基于雙段光纖的分布式光纖振動傳感方法及系統

本發明涉及分布式光纖振動傳感技術，具體涉及一種基于雙段光纖的分布式光纖振動傳感方法及系統。

背景技術：

1、近幾年來，基于直接解調的相位光時域反射儀是一種直接探測型分布式光纖振動傳感系統，能對長距離振動進行定量測量吸引了眾多的研究者的關注，這是由于其具有高靈敏度的振動探測，實施的靈活性，抗電磁干擾，經濟實用以及優良的時空分辨率等特性，并在管道入侵探測，橋梁隧道，城市綜合管廊等大型結構的安全健康監測領域中起到了不可替代的作用。

2、在分布式光纖振動傳感系統中，振動作為一種外界干擾，會影響光纖中傳輸的后向瑞利散射光信號，進而可能引起相干衰落，最終導致振動信號無法連續解調。當傳統直接探測型分布式光纖振動傳感系統進行采樣時，若數據采集模塊的采樣時間間隔較大時，系統必須使用大脈寬來包含相鄰采樣點的振動信息，而降低系統的空間分辨率。fang等人在文獻“phase-sensitive?optical?time?domain?reflectometer?based?on?phase-generated?carrier?algorithm”、masoudi等人在文獻“a?distributed?optical?fibredynamic?strain?sensor?based?on?phase-otdr”中采用的傳統直接探測型分布式光纖振動傳感系統對振動信號進行解調時，需要使用干涉儀對兩路振動信號進行提取，而該方法對外界噪聲敏感，不易于實際應用，且使用成本高。

3、因此，需要提出一種分布式光纖振動傳感方法及系統，既能克服相干衰落，又能在高空間分辨率下實現準確的振動信號解調，降低系統使用成本。

技術實現思路

1、本技術的目的在于針對上述提到的技術問題提出基于雙段光纖的分布式光纖振動傳感方法及系統。

2、第一方面，本發明提供了一種基于雙段光纖的分布式光纖振動傳感方法，包括以下步驟：

3、將調制后的光信號經過光纖環形器后輸入處于同一振動位置的雙段光纖，并產生兩路后向瑞利散射光信號；

4、接收兩路后向瑞利散射光信號并進行光電轉換，輸出兩個轉換后信號組，其中，每一路后向瑞利散射光信號進行光電轉換后通過若干條長度不同的射頻線進行傳輸，得到若干路振動信息相同且初相位不同的轉換后信號，若干路轉換后信號構成一個轉換后信號組；

5、對兩個轉換后信號組根據采樣時間間隔分別進行采樣，得到兩個待解調振動信號組，每個待解調振動信號組包括若干路待解調振動信號；

6、對兩個待解調振動信號組采用微分交叉相乘算法分別進行相位解調，得到第一振動相位和第二振動相位；

7、若第一振動相位存在相位失真，則根據第二振動相位對第一振動相位進行補償，得到第三振動相位。

8、為優選，若第一振動相位存在相位失真，則根據第二振動相位對第一振動相位進行補償，得到第三振動相位，具體包括：

9、將第一振動相位和第二振動相位根據給定的時間間隔分別劃分為n個時間區間；

10、計算第一振動相位的幅度均值，得到第一均值，并計算第j個時間區間內第一振動相位的幅度與第一均值的方差，其中，j＝1,2,…,n，得到第一方差；

11、若第一方差小于給定的方差閾值，則第j個時間區間內第一振動相位存在相位失真，根據第j個時間區間內第二振動相位的幅度和頻率對該時間區間內第一振動相位進行補償，得到第三振動相位。

12、作為優選，微分交叉相乘算法的處理過程具體包括：

13、選取任意兩路待解調振動信號，分別表示為irbs(d1，t)和irbs(d1+δl，t)，其中，d1和d1+δl分別表示兩路待解調振動信號與光纖上振動位置的距離，δl表示兩條射頻線的長度差，t表示時間，對兩路待解調振動信號irbs(d1，t)和irbs(d1+δl，t)進行低通濾波，得到兩路濾波后振動信號，分別表示為i1(d1，t)和i2(d1+δl，t)；

14、對兩路濾波后振動信號i1(d1，t)和i2(d1+δl，t)采用一階微分交叉相乘法進行處理，得到第一中間信號idcm1(d1，t)，如下式所示：

15、

16、其中，第一中間信號idcm1(d1，t)包括初相差系數g和待積分振動相位dθvibration(t)；

17、對兩路濾波后振動信號i1(d1，t)和i2(d1+δl，t)采用二階微分交叉相乘法進行處理，得到第二中間信號idcm2(d1，t)，如下式所示：

18、

19、根據第一中間信號idcm1(d1，t)和第二中間信號idcm2(d1，t)，計算得到初相差系數g；

20、將第一中間信號idcm1(d1,t)與初相差系數g相除并進行積分，得到振動相位，如下式所示:

