CN110086537B - 基于Sagnac干涉原理的光纤拾音系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于Sagnac干涉原理的光纤拾音系统。该系统包括：包括:光源、光纤回路、光纤藕合器、拾音点和信号处理电路；激光源与光纤藕合器之间、光纤藕合器与光电探测器之间通过光纤连接，光纤藕合器和拾音点之间通过光纤回路连接，光电探测器与信号处理电路之间通过电路连接；光源发出的光经过光纤藕合器后，被分成沿着光纤回路传输的顺、逆时针相反方向传播的两束光，两束光被拾音点处的声音信号调制后在光纤藕合器处发生干涉，光电探测器将两束光的干涉强度转换为电信号，信号处理电路将电信号还原成声音信号。本发明实现对声音信号高精度快速传感并判断声音信号的有无，能够根据声音信号的强度和频率特征对高压绝缘子闪络情况做出预警判断。

Description

基于Sagnac干涉原理的光纤拾音系统

技术领域

本发明涉及铁路异物侵限领域，尤其涉及一种基于视觉分析的山区铁路边坡落石检测方法。

背景技术

光纤传输和传感是光纤技术中两个重要领域。目前光纤传输(光通信)技术发展迅猛，应用广泛；光纤传感技术也日益显示出其巨大应用潜力。光纤传感器由于具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、电绝缘性好、安全可靠、耐腐蚀、可构成光纤传感网等诸多优点，因而在电力、农业、生物医疗、国防等各领域均有广阔应用前景，它将对传统的检测技术和仪器仪表等行业注入新的血液。

目前，现有技术中还没有一种有效的利用光纤传输来检测声音的方法。

发明内容

本发明提供了一种基于Sagnac干涉原理的光纤拾音系统，以实现利用光纤传输对声音信号进行有效的传输和检测。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种基于Sagnac干涉原理的光纤拾音系统，包括:光源、光纤回路、光纤耦合器、光电探测器、拾音点和信号处理电路；

所述激光源与光纤耦合器之间通过光纤连接，所述光纤耦合器和拾音点之间通过光纤回路连接，所述光纤耦合器与所述光电探测器之间通过光纤连接，所述光电探测器与所述信号处理电路之间通过电路连接；

光源发出的光经过光纤耦合器后，被分成沿着所述光纤回路传输的顺、逆时针相反方向传播的两束光，所述两束光被拾音点处的声音信号调制后在光纤耦合器处发生干涉，光电探测器将所述两束光的干涉强度转换为电信号，信号处理电路将所述电信号还原成声音信号。

优选地，所述拾音点设置在电力机车车顶高压带电导体的沿绝缘子处，实时采集检测绝缘子的声音信号。

优选地，将普通光纤绕制成光纤探头感应线圈，作为拾音点，所述拾音点的两端分别接在光纤耦合器右端的两个输出端口，构成一个光纤环路。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种基于光纤拾音的高压绝缘检测技术，搭建基于Sagnac干涉原理的光纤拾音传感系统硬件平台，实现对声音信号高精度快速传感，并判断声音信号的有无。能够根据声音信号的强度和频率特征对高压绝缘子闪络情况做出预警判断，适合用于检测高压绝缘子闪络情景，通过判断检测声音的有无、大小及频率特征来对绝缘子的状况作出快速、高精度的预警。

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是本发明实施例提供的一种基于Sagnac干涉原理的光纤拾音系统结构图；。

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。

干涉性光纤传感器具有极高的探测灵敏度，基于Sagnac(萨格纳克效应)干涉原理的光纤拾音传感系统的研究内容主要包括两方面，第一：基于Sagnac干涉原理的光纤拾音传感系统的设计，硬件部分包括激光源电路设计、光电检测系统软件的设计，信号处理电路设计，软件部分包括信号处理算法程序、显示界面的软件设计。第二：高压绝缘子闪络声音信号的研究，声音信号的幅值特性和频率特性。

