基于光纖傳感的聲波監控系統的制作方法

本發明涉及聲波監控領域，特別涉及基于光纖傳感的聲波監控系統。

背景技術：

隨著光纖傳感技術的發展，可以通過光纖測量的物理量逐漸增多，如振動、溫度、位移等。其中光纖振動傳感技術越來越被重視，以光纖測振動為基礎的產品市場廣闊，包括光纖周界防范系統，基于光纖振動的邊境線安全防范系統，用于管道輸送光纖振動監測系統等。而在使用現有的聲波監控技術的過程中發現聲波監控的靈敏度低，監控距離短，范圍小，且抗干擾能力低。

現有的聲波監控技術一般有基于mz干涉儀的光纖振動傳感技術、光纖光柵振動監測系統和各種光纖干涉系統等。其中，基于mz干涉儀的光纖振動傳感技術可以對聲波信號進行有效的拾取，但是具有以下缺點：(1)由于mz干涉儀結構復雜，在使用時需要在傳感光路的兩端分別增加耦合器；(2)在使用的過程中需要三根光纖來組成干涉儀，因此對光纖資源要求比較高，從而造成成本高；(3)mz干涉儀對多點同時監控能力弱，不同位置的信號還會相互影響，從而難以進行區分。

而光纖光柵振動監測系統也可以對振動信號進行感知，其技術缺點是(1)該監測系統對低頻信號響應較好，但是對中高頻信號響應很弱；(2)該監測系統需要在光路上添加光纖光柵光器件，由此額外增加了生產成本；(3)由于光纖光柵光器件對溫度變化較為敏感，因此溫度變化可能導致光纖光柵光器件對振動信號的靈敏度產生較大變化，從而導致該監測系統的靈敏度也發生很大變化。

在現有技術中還另有各種光纖干涉系統可以對聲波信號進行拾取，而這類光纖干涉系統通常需要在傳感光路外加入外差探測光路，增加成本的同時使得系統結構極其復雜。

技術實現要素：

為了解決現有技術中存在的上述問題和缺陷的至少一個方面，本發明提供了一種基于光纖傳感的聲波監控系統。所述技術方案如下：

本發明的一個目的是提供了一種基于光纖傳感的聲波監控系統。

根據本發明的一個方面，提供了一種基于光纖傳感的聲波監控系統，所述聲波監控系統包括監控主機，還包括用于監控聲波的全光網絡，用于控制所述全光網絡的監控主機和全光網絡彼此連接，所述全光網絡包括彼此串聯的多個光纖傳感探頭，所述多個光纖傳感探頭分別布置在各個進行聲波監控的區域內，且所述多個光纖傳感探頭中的每一個光纖傳感探頭均包括至少一個光纖傳感探頭模塊。

進一步地，所述多個光纖傳感探頭包括用于提取噪聲樣本的至少一個除噪光纖傳感探頭和用于聲波監控的至少一個聲波光纖傳感探頭，所述至少一個除噪光纖傳感探頭中所有的除噪光纖傳感探頭均布置在所述噪聲源區域內，所述至少一個聲波光纖傳感探頭中所有的聲波光纖傳感探頭均設置在所述各個進行聲波監控的區域內。

