技术领域
[0001] 本实用新型涉及的是一种光纤传感领域的技术，具体是一种基于分布式光纤声波传感系统的振动传感系统。
背景技术
[0002] 分布式光纤声波
传感器(Distributed Fiber-optic Acoustic Sensor,DAS)是一种用光纤作为传感
探头，可以检测并
定位发生在光纤上任意
位置处的应变
信号，并且可以线性地获得应变信号
波形的传感器。目前绝大多数的DAS系统结构是基于
相位敏感的光时域反射仪(Phase Sensitive Optical Time Domain Reflectometry,φ-OTDR)技术，这些基于瑞利散射光相位的DAS 系统都会受到干涉衰落(Coherent Fading)噪声的影响，会导致DAS无法准确检测应变或者应变
分辨率非常差。此外，基于φ-OTDR的DAS系统存在空间分辨率与传感距离相矛盾的问题，限制了其应用。实用新型内容
[0003] 本实用新型针对
现有技术存在的上述不足，提出一种基于分布式光纤声波传感系统的振动传感系统，通过发射扫频光脉冲串信号对作用在传感光纤上的振动进行检测，从传感光纤返回的瑞利背向散射光与参考光
拍频后，采用非匹配
滤波器处理拍频信号，再采用瑞利图形相关法得到无衰落噪声影响的振动分布信息。
[0004] 本实用新型是通过以下技术方案实现的：
[0005] 本实用新型涉及一种分布式光纤声波传感系统，包括：
射频信号发生器、窄线宽
激光器、扫频光脉冲发生器、环形器、传感光纤、相干接收器、光电转换器和
数字信号处理器，其中：射频信号发生器分别与扫频光脉冲发生器相连传输扫频射频脉冲串信号，与数字
信号处理器相连传输触发信号和时钟
同步信号，窄线宽激光器分别与扫频光脉冲发生器和相干接收器相连传输窄线宽激光，扫频光脉冲发生器通过环形器与传感光纤相连输出扫频光脉冲串，传感光纤通过环形器与相干接收器传输瑞利背向散射光，相干接收器与光电转换器相连传输拍频
光信号，光电转换器与
数字信号处理器相连传输
电信号。
[0006] 所述的射频信号发生器包括：相连的射频信号发生器和射频信号
放大器，其中：射频信号发生器通过射频信号放大器与扫频光脉冲发生器相连输入并放大扫频射频脉冲信号。
[0007] 所述的窄线宽激光器包括：相连的窄线宽光纤激光器和光纤
耦合器，其中：窄线宽光纤激光器通过光纤耦合器与扫频光脉冲发生器和相干接收器相连，分别向扫频光脉冲发生器和相干接收器传输探测光和参考光。
[0008] 所述的扫频光脉冲发生器包括：相连的声光调制或单边带
调制器和掺铒光纤放大器，其中：声光调制或单边带调制器分别与射频信号发生器和窄线宽激光器相连，掺铒光纤放大器通过环形器与传感光纤相连。
[0009] 所述的数字信号处理器包括：相连的
数据采集卡和
数据处理器，其中：数据采集卡与光电转换器相连。
[0010] 本实用新型振动传感系统，通过发射扫频光脉冲串信号对作用在传感光纤上的振动进行检测，从传感光纤返回的瑞利背向散射光与参考光拍频后，采用非
匹配滤波器处理拍频信号，再采用瑞利图形相关法得到无衰落噪声影响的振动分布信息。
[0011] 技术效果
[0012] 与现有技术相比，本实用新型通过发射扫频光脉冲串信号对作用在传感光纤上的振动进行检测，从传感光纤返回的瑞利背向散射光与参考光拍频后，采用非匹配滤波器处理拍频信号，再采用瑞利图形相关法得到无衰落噪声影响的振动分布信息，可以对衰落噪声免疫，具有高可靠性，同时实现高灵敏度、高空间分辨率和长传感距离。
附图说明
[0013] 图1为本实用新型结构示意图；
[0014] 图2为本实用新型扫频光脉冲串信号的时
频谱图；
[0015] 其中：脉冲串重复周期为T，带宽为B，脉冲宽度为τp；
[0016] 图3为本实用新型反射率曲线图；
[0017] 其中：a为无振动区域，多根光强曲线重合，曲线形状相同且重合，b为有振动区域，多根光强曲线段重合，曲线形状相似但有相对位移；
[0018] 图4为本实用新型振动区域附近的应变分布图；
[0019] 图中：射频信号发生器1、射频信号放大器2、窄线宽光纤激光器3、光纤耦合器4、声光调制或单边带调制器5、掺铒光纤放大器6、环形器7、传感光纤8、偏振
控制器9、相干接收器10、光电转换器11、数据采集卡12、数据处理器13、射频信号发生器14、窄线宽激光器15、扫频光脉冲发生器16、数字信号处理器17。
具体实施方式
[0020] 如图1所示，为本