21、

22、其中，c表示常數，θvibration(t)表示振動相位，寫作：

23、θvibration(t)＝avibrationcos(2πfvibrationt)；

24、其中，avibration表示振動相位的幅度，fvibration表示振動信號的頻率。

25、作為優選，還包括：將調制后的光信號經過放大和濾波后輸入光纖環形器。

26、作為優選，還包括：對接收的兩路后向瑞利散射光信號經過放大和濾波后再進行光電轉換。

27、第二方面，本發明提供了一種基于雙段光纖的分布式光纖振動傳感系統，用于實現第一方面中任一實現方式描述的基于雙段光纖的分布式光纖振動傳感方法，包括信號發生器、窄線寬激光器、光脈沖調制器、光纖環形器、雙段首尾相連的光纖、光電探測模塊、若干條射頻線、多通道數據采集模塊和信號處理模塊；

28、窄線寬激光器與光脈沖調制器相連，窄線寬激光器用于發射激光，并將激光傳輸給光脈沖調制器；

29、信號發生器與光脈沖調制器相連，用于產生脈寬和重復頻率可調的電信號，并將電信號傳輸給光脈沖調制器，且信號發生器與多通道數據采集模塊相連，用于將電信號的頻率信息傳輸給多通道數據采集模塊；

30、光脈沖調制器用于利用信號發生器輸出的電信號對窄線寬激光器發射的激光進行調制，生成調制后的光信號；

31、光纖環形器與雙段光纖相連，光纖用于產生后向瑞利散射光信號，光纖環形器用于將調制后的光信號輸入處于同一振動位置的雙段光纖，以及輸出后向瑞利散射光信號；

32、光電探測模塊用于接收后向瑞利散射光信號，并對其進行光電轉換后輸出轉換后信號；

33、若干條射頻線的兩端分別連接光電探測模塊的輸出端和多通道數據采集模塊，射頻線用于傳輸轉換后信號給多通道數據采集模塊；

34、多通道數據采集模塊與信號處理模塊相連，多通道數據采集模塊用于對若干條射頻線輸出的轉換后信號根據采樣時間間隔進行同步信號采集，并得到若干路待解調振動信號；

35、信號處理模塊用于對若干路待解調振動信號進行相位解調，并對相位解調得到的振動相位克服相干衰落。

36、作為優選，若干條射頻線的長度不同，且任意兩條射頻線的長度差不同。

37、作為優選，任意兩條射頻線的長度差小于轉換后信號在采樣時間間隔內傳輸的距離。

38、作為優選，還包括第一光放大和濾波模塊，第一光放大和濾波模塊與光脈沖調制器、光纖環形器相連，用于將調制后的光信號進行放大和濾波后輸出。

39、作為優選，還包括第二光放大和濾波模塊，第二光放大和濾波模塊與光纖環形器、光電探測模塊相連，用于將接收的后向瑞利散射光信號進行放大和濾波后傳輸給光電探測模塊。

40、相比于現有技術，本發明具有以下有益效果：

41、(1)本發明提出的基于雙段光纖的分布式光纖振動傳感方法通過對若干條長度不同的射頻線傳輸的信號進行采樣，得到空間中振動信息相同且初相位不同的兩路待解調振動信號，對其進行解調，從而在高空間分辨率下獲得準確度高的振動信號解調結果，并通過對處于同一振動位置的雙段光纖產生的后向瑞利散射光信號進行分析以克服相干衰落，實現振動信號的連續解調，從而實現了一種經濟實用、穩定性高的直接探測型的分布式光纖振動傳感系統。

42、(2)本發明提出的基于雙段光纖的分布式光纖振動傳感系統在光電探測模塊的輸出端連接若干條長度不同的射頻線，且任意兩條射頻線的長度差不同，以獲取振動信息相同且初相位不同的多路轉換后信號，以獲得準確度高的振動信號解調結果；進一步地，任意兩條所述射頻線的長度差小于所述轉換后信號在所述采樣時間間隔內傳輸的距離，以便于選取后向瑞利散射光信號對應的兩路空間間隔較近的轉換后信號進行采樣，從而實現空間中更短距離的振動信號解調，并提高系統的空間分辨率，避免了當多通道數據采集模塊的采樣時間間隔較大時，對振動信號進行解調而降低系統的空間分辨率。

43、(3)本發明提出的基于雙段光纖的分布式光纖振動傳感系統在振動位置鋪設雙段光纖，對雙段光纖對應的待解調振動信號進行相位解調得到兩路振動相位，存在信號衰落的待解調振動信號解調后得到的振動相位存在相位失真，利用雙段光纖對應的待解調振動信號初始相位不同的特點，可以根據其中一路振動相位對存在相位失真的另一路振動相位進行補償，克服相干衰落，實現振動信號的連續解調，避免了昂貴器件的使用，是一種經濟型的克服相干衰落的分布式光纖振動傳感系統。