一种分布式光纤扰动检测装置的制作方法

本发明属于光纤传感及传感网络技术领域，特别涉及了一种分布式光纤扰动检测装置。

背景技术：

自1966年高馄博士提出使用光纤传导光信号的预言以来，人类对光纤材料和传输信号的研究飞速发展。在二十世纪的年代末，随着光导纤维的实用化和光通信技术的发展，人们开始着眼于将光纤应用于传感领域，形成了一个新的研究方向——光纤传感器技术。光在光纤中传输时，其强度、相位、频率、偏振态等参量容易受到外部环境的影响，如温度、应力、电场、磁场等。通过测量这些光参量的变化获得相应物理量的变化的技术即为光纤传感技术。光纤传感器相对于传统的电量传感器具有灵敏度高、适应性强、抗电磁干扰、传输距离长、使用寿命长、结构小巧等优点。作为光纤传感器的一种类型，分布式光纤传感技术可以实时连续感知和定位光纤沿测的物理量，且具有灵敏度高、空间动态范围大和定位精度高等特点，越来越受到研究人员的重视，并取得了很多技术上的突破。

近十年来，研究人员一直尝试将分布式光纤振动传感系统应用到周界安防、管道防护及线缆安全监测领域。然而，由于系统实际应用环境复杂，传感光缆暴露在外部环境中，易受大风、大雨等恶劣环境的影响，产生不必要的振动，使得分布式光纤振动传感系统感知的扰动事件信号多变且不稳定，从而使系统产生大量的误报。为了减少误报，研究人员通常会选择通过复杂的扰动判别算法来降低系统的灵敏度。但是，灵敏度的降低反过来又可能将真实的扰动漏报。同时，复杂的扰动判别算法也会降低系统的实时性。因此，如何同时减少分布式光纤传感系统中的误报和漏报问题成为该技术从实验室到大规模工程应用的主要研究课题之一。

技术实现要素：

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明提出了一种分布式光纤扰动检测装置，在保证拥有较高探测灵敏度的同时，减少误报和漏报。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种分布式光纤扰动检测装置，包括dfb激光器、信号检测模块、第一偏振器、第二偏振器、第一耦合器、第二耦合器、第一三端口环形器、第二三端口环形器、第一传感光纤、第二传感光纤以及第一～第四延时光纤；dfb激光器的输出端连接第一偏振器的输入端，第一偏振器的输出端连接第一耦合器的输入端，第一耦合器的第一输出端经第一延时光纤与第一三端口环形器的1端口相连，第一三端口环形器的2端口连接第一传感光纤，第一三端口环形器的3端口经第三延时光纤与第二耦合器的第一输入端相连，第一耦合器的第二输出端经第二延时光纤与第二三端口环形器的1端口相连，第一三端口环形器的2端口连接第二传感光纤，第一三端口环形器的3端口经第四延时光纤与第二耦合器的第二输入端相连，第二耦合器的第一输出端连接信号检测模块的输入端，第二耦合器的第二输出端连接第二偏振器的输入端，第二偏振器的输出端连接信号检测模块的输入端。

基于上述技术方案的优选方案，还包括设置在dfb激光器的输出端与第一偏振器的输入端之间的偏振控制器，该偏振控制器用于调节输入光的偏振态，使从第一偏振器输出的光功率达到最大。

基于上述技术方案的优选方案，所述偏振控制器为光纤环形偏振控制器。

基于上述技术方案的优选方案，第一延时光纤的长度与第三延时光纤的长度相等，其长度为l1；第二延时光纤的长度与第四延时光纤的长度相等，其长度为l2；且l1≠l2。

基于上述技术方案的优选方案，通过增大δl＝|l1-l2|来提高装置的灵敏度。

基于上述技术方案的优选方案，第一传感光纤与第二传感光纤为同一光缆中的两根单模双芯光纤。

基于上述技术方案的优选方案，4条延时光纤与3条传感光纤的折射率差值越小越好。

基于上述技术方案的优选方案，第一耦合器和第二耦合器为3db耦合器。

采用上述技术方案带来的有益效果：

(1)本发明通过一个光源实现对携带有外界扰动信息的探测光的相位信息和偏振态信息同时检测，相对于传统的仅利用探测光的相位信息或偏振信息进行扰动检测的方案，本发明方案极大地降低了系统的误报率；

(2)本发明可以通过仅改变延时光纤的长度来实现对系统灵敏度的灵活调节，以降低误报率和漏报率，相对于传统的通过复杂的扰动定位算法来调节系统灵敏度的方案，本发明的实时性得到明显提升；

(3)相对于传统的基于一束光的脉冲宽度内的背向散射光相互干涉的方案，或者两束光同时到达扰动点再同时进入干涉仪的干涉方案，本发明方案提出的基于四延时光纤的干涉结构，通过让两路探测光在不同的时刻到达相同位置的扰动点，最后又在相同的时刻到达干涉仪，可以实现更高的探测灵敏度，极大地降低了系统的漏报率。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明的信号流向示意图；

