基于φ-OTDR光纤分布式扰动传感器的扰动判断方法和装置

摘要

本发明提供了一种基于

说明书

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感器技术领域，尤其涉及一种基于光纤 分布式扰动传感器的扰动判断方法和装置。

背景技术

随着物联网的迅速发展，传感技术已经成为目前重要的信息科学技术研 究领域热点之一。光纤传感技术是一种伴随光纤通信技术的进步而迅速发展 起来的新型传感技术，具有测量灵敏度高、电绝缘性好、耐腐蚀抗电磁干 扰、多餐量测量(扰动、温度、应力应变等)、本质安全以及传感光纤全天 候大范围监测的优势。

分布式光纤传感器，集传感与传输于一体，将单根光纤既作为光信号的 传输介质，又作为传感介质，传感距离通常可达数十公里甚至上百公里，可 实现连续测量光纤沿线的多种外部参量。分布式传感技术除了具有光纤传感 技术的优点外，还有容量大、分辨率高、监测距离长、容易构成智能传感网 络等不可替代的优越性，已被广泛应用于国防军事民生等领域，如边境线、 航空航天、测试计量、能源环保、电力线路、医药卫生、大型基础设施(油 气管道、桥梁建筑等)结构健康。

光纤分布式扰动传感器能够对传感光纤上任意一点扰动进行探测和定 位，凭借其监测距离长、可连续定位以及无需外场供电等重要技术优势，广 泛应用于周界安防、油气管线预警、通信线路监测以及大型结构监测。

传统OTDR(Optical Time Domain Reflectometry，光时域反射计)主要 用来监控光纤通讯线路中的损耗和断点，具有集通信与传感功能于一体、监 测距离长无需复杂施工和外场供电硬件成本低等优点，对于信息安全有重要 意义。OTDR的基本原理如图1所示，将大功率的光脉冲注入到传感光纤中，并 在光脉冲的入射端监测沿着光纤轴向返回的后向瑞利散射光波的强度。后向 瑞利散射的光强和散射点的入射光功率成正比关系，同时和散射点光纤的物 理状态有关，因此通过监测沿着光纤轴向返回的后向瑞利散射光强就可以获 得光波沿着传感光纤的传输损耗情况，从而得到待测物理量沿着传感光纤长 度z的分布，以及待测物理量随着时间t的变化。

由于后向瑞利散射光波的光强非常地微弱，为了提高系统的灵敏度通常 需要对后向瑞利散射光强进行多次的平均，在平均过程中，光纤的状态需要 保持不变以确保测量精度。

上述传统OTDR的缺点为：只能够探测到光强的变化，只能检测静态的引 起光功率较大损耗的应力作用位置。基于传统OTDR的光纤分布式扰动传感器 的待测物理量为时变信号，所以基于传统OTDR的分布式扰动传感器不适用于 频率较高的扰动传感，限制了它在实际中的应用。并且，仅从时域难以实现 合理设置报警阈值的最优化，导致误报漏报行为经常发生。此外，基于传统 OTDR的分布式光纤扰动传感仅限于对光纤通讯网络中光纤链路的损耗和缺陷 进行探测，属于低灵敏度传感，而不能对一些外界扰动信息(如温度、扰 动)进行高灵敏度、高精度传感探测，实现真正意义上的分布式光纤传感技 术。

发明内容

本发明的实施例提供了一种基于光纤分布式扰动传感器的扰动判 断方法和装置，以实现提高基于光纤分布式扰动传感器的扰动报警的 准确率。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于光纤分布式扰动传感器 的扰动判断方法，包括：

光电探测器接收基于光纤分布式扰动传感器的传感光纤产生的后 向瑞利散射光，将第一探测时刻、第二探测时刻的后向瑞利散射光的光强之 间的差值和设定的时域判断阈值进行比较，得到时域扰动判断结果；

根据所述第一探测时刻的第N防区和第N+1防区的后向瑞利散射光的光 强、所述第二探测时刻的第N防区和第N+1防区的后向瑞利散射光的光强和设 定的空间阈判断阈值，得到空间阈扰动判断结果；