电力机车车顶高压带电导体沿绝缘子表面发生的击穿放电现象被称为绝缘子闪络。这是一种光电声俱全、强度极大的瞬间放电现象。本发明实施例提供的一种基于Sagnac干涉原理的光纤拾音系统的结构如图1所示，包括激光源、光纤回路、光纤耦合器和拾音点。激光源与光纤耦合器之间通过光纤连接，光纤耦合器和拾音点之间通过光纤回路连接，光纤耦合器与光电探测器之间通过光纤连接，光电探测器与信号处理电路之间通过电路连接。

拾音点设置在电力机车车顶高压带电导体的沿绝缘子处，实时采集检测绝缘子的声音信号。为了提高声音传感系统的灵敏度，将普通光纤绕制成光纤探头感应线圈，作为拾音点，采集外界声音信号。拾音点的两端分别接在光纤耦合器右端的两个输出端口，从而构成一个光纤环路。

光源发出的光经过光纤耦合器后，被分成顺、逆时针相反方向传播的两束光，拾音点处的声音信号由于弹光效应调制顺、逆时针传输光的相位参量，受声音信号调制传输后的两路光在光纤耦合器处发生干涉，由于两束光的相位被声音信号调制，两束光的干涉强度将随声音信号变化。光电探测器将干涉强度转换为电信号，最后经过信号处理电路可以还原声音信号，实现基于Sagnac干涉原理的光纤拾音传感系统。

光波通过长度为l的光纤，相位延迟为：

Φ＝β×l (1)

其中，β为光波在光纤中的传播常数，β＝nk₀，其中n为纤芯折射率，k₀为光在真空中的波数，k＝2π/λ₀，λ₀为光在真空中的波长。

将(1)式微分可得

(2)式中第一项表示传感光纤长度变化引起的相位差(应变效应或热胀效应)；第二项为传感光纤折射率变化引起的相位差(弹光效应或热光效应)；第三项为传感光纤芯径变化引起的相位差(泊松效应)，由于其值相对很小，一般可忽略不计，(2)式可转化为：

(3)式中，ΔΦ_l表示由传感光纤长度变化引起的相位差；ΔΦ_n表示传感光纤折射率变化引起的相位差。

在光纤干涉环上施加均匀振动信号P，调制光信号相位。分析可得

ΔΦ_d＝ΔΦ_l+ΔΦ_n＝-βP(1-2μ)l/E+0.5lk₀n³(P/E)(1-2μ)(p₁₁+2p₁₂)＝βlP(1-2μ)[n²(p₁₁+2p₁₂)/2-1]/E (4)

(4)式中，P为振动强度，l是传感光纤长度且恒定不变，μ为光纤的泊松常数，p₁₁、p₁₂为弹光张量分量，E为光纤的弹性模量。

(4)式表明，在传感光纤均匀受力的情况下，相位变化量正比于外界信号，振动信号P可以直接且动态的对传感光纤中的光相位ΔΦ_d进行调制。

在光纤Sagnac干涉原理图1中，两列光在耦合器处干涉时，干涉光振幅分布是这两列光波的复数振幅的合成：

E(z)＝E₁(z)+E₂(z) (5)

(5)式中，E₁(z)、E₂(z)和E(z)分别是经过耦合器后的两束光及干涉后的复数振幅，与之相对应的干涉光强度A为：

(6)式中，A₁、A₂分别是顺时针、逆时针光的强度；ΔΦ_d是两束光的相位差。

当两相干光束的光强相等时，即A₁＝A₂＝A₀时，上式变为

A＝2A₀(1+cos(ΔΦ_d))＝4A₀ cos²(ΔΦ_d/2) (7)

通过(7)式，我们建立起了输出光强A与双光束相位差ΔΦ_d之间的对应关系。联立(4)式便可得外界声音信号与传感系统输出光强的关系。

综上所述，本发明实施例提供了一种基于光纤拾音的高压绝缘检测技术，搭建基于Sagnac干涉原理的光纤拾音传感系统硬件平台，实现对声音信号高精度快速传输，并判断声音信号的有无，能够根据声音信号的强度和频率特征对高压绝缘子闪络情况做出预警判断。