具體地，所述各個進行聲波監控的區域均串聯有所述至少一個除噪光纖傳感探頭。

進一步地，所述多個光纖傳感探頭中相鄰的光纖傳感探頭彼此間隔一距離設置。

具體地，所述各個進行聲波監控的區域中不同的聲波監控區域之間通過所述光纖傳感探頭的彼此串聯以實現連接。

具體地，所述至少一個光纖傳感探頭模塊中的每一個光纖傳感探頭模塊包括彈性圓柱體和多匝光纖，所述多匝光纖均纏繞在所述彈性圓柱體上。

進一步地，所述至少一個光纖傳感探頭模塊為彼此串聯的多個光纖傳感探頭模塊，所述多個光纖傳感探頭模塊中相鄰的光纖傳感探頭模塊彼此通過光纖連接器連接或者彼此熔接連接。

進一步地，所述多個光纖傳感探頭中相鄰的光纖傳感探頭彼此通過傳輸光纖連接。

進一步地，所述多個光纖傳感探頭中至少一對相鄰的光纖傳感探頭之間設置有中繼放大模塊。

進一步地，所述多個光纖傳感探頭在彼此串聯之后通過所述傳輸光纖與所述監控主機連接。

進一步地，所述監控主機為基于瑞利干涉技術的光纖振動傳感系統。

進一步地，所述監控主機對所述多個光纖傳感探頭所傳輸的信號進行平均降噪處理。

進一步地，所述監控主機控制一個或者多個所述光纖傳感探頭開啟或者關閉。

具體地，所述監控主機通過將信號強度乘以1以啟動所述多個光纖傳感探頭中的至少一個光纖傳感探頭，

所述監控主機通過將信號強度乘以0以停止所述多個光纖傳感探頭中的至少一個光纖傳感探頭。

進一步地，所述監控主機的光纖長度分辨率小于1米。

具體地，所述監控主機包括噪聲監控模塊，所述噪聲監控模塊控制所有的除噪光纖傳感探頭采集噪聲信號。

本發明提供的技術方案的有益效果是：

(1)本發明提供的基于光纖傳感的聲波監控系統為一種基于光纖傳感的分區域聲波監控系統，能夠利用光纖感知振動的原理進行聲波的采集、處理、存儲和分析；

(2)本發明提供的基于光纖傳感的聲波監控系統在需要聲波監控的各個區域內分別布設光纖傳感探頭，且相鄰的光纖傳感探頭之間采用傳輸光纖連接，使得在監控主機處可以對各個區域的聲音進行監控；

(3)本發明提供的基于光纖傳感的聲波監控系統主要用于探測一根光纖上的振動點的位置，并且可以對振動點進行精確地定位，并且各個點之間沒有相互干擾；

(4)本發明提供的基于光纖傳感的聲波監控系統的優勢在于傳感網絡為全光網絡，使得隱蔽性強，且難以探測，同時光纖傳感探頭靈敏度高，且動態范圍大；

(5)本發明提供的基于光纖傳感的聲波監控系統通過對光纖傳感探頭中光纖長度的調節，可以在較大范圍內調節光纖傳感探頭的靈敏度，并通過監控主機處的特殊處理，可以任意啟用或者停止特定數目的光纖傳感探頭；

(6)本發明提供的基于光纖傳感的聲波監控系統以一根普通的通信光纖作為傳感器，安裝簡單，信號抗干擾能力強，且對溫度變化不敏感。

附圖說明

圖1是根據本發明的一個實施例的基于光纖傳感的聲波監控系統的結構示意圖；

圖2是在同一個聲波監控區域中設置多個聲波光纖傳感探頭的結構示意圖；

圖3是圖1所示的設置有中繼放大模塊的基于光纖傳感的聲波監控系統的結構示意圖；

圖4是圖1所示的光纖傳感探頭的結構示意圖；

圖5是圖4所示的設置有光纖連接器的光纖光纖傳感探頭模塊的結構示意圖；

圖6是圖4所示的光纖傳感探頭模塊平均降噪的原理示意圖；

圖7是圖1所示的監控主機啟動和停止相應的光纖傳感探頭的示意圖。

其中，100基于光纖傳感的聲波監控系統，10監控主機，20全光網絡，21光纖傳感探頭，211光纖傳感探頭模塊，212彈性圓柱體，213多匝光纖，214光纖連接器，22傳輸光纖，23中繼放大模塊，25除噪光纖傳感探頭，26聲波光纖傳感探頭，261第一聲波光纖傳感探頭，262第二聲波光纖傳感探頭，263第三聲波光纖傳感探頭，264第四聲波光纖傳感探頭，265第五聲波光纖傳感探頭。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述。

