一种基于Φ-OTDR技术的光纤振动识别系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于Φ‑OTDR技术的光纤振动识别系统及方法。通过双路探测结构，大大提高了系统的监测距离；通过特征阈值动态更新的方法，提高了系统对环境噪声变化的适应性，对振动事件进行准确定位；通过谱减法降噪，能在维持振动信号的信号特征和能量的情况下，大幅度削减信号中的背景噪声，提高了信号的信噪比和系统检测的灵敏度；通过从时域、小波域对振动信号进行多特征参量模式识别，能有效地避免其他复杂时变干扰噪声的影响，提高了振动事件检测和振动类型分类的正确率，降低系统虚警率，提高基于OTDR技术的振动检测系统在实际复杂噪声环境中的检测性能，能够满足国家在周界安防、长输管道安全等方面的重大工程应用需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤传感器
，尤其涉及一种基于Φ-OTDR技术的光纤振动识别系统及方法。
技术介绍
分布式光纤传感系统在传感器网络应用中具有非常明显的技术优势：体积小、重量轻、具有非常好的可靠性和稳定性；无源系统、能量依赖性地，可大大节省供电设备与线路的成本，适合长距离使用；抗电磁干扰、抗腐蚀，完全不受雷电影响，能在恶劣的化学环境、野外环境及强电磁干扰等场所下工作；无辐射、无易燃易爆材料、防水、环保等。因此，长距离、智能化的光纤传感系统在安防、军事、管道运输等领域有迫切的应用需要。基于相干瑞利散射的光时域反射技术(Φ-OTDR)，通过使用强相干的窄带光源，检测光脉冲在传感光纤中的反向散射光的相干结果，实现对传感光纤上的扰动信息的高灵敏检测和高精度定位。然而Φ-OTDR技术也存在局限性，一方面由于后向瑞利散射光的强度会随着光纤距离增长，变得越来越低，使得光纤传感系统的监测距离受到了限制；另一方面，由于环境干扰和采集时的电噪声的影响，现有的Φ-OTDR技术存在信号还原度低、信噪比低等缺点，只能判断振动有无和位置，但无法识别振动类型，如敲击信号、拉拽信号还是环境中的干扰信号，导致系统的虚警率和漏报率较高，无法满足实际应用的要求。因此，如何将有效的振动信号从背景噪声分离出来，提高信号的质量，是降低系统虚警率和漏报率，并进一步实现振动类型识别功能的前提。现有的光纤信号分类方法仍主要以单一一类特征参量为识别依据，方式简单，较易受到干扰，在复杂环境中应用的识别可靠性较低，因此如何提取信号特征，以实现振动行为信号和环境干扰信号的区分以及不同类型振动行为信号之间的区分，成为制约其在实际应用中发挥作用的关键，直接决定系统的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，针对以上存在的问题，提供一种基于Φ-OTDR技术的光纤振动识别系统及方法。为此，本专利技术采用如下技术方案：一种基于Φ-OTDR技术的光纤振动识别系统，所述基于Φ-OTDR技术的光纤振动识别系统包括：窄线宽光纤激光器、声光调制器、信号发生器、第一掺铒光纤放大器、光纤环形器、传感光纤、第二掺铒光纤放大器、光纤耦合器、第一可调光衰减器、第二可调光衰减器、第一光电探测器、第二光电探测器、双通道高速数据采集卡、监控上位机依次相连，上位机程序将采集上来的数据进行算法处理，得到振动发生的精确位置，判别出振动的类型，发出警报并记录报警信息；所述窄线宽激光器的工作波长为1550nm，线宽小于100kHz，用于发射出强相干的连续探测光；所述声光调制器为全光纤声光调制器，连接光纤为保偏光纤，用于将窄线宽激光器发出的强相干连续探测光调制成脉冲光；所述第一掺铒光纤放大器，其输入端与声光调制器的输出端相连，用于对脉冲光信号进行放大；所述光纤环形器为三端口光纤环形器，其端口1与第一掺铒光纤放大器输出端相连，端口2与传感光纤相连，使脉冲光注入到传感光纤中；所述传感光纤为普通单模光纤或钢带轻铠光纤，长度在10km到100km之间，以满足长距离监控的需求和适应不同地形，脉冲光在传感光纤内产生瑞利散射光；所述第二掺铒光纤放大器，其输入端与所述光纤环形器的端口3相连，在传感光纤内产生的反向瑞利散射光沿光纤环形器的端口3输出，进入第二掺铒光纤放大器中被放大；所述光纤耦合器为50:50的1×2光纤耦合器，包含一个输入端和两个输出端，其输入端与所述第二掺铒光纤放大器的输出端相连，放大后的反向瑞利散射光被光纤耦合器分为输出功率相同的两路光纤信号；两个可调光纤衰减器的输入端分别与光纤耦合器的两个输出端相连，将两路光纤信号进行不同比例的衰减，调整第一可调光衰减器使其中一路光纤信号，在保证光纤信号的最大光强不超出光电转换器的可探测范围以避免出现饱和失真现象的同时，使其信号强度尽可能高，调整第二可调光衰减器使另一路光纤信号中后半段传感光纤反向散射回来的瑞利散射光的信号强度在不超出光电转换器的可探测范围的情况下尽可能高；第一光电探测器和第二光电探测器的输入端分别与第一可调光衰减器和第二可调光衰减器的输出端相连，用于将衰减后的两路光纤信号转换为两路电信号；所述双通道高速数据采集卡用于进行双通道采集，将第一光电探测器的输出端与采集通道一相连，将第二光电探测器的输出端与采集通道二相连，用于将所述两个光电探测器输出的两路电信号采集到所述监控上位机中，单通道最大采集速度大于10MSps，以满足系统的定位精度要求；所述监控上位机，为系统的信号处理平台，能够发出控制指令，调整采集参数，并对采集到的数据依次进行预处理、时域特征分析、振动位置确定和模式识别，以判断振动的发生位置和类型，显示振动发生的位置，并对振动信号的时间、类型、详细数据进行记录和储存。