综合所述时域扰动判断结果、空间阈扰动判断结果空间阈，得到所述基 于光纤分布式扰动传感器的扰动判断结果。

优选地，所述的光电探测器接收基于光纤分布式扰动传感器的传 感光纤产生的后向瑞利散射光之前，还包括：

所述基于光纤分布式扰动传感器的空间分辨率Δz的计算公式如 下：

Δz＝cT_P/2n

所述T_P为窄线宽脉冲激光器的注入脉冲的宽度，所述c为光速，所述n为传 感光纤群折射率；

所述基于光纤分布式扰动传感器的防区的数量N的计算公式为：

N＝[L/Δz]+1个防区

所述L为所述基于光纤分布式扰动传感器的安防周界。

优选地，所述的光电探测器接收基于光纤分布式扰动传感器的传 感光纤产生的后向瑞利散射光之前，还包括：

在无扰动发生的静态条件下，设置所述基于光纤分布式扰动传感 器的时域判断阈值和空间阈判断阈值。

优选地，所述的光电探测器接收基于光纤分布式扰动传感器的传 感光纤产生的后向瑞利散射光，将第一探测时刻、第二探测时刻的后向瑞利 散射光的光强之间的差值和设定的时域判断阈值进行比较，得到时域扰动判 断结果，包括：

窄线宽脉冲激光器输出的连续光被声光调制器转换成脉冲光，用掺铒光 纤放大器对脉冲光的功率进行放大，再通过环形器将功率放大后的脉冲光注 入到传感光纤中；

将光电探测器和计算机、所述环形器连接，所述传感光纤产生的后向瑞 利散射光经所述环形器被所述光电探测器接收，所述光电探测器将接收到的 后向瑞利散射光传输给所述计算机；

所述计算机计算出所述第一探测时刻、第二探测时刻的后向瑞利散射光 的光强之间的差值ΔI＝|I_t2-I_t1|，将所述ΔI与设定的时域判断阈值I_th进行比 较，当ΔI≥I_th，则确定时域扰动判断结果为有扰动；当ΔI<I_th，则确定时域 扰动判断结果为没有扰动。

优选地，根据所述第一探测时刻的第N防区和第N+1防区的后向瑞利散射 光的光强、所述第二探测时刻的第N防区和第N+1防区的后向瑞利散射光的光 强和设定的空间阈判断阈值，得到空间阈扰动判断结果，包括：

所述光电探测器将接收到的后向瑞利散射光传输给所述计算机，所述计 算机计算出所述第一探测时刻的第N防区的后向瑞利散射光的光强I^t1_N、第N+1 防区光强I^t1_N+1，所述第二探测时刻的第N防区的后向瑞利散射光的光强I^t2_N、第 N+1防区光强I^t2_N+1，并计算ΔI’＝||I^t2_N+1-I^t2_N|-|I^t1_N+1-I^t1_N||；

所述计算机将所述ΔI’与设定的空间域判断阈值I’_th进行比较，当 ΔI’≥I’_th，则确定空间域扰动判断结果为有扰动；当ΔI’<I’_th，则确定空 间域扰动判断结果为没有扰动。

优选地，所述的综合所述时域扰动判断结果、空间阈扰动判断结果空间 阈，得到所述基于光纤分布式扰动传感器的扰动判断结果，包括：

当所述时域扰动判断结果为没有扰动、所述空间域扰动判断结果为没有 扰动，则确定所述基于光纤分布式扰动传感器没有扰动；

当所述时域扰动判断结果为有扰动或者所述空间域扰动判断结果为有扰 动，则确定所述基于光纤分布式扰动传感器有扰动。

根据本发明的另一方面，提供了一种基于光纤分布式扰动传感器 的扰动判断装置，包括：光电探测器，计算机；

所述的光电探测器，用于和所述计算机、环形器连接，通过所述环形器 接收所述环形器传感光纤产生的后向瑞利散射光，将接收到的后向瑞利散射 光传输给所述计算机；

所述的计算机，用于将第一探测时刻、第二探测时刻的后向瑞利散射光 的光强之间的差值和设定的时域判断阈值进行比较，得到时域扰动判断结 果；

根据所述第一探测时刻的第N防区和第N+1防区的后向瑞利散射光的光 强、所述第二探测时刻的第N防区和第N+1防区的后向瑞利散射光的光强和设 定的空间阈判断阈值，得到空间阈扰动判断结果；

