一种复合型光纤传感系统和传感方法技术方案

本发明专利技术公开了一种复合型光纤传感系统和传感方法，本发明专利技术拥有和相敏OTDR一样的定位精度，同时可以获得振动的高频细节，进而进行精确的振动类型识别，有效降低系统的误报率。由于相敏OTDR使用反向瑞利散射光进行探测，其反射光强度极低，而干涉仪光强功率大，导致相敏OTDR的光信号易被淹没于干涉仪的信用中。引入FBG，系统成功实现了干涉仪和散射仪的光路结合以及光信号分离，使得系统结构相对简单，成本较低。通过对超窄线宽激光光源的瑞丽散射信号进行改进型移动平均算法和小波信息熵算法可得到振动精确位置。窄线宽激光光源的干涉信号则包含丰富频率信息，对其进行小波包分解，经由神经网络可判别出振动种类，降低了误报率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤传感领域，尤其涉及一种基于布拉格光栅、马赫-曾德干涉仪和 相位型光时域反射仪原理的复合型光纤传感系统和传感方法。
技术介绍
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干涉仪分布式光纤传感系统，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。 基于相干瑞利散射的相位敏感型光时域反射技术（相敏OTDR、?-0TDR)，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。但是由于其发射脉冲的 频率受到光纤长度的限制，其频率响应非常低，导致无法对振动事件进行有效的识别，误报 率高。
技术实现思路
本专利技术提供了，本专利技术实现了对振动事件的 定位和识别，有效降低了误报率，详见下文描述： -种复合型光纤传感系统，包括：用于振动检测的传感光纤，还包括：正向注入传 感光纤的超窄线宽激光光源， 超窄线宽激光光源发出的连续探测光经过一个声光调制器调制为脉冲光，再经过 第一掺铒光纤放大器放大后，通过第一环形器注入传感光纤； 背向瑞利散射光反向到达第一环形器，从另一端口通过第二掺铒光纤放大器、第 二环形器到达光纤布拉格光栅； 窄线宽激光光源发出的探测光经过第一 1:1耦合器分为2束，一束通过隔离器反 向注入传感光纤，另一束通过第一偏振控制器反向注入参考臂光纤； 选取超窄线宽激光光源和窄线宽激光光源的激光频率，使超窄线宽激光光源的激 光频率落在光纤布拉格光栅的反射带内，窄线宽激光光源的激光频率处在光纤布拉格光栅 的通带内； 瑞利散射光将被光纤布拉格光栅反射重新进入第二环形器，并从第二环形器的另 一出口到达第一光电探测器，光信号转换为电信号，并被第一采集卡采集； 窄线宽激光光源的探测光和反射功率低于1 %的瑞利散射光通过光纤布拉格光 栅，与通过参考臂光纤的探测光在第三1:1耦合器处发生干涉； 干涉光由第二光电探测器检测到，转化为光信号，经第二采集卡采集后传输给计 算机进行处理。 所述系统还包括：1:99耦合器和第二偏振控制器， 超窄线宽激光光源通过1:99耦合器分离出1%的激光作为本振光，通过第二偏振 控制器到达第二1 :1耦合器，与超窄线宽激光光源的瑞利散射光相干涉，形成光外差探测。 -种复合型光纤传感方法，所述传感方法包括以下步骤： 将瑞利散射光按时间顺序截断为多条散射迹线；对K条散射迹线进行平均，获取T 条平均曲线； 抽取时域信号，分别计算各个时域信号的小波信息熵； 将小波信息熵作为K条散射迹线时间内的综合评价，小波信息熵增大时，表明对 应位置j处发生振动，用于确定振动位置； 对振动信号进行分类。 本专利技术提供的技术方案的有益效果是：本专利技术提供了一种信号分辨率高，噪声水 平低、灵敏度高、定位精度高、频率分辨率高、误报率低的分布式光纤振动传感系统。解决了 复用中干涉仪和散射仪光信号的混合分离问题，提高了系统的信号质量，使信号便于探测， 提高了系统的稳定程度，同时，克服了现有系统不能兼有高定位精度和高频率分别率的问 题，该系统同时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为一种复合型光纤传感系统的结构示意图； 图2(a)为振动信号时域波形的示意图； 图2(b)为振动信号小波包分解结果的示意图。 