自适应调整的分布式光纤振动传感器系统的制作方法

1.本实用新型涉及光纤传感技术领域，特别涉及为自适应调整的分布式光纤振动传感器系统。


背景技术：

2.光纤振动传感有多种技术方案，其中，基于相位敏感光时域反射 (φ-otdr) 技术的分布式光纤振动传感系统（distributedfiber vibration system，简称dvs），因具有只需接入单芯光纤的单端、分布式高精度定位等优势，在基于通信光纤的入侵探测、周界安防和基础设施安全监控等方面得到越来越多的应用。
3.通常情况下，对于其它硬件不变的情况下，光源的线宽越窄，散射光的干涉效应越明显，同时系统探测振动信号的灵敏度也越高。对于一个dvs系统，由于所连接的外部探测光纤的长度、损耗质量，以及系统光源输出功率的大小、脉冲宽度的不同、探测器放大性能的差别等，都会引起实际系统探测效果的差异，以光源输出的功率来说，如果输出太弱，那么在一根光纤较远位置会由于线路的累积损耗很大而只能激发很微弱的瑞利散射光而不足以保证好的探测效果；但如果输出过强，则可能引起光纤中的非线性效应（如布里渊散射效应）使探测效果劣化，或是散射光超出探测器的最大接收光强使其饱和而无法测量。同时，对于长距离dvs，还可能出现光源输出功率过大导致线路前段光饱和，功率过小导致后段信号较差，此时便需要将功率调整为能够覆盖探测器动态范围且满足全线探测效果的平衡适中值。
4.在实际探测时，dvs的各参数一般需要技术人员通过确认信号状态、应用场景，再根据经验调整到一个当前相对合适的取值，而如果设备或外部线路状态发生变化时，又要再次进行人工调整参数，而为了达到较好的线路振动探测效果，往往需要多次反复地进行各参数的调整，工作复杂且具有一定的技术难度。


技术实现要素：

5.本实用新型旨在解决上述dvs的各参数一般需要通过技术人员调整到一个相对合适的取值，并在设备或外部线路状态发生变化时，需要人工进行多次反复的调整，工作复杂且具有一定的技术难度的问题，提供自适应调整的分布式光纤振动传感器系统。
6.本实用新型为解决技术问题采用如下技术手段：
7.本实用新型提供自适应调整的分布式光纤振动传感器系统，包括：显示屏、驱动电路、激光器、声光调制器、电光调制器、高速数据采集模块、计算处理核心、窄线宽脉冲光源、掺铒光纤放大器、可调节放大电路、三端光环型器、通信光纤和参考光纤，其中，
8.所述显示屏与计算机处理核心电连接；
9.所述计算机处理核心分别与驱动电路和高速数据采集模块电连接；
10.所述窄线宽脉冲光源分别与驱动电路和掺铒光纤放大器电连接；
11.所述三端光环型器分别与掺铒光纤放大器、光电探测器和参考光纤电连接；
12.所述可调节放大电路与高速数据采集模块电连接；
13.所述参考光纤与通信光纤电连接；
14.所述自适应调整的分布式光纤振动传感器系统包括两种工作模式，所述工作模式分别为：全线测量模式和局部测量模式。
15.进一步的：所述全线测量模式和局部测量模式分别包括驱动电路、激光器、声光调制器和电光调制器，所述驱动电路与激光器电连接，所述声光调制器和电光调制器分别与激光器电连接。
16.进一步的：所述可调节放大电路包括多级放大倍数的电路以及用于切换放大级别的模拟开关。
17.进一步的：所述计算处理核心内设有嵌入式平台处理芯片。
18.进一步的：所述掺铒光纤放大器设有若干个放大旋钮和调节旋钮，所述放大旋钮和调节旋钮分别与窄线宽脉冲光源电连接。
19.进一步的：所述可调节放大电路设有若干个调节档位，所述调节档位与所述光电探测器和所述高速数据采集模块电连接。
20.进一步的：所述显示屏还设有输入接口和输出接口，所述输入接口和输出接口与显示屏固定连接。
21.进一步的：所述三端光环型器设有第一端口、第二端口和第三端口，所述掺铒光纤放大器与第一端口电连接，所述第二端口与参考光纤电连接，所述第三端口与光电探测器电连接。
22.进一步的：所述参考光纤为系统内置通信光纤，长度为20-100米。
23.进一步的：所述高速数据采集模块包括fpga和ad芯片，用于将电信号转换为数字信号，其采样率为100mhz-1ghz。
24.本实用新型提供了自适应调整的分布式光纤振动传感器系统，具有以下有益效果：