图3是本发明中信号检测模块的流程图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明提供了一种低误报和高灵敏度的分布式光纤扰动检测装置，包括：1个dfb激光器，1个偏振控制器，2个偏振器，2个耦合器，4条延时光纤，2个三端口环行器以及2条传感光纤。其中，dfb激光器的输出端连接偏振控制器的输入端，偏振控制器的输出端连接偏振器1的输入端，偏振器1的输出端连接耦合器1的输入端，耦合器1的第一输出端连接延时光纤1的输入端，延时光纤1的输出端连接三端口环行器1的1端口，三端口环行器1的2端口连接传感光纤1的输入端，三端口环行器1的3端口连接延时光纤3的输入端，延时光纤3的输出端连接耦合器2的第一输入端，耦合器2的第一输出端连接信号检测模块的第一输入端，耦合器1的第二输出端连接延时光纤2的输入端，延时光纤2的输出端连接三端口环行器2的1端口，三端口环行器2的2端口连接传感光纤2的输入端，三端口环行器2的3端口连接延时光纤4的输入端，延时光纤4的输出端连接耦合器2的第二输入端，耦合器2的第二输出端连接偏振器2的输入端，偏振器2的输入端连接信号检测模块的第二输入端。

本实施例采用的优选技术方案如下：

第一延时光纤的长度与第三延时光纤的长度相等，其长度为l1；第二延时光纤的长度与第四延时光纤的长度相等，其长度为l2；且l1≠l2。通过增大δl＝|l1-l2|来提高装置的灵敏度。传感光纤1与传感光纤2为同一光缆中的两根单模双芯光纤。4条延时光纤与3条传感光纤的折射率差值越小越好。

在本实施例中，dfb激光器发出的周期性脉冲信号偏振控制器和偏振器后变为具有特定偏振态的光脉冲。光脉冲经过耦合器1后被分为功率相等的两部分，然后分别经过两段长度不等的延时光纤1和2后，先后通过2个三端口环行器相继进入2条传感光纤。随后，它们的背向散射光再次经过两段长度不等的延时光3和4后，在几乎相同的时刻进入耦合器2发生干涉。该过程如图2所示。

由于光纤中的背向瑞利散射信号和散射点处前向传输光的相位相同，因此背向瑞利散射光带有散射点处前向传输光的相位信息，它们经过耦合器2后的其中一束直接进入信号检测模块。由于光的干涉效应，这束背向瑞利散射光的光功率大小会直接受到光波相位的调制，从而变为有规律的波动，这就是本系统中携带有外界扰动特征的相位信号。此外，光纤中的背向瑞利散射信号和散射点处前向传输光的偏振态相同，因此背向瑞利散射光带有散射点处前向传输光的偏振信息，它们经过耦合器2后的另外一束再进入偏振器2检偏后进入信号检测模块。由于偏振器2的检偏作用，这束背向瑞利散射光的光功率大小会直接受到光波偏振态的调制，从而变为有规律的波动，这就是本系统中的携带有外界扰动特征的偏振信号。

为了保证耦合器1输出的两束光在先后不同的时刻进入两条传感光纤，以及两条传感光纤中的背向散射光在几乎相同的时刻进入耦合器2。所以，延时光纤1的长度等于延时光纤3的长度，延时光纤2的长度等于延时光纤4的长度，延时光纤2和延时光纤3的长度远小于延时光纤1和延时光纤4的长度，以保证光的干涉条件和增大系统灵敏度。

信号检测模块在采集并累积一定数量的两种信号后，以基于标准差的特征提取方法对振动信号进行特征提取和振动判定。最终，如果两种信号均被判定存在振动，则整个系统判定存在真实振动。如图3所示，信号检测模块内部的算法流程如下：

1、信号采集：信号检测模块不断采集接收到的背向散射信号。

2、数据存储与重构：将δt*m作为一次信号处理的时间长度，然后将连续采集得到的m*n个数据重构为m*n的矩阵l。其中，δt为dfb激光器发送的光脉冲的周期，m为一次特征提取所需的背向散射迹线的数量，n为一条背向散射迹线所包含的数据的个数。在本实施例中，m取50，n取65536。

3、计算特征向量h：

令x＝l(1:m,j)

则x的均值为特征参数(标准差)为

4、计算h的归一化向量h1：h1(j)＝(h(j)–min(h))/(max(h)–min(h))，min(h)和max(h)分别为h中的最小元素和最大元素。

5、阈值查找：在1≤j≤n范围内，将向量h1(j)中的每个值与预设参数进行比较，将符合条件threshold1≤h1(j)≤threshold2的值的下标存入向量index中，并定义index中的第一个元素下标为start，最后一个元素下标为end。本发明优选实施例中，threshold1取0.7，threshold2取0.75。

6、振动判定：如果start–end≤2*τ*fs，则判定存在振动，进行步骤7，否则，判断不存在振动，返回步骤1；其中，τ为光脉冲的宽度，fs为数据采集卡的采样频率。在本实施例中，τ取1us，fs取250mhz。

7、定位结果计算：如果存在振动，计算定位结果：location＝index(start)；最终，如果两种信号均被判定存在振动，则整个系统判定存在真实振动。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。