本發(fā)明涉及光纖傳感領(lǐng)域，特別是涉及一種基于隨機采樣的高頻振動分布式光纖傳感系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在大型建筑結(jié)構(gòu)、航空航天、石油化工、電力系統(tǒng)等重大工程和基礎(chǔ)設(shè)施的健康監(jiān)測和診斷中，光纖傳感技術(shù)因其敏感元件小巧、高耐久、絕對測量及分布式監(jiān)測等特性，有逐步取代電類傳感器成為傳感健康監(jiān)測首選敏感元件的趨勢。其中，使用光纖對長距離范圍內(nèi)的振動分布式監(jiān)測的技術(shù)研究及應(yīng)用在不斷深入。

現(xiàn)有技術(shù)中，光纖振動分布式傳感系統(tǒng)一般采用均勻采樣方法對振動事件進行采樣，由于系統(tǒng)中采樣率受到脈沖光往返時間的限制，系統(tǒng)的振動頻率響應(yīng)范圍往往被限制在低頻，而且傳感距離越長，系統(tǒng)的振動頻率響應(yīng)范圍越窄。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種基于隨機采樣的高頻振動分布式光纖傳感系統(tǒng)，能夠大幅拓寬頻率響應(yīng)范圍，且使振動頻率響應(yīng)范圍不再受傳感距離的限制。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個技術(shù)方案是：提供一種基于隨機采樣的高頻振動分布式光纖傳感系統(tǒng)，包括激光器、強度調(diào)制器、環(huán)形器和探測器，所述激光器連接所述強度調(diào)制器，所述強度調(diào)制器連接所述環(huán)形器的第一端，所述環(huán)形器的第二端用于連接傳感光纖，所述環(huán)形器的第三端連接所述探測器，其中：所述激光器用于產(chǎn)生連續(xù)的激光信號；所述強度調(diào)制器用于接收所述激光信號，并將所述激光信號調(diào)制成隨機脈沖光；所述環(huán)形器的第一端用于接收所述隨機脈沖光，所述環(huán)形器的第二端用于將所述隨機脈沖光注入傳感光纖以及接收所述傳感光纖中反向傳輸?shù)娜鹄⑸涔?，所述環(huán)形器的第三端用于輸出所述瑞利散射光；所述探測器用于將所述瑞利散射光轉(zhuǎn)換為電信號。

其中，所述探測器為雙平衡探測器，所述高頻振動分布式光纖傳感系統(tǒng)還包括第一耦合器和第二耦合器，所述激光器經(jīng)所述第一耦合器連接所述強度調(diào)制器和第二耦合器，所述環(huán)形器的第三端經(jīng)所述第二耦合器連接所述探測器；所述第一耦合器用于將所述激光信號分成第一路激光和第二路激光；所述強度調(diào)制器用于接收所述第一路激光，并將所述第一路激光調(diào)制成隨機脈沖光；所述第二耦合器用于將所述瑞利散射光與所述第二路激光進行相干拍頻，生成光信號；所述探測器用于將所述光信號轉(zhuǎn)換為電信號。

其中，還包括第一光纖放大器，所述第一光纖放大器連接在所述強度調(diào)制器和所述環(huán)形器的第一端之間，所述第一光纖放大器用于將所述隨機脈沖光進行放大處理后，傳輸給所述環(huán)形器的第一端。

其中，還包括帶通濾波器，所述帶通濾波器連接在所述第一光纖放大器和所述環(huán)形器的第一端之間，所述帶通濾波器用于濾除經(jīng)放大處理后的隨機脈沖光中的噪聲后，傳輸給所述環(huán)形器的第一端。

其中，還包括第二光纖放大器，所述第二光纖放大器連接在所述第二耦合器和所述環(huán)形器的第三端之間，所述第二光纖放大器用于對所述瑞利散射光進行放大處理后，傳輸給所述第二耦合器。

其中，包括波形發(fā)生器，所述波形發(fā)生器連接所述強度調(diào)制器，所述波形發(fā)生器用于產(chǎn)生開關(guān)信號；所述強度調(diào)制器具體用于接收所述第一路激光和所述開關(guān)信號，并根據(jù)所述開關(guān)信號將所述第一路激光調(diào)制成隨機脈沖光。

其中，還包括數(shù)據(jù)采集卡，所述數(shù)據(jù)采集卡連接所述探測器，所述數(shù)據(jù)采集卡用于采集所述電信號，以便進行數(shù)據(jù)處理。

