本發(fā)明屬于光纖傳感，具體涉及一種干涉型分布式光纖振動傳感定位系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、干涉型分布式光纖振動傳感定位技術(shù)通過光束的干涉，將傳感光纖任意一點處發(fā)生的振動導(dǎo)致的光相位變化轉(zhuǎn)化為干涉光強度的變化，進一步通過處理由光電轉(zhuǎn)換獲得的干涉信號，準確監(jiān)測振動的幅度和振動點在傳感光纖上的位置。相比于傳統(tǒng)的振動傳感技術(shù)，干涉型分布式光纖振動傳感技術(shù)具有傳感范圍大、靈敏度高、體積小、抗電磁干擾能力強等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信光纜安全監(jiān)控，油氣管線、管廊等地下空間，以及周界安防等領(lǐng)域的監(jiān)控。

2、在一些復(fù)雜的應(yīng)用場景中，所監(jiān)控的光纜或區(qū)域可能存在星型、樹型等多個支路的情況。而傳統(tǒng)的干涉型分布式光纖振動傳感定位系統(tǒng)的傳感光纖為線形或環(huán)形。對于傳感光纖為線形的系統(tǒng)，要想使傳感光纖覆蓋具有分支形態(tài)特點的整個監(jiān)控區(qū)域，存在三種可能的解決方案。其一為使用多套設(shè)備，每套設(shè)備用于該區(qū)域一個支路的監(jiān)控；其二為使用復(fù)用技術(shù)，如波分復(fù)用和時分復(fù)用，每個通道用于區(qū)域一個支路的監(jiān)控；其三為往返布設(shè)傳感光纖，即在區(qū)域的每個支路的盡頭使傳感光纖返回，如此往復(fù)。然而，使用多套設(shè)備和波分復(fù)用技術(shù)均會增加設(shè)備成本，時分復(fù)用技術(shù)可能降低傳感系統(tǒng)的性能。若往返布設(shè)傳感光纖，當擾動在監(jiān)控區(qū)域的某個支路附近發(fā)生時，可能使傳感光纖上兩點同時受到擾動影響，進而使系統(tǒng)無法準確定位。對于傳感光纖為環(huán)形的系統(tǒng)，解決方案僅有往返布設(shè)傳感光纖，但同樣面臨上述問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對傳統(tǒng)干涉型分布式光纖傳感定位系統(tǒng)在具有多支路形態(tài)特征的監(jiān)控應(yīng)用中面臨的上述問題，本發(fā)明的目的在于提出一種具有分支結(jié)構(gòu)的干涉型分布式光纖振動傳感定位系統(tǒng)。

2、本發(fā)明提出的具有分支結(jié)構(gòu)的干涉型分布式光纖振動傳感定位系統(tǒng)，為三波長復(fù)用的單芯反饋式光纖干涉結(jié)構(gòu)；傳感光纜(光纖)分為主路和支路，其中，主路利用單芯光纖傳感，支路傳感光纖由同一根光纜上的兩根光纖共同構(gòu)成；支路與主路間通過具有波長分配功能的延遲結(jié)構(gòu)相連；共同構(gòu)成支路的同根光纜內(nèi)的兩根光纖，其末端通過另一具有波長分配功能的延遲結(jié)構(gòu)相連；通過延遲結(jié)構(gòu)中光纖時延設(shè)置，所復(fù)用的三個波長，設(shè)為λ1、λ2和λ3，分別行走相應(yīng)的光纖路徑，并形成各自的干涉信號，各波長的干涉信號攜帶光纖擾動位置信息；從各干涉信號中分別解析出相位信息，利用相位信息的數(shù)學(xué)關(guān)系解算出光纖擾動的位置信息；其中，波長λ1和λ2對應(yīng)的相位信號用于共同確定發(fā)生在主路傳感光纖附近的擾動或受到擾動的支路傳感光纖的節(jié)點在主路傳感光纖上的位置；而波長λ1和λ3對應(yīng)的相位信號用于共同確定發(fā)生在支路傳感光纖附近的擾動在支路傳感光纖上的位置。通過上述結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感光纖對具有多個支路的區(qū)域的覆蓋。本發(fā)明的技術(shù)方案詳述如下。