參見圖1，其示出了根據本發明的一個實施例的基于光纖傳感的聲波監控系統100。聲波監控系統100包括用于監控聲波的全光網絡20和用于控制全光網絡20的監控主機10，且監控主機10和全光網絡20彼此連接。全光網絡20包括彼此串聯的多個光纖傳感探頭21，多個光纖傳感探頭21分別布置在各個進行聲波監控的區域內，且多個光纖傳感探頭21中的每一個光纖傳感探頭21均包括至少一個光纖傳感探頭模塊211。

在本發明的一個示例中，監控主機10為基于相干瑞利干涉技術的高光纖長度分辨率的光纖振動傳感系統經過特殊信號處理而成。采用該高光纖長度分辨率的光纖振動傳感系統可以更加細分光纖的傳感單元，在同樣的光纖長度上相當于增加了傳感器的個數。監控主機10控制一個或者多個光纖傳感探頭21進行單獨開啟或者關閉。在本發明的另一示例中，由于在聲波監控系統100中設計全光網絡20，使得整個聲波監控系統100的隱蔽性強，難以探測且抗電流干擾能力強。在全光網絡20中，多個光纖傳感探頭21中相鄰的光纖傳感探頭21彼此間隔一距離(例如幾米至幾十公里均可)設置，且每一個光纖傳感探頭21負責一個聲波監控區域。

在本發明的還一示例中，監控主機10的光纖長度分辨率小于1米，即每個傳感單位長度小于1米。而且光纖長度分辨率上的每個傳感單位相互之間彼此獨立，相互之間沒有信號干擾，這樣使得監控主機10對多個光纖傳感探頭21所傳輸的信號能夠進行獨立處理。

參見圖2，多個光纖傳感探頭中相鄰的光纖傳感探頭彼此間隔一距離設置。具體地，多個光纖傳感探頭21包括彼此間隔設置的用于提取噪聲樣本的至少一個除噪光纖傳感探頭25和用于聲波監控的至少一個聲波光纖傳感探頭26。至少一個除噪光纖傳感探頭25中所有的除噪光纖傳感探頭25均布置在噪聲源區域內，至少一個聲波光纖傳感探頭26中所有的聲波光纖傳感探頭26均設置在各個進行聲波監控的區域內，且各個進行聲波監控的區域均串聯有至少一個除噪光纖傳感探頭25。由于除噪光纖傳感探頭25均設置在噪聲源附近，因此該除噪光纖傳感探頭25所采集到的聲音信號以噪聲為主，由此監控主機10能夠以除噪光纖傳感探頭25所采集到的聲音信號為噪聲樣本，對聲波監控信號進行噪聲去除。

具體地，監控主機10中的噪聲監控模塊(未示出)控制所有的除噪光纖傳感探頭25采集噪聲信號。即首先在使用前，在噪聲監控模塊中輸入所有的除噪光纖傳感探頭分別與監控主機10之間的距離，之后噪聲監控模塊根據所輸入的距離將相應的除噪光纖傳感探頭所采集的信號定義為噪聲信號。例如布設在噪聲源a附近的除噪光纖傳感探頭與監控主機10之間的距離是10.5km-10.7km，那么將該數據在使用前輸入至噪聲監控模塊中，之后噪聲監控模塊則定義該區域所采集到的信號為噪聲信號。本示例僅是一種說明性示例，本領域技術人員 不應當理解為對本發明的一種限制。

在使用時，各個進行聲波監控的區域中不同的聲波監控區域之間通過光纖傳感探頭的彼此串聯以實現連接。例如彼此連接的聲波監控區域之間可以通過設置在不同聲波監控區域的除噪光纖傳感探頭25與聲波光纖傳感探頭26彼此串聯實現連接，也可以通過分別設置在不同聲波監控區域的兩個除噪光纖傳感探頭25彼此串聯以實現連接，還可以通過分別設置在不同聲波監控區域的兩個聲波光纖傳感探頭26彼此串聯以實現連接。本領域技術人員可以明白本示例僅是一種說明性示例，不應當理解為對本發明的一種限制。