优选地，所述全光纤声光调制器，为保偏三光纤结构，一端与其电源驱动器相连，另外两端分别与激光光源和第一掺铒光纤放大器相连，连接的标准接头均为FC/APC接头；所述电源驱动器，除与声光调制器相连外，一端接入信号发生器产生的脉冲电信号，另一端与稳压源相连。优选地，所述光电探测器为集成一路单模光纤耦合的InGaAs光电探测器，光纤输入接头为FC/APC接头，输出接口为SMA，其内部放大电路采用高带宽放大电路和噪声抑制相结合的技术处理，以提高信噪比；优选地，所述双通道高速采集卡使用PCI总线或USB总线进行数据传输，数据传输速度超过10MB/s，数据精度为14Bit，采集卡的单通道最高采样率可达到125MSps，信噪比大于60dB，具有实时采集、实施存储、二次开发功能。优选地，所述2通道同步并行高速数据采集卡带有5个输入输出接口，分别为2个BNC模拟信号输入接口，1个光耦外触发输入接口，1个外时钟输入接口和1个多功能信号输出接口。另外，本专利技术还提供一种基于基于Φ-OTDR技术的光纤振动识别方法，系统的信号处理平台采用该光纤振动识别方法，所述光纤振动识别方法包括以下步骤：(a)信号预处理：将两个通道在同一段时间内采集到的光信号均按时间顺序截断为若干连续光脉冲产生的若干条瑞利散射曲线，将每个光脉冲在通道一中对应的瑞利散射曲线的前半段与该光脉冲在通道二中对应的瑞利散射曲线的后半段组成新的瑞利散射曲线，抽取若干条新的瑞利散射曲线中空间上每个点的纵向时间序列信号作为每个点的时域信号；(b)时域特征分析：计算各个点时域信号的时域特征，并与相应的动态特征阈值进行相比，当时域特征值与对应阈值的比值大于设定值时，判断对应点位置有干扰信号；(c)振动位置确定：若空间上连续若干位置点都判断出有干扰信号，则表明在这些点的中间位置有振动事件发生，这些点的中间位置记为振动位置；(d)模式识别：提取振动位置的时域信号的多类特征作为特征向量，并将特征向量输入振动类型分类器中进行识别，确定振动事件的类型。振动类型为敲击、攀爬和挤压。优选地，步骤(b)中动态特征阈值的更新方法为：有干扰的情况下，动态特征阈值不进行更新；无干扰的情况下，动态特征阈值采用如下更新方式：新的动态特征阈值为当前动态特征阈值和时域信号的时域特征的加权和；初始动态特征阈值通过以下方式得到：在无振动事件的静态环境中，将多次预处理得到的多帧时域信号的时域特征进行平均处理得到初始动态特征阈值。优选地，所述步骤(c)和(d)之间还包括小波包特征分析，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于Φ－OTDR技术的光纤振动识别系统，其特征在于，所述光纤振动识别系统包括：窄线宽光纤激光器、声光调制器、信号发生器、第一掺铒光纤放大器、光纤环形器、传感光纤、第二掺铒光纤放大器、光纤耦合器、第一可调光衰减器、第二可调光衰减器、第一光电探测器、第二光电探测器、双通道高速数据采集卡、监控上位机依次相连；所述窄线宽激光器的工作波长为1550 nm，线宽小于100kHz，用于发射出强相干的连续探测光；所述声光调制器为全光纤声光调制器，连接光纤为保偏光纤，用于将窄线宽激光器发出的强相干连续探测光调制成脉冲光；所述第一掺铒光纤放大器，其输入端与声光调制器的输出端相连，用于对脉冲光信号进行放大；所述光纤环形器为三端口光纤环形器，其端口1与第一掺铒光纤放大器输出端相连，端口2与传感光纤相连，使脉冲光注入到传感光纤中；所述传感光纤为普通单模光纤或钢带轻铠光纤，长度在10km到100km之间，以满足长距离监控的需求和适应不同地形，脉冲光在传感光纤内产生瑞利散射光；所述第二掺铒光纤放大器，其输入端与所述光纤环形器的端口3相连，在传感光纤内产生的反向瑞利散射光沿光纤环形器的端口3输出，进入第二掺铒光纤放大器中被放大；所述光纤耦合器为50:50的1×2光纤耦合器，包含一个输入端和两个输出端，其输入端与所述第二掺铒光纤放大器的输出端相连，放大后的反向瑞利散射光被光纤耦合器分为输出功率相同的两路光纤信号；两个可调光纤衰减器的输入端分别与光纤耦合器的两个输出端相连，将两路光纤信号进行不同比例的衰减，调整第一可调光衰减器使其中一路光纤信号的最大光强接近但不超过光电转换器可探测的最大光强，调整第二可调光衰减器使另一路光纤信号中后半段传感光纤反向散射回来的瑞利散射光的最大光强接近但不超过光电转换器可探测的最大光强；第一光电探测器和第二光电探测器的输入端分别与第一可调光衰减器和第二可调光衰减器的输出端相连，用于将衰减后的两路光纤信号转换为两路电信号；所述双通道高速数据采集卡用于进行双通道采集，将第一光电探测器的输出端与采集通道一相连，将第二光电探测器的输出端与采集通道二相连，用于将所述两个光电探测器输出的两路电信号采集到所述监控上位机中，单通道最大采集速度大于10 MSps，以满足系统的定位精度要求；所述监控上位机，为系统的信号处理平台，能够发出控制指令，调整采集参数，并对采集到的数据依次进行预处理、时域特征分析、振动位置确定和模式识别，以判断振动的发生位置和类型，显示振动发生的位置，并对振动信号的时间、类型、详细数据进行记录和储存。...