综合所述时域扰动判断结果、空间阈扰动判断结果空间阈，得到所述基 于光纤分布式扰动传感器的扰动判断结果。

优选地，所述的计算机，用于计算出所述第一探测时刻、第二探测时刻 的后向瑞利散射光的光强之间的差值ΔI＝|I_t2-I_t1|，将所述ΔI与设定的时域 判断阈值I_th进行比较，当ΔI≥I_th，则确定时域扰动判断结果为有扰动；当 ΔI<I_th，则确定时域扰动判断结果为没有扰动；

计算出所述第一探测时刻的第N防区的后向瑞利散射光的光强I^t1_N、第N+1 防区光强I^t1_N+1，所述第二探测时刻的第N防区的后向瑞利散射光的光强I^t2_N、第 N+1防区光强I^t2_N+1，并计算ΔI’＝||I^t2_N+1-I^t2_N|-|I^t1_N+1-I^t1_N||；

将所述ΔI’与设定的空间域判断阈值I’_th进行比较，当ΔI’≥I’_th，则确 定空间域扰动判断结果为有扰动；当ΔI’<I’_th，则确定空间域扰动判断结果 为没有扰动。

优选地，所述的计算机，用于当所述时域扰动判断结果为没有扰动、所 述空间域扰动判断结果为没有扰动，则确定所述基于光纤分布式扰动 传感器没有扰动；

当所述时域扰动判断结果为有扰动或者所述空间域扰动判断结果为有扰 动，则确定所述基于光纤分布式扰动传感器有扰动。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过以 Δz长度为防区单元，划分安防周界为不同的防区，通过使用单点前后时刻光 强差判断和防区空间域差分判断相结合的定位方法，分别在时域和空间域两 维设置报警阈值，提取扰动信息，可以在保证定位精度的同时(定位分辨率 与现有方案相同)，降低现有方案的漏报率，提高了扰动报 警的准确率和稳定性，并能对扰动进行准确定位。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的 描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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性的 前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的OTDR的基本原理示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于光纤分布式扰动传感器的扰 动判断方法的实现原理示意图；

图3为本发明实施例提供的一种安防周界L划分为多个放区的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种光纤分布式扰动传感器的扰动定 位算法流程示意图；

图5为本发明实施例提供的一种现有定位方法数据处理结果示意 图；

图6为本发明实施例提供的一种定位方法空间域差分处理结果 图；

图7为本发明实施例提供的一种基于光纤分布式扰动传感器的扰 动判断装置的具体结构图，包括，基于光纤分布式扰动传感器71，光 电探测器72，计算机73。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出， 其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功 能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发 明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式 “一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解 的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步 骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、 整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被 “连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或 者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无 线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项 的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语 (包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一 般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该 被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一 样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例 做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

本发明实施例在不增加光路器件的情况下，充分利用已有的光路器件， 分别在时域和空间域合理设置报警阈值，并在时域和空间域同时进行扰动判 断，实现同时降低方案光纤分布式扰动传感器误报率和漏报率。

该实施例提供了一种基于光纤分布式扰动传感器的扰动判断方法 的实现原理示意图如图2所示，在基于光纤分布式扰动传感器中，窄 线宽激光器输出的连续光被声光调制器转换成脉冲光，然后用掺铒光纤放大 器对脉冲光的功率进行放大，再通过环形器将功率放大后的脉冲光注入到传 感光纤中。

将PD(光电探测器，Photo-Detector)和计算机、所述环形器连接，PD 和计算机、环形器采用光纤连接。

所述传感光纤产生的后向瑞利散射光经所述环形器被所述光电探测器实 时接收，所述光电探测器将接收到的后向瑞利散射光传输给所述计算机处 理。与传统的OTDR相比，中采用窄线宽脉冲激光器作为传感器光源， 光源相干时间大于输出光脉冲宽度。当扰动作用在传感光纤上时，由于弹光 效应，光纤上相应位置的折射率将发生变化，并导致后向瑞利散射光波的相 位被调制。由于干涉作用，相位的变化将导致后向散射相干光强的变化。通 过检测扰动引起后向瑞利散射光波干涉光强在扰动作用下的突变，可以实现 扰动的探测和定位。

