[发明专利]一种分布式光纤振动传感系统和解调方法

权利要求书

1.一种分布式光纤振动传感系统，其特征在于，所述分布式光纤振动传感系统包括直接探测型Φ-OTDR模块、干涉模块和信号采集模块；

所述直接探测型Φ-OTDR模块包括激光器、第一耦合器、半导体光放大器调制模块、掺铒光纤放大器、第一环形器、传感光纤、光学滤波器、第一光电探测器、低通滤波器和第一低噪声放大器；所述干涉模块包括第二耦合器、声光调制器、第二环形器、传感光纤、法拉第旋镜、第三耦合器、第二光电探测器、带通滤波器和第二低噪声放大器；所述信号采集模块包括时钟发生器和数据采集卡；时钟发生器，用于产生同步时钟信号输出至声光调制器的驱动和数据采集卡；

所述激光器用于输出连续的窄线宽激光至第一耦合器，第一耦合器将激光器输入的窄线宽激光分成两路：第一路为Φ-OTDR系统部分信号光输入至半导体光放大器调制模块，第二路为干涉系统部分信号光输入至第二耦合器；

所述半导体光放大器调制模块将第一耦合器输出的连续信号光调制成脉冲光输出至掺铒光纤放大器，使脉冲光经掺铒光纤放大器放大后输出至第一环形器的第1端口；由第一环形器的第1端口输入的探测光从第一环形器的第2端口输出至传感光纤，以产生背向散射光；背向散射光从第一环形器的第3端口输出至第一光电探测器，由第一光电探测器转换成电信号，电信号输出至低通滤波器进行低通滤波后再输出至第一低噪声放大器进行放大后输出至数据采集卡的A端口；

所述第二耦合器将第一耦合器输出的第二路窄线宽激光再分成两路：第一路作为探测光输入至声光调制器，第二路作为本振光输入至第三耦合器；所述声光调制器将第二耦合器输入的探测光进行高电平调制，输出连续探测光至第二环形器的第1端口，再从第二环形器的第2端口输出至传感光纤，经法拉第旋镜反射后从第二光纤环形器的第3端口输出至第三耦合器；所述第三耦合器将第二环形器的第3端口输入的反射光与第二耦合器输入的本振光耦合输出至第二光电探测器，由第二光电探测器转换成电信号，电信号输出至带通滤波器进行带通滤波后输出至第二低噪声放大器进行放大后输出至数据采集卡的B端口；

所述数据采集卡用于以时钟发生器输入的同步时钟信号作为触发采集信号，对并对第一低噪声放大器和第二低噪声放大器输入的电信号进行模数转换，输出两路数字信号至电脑端，利用电脑端内嵌的解调算法处理；其中，数据采集卡的A端口对应A路数据，数据采集卡的B端口对应B路数据；

所述解调算法将B路数据进行相位解调，并计算短时能量谱，将其与数据库中的频谱作比较，如果频谱特征匹配则证明该处发生的振动是该系统想要监测的，进而通过对A路数据作短时方差计算来对振动事件定位，若不匹配则继续对其他的数据片进行短时能量谱计算，直至发现想要监测的振动事件后再定位或不存在振动事件。

2.根据权利要求1所述的分布式光纤振动传感系统，其特征在于，所述激光器采用窄线宽激光器。

3.根据权利要求1所述的分布式光纤振动传感系统，其特征在于，所述第一耦合器为1×2的90：10或80：20的耦合器，所述第二耦合器为1×2的50：50的耦合器。

4.根据权利要求1所述的分布式光纤振动传感系统，其特征在于，所述第一光电探测器为雪崩光电二级管，第二光电探测器为平衡光电探测器。

5.根据权利要求1所述的分布式光纤振动传感系统，其特征在于，所述传感光纤为多芯光纤，一路传感光纤的尾端不加器件，另一路传感光纤的尾端放置法拉第旋镜。

6.根据权利要求1所述的分布式光纤振动传感系统，其特征在于，所述将B路数据进行相位解调，并计算短时能量谱的过程包括以下步骤：

对B路数据进行相位解调，其中，干涉部分的信号光为连续的正弦光，且数据采集卡的触发采集信号频率和声光调制器调制信号频率为4：1，相邻采样点间的相位差为π/2；

将B路数据按照奇偶数采样点分为I和Q两路，两者正切后再反正切得到相位，解缠绕后的数据被均匀切割成时间长度为T的数据片；

对数据片进行短时的能量谱计算。

7.一种基于权利要求1-6所述分布式光纤振动传感系统的解调方法，其特征在于，所述解调方法包括以下步骤：

S1，采用激光器产生连续光，该光经第一耦合器分成两路：一路作为直接探测型Φ-OTDR部分的信号光，输入至SOA调制模块，另一路作为干涉部分的信号光，输入至第二耦合器；

S2，输入到直接探测型Φ-OTDR部分的信号光经SOA调制模块后，通过EDFA将其放大，放大后的探测脉冲光由第一环形器的第1端口输入，并由第一环形器的第2端口输出至传感光纤中，传感光纤中产生的背向瑞利散射信号返回到第一环形器的第2端口，并由第一环形器的第3端口输出，第一环形器的第3端口输出的背向瑞利散射光输入至光学滤波器，通过光学滤波器后的光输入到第一光电探测器中，经第一光电探测器转化为电信号；

输入到干涉系统部分的信号光经第二耦合器分为两路，一路作为干涉部分的探测光，另一路作为干涉部分的参考光；探测光路经声光调制器调制为连续的正弦探测光，由第二环形器的第1端口注入，第二环形器的第2端口输出探测光至传感光纤，接在传感光纤的尾端的法拉第旋镜对注入传感光纤的探测光进行反射，并将反射光注入第二环形器的第2端口，第二环形器的第3端口输出反射光至第三耦合器，与参考光路在此处耦合后，耦合光输出至第二光电探测器；

S3，将第一光电探测器输出的电信号依次输入到低通滤波器、第一低噪声放大器进行低通滤波和放大，最后输入到数据采集采集卡的A端口；

将第二光电探测器输出的电信号依次输入到带通滤波器、第二低噪声放大器中进行带通滤波和放大，最后输入到数据采集卡的B端口；

S4，时钟发生器产生同步时钟信号作为数据采集卡的触发采集信号和声光调制器的调制信号；

S5，数据采集卡采集A端口和B端口的数据，进行模数转换，输出两路数字信号至电脑端；其中，数据采集卡的A端口对应A路数据，数据采集卡的B端口对应B路数据；

S6，将B路数据进行相位解调，并计算短时能量谱，将其与数据库中的频谱作比较，如果频谱特征匹配则证明该处发生的振动是该系统想要监测的，进而通过对A路数据作短时方差计算来对振动事件定位，若不匹配则继续对其他的数据片进行短时能量谱计算，直至发现想要监测的振动事件后再定位或不存在振动事件。