基于雙向光放大的超長距離分布式光傳感裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光纖傳感領域，具體涉及針對區域周界振動信號的在線實時監測、定位方法及監測裝置，其為基于雙向光放大的超長距離分布式光傳感方法及裝置。
【背景技術】
[0002]全分布式光纖振動傳感屬于功能型光纖傳感器，利用光纖的傳感和傳導特性，沿鋪設光纖鏈路進行實時連續的振動監測，具有超長距離，高靈敏度，無盲區，抗干擾，耐腐蝕等優點，特別適合于周界安防，管道泄露監測等場合。
[0003]現有的長距離分布式光纖振動傳感器中，較為成熟的包括采用基于后向散射光探測的分布式振動傳感器，利用后向瑞利散射光間的干涉來得到包含振動信息的相位信號，通過接收到振動變化的時間來進行振動源定位，因此該系統需要線寬非常窄的光源。缺點在于包含了振動信息的后向散射光強較弱，限制了最大傳感距離。如專利CN101893475中所發明基于光纖延時線的分布式光纖振動傳感系統。同時也有為解決信噪比和傳感距離問題而加入單向中繼放大技術的分布式振動傳感系統，如專利CN101839760中所發明基于中繼放大傳感技術的分布式光纖振動傳感器。但基于后向散射的傳感原理依然從原理上限制了信號光強度，同時單向的光放大對后向散射光的放大效果并不如前向光明顯，難以大幅提高信號信噪比，容易受到外界干擾而造成傳感精度下降甚至定位失敗，需要進行重復性的探測和數據處理以得到準確信息，實時性能較差。
[0004]因此在分布式光纖振動傳感系統中，如何在保證實時性能的同時，增大系統的傳感距離，提高信號的信噪比，增加系統的傳感精度是在實際生活中普及其應用的重要研宄方向。

【發明內容】

[0005]本發明所要解決的技術問題是:提供一種基于雙向光放大的超長距離分布式光傳感裝置及方法，本發明傳感距離長，精度較高，定位效果好。
[0006]本發明解決技術問題采用以下技術方案:
[0007]一種基于雙向光放大的超長距離分布式光傳感裝置，包括依次相連的控制與處理裝置、寬帶激光器、第一光纖耦合器、并聯的第一光纖臂和第二光纖臂、第二光纖耦合器、傳感鏈路和法拉第旋光鏡，控制與處理裝置與第一光纖耦合器之間還接有光電檢測裝置。
[0008]所述的裝置，第一光纖臂上設有延時線圈。
[0009]所述的裝置，傳感鏈路包括單模光纖，單模光纖串接有多個雙向光放大器。
[0010]所述的裝置，雙向光放大器包括串接在單模光纖上的第三光纖耦合器和摻鉺光纖，第三光纖耦合器還接有泵浦激光器。
[0011]所述的裝置，控制與處理裝置包括處理器，寬帶激光器包括寬帶光源，寬帶光源與第一光纖耦合器相連，寬帶光源還接有壓控恒流源電路，壓控恒流源電路依次通過電流采樣電路、模數轉換器與處理器相連，處理器與壓控恒流源電路之間還接有第一數模轉換器，處理器與寬帶光源之間還接有熱電冷卻驅動電路。
[0012]所述的裝置，光電檢測裝置依次通過跨阻抗放大器、可編程儀表放大器與模數轉換器相連，可編程儀表放大器與處理器之間還接有第二數模轉換器。
[0013]所述的裝置，光電檢測裝置包括第一光電探測器和第二光電探測器，它們均與第一光纖親合器相連。
[0014]一種基于雙向光放大的超長距離分布式光傳感方法，包括:將傳感鏈路沿監測區域周界鋪設，由處理器控制壓控恒流源電路的輸入電壓，驅動寬帶光源發出光信號，光信號傳送至第一光纖耦合器一個進口端，通過第一光纖耦合器后被分為兩路光進入第一光纖臂和第二光纖臂，其中在第一光纖臂中加入了一段單模光纖作為延時線圈形成非對稱結構，兩路光通過第二光纖耦合器進入傳感鏈路進行傳感和放大，到達法拉第旋光鏡時原路返回，再次進入超長距離傳感鏈路進行反向放大，再由第二光纖耦合器分光至第二光纖臂、第一光纖臂，在第一光纖耦合器處匯合形成干涉，由第一光電探測器、第二光電探測器對干涉光信號進行接收，處理器進行處理。
[0015]所述的方法，電流采樣電路還對壓控恒流源電路輸出的電流進行采樣，并將結果通過模數轉換器輸出給處理器，同時處理器通過第一數模轉換器調整壓控恒流源電路的輸入電壓值，以設定驅動電流大小，熱電冷卻驅動電路讀取寬帶光源的工作溫度反饋給處理器，處理器同時控制熱電冷卻驅動電路以恒定寬帶光源的工作溫度；
