[发明专利]一种复合型光纤传感系统和传感方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种基于布拉格光栅、马赫-曾德干涉仪和相位型光时域反射仪原理的复合型光纤传感系统和传感方法。

背景技术

分布式光纤传感系统由于其灵敏度高，不受电磁干扰，检测范围广，成本低等特点，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，是近数十年的研究热点。

Mach-Zehnder/Sagnac干涉仪分布式光纤传感系统，利用检测两传感光路中由外界扰动所造成的相位差变化，并通过相关时延估计的方法进行定位，能对振动进行良好的感知。但由于相关时延估计方法本身确定时延的难度性，使得该方法定位精度不高，对振动点的准确判断困难重重。

基于相干瑞利散射的相位敏感型光时域反射技术(相敏OTDR、Φ-OTDR)，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。

发明内容

本发明提供了一种复合型光纤传感系统和传感方法，本发明实现了对振动事件的定位和识别，有效降低了误报率，详见下文描述：

一种复合型光纤传感系统，包括：用于振动检测的传感光纤，还包括：正向注入传感光纤的超窄线宽激光光源，

超窄线宽激光光源发出的连续探测光经过一个声光调制器调制为脉冲光，再经过第一掺铒光纤放大器放大后，通过第一环形器注入传感光纤；

背向瑞利散射光反向到达第一环形器，从另一端口通过第二掺铒光纤放大器、第二环形器到达光纤布拉格光栅；

窄线宽激光光源发出的探测光经过第一1:1耦合器分为2束，一束通过隔离器反向注入传感光纤，另一束通过第一偏振控制器反向注入参考臂光纤；

选取超窄线宽激光光源和窄线宽激光光源的激光频率，使超窄线宽激光光源的激光频率落在光纤布拉格光栅的反射带内，窄线宽激光光源的激光频率处在光纤布拉格光栅的通带内；

瑞利散射光将被光纤布拉格光栅反射重新进入第二环形器，并从第二环形器的另一出口到达第一光电探测器，光信号转换为电信号，并被第一采集卡采集；

窄线宽激光光源的探测光和反射功率低于1％的瑞利散射光通过光纤布拉格光栅，与通过参考臂光纤的探测光在第三1:1耦合器处发生干涉；

干涉光由第二光电探测器检测到，转化为光信号，经第二采集卡采集后传输给计算机进行处理。

所述系统还包括：1:99耦合器和第二偏振控制器，

超窄线宽激光光源通过1:99耦合器分离出1％的激光作为本振光，通过第二偏振控制器到达第二1：1耦合器，与超窄线宽激光光源的瑞利散射光相干涉，形成光外差探测。

一种复合型光纤传感方法，所述传感方法包括以下步骤：

将瑞利散射光按时间顺序截断为多条散射迹线；对K条散射迹线进行平均，获取T条平均曲线；

抽取时域信号，分别计算各个时域信号的小波信息熵；

将小波信息熵作为K条散射迹线时间内的综合评价，小波信息熵增大时，表明对应位置j处发生振动，用于确定振动位置；

对振动信号进行分类。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明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、误报率低的分布式光纤振动传感系统。解决了复用中干涉仪和散射仪光信号的混合分离问题，提高了系统的信号质量，使信号便于探测，提高了系统的稳定程度，同时，克服了现有系统不能兼有高定位精度和高频率分别率的问题，该系统同时具有分布式光纤监检测系统所特有的分布式、受电磁等外界干扰小等特点，且安装方便，可以很好的满足各种振动检测和监测应用，尤其是长距离的管道监测与周界安防等。

附图说明

图1为一种复合型光纤传感系统的结构示意图；

图2(a)为振动信号时域波形的示意图；

图2(b)为振动信号小波包分解结果的示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：超窄线宽激光光源； 2：1:99耦合器；

3：声光调制器； 4：第一掺铒光纤放大器；

5：第一环形器； 6：传感光纤；

7：第二掺铒光纤放大器； 8：第二环形器；

9：FBG；10：窄线宽激光光源；

11：第一1:1耦合器； 12：隔离器；