其中，所述強度調(diào)制器為電光強度調(diào)制器、SOA強度調(diào)制器或聲光強度調(diào)制器

其中，所述激光器為窄線寬激光器。

其中，所述傳感光纖為單模光纖光纜。

本發(fā)明的有益效果是：區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的情況，本發(fā)明的基于隨機采樣的高頻振動分布式光纖傳感系統(tǒng)采用隨機脈沖調(diào)制脈沖技術(shù)，使用強度調(diào)制器將連續(xù)的激光調(diào)制成時間間隔隨機分布的等幅值隨機脈沖光，每個隨機脈沖光的散射信號對應(yīng)了所有待探測傳感點在相應(yīng)時刻的振動狀態(tài)信息，由于隨機脈沖光具有時間間隔的隨機性，對于每一個待探測傳感點而言，不同周期的信號相當于對該點的隨機采樣，由于隨機采樣具有抗頻域混疊的特性，因而能夠大幅拓寬頻率響應(yīng)范圍，且使振動頻率響應(yīng)范圍不再受傳感距離的限制，該系統(tǒng)有利于系統(tǒng)對高頻振動，特別是具有頻率稀疏特性的寬頻譜振動實現(xiàn)有效探測；對于一定的傳感長度的傳感光纖，擴展光纖分布式系統(tǒng)的振動頻率響應(yīng)帶寬；對于不同傳感長度的傳感光纖，使得振動響應(yīng)頻率不再受到光纖長度的限制；不需要更改傳統(tǒng)傳感系統(tǒng)的硬件設(shè)施，不增加系統(tǒng)成本；具有對于頻率稀疏的寬頻信號的探測能力。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于隨機采樣的高頻振動分布式光纖傳感系統(tǒng)第一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明基于隨機采樣的高頻振動分布式光纖傳感系統(tǒng)第二實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明基于隨機采樣的高頻振動分布式光纖傳感系統(tǒng)第三實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施例

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

參閱圖1，是本發(fā)明基于隨機采樣的高頻振動分布式光纖傳感系統(tǒng)第一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明實施例的高頻振動分布式光纖傳感系統(tǒng)包括激光器1、強度調(diào)制器2、環(huán)形器3和探測器4。

激光器1連接強度調(diào)制器2，強度調(diào)制器2連接環(huán)形器3的第一端D1，環(huán)形器3的第二端D2用于連接傳感光纖100，環(huán)形器3的第三端D3連接探測器4。

激光器1用于產(chǎn)生連續(xù)的激光信號。為了盡量減小激光信號的光譜線寬，在本實施例中，激光器1可以為窄線寬激光器。

強度調(diào)制器2用于接收激光信號，并將激光信號調(diào)制成隨機脈沖光。經(jīng)過強度調(diào)制器2調(diào)制后，隨機脈沖光的每個脈沖之間的時間間隔不再是均勻的等間隔，而是隨機時間間隔。

環(huán)形器3的第一端D1用于接收隨機脈沖光，環(huán)形器3的第二端D2用于將隨機脈沖光注入傳感光纖100以及接收傳感光纖100中反向傳輸?shù)娜鹄⑸涔?，環(huán)形器3的第三端D3用于輸出瑞利散射光。也就是說，隨機脈沖光通過環(huán)形器3的第一端D1注入傳感光纖100，隨機脈沖光在傳感光纖100中基于瑞利散射效應(yīng)產(chǎn)生瑞利散射光，瑞利散射光在傳感光纖100中反向傳輸從而通過環(huán)形器3的第二端D2返回至環(huán)形器3的第三端D3，最終從環(huán)形器3的第三端D3輸出。在本實施例中，傳感光纖100可以為普通的單模光纖光纜。

探測器4用于將瑞利散射光轉(zhuǎn)換為電信號。光信號轉(zhuǎn)換為電信號后，可以方便采集。

通過采用本實施例的高頻振動分布式光纖傳感系統(tǒng)，當外界振動作用到長距離的傳感光纖100上時，將會引起隨機脈沖光寬度范圍內(nèi)反向傳輸?shù)娜鹄⑸涔獾南辔话l(fā)生變化，進而導(dǎo)致瑞利散射光之間的干涉光強也發(fā)生變化。對每個采樣周期采樣得到的信號進行濾波降噪和相位解調(diào)，通過對不同周期信號的相位的對比就可以得到振動的位置信息，取出振動位置對應(yīng)點在不同采樣周期中的相應(yīng)位置信息并排成一行，就可以得到振動位置的時域信息，再對振動位置的時域信息做非均勻傅里葉變換，就可以得到振動點的振動頻率信息。