在本发明实施例中，空间分辨率Δz的计算公式如下：Δz＝cT_P/2n，T_P为 窄线宽脉冲激光器的注入脉冲的宽度，c为光速，n为传感光纤群折射率，

本领域技术人员应能理解上述空间分辨率Δz的计算公式仅为举例，其他 现有的或今后可能出现的空间分辨率Δz的计算公式如可适用于本发明实施 例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。

本发明实施例将安防周界L划分为多个放区的示意图如图3所示，以空间 分辨率Δz为单位长度，划分基于光纤分布式扰动传感器的安防周界 L，防区的数量N的计算公式为：N＝[L/Δz]+1

本领域技术人员应能理解上述防区的数量N的计算公式仅为举例，其他现 有的或今后可能出现的防区的数量N的计算公式如可适用于本发明实施例，也 应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。

当外界没有发生入侵行为时，即在静态条件下，光纤分布式扰动 传感器的曲线稳定不变，预先设置基于光纤分布式扰动传感器的时域 判断阈值和空间阈判断阈值。

当外界没有发生入侵行为时，曲线稳定不变。当传感光纤上有入 侵事件发生时，曲线在对应位置将发生剧烈波动。

本发明实施例提供的一种光纤分布式扰动传感器的扰动定位算法 流程示意图如图4所示，具体处理过程包括：光电探测器将接收到的后向瑞利 散射光传输给计算机，计算机得到第一探测时刻的后向瑞利散射光的光强 I_t1，第二探测时刻的后向瑞利散射光的光强，计算出第一探测时刻、第二探 测时刻的后向瑞利散射光的光强之间的差值ΔI＝|I_t2-I_t1|，将所述ΔI与设定 的时域判断阈值I_th进行比较，当ΔI≥I_th，则确定时域扰动判断结果为有扰 动；当ΔI<I_th，则确定时域扰动判断结果为没有扰动。

计算机还计算出所述第一探测时刻的第N防区的后向瑞利散射光的光强 I^t1_N、第N+1防区光强I^t1_N+1，所述第二探测时刻的第N防区的后向瑞利散射光的 光强I^t2_N、第N+1防区光强I^t2_N+1，并计算ΔI’＝||I^t2_N+1-I^t2_N|-|I^t1_N+1-I^t1_N||；

计算机将ΔI’与设定的空间域判断阈值I’_th进行比较，当ΔI’≥I’_th，则 确定空间域扰动判断结果为有扰动；当ΔI’<I’_th，则确定空间域扰动判断结 果为没有扰动。

然后，计算机综合时域扰动判断结果、空间阈扰动判断结果空间阈，得 到所述基于光纤分布式扰动传感器的扰动判断结果。当所述时域扰动 判断结果为没有扰动、所述空间域扰动判断结果为没有扰动，则确定所述基 于光纤分布式扰动传感器没有扰动；当所述时域扰动判断结果为有扰 动或者所述空间域扰动判断结果为有扰动，则确定所述基于光纤分布 式扰动传感器有扰动。从而实现对入侵事件进行报警，光强变化的时刻与扰 动的位置相对应，从而可以准确得到扰动发生的位置信息。为了减少环境噪 声的影响，降低误报率，通常设定较高阈值从而达到精确报警的目的。

实施例二

本发明实施例中的光纤分布式扰动传感器中的激光光源采用窄线 宽半导体激光器，输出中心波长为1550nm，线宽为10kHz的连续激光，经声光 调制器(AOM)调制为脉冲光，脉冲宽度约为486ns，即空间分辨率Δz＝25m， 输出峰值功率为10mW，重复频率为1kHz，光纤长度25km，共1000个防区， 采集卡采样频率4MHz。