3、本發(fā)明提出的具有分支結(jié)構(gòu)的干涉型分布式光纖振動傳感定位系統(tǒng)，包括以下部分：光源、光結(jié)構(gòu)、光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)終端；其中：

4、光源為低相干的寬譜光源。從光源發(fā)出的光被注入光結(jié)構(gòu)，干涉光則從光結(jié)構(gòu)輸出。當擾動在光結(jié)構(gòu)中的傳感光纖附近發(fā)生時，干涉光中便包含了擾動的信息。光電探測器接收了干涉光，并將其光強特征轉(zhuǎn)化為干涉信號。這些干涉信號被數(shù)據(jù)采集卡采集，然后傳輸?shù)綌?shù)據(jù)終端。在數(shù)據(jù)終端中，相位解調(diào)算法作用于干涉信號，產(chǎn)生相應(yīng)的相位信號。通過相位信號，可進行時延估計，實現(xiàn)擾動的定位。

5、光結(jié)構(gòu)包括首端模塊、傳感單元和尾端模塊。其中：

6、首端模塊的結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體包括：

7、由多個光學(xué)器件構(gòu)成的濾波器1，該濾波器器件具有輸入端口1a和輸出端口1b，其中，輸入端口1a與光源連接；從輸出端口1b輸出的光的中心波長包括λ1、λ2和λ3；

8、由多個器件構(gòu)成的光學(xué)解復(fù)用器2，光學(xué)解復(fù)用器2具有一個輸入端2b，3個輸出端2a1、2a2和2a3，輸出端2a1、2a2和2a3輸出中心波長分別為λ1、λ2和λ3的光；分別與光電探測器ⅰ、光電探測器ⅱ和光電探測器ⅲ連接；

9、同樣由多個器件構(gòu)成的光學(xué)解復(fù)用器3，光學(xué)解復(fù)用器3具有一個輸入端3b，3個輸出端3a1、3a2和3a3，3個輸出端3a1、3a2和3a3輸出中心波長分別為λ1、λ2和λ3的光，分別與光電探測器ⅳ、光電探測器ⅴ和光電探測器ⅵ連接；

10、3*3的光纖分路器4，光纖分路器4具有端口4a1、4a2、4a3、4b1和4b2，其中，端口4a1、4a2和4a3同向，端口4b1和4b2同向。

11、延遲光纖5，用于產(chǎn)生的時延為τ1；

12、2*2的光纖分路器6，光纖分路器6具有端口6a1、6a2、6b，其中端口6a1和6a2為同向，端口1b與端口4a1連接，端口2b與端口4a2連接，端口3b與端口4a3連接，端口4b1和端口6a1與延遲光纖5的兩端分別連接，端口4b2與端口6a2連接，端口6b與傳感單元連接。

13、傳感單元的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括：

14、主路傳感光纜7，主路傳感光纜內(nèi)某根光纖具有兩端7a和7b；

15、波分復(fù)用器8，波分復(fù)用器8具有合波端(公共端)8a，波分復(fù)用器8具有分波端口ⅱ和分波端口ⅰ，分別記為8b1和8b2；其中，分波端口ⅰ輸出的波長為λ3的光波，其余成分的光波從分波端口ⅱ輸出。

16、延遲光纖9，用于產(chǎn)生的時延為τ2。

17、波分復(fù)用器10，其型號與波分復(fù)用器8的型號相同，波分復(fù)用器10具有分波端口ⅱ和分波端口ⅰ，分別記為10a1和10a2，波分復(fù)用器10具有合波端(公共端)10b。