如圖2所示，在需要進行聲波監控的某室內(即進行聲波監控的區域內)依次串聯有至少一個聲波光纖傳感探頭26中的第一聲波光纖傳感探頭261、第二聲波光纖傳感探頭262、第三聲波光纖傳感探頭263、第四聲波光纖傳感探頭264和第五聲波光纖傳感探頭265，其中第一聲波光纖傳感探頭261的兩端分別與監控主機10和第二聲波光纖傳感探頭262串聯。之后在該室外設置有用于提取室外噪聲的除噪光纖傳感探頭25，該除噪光纖傳感探頭25與第五聲波光纖傳感探頭265串聯。本領域技術人員可以明白，在該聲波監控區域內可以設置1個、2個或者更多個聲波光纖傳感探頭26，也可以在室外設置1個、3個或者更多個除噪光纖傳感探頭25，還可以在室內的噪聲源附近設置1個、5個或者更多個除噪光纖傳感探頭25，本示例僅是一種說明性示例不應當理解為對本發明的一種限制。

繼續參見圖2，第一至第五聲波光纖傳感探頭261-265分別設置在該進行聲波監控的區域的不同位置處，而除噪光纖傳感探頭25設置在室外時為環境噪聲消除探頭，當室外存在持續噪聲時，例如由于風、雨和/或過車等所產生的噪聲，被除噪光纖傳感探頭25采集并提取為噪聲信號樣本，之后將該噪聲信號樣本傳送至監控主機10，之后監控主機10對第一至第五聲波光纖傳感探頭主動進行噪聲消除。

在本發明的一個示例中，在不同的聲波監控區域中可以分別設置一個或者多個光纖傳感探頭21。也就是說，不同的聲波監控區域可以設置數量相同的光纖傳感探頭21，例如在多個聲波監控區域均可以只設置1個(例如圖2所示)或者更多個光纖傳感探頭21，也可以設置不同數量的光纖傳感探頭21，例如一部分聲波監控區域僅設置1個光纖傳感探頭21、另一部分聲波監控區域設置3 個光纖傳感探頭21，剩余的聲波監控區域設置6個光纖傳感探頭21，本示例僅是一種說明性示例，本領域技術人員可以根據需要進行相應的調整。

如圖1所示，四個聲波光纖傳感探頭26分別對i聲波監控區域、ii聲波監控區域、iii聲波監控區域和iv聲波監控區域進行聲波監控，其中除噪光纖傳感探頭25未示出。本領域技術人員可以明白，除噪光纖傳感探頭25的設定位置根據噪聲源的位置而確定，例如當噪聲源的位置處于聲波監控區域外時，可將除噪光纖傳感探頭25設置在聲波監控區域外；當噪聲源的位置處于聲波監控區域內時，可將除噪光纖傳感探頭25設置在聲波監控區域內；而當聲波監控區域外和聲波監控區域內均有噪聲源時，可分別在聲波監控區域的內外均設置除噪光纖傳感探頭25。本領域技術人員還可以明白，除噪光纖傳感探頭25和聲波光纖傳感探頭26的數量可以根據需要分別進行相應的調整，可以設置為1個、3個或者更多個，本示例僅是一種說明性示例，不應當理解為對本發明的一種限制，優選地1個聲波光纖傳感探頭26對應1個聲波監控區域，當然本領域技術人員可以根據需要使1個聲波監控區域中設計2個、4個或者更多個聲波光纖傳感探頭。

繼續參見圖1，多個光纖傳感探頭21中相鄰的光纖傳感探頭彼此通過傳輸光纖22連接，即傳輸光纖22負責將監控主機10與彼此串聯在一起的光纖傳感探頭21進行連接或者負責光纖傳感探頭21之間的連接。也就是說，傳輸光纖22負責監控主機10與光纖傳感探頭21(除噪光纖傳感探頭25或者聲波光纖傳感探頭26)連接，和/或負責除噪光纖傳感探頭25與除噪光纖傳感探頭25之間、除噪光纖傳感探頭25與聲波光纖傳感探頭26之間以及聲波光纖傳感探頭26與聲波光纖傳感探頭26之間連接。通過這樣的設計，使得在進行聲波監控的過程中，可以利用光纖感知振動的原理對聲波進行采集、處理、存儲和分析，在聲波監控系統100中所有的光纖傳感探頭21均為對聲音振動敏感的部分，而傳感光纖22通過監控主機10處理后為對聲音振動不敏感的部分。