25.（1）本实用新型采用的dvs能够在接上光纤后，自适应调整线路参数以实现最佳的监测效果，不需要专业技术人员进行复杂调试，使dvs由专业复杂变得简单易用。
26.（2）本实用新型采用全线监测和局部监测双模式，通过灵活选择，既可进行全线在线预警监测，也可对特定区域局部调整达到最佳探测效果。
27.（3）本实用新型采用局部监测模式，能够不用兼顾长距离线路信号的前后段，同时进行动态范围的监测，提升了具体局部监测位置的实际动态范围，拥有更好的探测效果。
28.（4）本实用新型不止能够用于dvs全线在线监测预警的场景，同时能用于光纤线路的故障定位、路由标定、短期线路局部探测运维的场景等，大大拓展了dvs的应用场景和使用边界，提升应用过程的便捷性。
附图说明
29.图1为本实用新型一实施例中自适应调整的分布式光纤振动传感器系统一个实施例的整体结构图。
具体实施方式
30.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
31.下面将结合本实用新型的实施例中的附图，对本实用新型的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
32.参考附图1，为本实用新型一实施例中的自适应调整的分布式光纤振动传感器系统，包括：显示屏1、驱动电路3、激光器、声光调制器、电光调制器、高速数据采集模块11、计算处理核心2、窄线宽脉冲光源4、掺铒光纤放大器5、可调节放大电路10、三端光环型器6、通信光纤8和参考光纤7，其中，
33.在一个实施例中，显示屏1与计算机处理核心电连接，计算机处理核心分别与驱动电路3和高速数据采集模块11电连接，窄线宽脉冲光源4分别与驱动电路3和掺铒光纤放大器5电连接，三端光环型器6分别与掺铒光纤放大器5、光电探测器9和参考光纤7电连接，可调节放大电路1010与高速数据采集模块11电连接，参考光纤7与通信光纤8电连接，自适应调整的分布式光纤振动传感器系统包括两种工作模式，工作模式分别为：全线测量模式和局部测量模式。
34.在具体实施时：首先通过显示屏1输入dvs的主要参数进行设定，其中，主要参数包括但不限于是探测的距离、分区参数和报警相关参数，输入的主要参数为探测的距离，如探测的距离为5米，接着根据输入dvs的主要参数对自适应调整所应用的监测模式进行选择，监测模式包括全线测量模式和局部测量模式，当选择全线测量模式时，系统会自适应调整参数以使得全线任何区域都处在较好的探测状态，拥有较好的预警能力，选择局部测量模式时，系统会自适应调整参数以使得所选定的光纤路线路区段拥有最佳的探测状态和预警能力，选择模式完成后，对预设的参考光纤7段进行平均光强和干涉系数的计算，根据计算出平均光强是否符合在预设的范围内进行判断，若计算出的平均光强的结果在预设范围内，则进行解调计算振动信号及定位信息，若计算结果不符合预设的范围，则计算机处理核心根据设定模式和参数调用控制驱动电路3，驱动电路3分别驱动窄线宽脉冲光源4、掺铒光纤放大器5和可调节放大电路10进行工作，从而使光源脉宽、掺铒光纤放大器5功率和放大电路档位进行放大或调整直至计算出的平均光强和干涉系数处于预设的范围内，接着对干涉系数是否符合在预设的范围内进行判断，若计算出的干涉系数的结果在预设范围内，则进行解调计算振动信号及定位信息，若计算结果不符合预设的范围，则计算机处理核心根据设定模式和参数调用控制驱动电路3，驱动电路3分别驱动窄线宽脉冲光源4、掺铒光纤放大器5和可调节放大电路10进行工作，从而使光源脉宽、掺铒光纤放大器5功率和放大电路档位进行放大或调整直至计算出的平均光强和干涉系数处于预设的范围内，接着进行解调计算振动信号及定位信息，将计算的振动信号和定位信息与预设的算法模型进行匹配，接着将对匹配对应的状态信息和报警信息进行输出并在显示屏1进行显示。
35.在本实施例中，全线测量模式和局部测量模式分别包括驱动电路3、激光器、声光调制器和电光调制器，驱动电路3与激光器电连接，声光调制器和电光调制器分别与激光器电连接，全线测量模式包括：驱动电路3根据设定的模式和输入的参数驱动电流源和电压源
进行供电；激光器直接调制触发产生窄线宽脉冲光源4；声光调制器和电光调制器将激光器输出的连续光信号调制为需要的光脉冲，脉冲宽度为10~500ns；全线测量模式和局部测量模式包括驱动电路3、激光器、声光调制器、电光调制器，驱动电路3根据设定的模式和输入的参数驱动电流源和电压源进行供电，激光器直接调制触发产生窄线宽脉冲光源4，或利用声光调制器、电光调制器将激光器输出的连续光信号调制为需要的光脉冲，脉冲宽度为10~500ns。
