基于双向光放大的超长距离分布式光传感装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光纤传感领域，具体涉及针对区域周界振动信号的在线实时监测、定位方法及监测装置，其为基于双向光放大的超长距离分布式光传感方法及装置。
【背景技术】
[0002]全分布式光纤振动传感属于功能型光纤传感器，利用光纤的传感和传导特性，沿铺设光纤链路进行实时连续的振动监测，具有超长距离，高灵敏度，无盲区，抗干扰，耐腐蚀等优点，特别适合于周界安防，管道泄露监测等场合。
[0003]现有的长距离分布式光纤振动传感器中，较为成熟的包括采用基于后向散射光探测的分布式振动传感器，利用后向瑞利散射光间的干涉来得到包含振动信息的相位信号，通过接收到振动变化的时间来进行振动源定位，因此该系统需要线宽非常窄的光源。缺点在于包含了振动信息的后向散射光强较弱，限制了最大传感距离。如专利CN101893475中所发明基于光纤延时线的分布式光纤振动传感系统。同时也有为解决信噪比和传感距离问题而加入单向中继放大技术的分布式振动传感系统，如专利CN101839760中所发明基于中继放大传感技术的分布式光纤振动传感器。但基于后向散射的传感原理依然从原理上限制了信号光强度，同时单向的光放大对后向散射光的放大效果并不如前向光明显，难以大幅提高信号信噪比，容易受到外界干扰而造成传感精度下降甚至定位失败，需要进行重复性的探测和数据处理以得到准确信息，实时性能较差。
[0004]因此在分布式光纤振动传感系统中，如何在保证实时性能的同时，增大系统的传感距离，提高信号的信噪比，增加系统的传感精度是在实际生活中普及其应用的重要研宄方向。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是:提供一种基于双向光放大的超长距离分布式光传感装置及方法，本发明传感距离长，精度较高，定位效果好。
[0006]本发明解决技术问题采用以下技术方案:
[0007]一种基于双向光放大的超长距离分布式光传感装置，包括依次相连的控制与处理装置、宽带激光器、第一光纤耦合器、并联的第一光纤臂和第二光纤臂、第二光纤耦合器、传感链路和法拉第旋光镜，控制与处理装置与第一光纤耦合器之间还接有光电检测装置。
[0008]所述的装置，第一光纤臂上设有延时线圈。
[0009]所述的装置，传感链路包括单模光纤，单模光纤串接有多个双向光放大器。
[0010]所述的装置，双向光放大器包括串接在单模光纤上的第三光纤耦合器和掺铒光纤，第三光纤耦合器还接有泵浦激光器。
[0011]所述的装置，控制与处理装置包括处理器，宽带激光器包括宽带光源，宽带光源与第一光纤耦合器相连，宽带光源还接有压控恒流源电路，压控恒流源电路依次通过电流采样电路、模数转换器与处理器相连，处理器与压控恒流源电路之间还接有第一数模转换器，处理器与宽带光源之间还接有热电冷却驱动电路。
[0012]所述的装置，光电检测装置依次通过跨阻抗放大器、可编程仪表放大器与模数转换器相连，可编程仪表放大器与处理器之间还接有第二数模转换器。
[0013]所述的装置，光电检测装置包括第一光电探测器和第二光电探测器，它们均与第一光纤親合器相连。
[0014]一种基于双向光放大的超长距离分布式光传感方法，包括:将传感链路沿监测区域周界铺设，由处理器控制压控恒流源电路的输入电压，驱动宽带光源发出光信号，光信号传送至第一光纤耦合器一个进口端，通过第一光纤耦合器后被分为两路光进入第一光纤臂和第二光纤臂，其中在第一光纤臂中加入了一段单模光纤作为延时线圈形成非对称结构，两路光通过第二光纤耦合器进入传感链路进行传感和放大，到达法拉第旋光镜时原路返回，再次进入超长距离传感链路进行反向放大，再由第二光纤耦合器分光至第二光纤臂、第一光纤臂，在第一光纤耦合器处汇合形成干涉，由第一光电探测器、第二光电探测器对干涉光信号进行接收，处理器进行处理。
[0015]所述的方法，电流采样电路还对压控恒流源电路输出的电流进行采样，并将结果通过模数转换器输出给处理器，同时处理器通过第一数模转换器调整压控恒流源电路的输入电压值，以设定驱动电流大小，热电冷却驱动电路读取宽带光源的工作温度反馈给处理器，处理器同时控制热电冷却驱动电路以恒定宽带光源的工作温度；