參見圖3，由于監控區域之間的距離可以是幾米到幾十公里，使得相鄰的光纖傳感探頭21之間的距離也可以是幾米到幾十公里。當監控區域過多或者監控區域之間距離太長時，可以利用在相鄰的光纖傳感探頭21之間設計一個或者多個中繼放大模塊23進行中繼放大，即在相鄰的光纖傳感探頭21之間設計edfa放大模塊。也就是說，可以在除噪光纖傳感探頭25與除噪光纖傳感探頭25之 間、除噪光纖傳感探頭25與聲波光纖傳感探頭26之間和/或聲波光纖傳感探頭26與聲波光纖傳感探頭26之間設計中繼放大模塊23(例如edfa放大模塊)對所傳輸的信號進行中繼放大。當然也可以在一對相鄰的光纖傳感器21之間設計中繼放大模塊23，還可以在多對相鄰的光纖傳感探頭21之間設計中繼放大模塊23，例如可以在2對、5對或者更多對之間設計一個或者多個(例如2個、4個或者更多個)中繼放大模塊23。

如圖4所示，多個光纖傳感探頭21中的每一個光纖傳感探頭均包括至少一個光纖傳感探頭模塊211，即除噪光纖傳感探頭25和聲波光纖傳感探頭26均包括至少一個光纖傳感探頭模塊211。除噪光纖傳感探頭25和聲波光纖傳感探頭26中的至少一個光纖傳感探頭模塊211中的每一個光纖傳感探頭模塊211包括彈性圓柱體212和多匝光纖213，多匝光纖213密集纏繞在彈性圓柱體212上，由此構成了光纖傳感探頭21，這樣的設計相當于通過探測一根光纖上的振動點的位置，從而實現對振動點的精確地定位，并且還能避免各個振動點之間的相互干擾。

由此可以看出，本發明的基于光纖傳感的聲波監控系統100為利用一根普通的通信光纖即可作為聲波傳感器，使得傳輸信號和傳感信號能夠同時在光纖中傳播，而且當聲波監控系統100在探測聲波信號時不需要采用特殊的通信光纖，即不需要在普通的通信光纖上外加例如外差探測干涉儀、光柵、耦合器和環形器、法拉第旋轉鏡，延遲光纖，波分復用器等光學器件等。由于外加上述光學器件，因此增加了光路的復雜度，同時還降低了監測系統的可靠性。當光路需要維護時，還使得維護成本大且維護時間長。而現有的一些光學結構，比如外差探測干涉儀，其的加入本身就是監測系統的額外噪聲的引入者，從而使得該監測系統的性能較差。而且即使所有的光纜布設已經完成，也可以通過軟件端利用算法對光纖傳感探頭進行探頭合并或者拆封。

同時，在聲波監控系統100的靈敏度足夠的情況下，可以將一個光纖傳感探頭可以分解為多個光纖傳感探頭，光纖傳感探頭21最多可拆封的個數為該光纖傳感探頭21的光纖長度或者傳感單位長度。在聲波監控系統100的靈敏度欠佳的情況下，可以將多個光纖傳感探頭合并為一個光纖傳感探頭探頭。由此通過本發明所設計聲波監控系統100可以實現在光纖傳感單位的尺度上，傳感器(例如聲波光纖傳感探頭、除噪光纖傳感探頭)可以自由拆分和/或合并，但需 以最佳聲音傳感效果為準則。

繼續參見圖4，光纖傳感探頭21中的光纖傳感頭模塊211的數量可根據實際靈敏度需要而設定，例如可以設置為1個、3個或者更多個。結合圖3和圖4所示，當光纖傳感探頭模塊211為多個光纖傳感探頭模塊211時，多個光纖傳感探頭模塊211彼此串聯，且相鄰的光纖傳感探頭模塊211之間可以由光纖連接器214連接，還可以采用直接熔接的方式彼此連接在一起，本示例僅是一種說明性示例，不應當理解為對本發明的一種限制，本領域可以采用現有的可替代的方式進行相應的替代，只要能實現光纖傳感探頭模塊211之間的信號傳輸、監控即可。