36.在具体实施时：对于全线的探测模式，需要使得所连接的光纤全段都有较好的探测效果，而线路的尾段损耗较大，需要提升光强以提升器信噪比，但如果光强太强，会导致探测器或采集电路饱和，或出现非线性效应使信号畸变，其中，采集电路信号饱和非线性效应在评价参数上的表现为信号强度超过上限值或相干系数小于阈值，于是，全线探测的主要调整目标是让前段信号在不饱和的前提下达到最强，由于参考光纤7相当于光纤线路中最前段的部分，而且不受外受接口或损耗异常的影响，直接以此段光纤的平均计算参数作为评价参数，当参数不满足第i段的相干系数的计算公式时，通过改变硬件的输出参数，并使得其平均光强尽量接近上限值，以使得全线任何区域都处在较好的探测状态，拥有较好预警能力，对于局部探测模式，由于已选定探测区域，故只需计算其平均光强和平均相干系数，并调整硬件输出参数便能够使其满足探测效果要求，而与此时非选中段的信噪比、饱和与否、是否出现非线性效应等无关，由于局部测量模式不需要和全线测量模式一样需同时保证前端区域信号不能过强，导致致探测器饱和，后段区域不能过弱，导致探测效果下降，从而不受限于信号探测的动态范围，探测能力能够达到最优效果，使得所选定的光纤线路区段拥有最佳的探测状态和预警能力。
37.在本实施例中，可调节放大电路10包括多级放大倍数的电路以及用于切换放大级别的模拟开关，计算处理核心2内设有嵌入式平台处理芯片，掺铒光纤放大器5设有若干个放大旋钮和调节旋钮，所述放大旋钮和调节旋钮分别与窄线宽脉冲光源4电连接，可调节放大电路10设有若干个调节档位，调节档位与光电探测器9和高速数据采集模块11电连接，显示屏1还设有输入接口和输出接口，输入接口和输出接口与显示屏1固定连接，三端光环型器6设有第一端口、第二端口和第三端口，掺铒光纤放大器5与第一端口电连接，第二端口与参考光纤7电连接，第三端口与光电探测器9电连接，参考光纤7为系统内置通信光纤8，长度为20-100米，高速数据采集模块11包括fpga和ad芯片，用于将电信号转换为数字信号，其采样率为100mhz-1ghz。
38.在具体实施时，通过多级放大倍数的电路和模拟开关对电路进行调节放大，掺铒光纤放大器5设有的放大旋钮和调节旋钮能够对掺铒光纤放大器5功率进行调节，在系统运行时，计算机会计算预设参考光纤7段的干涉系数，当干涉系数处于预设数值范围内时，则将干涉系数值进行输出，当计算的干涉系数不处于预设的数值范围时，则调整光源脉宽、掺铒光纤放大器5功率、放大电路档位直至平均光强值达到设定范围内，其中，光源脉宽范围能够根据需要在10～500ns间进行调整，首先采用脉冲掺铒光纤放大器5将窄线宽脉冲光源4输出的脉冲信号光的功率进行放大和调整直至调整完的平均光强值达到设定范围，当计算出的参考光纤7段的平均光强值处于预设的数值范围时，则将平均光强值进行输出，当计算的平均光强值不符合预设的数值范围时，则调整或放大光源脉宽、掺铒光纤放大器5功率、放大电路档位直至平均光强值达到设定范围内。光信号数据通过三端光环型器6传输后
进入到光电探测器9，光电探测器9将光信号数据进行转换，转换为电模拟信号，可调节放大电路10将电模拟信号进行放大，再进入到高速数据采集模块11将电模拟信号转换为数字信号，接着根据数字信号计算得出振动信号及定位信号，光信号数据由第一端口进入后由第二端口进行输出，输出后通过参考光纤7进入到通信光纤8，光信号数据在传输过程中在通信光纤8内产生后向瑞利散射光，并依次通过通信光纤8和参考光纤7由第二端口进入，其中，参考光纤7和通信光纤8的连接方式为熔接或快接法兰，接着从第三端口进行输出，输出后进入到探测器内。
39.在本实施例中，计算模块对预设参考光纤7段的平均光强和干涉系数进行计算包括：
40.对于某一段光纤对应的瑞利散射信号的相干系数υ进行计算，其中，计算公式为：
41.其中，是干涉条纹最亮处的光强，是干涉条纹最暗处的光强，设定光强的取值范围为0-1，则当=0且=1时，则代表暗处完全无光，亮处光强为最大值，同时υ=1时条纹清晰度最高，为“完全相干”；当=i时，条纹不可见，此时υ=0，为“完全不相干”；当《时，0《υ《1，此时为“部分相干”。