实施例涉及的一种基于分布式光纤声波传感系统的振动传感系统，其中包含：射频信号发生器14、窄线宽激光器15、扫频光脉冲发生器16、环形器7、传感光纤 8、相干接收器10、光电转换器11和数字信号处理器17，其中：射频信号发生器14分别与扫频光脉冲发生器16相连传输扫频射频脉冲串信号，与数字信号处理器相连传输触发信号和时钟同步信号；窄线宽激光器15分别与扫频光脉冲发生器16和相干接收器10相连传输窄线宽激光；扫频光脉冲发生器16通过环形器7与传感光纤8相连输出扫频光脉冲串；传感光纤8 通过环形器7与相干接收器10传输瑞利背向散射光；相干接收器10与光电转换器11相连传输拍频光信号；光电转换器11与数字信号处理器17相连传输电信号。
[0021] 所述的射频信号发生器14包括：相连的射频信号发生器1和射频信号放大器2，其中：射频信号发生器1通过射频信号放大器2与声光调制或单边带调制器5相连输入并放大扫频射频脉冲信号。
[0022] 所述的扫频射频脉冲串信号包括：N个等时间间距T、相同扫频范围、相同带宽B和相同脉冲宽度τp的扫频射频脉冲。
[0023] 所述的窄线宽激光器15包括：相连的窄线宽光纤激光器3和光纤耦合器4，其中：窄线宽光纤激光器3通过光纤耦合器4与声光调制或单边带调制器5和相干接收器10相连，分别向声光调制或单边带调制器5和相干接收器10传输探测光和参考光。
[0024] 所述的窄线宽光纤激光器3的中心
频率为fc，光纤耦合器4的分光比优选为90:10。
[0025] 所述的扫频光脉冲发生器16包括：相连的声光调制或单边带调制器5和掺铒光纤放大器6，其中：声光调制或单边带调制器5分别与射频信号放大器2和光纤耦合器4相连，掺铒光纤放大器6通过环形器7与传感光纤8相连。
[0026] 所述的传感光纤8为普通单模通信光纤。
[0027] 所述的相干接收器10为50:50光纤耦合器。
[0028] 所述的光电转换器11为平衡探测器。
[0029] 所述的数字信号处理器17包括：相连的数据采集卡12和数据处理器13，其中：数据采集卡12与光电转换器11相连。
[0030] 所述的数据采集卡12的
采样率为fs，数据处理器13为FPGA/CPU/GPU。
[0031] 本实施例涉及上述系统的振动传感系统的工作过程，包括以下步骤：
[0032] 步骤1、数据采集卡将扫频光脉冲的电信号数字化为{x(k)；k＝1,...,K}，按发射时间顺序将N个扫频光脉冲产生的电信号分别标记为{x(n,k)；n＝1,...,N；k＝1,...,K}，其中K为电信号的数据量。
[0033] 步骤2、数据处理器的非匹配滤波器为{h(k)；k＝1,...,K'}，对 {x(n,k)；n＝1,...,N；k＝1,...,K}做非匹配滤波，得到传感光纤的光强曲线(反射率曲线)为其中K’为非匹配滤波器的数据量，i
为索引，*表示共轭运算。
[0034] 所述的非匹配滤波器与扫频射频脉冲扫频范围和带宽B相同，扫频速率不同，
脉冲持续时间为τ’p，非匹配度为 经过非匹配滤波后，DAS的空间分辨率为其中c为光在光纤中传播速度，为2×108m/s。
[0035] 步骤3、取第1个和第n个光强曲线上位置相同的曲线段和 做比较；当该曲线段对应的光纤没有应变发生，则两个曲
线段相同且重合；当发生应变，两个曲线段有一个平移ΔK，利用互相关
算法得到平移量ΔK，应变值为 改变n和kk重复上述步骤，获得整根光纤上的应变分布
随时间变化情况。
[0036] 在具体实际实验中，传感光纤全长约10km，振动源放置在约9.9km处，振动信号频率为1kHz，振动幅度峰峰值约为200nε；扫平光脉冲串的发射频率为100μs，则系统对振动最高响应频率高达5kHz；扫频光脉冲的持续时间为4μs，带宽为1GHz，经过上述步骤2，在非匹配滤波器的非匹配度设为0.006时，系统的空间分辨率从400m提升到2m；经过上述步骤3，系统可以得到传感光纤上各个位置处的振动情况，且无衰落噪声，如图4所示。与现有技术相比，本系统的性能指标提升在于：可以实现高空间分辨率，同时保持长的传感距离和高的振动频率响应，而且系统对衰落噪声免疫。
[0037] 上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本实用新型原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本实用新型的保护范围以
权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本实用新型之约束。
