[发明专利]一种基于双光路的光纤振动传感系统及方法

说明书

技术领域

一种基于双光路的光纤振动传感系统及方法，用于对多振动点的同时检测，属于分布式光纤传感技术领域。

背景技术

分布式光纤传感器由于可在大空间范围内进行测量，且具有灵敏度高、结构简单、使用方便等诸多优点，成为国内外安防、监测技术领域的研究热点之一。其中基于OTDR的光纤分布式传感系统可以实现对外界振动时间位置的精确定位以及振动信息的提取，具有传感距离远、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、体积小等优点，因此被广泛用于油气管线泄露探测、周边安全防护、结构健康检测等领域。

在传统的Φ-OTDR光纤传感系统中，窄线宽激光器发出的连续光经过脉冲调制器和光放大器后，通过光环行器注入传感光纤，最后通过光电探测器探测光纤中的后向瑞利散射光，实现对外界振动事件的探测及定位。传统Ф-OTDR系统中本地光与信号光的光程差较大，为了产生明显的干涉现象通常需要使用线宽为kHz量级的窄线宽激光，大大提高了系统成本；同时因产生干涉的本地光与信号光分别为不同时刻从激光器发出的光，激光器的自身的相位噪声也会对传感精度产生影响。

发明内容

本发明针对上述不足之处提供了一种基于双光路的光纤振动传感系统及方法，解决现有技术中的传感系统对窄线宽激光器的依赖，信噪比和灵敏度较低，光源的噪声、外界温度等因素对检测结果产生干扰，造成检测结果不精确的问题。

本发明为了实现上述目的，采用的技术方案为：

一种基于双光路的光纤振动传感系统，其特征在于：包括激光光源、脉冲调制器、光放大器、耦合器、环行器、传感光纤、参考光纤、耦合器、光电探测器，信号采集与处理系统；所述激光光源与脉冲调制器的输入端相连，脉冲调制器的输出端与光放大器的输入端相连，光放大器的输出端与耦合器的1端口相连接，耦合器的2端口与环行器的1端口相连，环行器的2端口与传感光纤相连接，耦合器的3端口与环行器的1端口相连接，环行器的2端口与参考光纤相连接，环行器的3端口与耦合器的3端口相连接，环行器的3端口与耦合器的1端口相连接，耦合器的4端口与光电探测器相连接、5端口与光电探测器相连接、6端口与光电探测器相连接，光电探测器与信号采集与处理系统相连接，信号采集与处理系统通过同轴电缆与脉冲调制器相连接。

进一步，所述激光光源为普通激光源。

进一步，所述耦合器为1x2耦合器；所述耦合器为3x3耦合器，分光比为1：1：1，并且各路输出信号之间存在2π/3的相位差。

进一步，所述参考光纤的长度大于等于传感光纤的长度。

一种基于双光路的光纤振动传感方法，其特征在于，如下步骤：

(1)激光光源发出连续光经过脉冲调制器调制为光脉冲信号；

(2)脉冲调制器发出光脉冲信号经过放大器进行功率放大后通过耦合器分成两路光；

(3)一路光经过环形器注入传感光纤,另一路光通过环形器注入参考光纤，产生两路后向瑞利散射光；

(4)两路后向瑞利散射光分别进入耦合器输出三路存在相位差的光信号，得到三路光信号的光强信号；

(5)光电探测器将三路存在相位差的光信号的光强信号转换为电信号传输给信号采集与处理系统进行信息采集和处理，实现了多振动点的同时检测，并通过传感光纤和参考光纤各个位置点产生的后向瑞利散射到达光电探测器的时域信号的时间点，将时域信号的时间点映射到传感光纤和参考光纤上的各个位置点，实现振动事件的定位；

(6)通过相位解调算法得到各个位置点上振动事件的相位信号，并通过得到的相位信号得到各个振动点处的相位变化，实现分布式传感。

进一步，所述步骤(4)中的相位差为2π/3。

进一步，所述步骤(4)中，得到三路光信号的光强信号可表示为如下：

其中，z_k为传感光纤和参考光纤的各个位置点，为z_k外界振动导致的瑞利散射光的相位变化，I为输入耦合器的瑞利散射光强度，i为虚数单位，Re为取实部运算，k表示序号。

进一步，所述步骤(3)中，光纤z_k处产生的后向瑞利散射光的公式如下：

其中，A为瑞利散射光的振幅，ω为瑞利散射光的角频率，λ为瑞利散射光的波长，n为瑞利散射光的光纤折射率，i为虚数单位。

进一步，所述步骤(5)中，时域信号的时间点映射到传感光纤和参考光纤上的各个位置点的公式如下：