附图中，各标号所代表的部件列表如下： 1 :超窄线宽激光光源； 2 :1:99耦合器； 3 :声光调制器； 4 :第一掺铒光纤放大器； 5 :第一环形器； 6 :传感光纤； 7 :第二掺铒光纤放大器； 8 :第二环形器；9=FBG； 10:窄线宽激光光源；11 :第一1:1親合器； 12 :隔离器；13 :第一偏振控制器； 14 :参考臂光纤； 15 :第一环形器； 16 :第二1 :1親合器； 17 :第二偏振控制器； 18 :第一光电探测器；19 :调幅解调电路； 20 :第一采集卡；21:第二光电探测器； 22:第二采集卡；23 :计算机。【具体实施方式】 为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步 地详细描述。 光纤布拉格光栅（FBG)技术，通过将光纤特定位置制成折射率周期分布的光栅 区，对特定波长范围内的光波进行反射，对其他波长光波进行透射，其特点是可具有极高的 反射率和很窄的反射带宽。 本专利技术实施例设计的光纤传感系统成功结合了Mach-Zehnder干涉仪和相敏OTDR 技术，使系统同时拥有极高的定位精度和很高的频率响应；引入FBG，实现干涉仪光信号与 OTDR光信号的光分离，有效提高了两部分光信号的质量（即提高信噪比），使得系统能够准 确地对振动事件进行定位和识别，有效降低误报率。 实施例1 -种基于相敏OTDR原理、Mach-Zehnder干涉仪原理、FBG波分复用原理的复合 型光纤传感系统，包括：在需要检测振动的范围内铺设一条传感光纤6,利用传感光纤6作 为传感器和信号传输介质，实现振动的检测和监测；使用一超窄线宽激光光源1(线宽数百 kHz)作为相敏OTDR部分光源（光频率V1)，正向向传感光纤6注入探测光。 其中，超窄线宽激光光源1发出的连续探测光经过一个声光调制器（AOM) 3调制为 脉冲光，再经过第一掺铒光纤放大器（EDFA) 4放大后，通过第一环形器5注入传感光纤6。 探测光脉冲沿传感光纤6传播，沿途若有振动事件发生，其背向瑞利散射光的光相位将受 到振动事件调制，导致背向瑞利散射光的光强发生变化。 之后，背向瑞利散射光反向到达环形器5,从另一端口通过第二掺铒光纤放大器 (EDFA) 7到达第二环形器8,在第二环形器8的出口端到达一窄带的高反射率的FBG(例如， 反射率 99 %，3dB反射波长为 1550. 0nm-1550. 3nm) 9 ; 另一方面，使用一个窄线宽激光光源10(线宽数MHz)作为Mach-Zehnder干涉 仪部分光源，其光频率卩2较V丨有微小差别（差别零点几个nm，如V丨为1550. 2nm，V2为 1549. 9nm)，其中，来自超窄线宽激光光源1的探测光与来自窄线宽激光光源10的探测光 共用同一根传感光纤6,同时窄线宽激光光源10使用同一光缆中的另一根光纤作为参考光 纤。窄线宽激光光源10发出的探测光经过第一 1:1耦合器11分为2束，一束通过隔离器 12反向注入传感光纤6,另一束通过第一偏振控制器13反向注入参考臂光纤14。这里，隔 离器12用于防止来自超窄线宽激光光源1的探测光进入窄线宽激光光源10中，造成器件 损坏。 传感光纤6内的探测光，受到沿途振动信号的调制，到达第一环形器5,经过第二 掺铒光纤放大器7 (EDFA)和第二环形器8到达FBG9。此时，在FBG9前端，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合型光纤传感系统，包括：用于振动检测的传感光纤，还包括：正向注入传感光纤的超窄线宽激光光源，其特征在于，超窄线宽激光光源发出的连续探测光经过一个声光调制器调制为脉冲光，再经过第一掺铒光纤放大器放大后，通过第一环形器注入传感光纤；背向瑞利散射光反向到达第一环形器，从另一端口通过第二掺铒光纤放大器、第二环形器到达光纤布拉格光栅；窄线宽激光光源发出的探测光经过第一1:1耦合器分为2束，一束通过隔离器反向注入传感光纤，另一束通过第一偏振控制器反向注入参考臂光纤；选取超窄线宽激光光源和窄线宽激光光源的激光频率，使超窄线宽激光光源的激光频率落在光纤布拉格光栅的反射带内，窄线宽激光光源的激光频率处在光纤布拉格光栅的通带内；瑞利散射光将被光纤布拉格光栅反射重新进入第二环形器，并从第二环形器的另一出口到达第一光电探测器，光信号转换为电信号，并被第一采集卡采集；窄线宽激光光源的探测光和反射功率低于1％的瑞利散射光通过光纤布拉格光栅，与通过参考臂光纤的探测光在第三1:1耦合器处发生干涉；干涉光由第二光电探测器检测到，转化为光信号，经第二采集卡采集后传输给计算机进行处理。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：封皓，施羿，沙洲，曾周末，靳世久，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12