[发明专利]应力、温度和振动复合检测光纤传感器及信号处理方法

权利要求书

1.一种应力、温度和振动复合检测光纤传感器，其特征在于，包括激光光源、第一、第二、第三、第四耦合器、声光调制器、环形器、传感光纤、下变频滤波电路、数据采集系统、上位机、电光调制器、辅助光纤、参考光纤、滤波光栅和第一、第二、第三光电探测器；

所述激光光源产生连续窄线宽激光，经所述第一耦合器（2）分为Φ-OTDR探测光与BOTDA/MZI探测光，

所述Φ-OTDR探测光进一步经所述第二耦合器（3）再产生Φ-OTDR本振光，所述Φ-OTDR探测光经所述声光调制器（4）调制为脉冲光，经由第一环形器（6）从所述传感光纤（7）正端入射，产生Φ-OTDR反射光；

所述BOTDA/MZI探测光经由所述电光调制器（13）变频注入所述辅助光纤（16），在所述辅助光纤末端经所述第三耦合器（17）再分为两部分，一部分从所述传感光纤末端入射，继续作为BOTDA/MZI探测光，另一部分入射进所述参考光纤，作为MZI参考光；

在所述传感光纤（7）首端，所述滤波光栅（21）将所述Φ-OTDR反射光与所述BOTDA/MZI探测光分离，分离后的所述Φ-OTDR反射光与所述Φ-OTDR本振光干涉产生拍频信号，所述拍频信号被所述第一光电探测器捕捉，经由所述下变频滤波电路降频解调后由数据采集系统采集，送入上位机；分离后的所述BOTDA/MZI探测光经由所述第四耦合器分为两束，一束被所述第二光电探测器直接转换为电信号，经由所述数据采集系统采集，送入所述上位机，另一束与所述MZI参考光干涉，形成MZI干涉信号，被所述第三光电探测器直接转换为电信号，经由所述数据采集系统采集，送入所述上位机。

2.一种应用权利要求1所述的应力、温度和振动复合检测光纤传感器的信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对于所采集的Φ-OTDR信号，经去噪算法后，计算小波信息熵获得振动位置；

S2：对于所采集的BOTDA信号，经曲线拟合得到布里渊频移，再换算为应力或温度分布；

S3：对于所采集的MZI信号，经去噪算法后，由快速傅里叶变换获得振动频率信息。

3.根据权利要求2所述的信号处理方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：

取k条Φ-OTDR信号，每条信号为1行，组成Φ-OTDR信号矩阵，再表示为列向量形式TR_c=[TR_c1, TR_c2, ... , TR_ck]；对列信号进行去噪；对去噪后的列信号计算小波信息熵，通过小波信息熵获取振动位置。

4.根据权利要求3所述的信号处理方法，其特征在于，所述对列信号进行去噪的步骤包括：

取第j列数据TR_cj的上包络为TR_{cj_up}，下包络为TR_{cj_down}，其中取包络的方法包括但不限于数字滤波法、极值点连接法以及希尔伯特变换法，去噪后的第j列数据为TR_{cj_remove}=[TR_cj-（TR_{cj_up}+TR_{cj_down}）/2]/[(TR_{cj_up}-TR_{cj_down})/2]。

5.根据权利要求3所述的信号处理方法，其特征在于，所述对去噪后的列信号计算小波信息熵，通过小波信息熵获取振动位置的步骤包括：

所述小波信息熵为，其中为每层小波分量能量分布概率，为总能量，其中为每层小波分量能量，其中为TR_{cj_remove}经小波分解后的第l层小波分量；将小波信息熵作为对k条Φ-OTDR信号时间内第j个位置的综合振动评价。

6.根据权利要求2所述的信号处理方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：

取k条MZI信号，首尾拼接为MZI时序数据TM，取TM的上包络为TM_up，下包络为TM_down，其中取包络的方法包括但不限于数字滤波法、极值点连接法以及希尔伯特变换法，则去噪后的数据为TM_remove= [TM-（TM_up+TM_down）/2]/[(TM_up-TM_down)/2]。