通过静态条件下(无扰动发生时)预先设定报警阈值，PD采集干涉光光 强信号后，通过采集卡进行AD转换，将数字信号输入至计算机进行处理。本 发明实施例提供的一种现有定位方法数据处理结果示意图如图5所 述，输出信号采用直接平均进行处理，33个周期平均后的差值如图5 所示，其中，扰动位于第36防区0.889km处。从图5所示结果中，扰动位置防 区数N＝36处的单点前后时刻光强差小于报警阈值，现有定位方法并不 能完全有效地报警，会造成漏报。

本发明实施例提供的一种定位方法空间域差分处理结果图如图6 所示，空间域差分通过防区前向差分ΔI’＝||I_N+1-I_N|-|I_n+1-I_n||得到对应位置 的光功率，在第36防区处，光功率高于预先设定的阈值，可以有效地准确报 警扰动，并对扰动进行定位。

实施例三

本发明实施例还提供了一种基于光纤分布式扰动传感器的扰动判 断装置，其具体结构如图7所示，包括：基于光纤分布式扰动传感器 71，光电探测器72，计算机73；

所述的光电探测器72，用于和所述计算机、所述基于光纤分布式 扰动传感器71中的环形器连接，通过所述环形器接收所述环形器传感光纤产 生的后向瑞利散射光，将接收到的后向瑞利散射光传输给所述计算机；

所述的计算机73，用于将第一探测时刻、第二探测时刻的后向瑞利散射 光的光强之间的差值和设定的时域判断阈值进行比较，得到时域扰动判断结 果；

根据所述第一探测时刻的第N防区和第N+1防区的后向瑞利散射光的光 强、所述第二探测时刻的第N防区和第N+1防区的后向瑞利散射光的光强和设 定的空间阈判断阈值，得到空间阈扰动判断结果；

综合所述时域扰动判断结果、空间阈扰动判断结果空间阈，得到所述基 于光纤分布式扰动传感器的扰动判断结果。

进一步地，所述的计算机73，用于计算出所述第一探测时刻、第二探测 时刻的后向瑞利散射光的光强之间的差值ΔI＝|I_t2-I_t1|，将所述ΔI与设定的 时域判断阈值I_th进行比较，当ΔI≥I_th，则确定时域扰动判断结果为有扰动； 当ΔI<I_th，则确定时域扰动判断结果为没有扰动；

计算出所述第一探测时刻的第N防区的后向瑞利散射光的光强I^t1_N、第N+1 防区光强I^t1_N+1，所述第二探测时刻的第N防区的后向瑞利散射光的光强I^t2_N、第 N+1防区光强I^t2_N+1，并计算ΔI’＝||I^t2_N+1-I^t2_N|-|I^t1_N+1-I^t1_N||；

将所述ΔI’与设定的空间域判断阈值I’_th进行比较，当ΔI’≥I’_th，则确 定空间域扰动判断结果为有扰动；当ΔI’<I’_th，则确定空间域扰动判断结果 为没有扰动。

进一步地，所述的计算机73，用于当所述时域扰动判断结果为没有扰 动、所述空间域扰动判断结果为没有扰动，则确定所述基于光纤分布 式扰动传感器没有扰动；

当所述时域扰动判断结果为有扰动或者所述空间域扰动判断结果为有扰 动，则确定所述基于光纤分布式扰动传感器有扰动。

用本发明实施例的装置进行基于光纤分布式扰动传感器的扰动判 断的具体过程与前述方法实施例类似，此处不再赘述。

综上所述，本发明实施例通过以Δz长度为防区单元，划分安防周界为不 同的防区，通过使用单点前后时刻光强差判断和防区空间域差分判断相结合 的定位方法，分别在时域和空间域两维设置报警阈值，提取扰动信息，可以 在保证定位精度的同时(定位分辨率与现有方案相同)，降低现有 方案的漏报率，提高了扰动报警的准确率和稳定性，并能对扰动进行 准确定位。

本发明实施例有效解决了现有光纤入侵传感器设置高阈值减少环 境噪声导致的误报现象时，后向瑞利散射光偏振衰落导致的漏报问题，方法 简单易行，准确率高，稳定性好。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中 的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到 本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解， 本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品 的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁 碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机， 服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所 述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同 相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同 之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例， 所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描 述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元 可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可 以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元 上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案 的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并 实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可 轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明 的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。