18、支路傳感光纜11，支路傳感光纜11內(nèi)某根光纖的兩端為11a1和11b1，支路傳感光纜11內(nèi)另一根光纖的兩端為11a2和11b2。光纜應(yīng)被優(yōu)選以保證擾動在其附近發(fā)生時，這兩根光纖因擾動而導(dǎo)致的應(yīng)變接近相同。

19、波分復(fù)用器12，其型號與波分復(fù)用器8的型號相同，波分復(fù)用器12具有合波端(公共端)12a1，具有分波端口ⅰ和分波端口ⅱ，分別記為12b1和12b2。

20、延遲光纖13，產(chǎn)生的時延為2τ2。

21、波分復(fù)用器14，其型號與波分復(fù)用器8的型號相同，波分復(fù)用器14具有分波端口ⅰ和分波端口ⅱ，分別記為14a1和14a2，具有合波端(公共端)14b。

22、波分復(fù)用器15，其型號與波分復(fù)用器8的型號相同，波分復(fù)用器15具有合波端(公共端)15a，具有分波端口ⅰ和分波端口ⅱ，分別記為15b1和15b2。

23、延遲光纖16，產(chǎn)生的時延為τ2。

24、波分復(fù)用器17，其型號與波分復(fù)用器8的型號相同，波分復(fù)用器17具有分波端口ⅰ和分波端口ⅱ，分別記為17a1和17a2，具有合波端(公共端)17b。

25、主路傳感光纜18，主路傳感光纜18內(nèi)某根光纖的兩端18a和18b。

26、端口7b與端口8a連接，端口8b1和端口10a1分別與延遲光纖9的兩端連接，端口8a2與端口10a2連接，端口10b與端口11a1連接，端口11b1與端口12a1連接，端口12b1和端口14a1分別與延遲光纖13連接，端口12b2與端口14a2連接，端口14b與端口11b2連接，端口11a2與端口15a連接，端口15b2和端口17a2分別與延遲光纖16的兩端連接，端口15b1與端口17a1連接，端口17b與端口18a連接。端口8b2與端口10a2之間的光纖長度與端口15b1和端口17a1之間的光纖長度相同。

27、以上，波分復(fù)用器8、延遲光纖9、波分復(fù)用器10共同構(gòu)成第一具有波長分配功能的延遲結(jié)構(gòu)，波分復(fù)用器15、延遲光纖16、波分復(fù)用器17共同構(gòu)成第二具有波長分配功能的延遲結(jié)構(gòu)，波分復(fù)用器12、延遲光纖13、波分復(fù)用器14共同構(gòu)成第三具有波長分配功能的延遲結(jié)構(gòu)。

28、在本發(fā)明提出的系統(tǒng)中，在保證傳感性能的前提下，可配置任意個數(shù)的傳感單元。記傳感單元個數(shù)為正整數(shù)n。當n＝1，傳感單元的兩個端口，如圖2所示為7a和18b，分別與首端模塊和尾端模塊連接。當n≥2，傳感單元串聯(lián)形成陣列。對傳感單元進行編號，編號為1的傳感單元的兩個端口，一個與首端模塊連接，另一個與其他傳感單元連接，編號為n的傳感單元的兩個端口，一個與其他傳感單元連接，另一個與尾端模塊連接。當n＞2時，除了編號1和編號n的傳感單元，其他傳感單元的兩個端口均分別與不同的傳感單元連接。

29、尾端模塊的結(jié)構(gòu)如圖3所示。包括：

30、波分復(fù)用器19，波分復(fù)用器19具有合波端(公共端)19a，具有分波端口ⅰ和分波端口ⅱ，記為19b1和19b2；其中，分波端口ⅰ輸出的波長為λ2的光波，其余成分的光波從分波端口ⅱ輸出。

