分布式区域扰动监测装置及扰动监测方法

1.本发明涉及一种低成本分布式区域扰动监测技术及装置，用于各类敏感区域、设施与工程结构防破坏、扰动及周界安防。可实现各类敏感设施、关键区域、重要结构的入侵及破坏的长距离实时监测、特征与噪声识别、扰动定位，亦可实现各类结构加速度、动态形变、声波的长期在线分布监测。


背景技术：

2.在现有各类安防、防入侵及扰动监测技术中，光纤传感系统因其抗电磁串扰，耐久耐候性好，可长期在线监测等优势，得到广泛重视与快速发展。迄今为止，光纤传感扰动监测主要形成了两类代表性技术，一种是全分布式光纤传感系统如相敏型分布式光纤振动及声传感、干涉型光纤传感等，其能够实现全分布式传感及扰动定位，但其系统复杂，对光源参数要求较高且存在相干衰落、偏振变化等噪声影响；另一种是区域点式传感如白光干涉型光纤传感、偏振型传感等，虽然系统简单且成本低，但无法实现长距离分布式监测且无法实现对扰动精确定位。以上难题极大的困扰了光纤传感系统在长距离分布式、高信噪比、高精度定位扰动监测方面的工程应用。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是提供一种低成本分布式区域扰动监测装置，用于各类敏感区域、设施与工程结构防破坏、扰动及周界安防，能够实现对扰动分布进行定位以及对系统偏振噪声有效识别，系统结构简单、器件参数要求低、成本低、安装灵活方便、探测距离长、稳定性与耐久性好，可长期实时在线监测。
4.本发明的技术方案如下：一种分布式区域扰动监测装置，包括脉冲激光器、光纤分束器、第一光纤偏振分束器、第二光纤偏振分束器、传感光纤、平衡光电探测器、多通道数据采集单元、衰落噪声识别单元、扰动识别单元以及差分时延解析定位单元；所述脉冲激光器发出的激光脉冲进入光纤分束器后分为两路，分别通过第一光纤偏振分束器和第二光纤偏振分束器从所述传感光纤的两端进入传感光纤，这两路激光脉冲传播方向相反，在传感光纤传播后分别经过第一光纤偏振分束器和第二光纤偏振分束器进入所述平衡光电探测器；所述平衡光电探测器分别将两路光信号转化为两路激光脉冲强度电信号和一路相干光信号；所述多通道高速数据采集卡采集所述平衡光电探测器转化的三路电信号；衰落噪声识别单元对所述多通道高速数据采集卡采集的三路电信号中相干信号进行噪声识别，得到噪声信号；扰动识别单元接收所述多通道高速数据采集卡采集的三路强度电信号中另两路强度电信号和衰落噪声识别单元识别的噪声信号，得到扰动识别结果；所述差分时延解析单元对两路强度电信号进行差分时延解析，对扰动识别单元识别的扰动进行定位。
5.所述衰落噪声识别单元对所述多通道高速数据采集卡采集的相干电信号进行监测，通过对比相干信号与两路强度电信号之间扰动信号的一致性进行噪声识别，若两者间
扰动信号不一致即可识别得到噪声信号。
6.所述差分时延解析单元对两路强度电信号进行差分时延解析，通过探测分析两路信号扰动时间延迟量，对扰动识别单元识别的扰动进行定位，若两路信号时间延迟为δt，则扰动位置为（l-δt*v）/2，式中l为传感光纤长度，v为光在光纤中的传播速度。
7.本发明监测装置，可用于各类敏感区域、设施与工程结构防破坏、扰动及周界安防。本发明监测装置，利用传感光纤对透射光脉冲偏振态的强度及相位调制，通过偏振直接探测结合偏振相干，通过平衡相干信号探测与互相关性分析实现衰落噪声识别，在此基础上通过双路偏振光强探测结合差分时延解析方法实现对扰动探测与定位，最终实现长距离分布式传感与定位以及对扰动高信噪比、低偏差与低误报监测。
附图说明
8.图1是本发明的一种具体结构示意图。
9.图2是本发明扰动监测结果图。
具体实施方式
10.以下结合附图对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
11.本实施例提供一种分布式区域扰动监测装置，如图1所示，包括脉冲光源1、光纤分束器2、第一光纤偏振分束器3、第二光纤偏振分束器5、传感光纤4、平衡光电探测器6、多通道数据采集单元7、衰落噪声识别单元8、扰动识别单元8以及差分时延解析定位单元10；脉冲激光器1发出的激光脉冲进入光纤分束器2后分为两路，其中一路通过第一光纤偏振分束器3从传感光纤4的一端进入，另一路经第二光纤偏振分束器5从另一端进入传感光纤4。两路激光脉冲传播方向相反，在传感光纤传播后分别经过第一光纤偏振分束器3和第二光纤偏振分束器5进入平衡光电探测器6，平衡光电探测器6分别将两路光信号转化为两路激光脉冲强度电信号和一路相干电信号，通过多通道高速数据采集卡7同步采集三路信号，其中所采集相干信号进入噪声识别单元8后，经过分析得到的结果和两路强度电信号共同进入扰动识别单元9输入端经对扰动进行分析处理后，通过差分时延解析定位单元10对扰动进行定位后，将最终结果送至显示存储单元11。
12.脉冲激光器1发出的系列激光脉冲进入光纤分束器2后分为两路，其中一路通过第一光纤偏振分束器3后形成某一振动方向的透振光，并从传感光纤4的一端进入，另一路通过第二光纤偏振分束器5后形成另一振动方向的透振光，并从传感光纤4的另一端进入，两路激光脉冲在传感光纤4传播方向相反，初始透振方向垂直。当传感光纤4种某一点位置发生扰动后，两路激光脉冲经过该点后，受光纤微变形影响，其振动方向均会发生实时改变，且体现在相对于初始透振方向的振动分量发生相应改变，因此两路脉冲在经过传感光纤4后，分别通过在第一光纤偏振分束器3和第二光纤偏振分束器5的另一输出端口透射输出，且只有与初始透振方向相同的分量才能通过，因此通过平衡光电探测器6同时探测第一光纤偏振分束器3和第二光纤偏振分束器5所输出的两路透射光脉冲强度变化，即可得到对应外界扰动变化。由于激光脉冲本身偏振不稳定性，其也会造成两路透射光信号强度抖动，但光源偏振的变化会导致两路透射光信号产生相似波动变化规律且具有一定时间同步性，因此通过噪声识别单元8监测光电探测器6第三端口的两路脉冲光所形成相干混合输出信号
变化，即可对光源波动和外界扰动进行识别区分。在此基础上，通过扰动识别单元9通过对比两路透射信号强度变化规律，分析得到外界扰动时频特征，在此基础上，通过差分时延解析定位10对两路信号所测扰动时间差异性，如图2中，两路扰动信号间存在一定的时间延迟量，当扰动位置变化时，扰动信号延迟量也会相应变化，利用光电探测器探测并分析两路信号的时间变化，从而确定扰动位置。


