应力、温度和振动复合检测光纤传感器及信号处理方法技术

本发明专利技术实施例公开了一种应力、温度和振动复合检测光纤传感器及信号处理方法，将激光分为两束，第一束光中取部分光为本振光，剩余部分经声光调制器后由传感光纤首端入射，第二束光经电光调制器变频后，一部分从传感光纤尾端入射，另一部分作为参考光入射参考光纤；在传感光纤首端，背向传输的光通过滤波光栅，其中反射光与本振光干涉，被探测后经降频解调被采集为信号1，透射光中一部分直接被探测并采集为信号2，另一部分与参考光干涉，再被探测并采集为信号3；对信号1进行包络去噪，使用小波信息熵算法得到振动位置，对信号2进行拟合得到应力或温度分布，对信号3进行包络去噪，通过傅里叶变换得到振动频率。

Optical Fiber Sensor for Stress, Temperature and Vibration Detection and Signal Processing Method

【技术实现步骤摘要】
应力、温度和振动复合检测光纤传感器及信号处理方法
本专利技术涉及光纤传感领域，尤其涉及一种应力、温度和振动复合检测光纤传感器及信号处理方法。
技术介绍
分布式光纤传感系统由于其灵敏度高、定位精度高、电磁免疫等特性，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。马赫－曾德干涉仪(Mach－ZehnderInterferometer，MZI)分布光纤传感系统，通过干涉将传感光路中由外界扰动所造成的光相位差变化变为光强变化，从而实现对振动探测。在双MZI系统中，可通过相关时延估计的方法对振动进行定位，但由于计算时延的不确定性大，使得该方法定位精度较低。相位敏感型光时域反射仪(PhaseSensitiveOpticalTimeDomainReflectometer，Φ－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。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。布里渊光时域分析仪(BrillouinOpticalTimeDomainAnalysis，BOTDA)，通过测量传感光纤沿线的布里渊频率变化，可以检测传感光纤沿线的应力或温度变化。但是BOTDA只能检测静态应变，无法检测动态振动信号。现有的光纤传感器只能测量振动、应力或温度中的一种，如果要同时测量上述物理量，则需要铺设多根传感光纤，各个光纤感受到的物理量并不完全相同，将引入系统误差。
技术实现思路
本专利技术实施例所要解决的技术问题在于，提供一种应力、温度和振动复合检测光纤传感器及信号处理方法。本专利技术以Φ－OTDR、MZI以及BOTDA技术为基础，设计了一种应力、温度和振动复合检测光纤传感器，可利用同一根光纤，检测光纤沿线的应力或温度分布，定位光纤沿线振动并提供振动的详细频率成分。为了解决上述技术问题，本专利技术实施例提供了一种应力、温度和振动复合检测光纤传感器，包括激光光源、第一、第二、第三、第四耦合器、声光调制器、环形器、传感光纤、下变频滤波电路、数据采集系统、上位机、电光调制器、辅助光纤、参考光纤、滤波光栅和第一、第二、第三光电探测器；所述激光光源产生连续窄线宽激光，经所述第一耦合器(2)分为Φ－OTDR探测光与BOTDA/MZI探测光，所述Φ－OTDR探测光进一步经所述第二耦合器(3)再产生Φ－OTDR本振光，所述Φ－OTDR探测光经所述声光调制器(4)调制为脉冲光，经由所述第一环形器(6)从所述传感光纤(7)正端入射，产生Φ－OTDR反射光；所述BOTDA/MZI探测光经由所述电光调制器(13)变频注入所述辅助光纤(16)，在所述辅助光纤末端经所述第三耦合器(17)再分为两部分，一部分从所述传感光纤末端入射，继续作为BOTDA/MZI探测光，另一部分入射进所述参考光纤，作为MZI参考光；在所述传感光纤(7)首端，所述滤波光栅(21)将所述Φ－OTDR反射光与所述BOTDA/MZI探测光分离，分离后的所述Φ－OTDR反射光与所述Φ－OTDR本振光干涉产生拍频信号，所述拍频信号被所述第一光电探测器捕捉，经由所述下变频滤波电路降频解调后由数据采集系统采集，送入上位机；分离后的所述BOTDA/MZI探测光经由所述第四耦合器分为两束，一束被所述第二光电探测器直接转换为电信号，经由所述数据采集系统采集，送入所述上位机，另一束与所述MZI参考光干涉，形成MZI干涉信号，被所述第三光电探测器直接转换为电信号，经由所述数据采集系统采集，送入所述上位机。相应地，本专利技术实施例还提供了一种应用上述的的应力、温度和振动复合检测光纤传感器的信号处理方法，包括以下步骤：S1：对于所采集的Φ－OTDR信号，经去噪算法后，计算小波信息熵获得振动位置；S2：对于所采集的BOTDA信号，经曲线拟合得到布里渊频移，再换算为应力或温度分布；S3：对于所采集的MZI信号，经去噪算法后，由快速傅里叶变换获得振动频率信息。