一种超远距震动检测方法及系统与流程

1.本发明涉及震动检测技术领域，具体涉及一种利用窄线宽激光脉冲实现超远距离震动检测的方法及系统。


背景技术：

2.为实现震动检测，现有技术中的经典方案是在每个监测点通过测量加速度进行震动检测，相应传感器获得震动信号的加速度数据，并且与之前加速度数据进行比对，通过加速度的变化量检测是否发生地震。但是，在这种检测方案下，如果需要在大范围内进行高精度的震动检测，例如检测地震源，需要铺设大数量的测量点，且测量点分布比较密集，从而导致非常高的成本。
3.光纤传感器本身具有抗电磁干扰、耐恶劣环境、功耗小、灵敏度高、布设灵活、易于联网等突出优点，通过光纤传感的方式来进行检测震动是目前比较先进的检测方式。光纤传感方式利用光波作为信号的载体，基于光调制效应，在外界环境因素发生震动等变化时，光波的物理参量(如强度、波长、频率、相位等)对应进行调整，然后利用光纤作为光波的传输媒介，利用光电探测器接受光波信号，确定光波相位和光强的变化，从而得到外界的震动变化情况。
4.光纤传感应用在震动检测中，能够得到较为准确的检测结果，且光纤传感利用城市范围内光纤资源比较丰富、在城际等陆地范围有现有光纤来检测震动。但是，目前使用的光纤传感震动检测技术，最大仅支持100km的监测范围，双端监测也仅能达到200km，无法满足超过200km以上的超远距离震动检测。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的上述问题，本发明公开了一种能够在超远距离上实现震动检测的方法及系统，其将窄线宽探测光脉冲、背向瑞利散射光和拍频信号测量有机结合，允许在不改变任何已有光纤链路(例如海底光缆)架构的基础上，借助光纤链路实现超远距离震动的检测，由此解决现有震动检测方案中测量位置精度和测量距离受限、以及一定范围内需要测量点过多和成本高等问题。
6.本发明的第一方面涉及一种超远距震动检测系统，其包括检测端和光纤链路，且所述检测端被设置成：
7.向所述光纤链路发送探测光脉冲，其具有窄线宽且重复周期为t；
8.从所述光纤链路处接收基于所述探测光脉冲形成的背向瑞利散射光；
9.使所述背向瑞利散射光与本振光发生外差干涉，形成拍频信号；以及.
10.根据所述拍频信号计算获得所述光纤链路上的震动数据。
11.进一步地，所述检测端包括窄线宽光源、本振光源、外差干涉模块和探测模块；
12.所述窄线宽光源用于生成所述探测光脉冲；
13.所述本振光源用于生成所述本振光；
14.所述外差干涉模块用于使所述背向瑞利散射光与本振光发生外差干涉，生成所述拍频信号；
15.所述探测模块用于对所述拍频信号进行傅里叶分析以确定所述背向瑞利散射光和本振光之间的相对相位信息，并根据所述相对相位信息获知震动强度。
16.进一步地，所述窄线宽光源包括窄线宽激光器和脉冲调制器；
17.所述窄线宽激光器用于生成连续光信号；
18.所述脉冲调制器用于将所述连续光信号调制成所述探测光脉冲。
19.优选地，所述窄线宽激光器是基于pdh技术实现的；以及/或者，所述探测光脉冲具有1e-15
量级的频率稳定度；以及/或者，所述重复周期t＞2l/c，l为所述光纤链路的长度，c为光速。
20.进一步地，所述本振光源包括所述窄线宽激光器和移频单元；
21.所述移频单元用于对窄线宽激光器输出的连续光信号进行移频，生成所述本振光。
22.进一步地，所述光纤链路具有对向传输的两路光纤，以及设在光纤上用于对所述背向瑞利散射光进行放大的edfa，且所述外差干涉模块包括用于允许所述背向瑞利散射光与本振光发生外差干涉的分束器；或者，
23.所述光纤链路为设有双向edfa的单光纤链路，且所述外差干涉模块包括环形器和分束器，所述环形器被设置成允许所述探测光脉冲进入光纤链路以及背向瑞利散射光从光纤链路进入分束器，所述分束器用于允许所述背向瑞利散射光与本振光发生外差干涉。
24.进一步地，所述探测模块包括光电探测器、adc和控制单元；
25.所述光电探测器用于将所述拍频信号转换为电信号；
26.所述adc用于将所述电信号转换成数字信号；
27.所述控制单元用于对所述数字信号进行傅里叶分析，得到所述相对相位信息。
28.更进一步地，所述探测模块还被设置成根据所述拍频信号的时间计算得到震动位置。
29.本发明的第二方面涉及一种超远距震动检测方法，其包括以下步骤：
30.向光纤链路发送探测光脉冲，其具有窄线宽且重复周期为t；
31.从所述光纤链路处接收基于所述探测光脉冲形成的背向瑞利散射光；
32.使所述背向瑞利散射光与本振光发生外差干涉，形成拍频信号；以及.
