[发明专利]一种分布式光纤振动传感系统和解调方法

说明书

本发明公开了一种分布式光纤振动传感系统和解调方法，系统包括：直接探测型Φ‑OTDR部分、干涉部分和信号采集部分；直接探测型Φ‑OTDR部分对振动事件进行定位，干涉部分提升系统的频率响应，两者结合使系统具备振动事件定位以及宽频谱信号的测量能力。解调算法提高了振动事件的空间定位精度，并高保真地还原振动信号的频谱特性，使得对振动事件的识别准确率更高。本发明将直接探测型Φ‑OTDR结构和干涉结构融合，在保证传感系统高空间分辨率的基础上，进一步提高其频率响应范围，使其更适合实际应用。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体而言涉及一种基于融合Φ-OTDR技术和干涉技术的分布式光纤振动传感系统和解调方法。

背景技术

相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)是光时域反射传感器家族中的后起之秀，其利用光纤中背向瑞利散射光的相干衰落效应，可以探知并定位待测光纤上外加的扰动事件。作为一种全分布式光纤传感技术，Φ-OTDR不仅拥有全分布式光纤传感器共有的探测距离长、成本低廉、连续测量无盲区等优点，与其它分布式光纤传感器相比，它还有着灵敏度高，响应速度快等自身的特点，可以对光纤检测区域的故障和隐患进行精准快速的定位和识别，在周界安防、地震波探测、电力传输线监测、水下缆线监测以及大型基础工程设施如桥梁、隧道、大坝、油气管道等的安全健康监测和故障预警中具有广阔的应用前景。

Φ-OTDR虽具备高的空间分辨率，但其频率响应与测量距离相互制约，当系统覆盖一定长的测量距离时，其频率响应变低，这导致部分振动事件的频谱特征不能被很好的还原。例如在管道泄露破裂、设备放电以及地震、桥梁舞动等故障场合，其产生的振动信号频率的范围很宽，高频段可达数十kHz，低频段会低至Hz到亚Hz，这就要求传感系统的频率响应足够高。同时，利用奈奎斯特采样定律进行信号采样时，观测频带窄会导致信号发生折叠，提高了系统的误判率，因此传感系统具备高的频率响应尤为重要。此外，在实际的Φ-OTDR系统中，由于声光调制器驱动中的调制信号、载波信号以及数据采集卡的触发采集信号的相位差异，导致采集到的背向瑞利散射信号发生相位漂移，进而影响整个系统的信噪比。因此，对这三种信号进行相位锁定，也是提升系统监测性能的一种重要手段。

干涉技术(相位调制型)的测量原理是将在干涉仪的传感臂上施加一待测信号，由于弹光效应引起传感臂中的探测信号发生相位改变，通过与参考臂中的参考信号干涉，解调干涉后的信号便可监测出待测信号的变化。干涉技术的频率响应由探测器带宽和数据采集卡的采样频率决定，因此在两者足够大的情况下，其频率响应理论上可以达到很高。虽然干涉技术具备很高的频率响应，能够还原振动信号的频谱特性，但其空间分辨率很低，难以实现振动事件的准确定位。本发明期望通过融合Φ-OTDR技术和干涉技术，并结合锁相技术来实现高空间分辨率、高频率响应、高信噪比的测量。