技术特征：
1.一种分布式区域扰动监测装置，其特征在于：包括脉冲光源、光纤分束器、第一光纤偏振分束器、第二光纤偏振分束器、传感光纤、平衡光电探测器、多通道数据采集单元、衰落噪声识别单元、扰动识别单元以及差分时延解析定位单元；所述脉冲光源发出的脉冲光进入光纤分束器后分为两路，分别通过第一光纤偏振分束器和第二光纤偏振分束器从所述传感光纤的两端进入传感光纤；进入所述传感光纤的两路脉冲光在传感光纤传播后分别经过第一光纤偏振分束器和第二光纤偏振分束器进入所述平衡光电探测器；所述平衡光电探测器分别将两路光信号转化为三路强度电信号，分别是两路脉冲光所对应的两路强度信号，及两路光脉冲相干所形成的相干信号；所述多通道数据采集卡同步采集所述平衡光电探测器转化的三路电信号；衰落噪声识别单元对所述多通道高速数据采集卡采集的相干电信号进行噪声识别，得到噪声信号；扰动识别单元接收所述多通道高速数据采集卡采集的三路电信号中另两路强度电信号和衰落噪声识别单元识别的噪声信号，得到扰动识别结果；所述差分时延解析单元对两路强度电信号进行差分时延解析，对扰动识别单元识别的扰动进行定位。2.根据权利要求1所述的分布式区域扰动监测装置，其特征在于：衰落噪声识别单元对所述多通道高速数据采集卡采集的相干电信号进行监测，通过对比相干信号与两路强度电信号之间扰动信号的一致性进行噪声识别，若两者间扰动信号不一致即可识别得到噪声信号。3.根据权利要求1所述的分布式区域扰动监测装置，其特征在于：所述差分时延解析单元对两路强度电信号进行差分时延解析，通过探测分析两路信号扰动时间延迟量，对扰动识别单元识别的扰动进行定位，若两路信号时间延迟为δt，则扰动位置为（l-δt*v）/2，式中l为传感光纤长度，v为光在光纤中的传播速度。4.根据权利要求1所述的分布式区域扰动监测装置，其特征在于：分布式区域扰动监测装置还包括：显示存储单元，对所述差分时延解析单元确定的扰动定位结果进行显示和存储。5.根据权利要求1所述的分布式区域扰动监测装置，其特征在于：所述脉冲光源为脉冲激光器。6.一种分布式区域扰动监测方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一所述分布式区域扰动监测装置进行监测。

技术总结
本发明公开了一种分布式区域扰动监测装置及监测方法，监测装置包括脉冲光源、光纤分束器、第一光纤偏振分束器、第二光纤偏振分束器、传感光纤、平衡光电探测器、多通道数据采集单元、衰落噪声识别单元、扰动识别单元以及差分时延解析定位单元。本发明监测装置，利用传感光纤对透射光脉冲偏振态的强度及相位调制，通过偏振直接探测结合偏振相干，通过平衡相干信号探测与互相关性分析实现衰落噪声识别，在此基础上通过双路偏振光强探测结合差分时延解析方法实现对扰动探测与定位，最终实现长距离分布式传感与定位以及对扰动高信噪比、低偏差与低误报监测。差与低误报监测。差与低误报监测。


技术研发人员：孙安 李琦
受保护的技术使用者：西北大学
技术研发日：2022.06.09
技术公布日：2022/9/2