31、延遲光纖20，產(chǎn)生的延遲為τ3。

32、波分復(fù)用器21，和波分復(fù)用器19型號相同，具有分波端口ⅰ和分波端口ⅱ，分別記為21a1、21a2；具有合波端(公共端)21b。

33、反饋裝置22，如帶尾纖的反射鏡。

34、端口19a與傳感單元連接，端口19b1和端口21a1分別與延遲光纖20的兩端連接，端口19b2與端口21a2連接，端口21b與反饋裝置22連接。

35、光結(jié)構(gòu)中首端模塊、傳感單元和尾端模塊的連接情況如圖4所示。23為圖1所示的首端模塊，23a代表圖1中的端口6b。24為傳感單元陣列，由n(n為正整數(shù))個圖2所示的傳感單元串聯(lián)構(gòu)成；設(shè)圖2中主路傳感光纜7為近首端模塊23的傳感光纜，主路傳感光纜18為遠離首端模塊23的傳感光纜，則24a為編號為1的傳感單元的端口7a，24b為編號為n的傳感單元的端口18b。25為尾端模塊，25a代表圖3中的19a。

36、下面分析光結(jié)構(gòu)中的干涉情況?？紤]到傳感單元的個數(shù)不定，首先分析傳感單元中的光路，然后將傳感單元中的光路作為一個整體，代入整個光結(jié)構(gòu)的光路的分析。

37、在如圖2所示的傳感單元中，對于從7a向18b傳輸?shù)墓?，波長λ1，λ2和λ3的光路分別為sp1，sp2和sp3，表述如下：

38、sp1/sp2：7a→7→7b→8a→8→8b1→9→10a1→10→10b→11a1→11→11b1→12a1→12→12b2→14a2→14→14b→11b2→11→11a2→15a→15→15b2→16→17a2→17→17b→18a→18→18b；

39、sp3：7a→7→7b→8a→8→8b2→10a2→10→10b→11a1→11→11b1→12a1→12→12b2→14a2→14→14b→11b2→11→11a2→15a→15→15b1→17a1→17→17b→18a→18→18b。

40、其中，“→”表示光路流向，后面的標號分別表示某部件或其端口。下同。

41、對于從18b向7a傳輸?shù)墓?，波長λ1，λ2和λ3的光路分別為rsp1，rsp2和rsp3，它們的表述分別為將sp1、sp2和sp3的表述中器件和端口的順序顛倒?？紤]到傳感單元的編號，將第k(k為正整數(shù)，小于等于n)個傳感單元的光路分別重寫為sp1-k，sp2-k，sp3-k，rsp1-k，rsp2-k和rsp3-k。

42、由于到光源的相干性較低，在光結(jié)構(gòu)中，干涉發(fā)生在首端模塊3*3光纖分路器中，波長λ1，λ2和λ3的相應(yīng)的干涉光束行走的光路分別為p11/p12、p21/p22和p31/p32表述如下：

43、p11：4a1→4→4b1→5→6a1→6→6b→sp1-1→sp1-2→......→sp1-n→19a→19→19b2→21a2→21→21b→22→21b→21a2→19b2→19→19a→rsp1-n→......→rsp1-2→rsp1-1→6b→6a2→4b2→4；

44、p12：4a1→4→4b2→6a2→6→6b→sp1-1→sp1-2→......→sp1-n→19a→19→19b2→21a2→21→21b→22→21b→21a2→19b2→19→19a→rsp1-n→......→rsp1-2→rsp1-1→6b→6a1→5→4b1→4；

45、p21：4a1→4→4b1→5→6a1→6→6b→sp1-1→sp1-2→......→sp1-n→19a→19→19b1→20→21a1→21→21b→22→21b→21a1→20→19b1→19→19a→rsp1-n→......→rsp1-2→rsp1-1→6b→6a2→4b2→4；

46、p22：4a1→4→4b2→6a2→6→6b→sp2-1→sp2-2→......→sp2-n→19a→19→19b1→20→21a1→21→21b→22→21b→21a1→21→19b1→19→19a→rsp2-n→......→rsp2-2→rsp2-1→6b→6a1→5→4b1→4；