[0016]當第二光纖耦合器輸出的光信號進入傳感鏈路中的第三光纖耦合器時，由泵浦激光器發出的泵浦光耦合進去對光信號進行正向放大，并通過摻鉺光纖進行增益；當由法拉第旋光鏡原路返回的光信號通過摻鉺光纖進入第三光纖耦合器時，由泵浦激光器發出的泵浦光耦合進去對光信號進行反向放大；
[0017]當光電檢測裝置中的第一光電探測器和第二光電探測器接收傳感鏈路傳回來的信號光，產生的光電流通過跨阻抗放大器轉化為電壓值，由可編程儀表放大器對信號進行第二級放大，再通過模數轉換器將信號傳給處理器進行分析處理計算，同時處理器通過第二數模轉換器對可編程儀表放大器的增益系數進行設定，調整電壓放大倍數。
[0018]所述的方法，處理器進行處理的方法包括:
[0019]SI)沿振動源布置好光纖鏈路，振動源對單模光纖施加擾動；
[0020]S2)處理器以最大采樣頻率多次采樣并保存振動源傳感數據，對數據進行解調運算得到每次采樣信號中的相位信息；再對振動源傳感數據逐倍降頻采樣，在每個采樣頻率下同樣獲得多個采樣信號相位信息；
[0021]S3)將所有的采樣信號相位信息保存，獲得多個訓練樣本；
[0022]S4)對所有的訓練樣本進行快速傅里葉變換運算得到一次快速傅里葉變換頻率響應曲線，再次進行快速傅里葉變換，得到一次快速傅里葉變換頻率響應曲線的頻率響應曲線，稱為二次快速傅里葉變換頻率響應曲線，尋找二次快速傅里葉變換頻率響應曲線響應峰的頻率值f，不同距離的振動源會導致不同的f值；
[0023]S5)計算所有訓練樣本二次快速傅里葉變換頻率響應曲線的峰均比，即該曲線峰值和其有效值之比，進行判定篩選，如果峰均比高于閾值(比如保留前10%樣本)，則保留該樣本曲線，否則去除該樣本曲線；
[0024]S6)根據步驟S5得到經篩選后的樣本曲線的響應峰頻率值計算訓練振動源的距離數組，計算公式:L = c/2nf，其中L為振動源距離，η為光纖折射率，c為光速；然后按照距離大小進行排序，取中間值為該訓練振動源的估計距離；
[0025]S7)根據步驟S6得到的估計距離，根據估計距離段-降采樣頻率倍數的正比例關系選取相應的降采樣頻率倍數，確定采樣頻率后進行多次采集分析，獲得多個采樣樣本，按步驟S4的方法計算每個采樣樣本的響應峰頻率值f’ ；
[0026]S8)根據L’ = c/2nf’計算距離值L’，按距離大小排序，取中間值和相鄰點(如相鄰2-3個采樣樣本)作為候選點，計算并比較峰均比，峰均比最大的距離值視為最終振動距離。
[0027]本發明與現有技術相比，具有以下主要的優點:
[0028]其一.采用了全分布式光纖傳感技術，以光纖作為室外無源傳感元件，耐壓、耐腐蝕、抗電磁干擾，無盲區實時連續監測。
[0029]其二.基于白光干涉型薩格納克干涉原理，對光源要求低，傳感器靈敏度高，受外界干擾小。
[0030]其三.采用雙向光功率放大，大幅度提高傳感距離至數百公里。
[0031]其四.采用了速率自適應的數據采集定位方法，在不增加系統數據處理量的同時提高了長距離條件下的定位精度。
[0032]其五.采用壓控可調恒流源和增益可調接收模塊，具有大動態范圍，廣泛適用于多種場合要求。
【附圖說明】
[0033]圖1是本發明的基于雙向光放大的超長距離分布式光傳感系統結構示意圖。
[0034]圖2是本發明的基于雙向光放大的超長距離分布式光傳感鏈路結構示意圖。
[0035]圖3是本發明的雙向光纖放大器結構示意圖。
[0036]圖4是本發明的適應長距離傳感系統的光收發模塊示意圖。
[0037]圖5是本發明的適用于超長距離傳感的數據處理方法流程圖。
[0038]圖中:1.寬帶激光器；2.第一(3X3)光纖耦合器；3.第一光纖臂；4.第二光纖臂；5.延時線圈；6.光纖耦合器；7.帶雙向光放大器的傳感鏈路；8.法拉第旋光鏡；9.第一光電探測器；10.第二光電探測器；11.單模光纖；12.雙向光放大器；13.980nm波長泵浦激光器；14.第三光纖耦合器；15.摻鉺光纖(EDF) ；16.光路結構(圖1的2_8) ；17.寬帶光源；18.壓控恒流源電路；19.電流采樣電路；20.光電探測器；21.跨阻抗放大器；22.可編程儀表放大器；23.模數轉換器；24.處理器；25.TEC控制電路；26.第一數模轉換器；27.第二數模轉