33.根据所述拍频信号计算获得所述光纤链路上的震动数据。
34.优选地，可以借助pdh技术实现所述探测光脉冲的窄线宽；以及/或者，所述探测光脉冲具有1e-15
量级的频率稳定度；以及/或者，所述重复周期t＞2l/c，l为所述光纤链路的长度，c为光速。
35.进一步地，本发明的超远距震动检测方法还可以包括在所述光纤链路上对所述背向瑞利散射光进行放大的步骤。
36.进一步地，可以通过对所述拍频信号进行傅里叶分析得到所述背向瑞利散射光和本振光之间的相对相位信息，并根据所述相对相位信息获知震动强度；以及/或者，根据所述拍频信号的时间计算得到震动位置。
附图说明
37.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
38.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图来获得其他的附图。
39.图1示出了根据本发明的超远距震动检测系统的一种实施方式；
40.图2示出了根据本发明的超远距震动检测系统的另一实施方式。
具体实施方式
41.在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。
42.为了能够在超远距离上实现震动检测，本发明提出了一种可以在已有光纤链路的基础上，借助窄线宽的周期性脉冲实现的震动检测系统，其包括检测端和光纤链路。
43.根据本发明，检测端可以向光纤链路发送探测光脉冲，其例如为窄线宽、重复周期为t的周期性信号。
44.在光纤链路中，光纤由于震动等原因会出现微观折射率不均匀以及长度变化等现象，进而导致其中传输的探测光脉冲的相位发生扰动。同时，探测光脉冲在光纤链路传输过程中会产生背向瑞利散射光，这种背向瑞利散射光将会沿光纤各点反射返回至检测端。
45.由于瑞利散射是一种弹性散射，背向瑞利散射光在频率上将与探测光脉冲一致。当探测光脉冲为超窄线宽且稳定的光信号时，光纤链路中基于这种探测光脉冲产生的背向瑞利散射光在时域上可以视为窄脉冲经光纤链路传输以及光纤链路受到震动扰动后调制产生的延时副本。光纤链路受到扰动后，背向瑞利散射光的相位会发生相应改变，这种相位改变等价于(或引起)相应的频率变化。因此，在本发明的检测端中，还提供稳定的本振光与这种背向瑞利散射光发生外差干涉以生成拍频信号。通过利用探测器对拍频信号进行检测，并借助傅里叶分析分离出不同的拍频信号，对各个拍频信号进行解调则可以得到不同光纤位置上产生的背向瑞利散射光与本振光之间的相对相位信息。基于这种相对相位信息，则可以进一步分析得到光纤链路上各点的震动数据，例如震动强度和震动位置。
46.图1示出了根据本发明的超远距震动检测系统的一种实施方式。
47.如图1所示，检测端可以包括窄线宽光源、本振光源、外差干涉模块和探测模块。
48.为保证具有超远距离的光纤链路中产生的背向瑞利散射光与检测端的本振光之间的外差干涉效果，本发明将采用窄线宽且波长稳定性强的探测光脉冲，其相干长度远大于光纤链路的距离。
49.作为示例，本发明可以采用基于pdh技术实现的激光器来实现这种窄线宽光源。本领域技术人员知晓，借助pdh反馈技术可以将激光器频率稳定地锁定在超稳腔的频率谱线上，由此实现超窄线宽和高频率稳定的激光输出，从而允许更精确地实现超远距离的震动检测。
50.优选地，根据本发明的窄线宽光源可以具有1e-15
量级的频率稳定度。
51.在本发明中，探测光信号为脉冲形式，因此，当窄线宽激光器输出连续光信号a时，窄线宽光源还可以包括有脉冲调制器，用于对连续光信号a进行调制，产生具有重复周期t的探测光脉冲。
52.优选地，重复周期t可以设置成大于2l/c，l为光纤链路的总长度，c为光速。
53.本振光源用于生成本振光。在图1的示例中，本振光源可以与窄线宽光源共同窄线宽激光器，通过aom调制器对窄线宽激光器输出的另一路连续光信号b进行移频来生成本振光。
54.外差干涉模块用于使进入检测端的背向瑞利散射光与本振光发生外差干涉，生成拍频信号。
55.在图1的示例中，外差干涉模块可以包括分束器，其被设置成允许进入检测端的背向瑞利散射光与检测端内部的本振光发生外差干涉，生成拍频信号。
56.假设光纤链路上布满了独立的背向瑞利散射光回波反射点，背向瑞利散射光的相位为其发生位置z和外加应力ε(其例如由震动引起)的函数。
57.假设检测端位置为za，光纤链路上位置z处产生的背向瑞利散射光的相位可以通过以下公式来表示：
[0058][0059]
其中，φ为背向瑞利散射光的相位，β为真空中的波矢量，n为光纤反射指数，c
ε
为常数。
[0060]
由此可以确定，在与检测端距离l的位置上，其应变前后的相位差与应力的关系可以通过以下公式来表示：
[0061][0062]