參見圖6，聲波監控系統100采用分布式光纖振動傳感，相當于把同一光纖傳感模塊211內的光纜等分為數段，如5圖中所示的x(1)、x(2)、x(3)……x(n)段，其中每一段均可以獨立工作。而在效果上等效于一個光纖傳感探頭21上有n個傳感點，光纖傳感探頭21上的傳感點的數目與光纖傳感頭模塊211的數目和每個光纖傳感頭模塊上光纖的長度有關。換句話說，每個光纖傳感探頭模塊211由數個傳感點組成，而纏繞在光纖傳感探頭模塊211上的光纖的長度決定了傳感探頭模塊211的傳感點的個數，且傳感點總數不限，由此可以保證聲波監控的靈敏度和靈敏度可調性。為了達到提升靈敏度的效果，可以對一個光纖傳感探頭21的n個傳感點進行平均降噪，即監控主機10對多個光纖傳感探頭21所傳輸的信號都可以采用平均降噪處理。例如某個光纖傳感探頭的每個傳感點的信號分別為s(1)、s(2)……s(n)，可以取s＝1/n*(s(1)+s(2)+…+s(n))來代表這個光纖傳感探頭21所傳輸的信號。

如圖7所示，由于光纖傳感探頭21的獨立性，使得監控主機21可以任意啟動或者停止特定數目的光纖傳感探頭21，例如同時啟動特定數目的光纖傳感探頭21，也可以對1個或者多個(即任意個，例如2個、5個或者更多個)光纖傳感探頭21進行單獨啟動或者停止。在使用過程中，對于需要啟動的光纖傳感探頭21首先確定需要操作的光纖傳感器探頭21處的光纖長度范圍，之后監控主機10使信號強度乘以1并將該信號傳輸至需要啟動的部分，以啟動所需啟動的光纖傳感探頭21，即使得所輸出的信號sout＝1*s。而對于需要停止的光纖傳感探頭21，首先確定需要操作的光纖傳感探頭21處的光纖長度范圍，之后監控主機10使信號強度乘以0并將該信號傳輸至需要停止的部分，以停止所需停 止的光纖傳感探頭21，即使得所輸出的信號sout＝0*s。同時監控主機10對于傳感光纖22所傳輸的信號為sout＝0*s。

本發明提供的技術方案的有益效果是：

(1)本發明提供的基于光纖傳感的聲波監控系統為一種基于光纖傳感的分區域聲波監控系統，能夠利用光纖感知振動的原理進行聲波的采集、處理、存儲和分析；

(2)本發明提供的基于光纖傳感的聲波監控系統在需要聲波監控的各個區域內分別布設光纖傳感探頭，且相鄰的光纖傳感探頭之間采用傳輸光纖連接，使得在監控主機處可以對各個區域的聲音進行監控；

(3)本發明提供的基于光纖傳感的聲波監控系統主要用于探測一根光纖上的振動點的位置，并且可以對振動點進行精確地定位，并且各個點之間沒有相互干擾；

(4)本發明提供的基于光纖傳感的聲波監控系統的優勢在于傳感網絡為全光網絡，使得隱蔽性強，且難以探測，同時光纖傳感探頭靈敏度高，且動態范圍大；

(5)本發明提供的基于光纖傳感的聲波監控系統通過對光纖傳感探頭光纖長度的調節，可以在較大范圍內調節光纖傳感探頭的靈敏度，通過監控主機處的特殊處理，可以任意啟用或者停止特定數目的光纖傳感探頭；

(6)本發明提供的基于光纖傳感的聲波監控系統以一根普通的通信光纖作為傳感器，安裝簡單，信號抗干擾能力強，且對溫度變化不敏感。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。