[发明专利]一种分布式振动传感系统及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及光学工程、光纤光学和信号处理技术领域，具体为一种分布式振动传感系统及其应用，涉及光纤激光、信号处理和传感技术。

背景技术

目前，在高铁轮轨振动信号检测方面，传统的分布式传感系统由于其信噪比以及灵敏度有限，且轮轨振动有效信号经过空气传递和介质吸收，单芯光纤探测得到的信号十分微弱，导致检测有效信号非常困难。

传统的干涉型分布式传感技术由于基于相位感测原理，该类技术普遍存在系统信噪比以及灵敏度有限、定位距离短、需屏蔽光纤、数据处理复杂、偏振态衰落等问题，严重影响系统的传感性能，使传感系统定位精度较低。并且该技术只能实现单一位置的测量定位并不能实现多点定位。在实际工程应用中，需要监测的距离可达到几千米甚至几十、上百千米，常会同时出现多点的入侵扰动，因此分布式光纤振动传感系统能够测量和定位多点振动的分布式传感系统是具有重要意义。

传统分布式传感系统的检测信号受到很多噪声源的影响，而且是随机噪声或者是统计噪声。在一些需要高精确度、高灵敏度的应用场景下，传统分布式传感系统的低信噪比会极大的降低该传感系统的价值。

中国专利申请号201510917944X提供了一种U型传感光纤部署结构的光纤分布式传感系统，通过多缆单芯绕成U型，但其振动信号的一致性不够好，每根缆振动的位置不会完全一致，所以每根缆的振动信号是不完全一致的。其运用的是与光时域反射仪(OTDR)类似的原理。在OTDR中，用探测单元发射的激光脉冲来探测光缆。当光脉冲在光纤中传播时，存在于光纤中的瑞利散射光，光电探测器接收后向散射光子。此数据被用来匹配光纤的反射率。在该专利申请中，外部振动干扰调制光纤特定位置的后向散射光。通过以高采样率记录瑞利信号的变化，把光纤变成了大量分布式的拾音器或者传感器。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为增强在轮轨振动关系检测中的灵敏度，提高系统信噪比，以获取和增强轮轨振动相关时频域信息。本发明提供了一种分布式振动传感系统及其应用。

该分布式振动传感系统，包括光源、声光调制器、波形发生器、2个脉冲放大器、2个滤波器、环形器、探测器、数据采集卡、信号处理装置和传感装置组成，其特征在于：

中心波长1550nm的高相干窄线宽光源输出连续光，经声光调制器调制为脉冲光，声光调制器由波形发生器驱动；

声光调制器输出的脉冲光依次经第一脉冲放大器放大以及第一滤波器抑制噪声后，通过环形器的1端口耦合经其2端口输至传感装置中；

从传感装置反射回来的光信号经环形器2端口传输至3端口，再耦合进第二脉冲放大器，再由第二滤波器滤除掉第二脉冲放大器放大产生的噪声和没有消耗完的泵浦光在传感装置中产生的散射光后，送入具有增益可调和滤波功能的探测器；

数据采集卡采集探测器输出的电信号，并送入信号处理装置中进行数据处理；数据采集卡由波形发生器同步触发采集，波形发生器由独立的软件控制；

信号处理装置，对采集的信号进行处理以获取到传感装置中传感光缆上不同位置受到外力作用的振动信号中所包含的时频域信息；

所述传感装置由接入光缆、传感光缆组成；接入光缆实现环形器与传感光缆间的光信号传输；传感光缆是一根多芯光缆，多芯光缆中包含多根平行光纤芯，多根平行光纤芯之间采用相邻纤芯首尾连接的方式，多根纤芯在光缆骨架支撑下保持平行分布，纤芯数为2～8芯。

进一步的，所述信号处理装置，采用FPGA开发板首先经过累加器对信号按照周期进行同步叠加，提高系统信噪比；再通过滑窗积累器对叠加后的信号进行预处理，去除部分带外噪声，进一步提升系统信噪比；最后经过三阶累积量运算器滤除带内噪声。

进一步的，将上述分布式振动传感系统传感装置的传感光缆沿高铁轮轨布置，通过信号处理装置对采集信号的处理，以获取到光纤上不同位置受到轮轨作用的振动信号中所包含的时频域信息，从而实现对铁轨结构损坏、断裂点的快速检测和精确定位。

上述分布式振动传感系统的工作流程如下：

步骤1、从中心波长1550nm的高相干窄线宽光源经高消光比的声光调制器发射脉冲光信号，再经过脉冲放大器放大以及滤波器抑制噪声后进入由多芯光缆构成传感装置的光缆中；