【技术特征摘要】
1.一种基于Φ－OTDR技术的光纤振动识别系统，其特征在于，所述光纤振动识别系统包括：窄线宽光纤激光器、声光调制器、信号发生器、第一掺铒光纤放大器、光纤环形器、传感光纤、第二掺铒光纤放大器、光纤耦合器、第一可调光衰减器、第二可调光衰减器、第一光电探测器、第二光电探测器、双通道高速数据采集卡、监控上位机依次相连；所述窄线宽激光器的工作波长为1550 nm，线宽小于100kHz，用于发射出强相干的连续探测光；所述声光调制器为全光纤声光调制器，连接光纤为保偏光纤，用于将窄线宽激光器发出的强相干连续探测光调制成脉冲光；所述第一掺铒光纤放大器，其输入端与声光调制器的输出端相连，用于对脉冲光信号进行放大；所述光纤环形器为三端口光纤环形器，其端口1与第一掺铒光纤放大器输出端相连，端口2与传感光纤相连，使脉冲光注入到传感光纤中；所述传感光纤为普通单模光纤或钢带轻铠光纤，长度在10km到100km之间，以满足长距离监控的需求和适应不同地形，脉冲光在传感光纤内产生瑞利散射光；所述第二掺铒光纤放大器，其输入端与所述光纤环形器的端口3相连，在传感光纤内产生的反向瑞利散射光沿光纤环形器的端口3输出，进入第二掺铒光纤放大器中被放大；所述光纤耦合器为50:50的1×2光纤耦合器，包含一个输入端和两个输出端，其输入端与所述第二掺铒光纤放大器的输出端相连，放大后的反向瑞利散射光被光纤耦合器分为输出功率相同的两路光纤信号；两个可调光纤衰减器的输入端分别与光纤耦合器的两个输出端相连，将两路光纤信号进行不同比例的衰减，调整第一可调光衰减器使其中一路光纤信号的最大光强接近但不超过光电转换器可探测的最大光强，调整第二可调光衰减器使另一路光纤信号中后半段传感光纤反向散射回来的瑞利散射光的最大光强接近但不超过光电转换器可探测的最大光强；第一光电探测器和第二光电探测器的输入端分别与第一可调光衰减器和第二可调光衰减器的输出端相连，用于将衰减后的两路光纤信号转换为两路电信号；所述双通道高速数据采集卡用于进行双通道采集，将第一光电探测器的输出端与采集通道一相连，将第二光电探测器的输出端与采集通道二相连，用于将所述两个光电探测器输出的两路电信号采集到所述监控上位机中，单通道最大采集速度大于10 MSps，以满足系统的定位精度要求；所述监控上位机，为系统的信号处理平台，能够发出控制指令，调整采集参数，并对采集到的数据依次进行预处理、时域特征分析、振动位置确定和模式识别，以判断振动的发生位置和类型，显示振动发生的位置，并对振动信号的时间、类型、详细数据进行记录和储存。2.根据权利要求1中所述的基于Φ－OTDR技术的光纤振动识别系统，其特征在于，所述全光纤声光调制器，为保偏三光纤结构，一端与其电源驱动器相连，另外两端分别与激光光源和第一掺铒光纤放大器相连，连接的标准接头均为FC/APC接头；所述电源驱动器，除与声光调制器相连外，一端接入信号发生器产生的脉冲电信号，另一端与稳压源相连。3.根据权利要求1中所述的基于Φ－OTDR技术的光纤振动识别系统，其特征在于：所述光电探测器为集成一路单模光纤耦合的InGaAs光电探测器，光纤输入接头为FC/APC接头，输出接口为SMA，...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐铖晋，叶炜，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33