其中，所述步骤S1具体包括以下步骤：取k条Φ－OTDR信号，每条信号为1行，组成Φ－OTDR信号矩阵，再表示为列向量形式TRc＝[TRc1，TRc2，...，TRck]；对列信号进行去噪；对去噪后的列信号计算小波信息熵，通过小波信息熵获取振动位置。其中，所述对列信号进行去噪的步骤包括：取第j列数据TRcj的上包络为TRcj_up，下包络为TRcj_down，其中取包络的方法包括但不限于数字滤波法、极值点连接法以及希尔伯特变换法，去噪后的第j列数据为其中，所述对去噪后的列信号计算小波信息熵，通过小波信息熵获取振动位置的步骤包括：所述小波信息熵为其中pl＝El/Etotal为每层小波分量能量分布概率，为总能量，其中El＝∑|Cl|2为每层小波分量能量，其中Cl为TRcj_remove经小波分解后的第l层小波分量；将小波信息熵作Swtj为对k条Φ－OTDR信号时间内第j个位置的综合振动评价。其中，所述步骤S3具体包括以下步骤：取k条MZI信号，首尾拼接为MZI时序数据TM，取TM的上包络为TMup，下包络为TMdown，其中取包络的方法包括但不限于数字滤波法、极值点连接法以及希尔伯特变换法，则去噪后的数据为TMremove＝[TM－(TMup+TMdown)/2]/[(TMup－TMdown)/2]。本专利技术实施例，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、可同时检测温度、应力和振动的分布式光纤振动传感器。解决了Φ－OTDR、MZI和BOTDA混合光路中各自检测信号的分离问题，并设计了各自的信号处理方法，提高了各自的信号质量。利用同一根光纤进行传感，消除了不同光纤检测可能引入的系统误差问题。该传感器同时提供目标事件的振动空间分布、频率信息以及应力或温度信息，可为后续的事件识别算法提供更多有效信息，有助于降低系统的误报率，可以更好地满足各种长距离检测和监测应用，尤其是长距离的油气管道监测与周界安防等。附图说明图1是应力、温度和振动复合检测光纤传感器的结构示意图。附图中，各标号所代表的部件如下：1、激光光源；2、第一1：1耦合器；3、1：99耦合器；4、声光调制器；5、掺饵光纤放大器；6、第一环形器；7、传感光纤；8、第二环形器；9、第二1：1耦合器；10、第一光电探测器；11、下变频滤波电路；12、数据采集系统及上位机；13、第一电光调制器；14、第一微波发生器；15、光纤隔离器；16、辅助光纤；17、第三1：1耦合器；18、参考光纤；19、第二电光调制器；20、第二微波发生器；21、滤波光栅；22、第四1：1耦合器；23、第五1：1耦合器；24、第二光电探测器；25、第三光电探测器。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，下面将结合附图对本专利技术作进一步地详细描述。如图1，本专利技术实施例的一种应力、温度和振动复合检测光纤传感器，包括激光光源1、第一1：1耦合器2、1：99耦合器3、声光调制器4、掺饵光纤放大器5、第一环形器6、传感光纤7、第二环形器8、第二1：1耦合器9、第一光电探测器10，下变频滤波电路11、数据采集系统及上位机12、第一电光调本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应力、温度和振动复合检测光纤传感器，其特征在于，包括激光光源、第一、第二、第三、第四耦合器、声光调制器、环形器、传感光纤、下变频滤波电路、数据采集系统、上位机、电光调制器、辅助光纤、参考光纤、滤波光栅和第一、第二、第三光电探测器；所述激光光源产生连续窄线宽激光，经所述第一耦合器(2)分为Φ－OTDR探测光与BOTDA/MZI探测光，所述Φ－OTDR探测光进一步经所述第二耦合器(3)再产生Φ－OTDR本振光，所述Φ－OTDR探测光经所述声光调制器(4)调制为脉冲光，经由所述第一环形器(6)从所述传感光纤(7)正端入射，产生Φ－OTDR反射光；所述BOTDA/MZI探测光经由所述电光调制器(13)变频注入所述辅助光纤(16)，在所述辅助光纤末端经所述第三耦合器(17)再分为两部分，一部分从所述传感光纤末端入射，继续作为BOTDA/MZI探测光，另一部分入射进所述参考光纤，作为MZI参考光；在所述传感光纤(7)首端，所述滤波光栅(21)将所述Φ－OTDR反射光与所述BOTDA/MZI探测光分离，分离后的所述Φ－OTDR反射光与所述Φ－OTDR本振光干涉产生拍频信号，所述拍频信号被所述第一光电探测器捕捉，经由所述下变频滤波电路降频解调后由数据采集系统采集，送入上位机；分离后的所述BOTDA/MZI探测光经由所述第四耦合器分为两束，一束被所述第二光电探测器直接转换为电信号，经由所述数据采集系统采集，送入所述上位机，另一束与所述MZI参考光干涉，形成MZI干涉信号，被所述第三光电探测器直接转换为电信号，经由所述数据采集系统采集，送入所述上位机。...

