说明书一种单光源脉冲编码的光纤振动传感系统及其传感方法
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种单光源脉冲编码的光纤振动传感系统及其传感方法。
背景技术
分布式光纤传感系统由于其灵敏度高，不受电磁干扰，检测范围广，成本低等特点，广泛应用于长距离油气管道监测及周界安防，建筑结构健康监测等领域，是近数十年的研究热点。
Mach-Zehnder/Sagnac干涉仪分布光纤传感系统，利用检测两传感光路中由外界扰动所造成的相位差变化，并通过相关时延估计的方法进行定位，能对振动进行良好的感知。但由于相关时延估计方法本身确定时延的难度性，使得该方法定位精度不高，对振动点的准确判断困难重重。
基于光时域反射仪(OTDR)技术的分布式光纤传感系统利用光波在光纤中传输时发生的瑞丽散射现象，在背向检测瑞利散射光的强度来得到光纤的损耗变化并精确定位光纤故障点。由于这种技术是对瑞利散射光的强度进行测量，因此其测量灵敏度比较低且仅能响应静态损耗的变化。
基于相干瑞利散射的Φ-OTDR(相敏OTDR)技术，通过使用长相干光源，检测光脉冲返回光的相干结果，其干涉方法能有效实现动态响应，能同时实现高定位精度和高灵敏度检测，尤其是对于微弱扰动信号的检测。同时，由于空间分辨率和脉冲长度相关，为了空间分辨率，常使用非常窄的脉冲，常见为数十至数百纳秒，因此返回光强度微弱，在长距离传输后，信号分辨率较低，限制动态范围。
基于脉冲调制的Φ-OTDR，有效的在保证空间分辨率的基础上提高了传感距离，但由于需要各个调制脉冲之间保持相互独立，所以需要多个光源来实现，其系统复杂程度较高，成本也较高。
发明内容
本发明提供了一种单光源脉冲编码的光纤振动传感系统及其传感方法，本发明在不增加系统复杂程度的基础上，通过脉冲编码，成功提高了注入光能量，抑制了散粒噪声，提高了传感距离，详见下文描述：
一种单光源脉冲编码的光纤振动传感系统，由激光光源、FPGA、声光调制器组、光纤环形器、耦合器、光电探测器、信号采集调理装置、带通滤波电路、混频器、上位机和传感光纤构成，
激光光源产生连续光，经由控制频率不同的声光调制器组转换为光脉冲，在FPGA的控制下，光脉冲形成编码，通过耦合器形成编码脉冲光，通过光纤环形器注入传感光纤，其传播过程中所产生的背向传播散射光产生干涉，经由光纤环形器进入耦合器，与本振光相干涉，产生拍频信号，光电探测器将其转换为电信号，所形成的电信号经过带通滤波电路滤除差频分量，再经由混频器实现拍频的降低，最后由采集卡采集并放大信号，在上位机中，实现各个控制频率的各自调幅解调，再进行解码和定位处理。
所述传感方法包括以下步骤：
上位机通过FPGA控制N个控制频率不同的声光调制器组，在N*1路耦合器处使N个互有时延的短脉冲光形成编码长度为N，脉冲宽度为N*τ的编码脉冲光，并经由光纤环形器注入传感光纤；
编码脉冲光的瑞利散射光与来自激光光源的本振光相干涉，形成频率fi以及Δfij的拍波，经由光电探测器转化为相应的电信号；
通过选取声光调制器组的控制频率，将带通滤波电路的滤波结果和预设的正弦波进行混频，获取降频后的拍波频率；
上位机通过对频率在降频后的拍波频率的拍信号进行调幅解调，获取单个编码脉冲光的瑞利散射信号；
通过对单个编码脉冲光的瑞利散射信号进行移动差分计算，获取传感光纤沿线的振动情况。
本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明在不增加系统复杂程度的基础上，通过脉冲编码，成功提高了注入光能量，抑制了散粒噪声，提高了传感距离；同时通过外差检测进一步提高系统的可探测最小光强并抑制背景散射，并在外差探测的基础上，解调了各个编码脉冲的响应，使得在同一个光源下依然可以实现编码和解码，进一步提高了传感距离和系统灵敏度。该光纤振动传感系统结构简单，信号分辨率高，噪声水平低、灵敏度高、定位精度高，克服了现有系统结构复杂，成本高，同时其信号分辨率和空间分辨率相互制约、灵敏度低、噪声水平制约动态范围的问题。且该系统具有分布式光纤监检测系统所特有的分布式、受电磁等外界干扰小等特点，且安装方便，可以很好的满足各种振动检测和监测应用，尤其是长距离的管道监测与周界安防等。
附图说明
图1为一种单光源脉冲编码的光纤振动传感系统的结构示意图；
图2为一种单光源脉冲编码的光纤振动传感方法的流程图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、激光光源； 2、1：99耦合器；
3、第一多路耦合器； 4、不同控制频率的声光调制器组；
5、第二多路耦合器； 6、光纤环形器；
7、传感光纤； 8、1：1耦合器；
9、光电探测器； 10、带通滤波电路；
11、混频器； 12、信号发生器；
13、低通滤波电路； 14、信号采集调理模块；
