[发明专利]开关量光纤传感系统及其短时互相关定位方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种开关量光纤传感系统及其短时互相关定位方法。是一种适用于各种物理量的开光量的检测和定位的优化设计的开关量光纤传感系统及其短时互相关定位方法。

背景技术

近来出于对各种特殊场合的安防需要，开关量光纤传感系统的研究越来越受到人们的重视，如电信阱盖、银行保险柜、保密室的门窗以及存放特殊物资的仓库的门窗的打开与否，还有一些特定点的温度、液位、气压、液压等达到某一阈值后的报警等，都可以用光开关量的传感来实现。当需要检测的开关物理量很多时，便可以利用一个离散分布的开关量光纤传感系统对各个开关物理量一起检测并定位，短时互相关法正适合于离散传感量的定位。

利用OTDR或Φ-OTDR也可以实现开关量的光纤传感与定位。然而，它们的成本较高，价格昂贵，如Φ-OTDR系统需要采用极小频率漂移和线宽的激光器，而且其叠加多个脉冲信号来定位的方法造成其实时性较差。另一方面，这些待测开关量往往是离散分布的，没有必要利用全分布式的OTDR和Φ-OTDR光纤传感系统。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种简单、快速、价廉的开关量光纤传感系统及其短时互相关定位方法。

为达到上述目的，本发明的构思是：本发明的开关量光纤传感系统，包括1个脉冲光源、1个信号处理系统、1个光环行器、1个光电探测器、N个光开关、N-1个1X2的光纤耦合器和N段标准单模光纤。其特征在于所述脉冲光源通过环行器和第一段光纤与第一个耦合器的P₁端口相连，第一个耦合器的P₂端口通过第二段光纤与第二个耦合器的P₁端口相连，第一个耦合器的P₃端口与第一个光开关相连；其他依次类推，最后一个耦合器的P₂、P₃端口分别连接第N-1个光开关和第N个光开关。环行器的另一个输出经由光电探测器进入信号处理系统。

所述的N-1个耦合器的耦合系数是经过优化设计的。具体方法为：根据给定的脉冲光源光功率、所用的光电探测器的灵敏度，考虑各个光器件的插入损耗、光纤的传输损耗以及光纤和各个光器件的连接损耗，计算每个光脉冲到达探测器的功率大小，使其大于等于光电探测器的灵敏度，以使每个光开关量都可检测。同时，尽量使各个反射脉冲光功率大小一致，以便于准确定位。另外，尽量使更多的光往前传输，以便能够检测更多的光开关。

所述的开关量光纤传感系统短时互相关定位方法，用于对权利要求1所述开关量光纤传感系统在噪声较大时对事件光开关定位，其特征在于首先由信号处理系统计算前后脉冲周期时间内检测到的反射脉冲的对应短时互相关，设定一个合适的阈值，找到相关峰值小于阈值的各段短时互相关曲线，由它们的段号即可确定是哪些开关被打开了。

工作原理与特点

脉冲光通过环行器和第一段光纤进入第一个耦合器，分成2路，一路继续往前进入第二个耦合器，另一路进入第一个光开关，第二个耦合器的输出也分成2路，一路继续往前进入第三个耦合器，另一路进入第二个光开关，依次类推，直到最后一个耦合器的输出分成2路，一路接第N-1个光开关，另一路接第N个光开关。各个光开关的反射信号经由各个耦合器和各段光纤传输到环行器，通过环行器另一个输出经由光电探测器进入信号处理系统。

光开关是一个带有反射镜的光开关，正常状态下，光开关是闭合的，其反射率较高，反射信号较强；当报警事件发生时，光开关打开，其反射率较低，反射信号明显变弱，或者相反。因此，可以设定一个合适的阈值，通过不同时间反射脉冲的光强是否小于或大于该阈值，直接确定哪一个或哪一些光开关所在位置有报警事件发生，也可叫直接光脉冲测量法。由于实际环境中各种噪声的存在，仅靠各个光开关的反射脉冲光强大小难以准确定位开关位置。如果计算前后脉冲周期时间内检测到的反射信号的对应短时互相关，开关状态发生改变的那个光开关的反射脉冲与前一周期的相应反射脉冲的相似性降低，设定一个合适的阈值，找到相关峰值小于阈值的各段短时互相关曲线，由它们的段号即可准确地定位哪些开关是打开的。

根据上述发明内容，本发明采用下述技术方案：