本发明实施例的基于Sagnac干涉原理的光纤拾音传感系统具有抗电磁干扰、电绝缘性好、灵敏度高、成本低、重量轻、体积小、外形可变等优良特点，十分适合用于检测高压绝缘子闪络情景，在高压绝缘子处布设拾音检测点，实时采集检测绝缘子的声音情况，通过判断检测声音的有无、大小及频率特征来对绝缘子的状况作出快速、高精度的预警。

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。

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。

Claims (1)

1.一种基于Sagnac干涉原理的光纤拾音系统，其特征在于，包括:光源、光纤回路、光纤耦合器、光电探测器、拾音点和信号处理电路；

所述光源与光纤耦合器之间通过光纤连接，所述光纤耦合器和拾音点之间通过光纤回路连接，所述光纤耦合器与所述光电探测器之间通过光纤连接，所述光电探测器与所述信号处理电路之间通过电路连接；

光源发出的光经过光纤耦合器后，被分成沿着所述光纤回路传输的顺、逆时针相反方向传播的两束光，所述两束光被拾音点处的声音信号调制后在光纤耦合器处发生干涉，光电探测器将所述两束光的干涉强度转换为电信号，信号处理电路将所述电信号还原成声音信号；

将普通光纤绕制成光纤探头感应线圈，作为拾音点，所述拾音点的两端分别接在光纤耦合器右端的两个输出端口，构成一个光纤环路；所述拾音点设置在电力机车车顶高压带电导体的沿绝缘子处，实时采集检测绝缘子的声音信号；

光源发出的光经过光纤耦合器后，被分成顺、逆时针相反方向传播的两束光，拾音点处的声音信号由于弹光效应调制顺、逆时针传输光的相位参量，受声音信号调制传输后的两路光在光纤耦合器处发生干涉，两束光的干涉强度将随声音信号变化；光电探测器将干涉强度转换为电信号，通过信号处理电路将所述电信号还原成声音信号，实现基于Sagnac干涉原理的光纤拾音传感系统；

光源发出的光波通过长度为l的光纤，相位延迟为：

Φ＝β×l (1)

其中，β为光波在光纤中的传播常数，β＝nk₀，其中n为纤芯折射率，k₀为光在真空中的波数，k＝2π/λ₀，λ₀为光在真空中的波长；

将(1)式微分得到：

(2)式中第一项表示传感光纤长度变化引起的相位差；第二项为传感光纤折射率变化引起的相位差；第三项为传感光纤芯径变化引起的相位差，(2)式转化为：

(3)式中，ΔΦ_l表示由传感光纤长度变化引起的相位差；ΔΦ_n表示传感光纤折射率变化引起的相位差；

在光纤干涉环上施加拾音点采集的绝缘子的声音信号，调制光信号相位，分析得到:

(4)式中，P为拾音点采集的绝缘子的声音信号的振动强度，l是传感光纤长度且恒定不变，μ为光纤的泊松常数，p₁₁、p₁₂为弹光张量分量，E为光纤的弹性模量；

(4)式表明，在传感光纤均匀受力的情况下，相位变化量正比于外界信号，振动信号P直接且动态的对传感光纤中的光相位ΔΦ_d进行调制；

在光纤Sagnac干涉过程中，两列光在光纤耦合器处干涉时，干涉光振幅分布是这两列光波的复数振幅的合成：

E(z)＝E₁(z)+E₂(z) (5)

(5)式中，E₁(z)、E₂(z)和E(z)分别是经过耦合器后的两束光及干涉后的复数振幅，与之相对应的干涉光强度A为：

(6)式中，A₁、A₂分别是顺时针、逆时针光的强度；ΔΦ_d是两束光的相位差；

当两相干光束的光强相等时，即A₁＝A₂＝A₀时，上式变为：

A＝2A₀(1+cos(ΔΦ_d))＝4A₀cos²(ΔΦ_d/2) (7)

通过(7)式，建立了光纤拾音系统的输出光强A与双光束相位差ΔΦ_d之间的对应关系；联立(4)式得到外界声音信号与光纤拾音系统的输出光强的关系，根据光纤拾音系统的输出光强来检测外界声音信号的有无、大小及频率特征，根据外界声音信号的有无、大小及频率特征对绝缘子闪络情况做出预警判断。

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