[0016]当第二光纤耦合器输出的光信号进入传感链路中的第三光纤耦合器时，由泵浦激光器发出的泵浦光耦合进去对光信号进行正向放大，并通过掺铒光纤进行增益；当由法拉第旋光镜原路返回的光信号通过掺铒光纤进入第三光纤耦合器时，由泵浦激光器发出的泵浦光耦合进去对光信号进行反向放大；
[0017]当光电检测装置中的第一光电探测器和第二光电探测器接收传感链路传回来的信号光，产生的光电流通过跨阻抗放大器转化为电压值，由可编程仪表放大器对信号进行第二级放大，再通过模数转换器将信号传给处理器进行分析处理计算，同时处理器通过第二数模转换器对可编程仪表放大器的增益系数进行设定，调整电压放大倍数。
[0018]所述的方法，处理器进行处理的方法包括:
[0019]SI)沿振动源布置好光纤链路，振动源对单模光纤施加扰动；
[0020]S2)处理器以最大采样频率多次采样并保存振动源传感数据，对数据进行解调运算得到每次采样信号中的相位信息；再对振动源传感数据逐倍降频采样，在每个采样频率下同样获得多个采样信号相位信息；
[0021]S3)将所有的采样信号相位信息保存，获得多个训练样本；
[0022]S4)对所有的训练样本进行快速傅里叶变换运算得到一次快速傅里叶变换频率响应曲线，再次进行快速傅里叶变换，得到一次快速傅里叶变换频率响应曲线的频率响应曲线，称为二次快速傅里叶变换频率响应曲线，寻找二次快速傅里叶变换频率响应曲线响应峰的频率值f，不同距离的振动源会导致不同的f值；
[0023]S5)计算所有训练样本二次快速傅里叶变换频率响应曲线的峰均比，即该曲线峰值和其有效值之比，进行判定筛选，如果峰均比高于阈值(比如保留前10%样本)，则保留该样本曲线，否则去除该样本曲线；
[0024]S6)根据步骤S5得到经筛选后的样本曲线的响应峰频率值计算训练振动源的距离数组，计算公式:L = c/2nf，其中L为振动源距离，η为光纤折射率，c为光速；然后按照距离大小进行排序，取中间值为该训练振动源的估计距离；
[0025]S7)根据步骤S6得到的估计距离，根据估计距离段-降采样频率倍数的正比例关系选取相应的降采样频率倍数，确定采样频率后进行多次采集分析，获得多个采样样本，按步骤S4的方法计算每个采样样本的响应峰频率值f’ ；
[0026]S8)根据L’ = c/2nf’计算距离值L’，按距离大小排序，取中间值和相邻点(如相邻2-3个采样样本)作为候选点，计算并比较峰均比，峰均比最大的距离值视为最终振动距离。
[0027]本发明与现有技术相比，具有以下主要的优点:
[0028]其一.采用了全分布式光纤传感技术，以光纤作为室外无源传感元件，耐压、耐腐蚀、抗电磁干扰，无盲区实时连续监测。
[0029]其二.基于白光干涉型萨格纳克干涉原理，对光源要求低，传感器灵敏度高，受外界干扰小。
[0030]其三.采用双向光功率放大，大幅度提高传感距离至数百公里。
[0031]其四.采用了速率自适应的数据采集定位方法，在不增加系统数据处理量的同时提高了长距离条件下的定位精度。
[0032]其五.采用压控可调恒流源和增益可调接收模块，具有大动态范围，广泛适用于多种场合要求。
【附图说明】
[0033]图1是本发明的基于双向光放大的超长距离分布式光传感系统结构示意图。
[0034]图2是本发明的基于双向光放大的超长距离分布式光传感链路结构示意图。
[0035]图3是本发明的双向光纤放大器结构示意图。
[0036]图4是本发明的适应长距离传感系统的光收发模块示意图。
[0037]图5是本发明的适用于超长距离传感的数据处理方法流程图。
[0038]图中:1.宽带激光器；2.第一(3X3)光纤耦合器；3.第一光纤臂；4.第二光纤臂；5.延时线圈；6.光纤耦合器；7.带双向光放大器的传感链路；8.法拉第旋光镜；9.第一光电探测器；10.第二光电探测器；11.单模光纤；12.双向光放大器；13.980nm波长泵浦激光器；14.第三光纤耦合器；15.掺铒光纤(EDF) ；16.光路结构(图1的2_8) ；17.宽带光源；18.压控恒流源电路；19.电流采样电路；20.光电探测器；21.跨阻抗放大器；22.可编程仪表放大器；23.模数转换器；24.处理器；25.TEC控制电路；26.第一数模转换器；27.第二数模转