由此可见，应变(震动波形)与相对相位差成线性关系。在未产生震动的光纤位置上，其产生的背向瑞利散射光上的相对相位差保持为0。因此，可以通过检测背向瑞利散射光上的这种相对相位变化来确定震动的发生及震动强度。
[0063]
探测模块则用于对拍频信号进行傅里叶分析，得到背向瑞利散射光和本振光之间的相对相位信息，并根据相对相位信息获知震动强度。
[0064]
在图1的示例中，探测模块包括光电探测器(pd)、模数转换器(adc)和控制单元(未示出)。
[0065]
光电探测器用于对拍频信号进行探测，生成探测电信号。
[0066]
模数转换器用于将探测电信号转换成探测数字信号。
[0067]
控制单元则用于利用探测数字信号，实现对拍频信号的傅里叶分析，以比对各时间段内，光纤链路中各点背向瑞利散射光与本振光的相对相位信息变化量，并据此推算出震动强度。
[0068]
例如，以相邻两个探测光脉冲之间的时间作为一个时间段(即以第一个探测光脉冲的发送时间为时间起点，以第二个探测光脉冲的发送时间为时间终点)，在该时间段中对不同时间点产生的拍频信号进行解调，以获得该时间段内各时间点上的相对相位信息
(i＝1、2......n)。以此类推，可以获得各时间段内的相对相位信息。
[0069]
另外，通过分析检测到拍频信号的时间，可以推算出相应的背向瑞利散射光的产生时间，进而得到产生该背向瑞利散射光的光纤点位置，即震动位置。
[0070]
在图1的示例中，光纤链路可以采用双纤链路，其具有对向传输的两路光纤。
[0071]
由于光信号在光纤传输过程中会产生损耗，且背向瑞利散射光的强度相对较弱，因此，本发明还可以分别在两路光纤上设置中继点，用于对背向瑞利散射光进行放大，提高背向瑞利散射光与本振光干涉形成的拍频信号强度，以允许其能够被经典光探测器高效探测到。
[0072]
典型地，多个中继点可以按照预设距离(通常为60-80km)间隔设置在光纤链路中。作为示例，中继点可以借助edfa(掺铒光纤放大器)来实现。
[0073]
由于目前海底光缆通常采用双纤链路架构，因此，借助本发明的震动检测方案，可以不改变目前海底光缆架构，只需设置相应的检测端即可实现远距离的震动检测。
[0074]
图2示出了根据本发明的超远距震动检测系统的另一实施方式。
[0075]
如图2所示，其与图1所示实施方式的不同之处在于其光纤链路采用单光纤链路，且相应地在检测端的外差干涉模块中增设了环形器，用于允许由窄线宽光源生成的探测光脉冲进入光纤链路，以及背向瑞利散射光从光纤链路进入分束器。
[0076]
此外，在该实施方式中，中继点则可以借助双向edfa来实现，用于对探测光脉冲和背向瑞利散射光进行双向放大。
[0077]
综上可知，本发明将窄线宽探测光脉冲、背向瑞利散射光和拍频信号测量有机结合，允许在不改变任何已有光纤链路(例如海底光缆)架构的基础上，借助光纤链路实现超远距离震动的检测，由此解决现有震动检测方案中测量位置精度和测量距离受限、以及一定范围内需要测量点过多和成本高等问题。
[0078]
同时，本发明还公开了一种利用窄线宽激光脉冲实现超远距震动检测的方法。
[0079]
在该检测方法中，由检测端向光纤链路发送重复周期为t的探测光脉冲，且该探测光脉冲具有窄的线宽。
[0080]
探测光脉冲在光纤链路传输过程中，会产生背向瑞利散射光。
[0081]
通过在检测端处接收在光纤链路中基于探测光脉冲形成的背向瑞利散射光，使背向瑞利散射光与本振光发生外差干涉，形成拍频信号。
[0082]
如前所述，拍频信号上承载有与光纤链路上震动有关的相对相位信息(相对相位扰动)，因此，可以根据拍频信号计算获得光纤链路上的震动数据。
[0083]
具体而言，可以通过对拍频信号进行傅里叶分析得到背向瑞利散射光和本振光之间的相对相位信息，并根据这种相对相位信息获知震动强度。进一步地，还可以根据拍频信号的时间计算得到震动发生的位置。
[0084]
在本发明的方法中，可以借助pdh技术实现窄线宽的探测光脉冲，以及1e-15
量级的频率稳定度。并且，可以将探测光脉冲的重复周期设置成t＞2l/c，l为所述光纤链路的长度，c为光速。
[0085]
为确保获得较强的拍频信号，本发明的检测方法还可以包括在光纤链路上对背向瑞利散射光进行放大的步骤。
[0086]
另外，本领域技术人员能够理解，该检测方法优选可以借助上述检测系统来实现。
[0087]
尽管前面结合附图通过具体实施例对本发明进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本发明的原理，其并不会对本发明的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本发明的精神和范围。