【技术特征摘要】
1.一种应力、温度和振动复合检测光纤传感器，其特征在于，包括激光光源、第一、第二、第三、第四耦合器、声光调制器、环形器、传感光纤、下变频滤波电路、数据采集系统、上位机、电光调制器、辅助光纤、参考光纤、滤波光栅和第一、第二、第三光电探测器；所述激光光源产生连续窄线宽激光，经所述第一耦合器(2)分为Φ－OTDR探测光与BOTDA/MZI探测光，所述Φ－OTDR探测光进一步经所述第二耦合器(3)再产生Φ－OTDR本振光，所述Φ－OTDR探测光经所述声光调制器(4)调制为脉冲光，经由所述第一环形器(6)从所述传感光纤(7)正端入射，产生Φ－OTDR反射光；所述BOTDA/MZI探测光经由所述电光调制器(13)变频注入所述辅助光纤(16)，在所述辅助光纤末端经所述第三耦合器(17)再分为两部分，一部分从所述传感光纤末端入射，继续作为BOTDA/MZI探测光，另一部分入射进所述参考光纤，作为MZI参考光；在所述传感光纤(7)首端，所述滤波光栅(21)将所述Φ－OTDR反射光与所述BOTDA/MZI探测光分离，分离后的所述Φ－OTDR反射光与所述Φ－OTDR本振光干涉产生拍频信号，所述拍频信号被所述第一光电探测器捕捉，经由所述下变频滤波电路降频解调后由数据采集系统采集，送入上位机；分离后的所述BOTDA/MZI探测光经由所述第四耦合器分为两束，一束被所述第二光电探测器直接转换为电信号，经由所述数据采集系统采集，送入所述上位机，另一束与所述MZI参考光干涉，形成MZI干涉信号，被所述第三光电探测器直接转换为电信号，经由所述数据采集系统采集，送入所述上位机。2.一种应用权利要求1所述的应力、温度和振动复合检测光纤传感器的信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：对于所采集的Φ－OTDR信号，经去噪算法后，计算小波信息熵获得振动位置；S2：对于所采集的...

【专利技术属性】
技术研发人员：施羿，王原野，赵雷，范衠，
申请(专利权)人：汕头大学，
类型：发明
国别省市：广东,44