振動聲源模塊陣列在待測傳感光纖上產生不同頻率的振動信號，并開始計時；分布式光纖傳感系統模塊實時解調待測傳感光纖上的振動信號，解調出擾動信號，記錄對應光纖長度距離和擾動頻率信息并根據時鐘同步得到一組時長與光纖長度距離和擾動頻率信息對應；得到與待測傳感光纖長度匹配的振動聲源模塊的位置信息與相應時間信息；將位置信息與時間信息輸入解算定位模塊，解算出待測傳感光纖上對應光纖長度上的三維坐標。本發明可實現未知光纖位置的探測定位。

技術領域

本發明涉及光纖傳感測量領域，尤其涉及一種光纖空間定位系統及其實現方法。

背景技術

傳感器作為一種集成自動測量、記錄等功能的檢測裝置，在我們的生活及生產活動中得到了廣泛的應用。相比于傳統的電學傳感器，基于光纖的傳感器具有輕便、抗腐蝕、抗電磁干擾、耐高溫、探測靈敏度高等獨特的優勢，所以分布式光纖傳感在近幾十年來得到快速發展。

相位敏感型光時域反射儀是一種典型的分布式光纖傳感系統，它通過解調光纖中瑞利散射光的干涉強度來進行對外界干擾的實時監測，利用這個特性，可以對光纖的某段進行坐標定位，由于分布式光纖傳感系統探測的擾動為機械波形式的擾動，因此在實施坐標定位的過程中，選用了振動聲源模塊陣列作為信號源。

相位敏感型光時域反射儀的空間分辨率和定位精度主要由探測脈沖的時間尺度決定，而現在的空間分辨率,在光纖長度在數百千米的情況下,能夠達到了亞米量級的傳感精度，因此在振動聲源產生信號時，光纖上的多個點都能受到擾動，對光纖上這一系列的點同時進行解擾動，能一次性獲取多處光纖長度上的擾動信息。

在常用的基于飛行時間(Time of Flight,TOF)的精確定位算法中，基于到達時間(Time of arrival,TOA)和基于到達時間差(Time difference of arrival,TDOA)是兩種比較常見的方法。其中，由于基于到達時間的定位算法對時鐘同步性有比較嚴格的要求，而基于到達時間差的定位方法恰好可以回避這個問題，且其計算復雜性低，易于實現等諸多優點而受到更多的重視。當測量次數大于3時，TDOA值得到的非線性方程組個數要多于未知變量的個數，Chan算法采用加權最小二乘法來充分利用冗余的數據，使其能獲得更加好的目標位置的估計值，此時先將初始非線性TDOA方程組轉換為線性形式，然后采用WLS得到初始解，最后利用第一次得到的估計坐標及附加變量等已知約束條件進行第二次WLS估計，從而得到更加精確的估計坐標。

發明內容

本發明的目的是提供一種光纖空間定位系統及其實現方法，能夠實現目前未知光纖未知的探測定位。

本發明解決其技術問題，采用的技術方案是：

本發明首先提出一種光纖空間定位系統，包括分布式光纖傳感系統模塊、振動聲源模塊陣列、待測傳感光纖及解算定位模塊；

所述振動聲源模塊陣列，用于在待測傳感光纖上產生位置信息和不同頻率的振動信號，并開始時鐘同步并計時；

所述分布式光纖傳感系統模塊，用于實時解調待測傳感光纖上的振動信號，并將解調出的振動信號的頻率和振動聲源模塊陣列的位置信息對應，得到對應光纖長度的振動聲源模塊陣列的位置信息和時間信息；

所述解算定位模塊，用于根據所述位置信息和時間信息，解算出待測傳感光纖對應光纖長度的三維坐標。

進一步的是，所述分布式光纖傳感系統模塊包括激光器模塊、耦合器、光信號調制器、信號采集模塊和光環形器；

所述激光器模塊，用于產生光信號至耦合器；

所述耦合器為光耦合器，所述耦合器用于分別將光信號輸入至光信號調制模塊和信號采集模塊；