42.在具体实施时，由于dvs采用了窄线宽光源，故在光纤中会产生后向瑞利散射光，而瑞利散射光形成明暗相间的条纹，作为部分相干光，其相干的程度越高，条纹的可见度就越高，代表可解调得到的相位信息越真实，整个振动传感系统的灵敏度也会越高，故对于某一段光纤对应的瑞利散射信号的相干系数υ进行计算得出清晰度的大小，其中，相干系数也称为干涉条纹可见度，则当=0且=1时，则代表暗处完全无光，此时亮处光强为最大值，同时υ=1时条纹清晰度最高，为“完全相干”，当=i时，此时条纹不可见，且υ=0，为“完全不相干”，当《时，υ的数值范围为0《υ《1，此时为“部分相干”。
43.在本实施例中，计算模块对预设参考光纤7段的平均光强和干涉系数进行计算包括：
44.对于整段光纤的散射光进行分段计算，则第i段的相干系数的计算公式为：
[0045][0046]
其中，第i段所有光强峰值平均值记为，所有光强谷值平均值记为第i
段所有光强峰值平均值记为，所有光强谷值平均值记为，为第i段光纤散射光的平均相干系数，其取值范围在0到1之间，作为系统在该段光纤处探测灵敏度的主要评价依据，评价系统在第i段光纤处探测的总体效果时，应同时满足且，才能够判定为有较好的效果，其中，为达到合格探测效果时，相干系数的最小阈值，为达到合格探测效果时，平均光强的最小阈值，为达到合格探测效果时的平均光强最大值。
[0047]
在具体实施时，由于dvs采集的散射光信号包含整个连接光纤的长度各自对应的信号强度，故只需对散射光的相干系数υ进行计算，即可对散射光信号所代表的振动传感的探测灵敏度进行评价，为第i段光纤散射光的平均相干系数，其取值范围在0到1之间，作为系统在该段光纤处探测灵敏度的主要评价依据，由于光信号在光纤中运行时会随着传播距离的增加逐步损耗，强度减小，系统在光纤较远处获取的信号信噪比下降而造成传感探测效果的劣化，因此，将该段所有数据点的光强信号计算累加平均值得出第i段光纤的平均光强，评价系统在第i段光纤处探测的总体效果时，应同时满足且时，才能够有较好的效果，而如果光强太强，会导致超出光电探测器9或数据采集电路的最大输入范围，导致信号饱和，所以应同时具有上、下限值。
[0048]
综上，在具体实施时，首先通过显示屏1输入dvs的主要参数进行设定，其中，主要参数包括但不限于是探测的距离、分区参数和报警相关参数，输入的主要参数为探测的距离，如探测的距离为5米，接着根据输入dvs的主要参数对自适应调整所应用的监测模式进行选择，监测模式包括全线测量模式和局部测量模式，当选择全线测量模式时，系统会自适应调整参数以使得全线任何区域都处在较好的探测状态，拥有较好的预警能力，选择局部测量模式时，系统会自适应调整参数以使得所选定的光纤路线路区段拥有最佳的探测状态和预警能力，选择模式完成后，对预设的参考光纤7段进行平均光强和干涉系数的计算，参考光纤7为内置的一段单模通信光纤8，通信光纤8的长度范围为20-100米，再根据计算出平均光强是否符合在预设的范围内进行判断，若计算出的平均光强的结果在预设范围内，则进行解调计算振动信号及定位信息，若计算结果不符合预设的范围，则计算机处理核心根据设定模式和参数调用控制驱动电路3，驱动电路3分别驱动窄线宽脉冲光源4、掺铒光纤放大器5和可调节放大电路10进行工作，从而使光源脉宽、掺铒光纤放大器5功率和放大电路档位进行放大或调整直至计算出的平均光强和干涉系数处于预设的范围内，接着对干涉系数是否符合在预设的范围内进行判断，若计算出的平均光强和干涉系数的结果在预设范围内，则进行解调计算振动信号及定位信息，若计算结果不符合预设的范围，则计算机处理核心根据设定模式和参数调用控制驱动电路3，驱动电路3分别驱动窄线宽脉冲光源4、掺铒光纤放大器5和可调节放大电路10进行工作，从而使光源脉宽、掺铒光纤放大器5功率和放大
电路档位进行放大或调整直至计算出的平均光强和干涉系数处于预设的范围内，接着进行解调计算振动信号及定位信息，将计算的振动信号和定位信息与预设的算法模型进行匹配，接着将对匹配对应的状态信息和报警信息进行输出显示。
[0049]
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。