47、p31：4a1→4→4b1→5→6a1→6→6b→sp3-1→sp3-2→......→sp3-n→19a→19→19b2→21a2→21→21b→22→21b→21a2→19b2→19→19a→rsp3-n→......→rsp3-2→rsp3-1→6b→6a2→4b2→4；

48、p32：4a1→4→4b2→6a2→6→6b→sp3-1→sp3-2→......→sp3-n→19a→19→19b2→21a2→21→21b→22→21b→21a2→19b2→19→19a→rsp3-n→......→rsp3-2→rsp3-1→6b→6a1→5→4b1→4。

49、干涉光在經(jīng)過解復(fù)用器后，被光電探測器接收。光電探測器ⅰ和ⅳ輸出的干涉信號，被數(shù)據(jù)采集卡采集，形成兩路相應(yīng)的數(shù)字干涉信號，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)終端。在數(shù)據(jù)終端中，將雙輸入的被動相位解調(diào)算法[1]作用于這兩路數(shù)字干涉信號，產(chǎn)生對應(yīng)于波長λ1的相位信號。光電探測器ⅱ和ⅴ輸出的兩路干涉信號，以及光電探測器ⅲ和ⅵ輸出的兩路干涉信號，分別經(jīng)過相同的處理過程，產(chǎn)生對應(yīng)于波長λ2和λ3的相位信號。

50、本發(fā)明中，定位方法基于對應(yīng)于波長λ1，λ2和λ3的相位信號。為簡化分析，假設(shè)信號已經(jīng)通過放大或衰減的幅度調(diào)理，使其中子信號幅度一致。分別對應(yīng)于波長λ1，λ2和λ3的相位信號s1(t)、s2(t)和s3(t)可以表述為：

51、s1(t)＝θ1(t)-θ1(t-τ1)????????????????????????????(1)

52、s2(t)＝θ2(t)-θ2(t-τ1)???????????????????????????(2)

53、s3(t)＝θ3(t)-θ3(t-τ1)???????????????????????????(3)

54、對于具有n(n為正整數(shù))個傳感單元的系統(tǒng)，當擾動作用于主路傳感光纜時，θ1(t)、θ2(t)和θ3(t)可表述為：

55、

56、其中，j為傳感單元的編號，k為擾動點和首端模塊間傳感單元的個數(shù)，τ2j為編號為j的傳感單元中的時延τ2，τbj為編號為j的傳感單元中支路傳感光纜的長度對應(yīng)的時延，τx為擾動點和尾端模塊間主路傳感光纜的長度對應(yīng)的時延。同樣對于具有n(n為正整數(shù))個傳感單元的系統(tǒng)，當擾動作用于支路傳感光纜時，θ1(t)、θ2(t)和θ3(t)可表述為：

57、

58、

59、在這里，k為受到擾動的支路的編號，τy為擾動點和支路傳感光纜末端之間的光纜長度對應(yīng)的時延。

60、波長λ1對應(yīng)的相位信號s1(t)和波長λ2對應(yīng)的相位信號s2(t)被用于確定發(fā)生在主路傳感光纜附近的擾動或受到擾動的支路的位置，定位的步驟為：

61、s1(t)減s2(t)，獲得合成信號c21(t)；將s1(t)延遲2τ3，獲得s1(t-2τ3)，再用s2(t)減去s1(t-2τ3)，獲得合成信號c12(t)；采用自適應(yīng)最小均方差法(lms)、廣義相關(guān)法、相位數(shù)據(jù)法等時間延遲估計方法獲得合成信號c21(t)和c12(t)之間時延信息τ12；利用時延信息τ12，結(jié)合光纖纖芯的有效折射率和真空光速，計算得到發(fā)生在主路傳感光纜附近的擾動或受到擾動的支路的位置。具體分析如下。