15、上位机； 16、FPGA。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
一种单光源脉冲编码的光纤振动传感系统，参见图1，该光纤振动传感系统由激光光源1、1：99耦合器2、第一多路耦合器3、不同控制频率的声光调制器组4、第二多路耦合器5、光纤环形器6、传感光纤7、1：1耦合器8、光电探测器9、带通滤波电路10、混频器11、信号发生器12、低通滤波电路13、信号采集调理模块14、上位机15和FPGA16构成。
由激光光源1产生窄线宽的连续光，经由1：99耦合器2产生探测光和本振光，探测光经过第一多路耦合器3分为N路子探测光，各路子探测光经由声光调制器组4形成多路脉冲光，其中声光调制器组4由上位机15写入FGPA16的程序控制通断时序，依次产生相应时延，并使产生的脉冲光符合设定好的编码矩阵S，多路脉冲光在第二多路耦合器5处形成编码脉冲光，编码脉冲光经由光纤环形器6注入传感光纤7，在传播过程中，产生的背向散射光与输入编码脉冲光传播方向相反，编码内部的光脉冲瑞利散射光产生干涉效应，编码之间的瑞利脉冲光也产生不利的干涉，最终反向通过光纤环形器6进入1：1耦 合器8，在1：1耦合器8中散射光与本振光相干涉，形成AOM控制频率以及AOM控制频率差频的拍波，经由光电探测器9形成电信号，经由带通滤波电路10滤除差频信号，经由混频器11和信号发生器12产生的预设正弦波混频，降低拍频，经由低通滤波电路13进一步提高信号质量，经过信号采集调理模块14进行放大和模数转换形成数字信号，送入上位机15中完成调幅解调、解码和定位，获得分布式传感器沿线的振动情况。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
实施例2
一种基于脉冲编码调制原理、外差检测原理、相位敏感OTDR原理的分布式光纤振动传感方法，参见图1，该方法包括以下过程：
101：上位机15通过FPGA16控制N个控制频率不同的声光调制器组4(AOM)，在N*1路耦合器5处使N个互有时延的短脉冲光形成编码长度为N，脉冲宽度为N*τ的编码脉冲光，并经由光纤环形器6注入传感光纤7；
在需要检测振动的范围内铺设一条传感光纤7，利用传感光纤7作为传感器和信号传输介质，实现振动的检测和监测。选取编码矩阵S，其大小为N*N，依次选择编码矩阵S的每一行(长度为N)为编码，则上位机15通过FPGA16控制N个控制频率不同(控制频率分别为fi(i＝1,2,…,N))的声光调制器组4，分别将来自窄线宽光源的连续光波调制成N个互有时延的各自脉宽为τ的短脉冲光，在一个N*1路耦合器5处，使N个互有时延的短脉冲光形成编码长度为N，脉冲宽度为N*τ的编码脉冲光Pi(i＝1,2,…,N)，并经由光纤环形器6注入传感光纤7。
102：编码脉冲光的瑞利散射光与来自激光光源1的本振光相干涉，形成频率fi以及Δfij的拍波，经由光电探测器9转化为相应的电信号；
编码脉冲光在传感光纤7中传播时，会形成背向瑞利散射，各个短脉冲的瑞利散射光在各自脉宽τ内相互干涉，并且各个编码间也会产生不利于探测的干涉。经由光纤环形器6，所有散射光在光电探测器9前的1：1耦合器8与来自激光光源1的本振光相干涉，形成频率fi(i＝1,2,…,N)以及Δfij＝fi-fj(i,j＝1,2,…,N)的拍波，经由光电探测器9上转化为相应的电信号。
103：通过选取声光调制器组4的控制频率，将带通滤波电路10的滤波结果和预设的正弦波进行混频，获取降频后的拍波频率；
即，通过选取相近的AOM控制频率，使得其差频小于其控制频率，即fi＞Δfij(i,j＝1,2,…,N)，通过带通滤波电路10，使得其控制频率下的拍波被选取出来，通过混频器11将带通滤波结果和预设的正弦波混频(其频率为f0)，将拍波频率降至数十兆赫兹，即fi-f0(i＝1,2,…,N)，经由采集卡以100MHz的速率采集。
104：上位机15通过对频率在降频后的拍波频率的拍信号进行调幅解调，获取单个编码脉冲光的瑞利散射信号；
在上位机15中，通过对频率在fi-f0(i＝1,2,…,N)的拍信号进行调幅解调，将解调散射光回波序列Li(i＝1,2,…,N)。以Li为行向量，形成信号矩阵L=L1L2...LN,]]>应用解码矩阵得到单个脉冲的瑞利散射信号ω′=ϖ1′ω2′...ωN′=S-1·L1L2...LN,]]>这里S-1为编码矩阵S的逆矩阵，ωi'为N位编码的中第i位编码脉冲在理论上单独作用于系统时得到的瑞利散射信号。
105：通过对单个编码脉冲光的瑞利散射信号进行移动差分计算，获取传感光纤7沿线的振动情况。
当该光纤传感系统的传感光纤7受到振动影响时，会造成响应位置的散射信号的变化，通过对散射信号进行移动差分计算，则可以检测出传感光纤7沿线的振动情况，实现分布式振动传感。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。