本實施例的基于隨機采樣的高頻振動分布式光纖傳感系統(tǒng)采用直接探測的方式，在其他的實施例中，還可以采用相干探測的方式。具體而言，參閱圖2，是本發(fā)明基于隨機采樣的高頻振動分布式光纖傳感系統(tǒng)第二實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。本實施例的高頻振動分布式光纖傳感系統(tǒng)與第一實施例的高頻振動分布式光纖傳感系統(tǒng)的區(qū)別在于：探測器4為雙平衡探測器，且高頻振動分布式光纖傳感系統(tǒng)還包括第一耦合器5和第二耦合器6。

激光器1經(jīng)第一耦合器5連接強度調(diào)制器2和第二耦合器6，環(huán)形器3的第三端D3經(jīng)第二耦合器6連接探測器4。

第一耦合器5用于將激光信號分成第一路激光和第二路激光。

強度調(diào)制器2用于接收第一路激光，并將第一路激光調(diào)制成隨機脈沖光。

第二耦合器6用于將瑞利散射光與第二路激光進行相干拍頻，生成光信號。

探測器4用于將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，光信號轉(zhuǎn)換為電信號后，可以方便采集。

參閱圖3，是本發(fā)明基于隨機采樣的高頻振動分布式光纖傳感系統(tǒng)第三實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3與圖2所示高頻振動分布式光纖傳感系統(tǒng)的區(qū)別在于，還包括波形發(fā)生器7、第一光纖放大器8、第二光纖放大器9和數(shù)據(jù)采集卡10。

波形發(fā)生器7連接強度調(diào)制器2，波形發(fā)生器7用于產(chǎn)生開關(guān)信號；強度調(diào)制器2具體用于接收第一路激光和開關(guān)信號，并根據(jù)開關(guān)信號將第一路激光調(diào)制成隨機脈沖光。隨機脈沖光的時間間隔與開關(guān)信號一致。通常來說，強度調(diào)制器2需要由驅(qū)動器驅(qū)動才能工作，波形發(fā)生器7輸出開關(guān)信號后，會作用在驅(qū)動器上，驅(qū)動器在開關(guān)信號處于高電平(即邏輯1)時，驅(qū)動聲光調(diào)制器3工作。在本實施例中，強度調(diào)制器2可以為電光強度調(diào)制器、SOA強度調(diào)制器或聲光強度調(diào)制器。

第一光纖放大器8連接在強度調(diào)制器2和環(huán)形器3的第一端D1之間，第一光纖放大器8用于將隨機脈沖光進行放大處理后，傳輸給環(huán)形器3的第一端D1。

第二光纖放大器9連接在第二耦合器6和環(huán)形器3的第三端D3之間，第二光纖放大器9用于對瑞利散射光進行放大處理后，傳輸給第二耦合器6。

數(shù)據(jù)采集卡10連接探測器4，數(shù)據(jù)采集卡10用于采集電信號，以便進行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集卡10采集電信號后，可以傳輸給后端的信號處理單元進行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集卡10記錄了每次散射信號的準確觸發(fā)時間，振動位置的時域信息可以根據(jù)如下的隨機頻域分析公式進行非均勻頻域傅里葉變換：

$X\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{n=1}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(n\right)\exp (-j2\mathrm{\π}f\·t_n)(t_{n+1}-t_n)$

進一步地，作為本實施例的一個擴展，為了減小自發(fā)輻射噪聲的影響，該系統(tǒng)還可以包括帶通濾波器11，帶通濾波器11連接在第一光纖放大器8和環(huán)形器3的第一端D1之間，帶通濾波器11用于濾除經(jīng)放大處理后的隨機脈沖光中的噪聲后，傳輸給環(huán)形器3的第一端D1。

在本實施例的一個具體應(yīng)用實例中，波形發(fā)生器7產(chǎn)生的開關(guān)信號的脈沖間隔服從(100us，200us)的均勻隨機分布脈沖，脈沖電平幅值為1V、脈寬為50ns；強度調(diào)制器2的移頻為110MHz；傳感光纖100的長度為9.5km；探測器4為雙平衡探測器，帶寬為350MHz；數(shù)據(jù)采集卡10的帶寬為1.5GHz，采樣率為2GS/s。

通過上述方式，本發(fā)明實施例的基于隨機采樣的高頻振動分布式光纖傳感系統(tǒng)使用非均勻的隨機采樣方法，不僅可以大幅拓寬頻率響應(yīng)范圍，而且可以使振動頻響范圍不再受傳感距離的限制，有利于系統(tǒng)對高頻振動，特別是具有頻率稀疏特性的寬頻譜振動實現(xiàn)有效探測。

以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。