62、對于擾動發(fā)生在主路傳感光纜附近的情況，合成信號c21(t)和c12(t)分別表述為：

63、

64、c12(t)＝x(t)-x(t-τ1)-x(t-2τ3)+x(t-2τ3-τ1)?????????????(10)

65、容易發(fā)現(xiàn)，合成信號c21(t)和c12(t)之間存在固定時延τ12，表述如下：

66、

67、對于擾動發(fā)生在支路傳感光纜附近的情況，合成信號c21(t)和c12(t)分別表述為：

68、

69、容易發(fā)現(xiàn)，合成信號c21(t)和c12(t)之間存在固定時延τ12，表述如下：

70、

71、根據(jù)式(11)和(14)中τ12的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，在支路和主路的傳感光纜附近任意兩個不同位置發(fā)生的擾動，計算得到的τ12必然互不相同。另外，在同一個傳感單元中，支路旁的主路傳感光纜的某個位置發(fā)生擾動對應(yīng)的τ12值和該支路受到擾動對應(yīng)的τ12值的差值的絕對值至少為2τbk+2τ2k，說明發(fā)生在主路傳感光纜附近的擾動和發(fā)生在支路傳感光纜附近的擾動可以通過τ12進行區(qū)分。

72、進一步地，利用τ12的值，發(fā)生在主路傳感光纜附近的擾動或受到擾動的支路的位置可確定為其中c為真空光速，n為纖芯的有效折射率。

73、波長λ1對應(yīng)的相位信號s1(t)和波長λ3對應(yīng)的相位信號s3(t)被用于確定發(fā)生在支路傳感光纜附近的擾動在該支路中的位置，定位的步驟為：

74、根據(jù)定位結(jié)果l12，確定發(fā)生擾動的支路的編號k，查找得到該支路對應(yīng)的τ2k的值；將s3(t)延遲τ2k，獲得s3(t-τ2k)，再用s1(t)減去s3(t-τ2k)，獲得合成信號c31(t)；將s1(t)延遲τ2k，獲得s1(t-τ2k)，再用s3(t)減去s1(t-τ2k)，獲得合成信號c13(t)；采用自適應(yīng)最小均方差法(lms)、廣義相關(guān)法、相位數(shù)據(jù)法等時間延遲估計方法獲得合成信號c31(t)和c13(t)之間時延信息τ13；利用時延信息τ13，結(jié)合光纖纖芯折射率和真空光速，計算得到發(fā)生在支路傳感光纜附近的擾動在該支路中的位置。具體分析如下。

75、對于擾動發(fā)生在支路傳感光纜附近的情況，合成信號c31(t)和c13(t)分別表述為：

76、

77、容易發(fā)現(xiàn)，合成信號c31(t)和c13(t)之間存在固定時延τ13，表述如下：

78、τ13＝2τy+τ2k?????????????????????????(17)

79、若擾動發(fā)生在主路傳感光纜附近，由式(4)，s31(t)＝s13(t)，則c31(t)＝c13(t)，τ13的值保持在0附近，沒有意義。

80、進一步地，利用τ13的值，發(fā)生在支路傳感光纜附近的擾動或受到擾動的支路的位置可確定為其中c為真空光速，n為纖芯的有效折射率。

81、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

82、本發(fā)明能夠通過靈活配置傳感主路的長度以及傳感支路的個數(shù)、位置和長度，實現(xiàn)傳感光纖對具有分支結(jié)構(gòu)的區(qū)域的覆蓋；本發(fā)明僅需一套復(fù)用了三個波長的系統(tǒng)就能夠?qū)崿F(xiàn)多個支路的監(jiān)控，相比使用多套設(shè)備或基于波分復(fù)用的傳統(tǒng)方法，成本大大降低；本發(fā)明基于連續(xù)光的干涉，相對于基于時分復(fù)用的支路傳感方案，具有更好的頻率響應(yīng)特性。