本发明涉及光纤传感测量领域，尤其涉及一种光纤空间定位系统及其实现方法。
背景技术：
传感器作为一种集成自动测量、记录等功能的检测装置，在我们的生活及生产活动中得到了广泛的应用。相比于传统的电学传感器，基于光纤的传感器具有轻便、抗腐蚀、抗电磁干扰、耐高温、探测灵敏度高等独特的优势，所以分布式光纤传感在近几十年来得到快速发展。
相位敏感型光时域反射仪是一种典型的分布式光纤传感系统，它通过解调光纤中瑞利散射光的干涉强度来进行对外界干扰的实时监测，利用这个特性，可以对光纤的某段进行坐标定位，由于分布式光纤传感系统探测的扰动为机械波形式的扰动，因此在实施坐标定位的过程中，选用了振动声源模块阵列作为信号源。
相位敏感型光时域反射仪的空间分辨率和定位精度主要由探测脉冲的时间尺度决定，而现在的空间分辨率,在光纤长度在数百千米的情况下,能够达到了亚米量级的传感精度，因此在振动声源产生信号时，光纤上的多个点都能受到扰动，对光纤上这一系列的点同时进行解扰动，能一次性获取多处光纤长度上的扰动信息。
在常用的基于飞行时间(timeofflight,tof)的精确定位算法中，基于到达时间(timeofarrival,toa)和基于到达时间差(timedifferenceofarrival,tdoa)是两种比较常见的方法。其中，由于基于到达时间的定位算法对时钟同步性有比较严格的要求，而基于到达时间差的定位方法恰好可以回避这个问题，且其计算复杂性低，易于实现等诸多优点而受到更多的重视。当测量次数大于3时，tdoa值得到的非线性方程组个数要多于未知变量的个数，chan算法采用加权最小二乘法来充分利用冗余的数据，使其能获得更加好的目标位置的估计值，此时先将初始非线性tdoa方程组转换为线性形式，然后采用wls得到初始解，最后利用第一次得到的估计坐标及附加变量等已知约束条件进行第二次wls估计，从而得到更加精确的估计坐标。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种光纤空间定位系统及其实现方法，能够实现目前未知光纤未知的探测定位。
本发明解决其技术问题，采用的技术方案是：
本发明首先提出一种光纤空间定位系统，包括分布式光纤传感系统模块、振动声源模块阵列、待测传感光纤及解算定位模块；
所述振动声源模块阵列，用于在待测传感光纤上产生位置信息和不同频率的振动信号，并开始时钟同步并计时；
所述分布式光纤传感系统模块，用于实时解调待测传感光纤上的振动信号，并将解调出的振动信号的频率和振动声源模块阵列的位置信息对应，得到对应光纤长度的振动声源模块阵列的位置信息和时间信息；
所述解算定位模块，用于根据所述位置信息和时间信息，解算出待测传感光纤对应光纤长度的三维坐标。
进一步的是，所述分布式光纤传感系统模块包括激光器模块、耦合器、光信号调制器、信号采集模块和光环形器；
所述激光器模块，用于产生光信号至耦合器；
所述耦合器为光耦合器，所述耦合器用于分别将光信号输入至光信号调制模块和信号采集模块；
所述光信号调制模块，用于将光信号调制为单脉冲光信号，并输入至光环形器；
所述光环形器，用于根据所述单脉冲光信号产生啁啾脉冲光信号并将其输入待测传感光纤，并接收所述待测传感光纤返回的反射光信号，并将所述反射光信号输入信号采集模块；
所述信号采集模块，用于根据所述反射光信号和耦合器输入的光信号产生拍频信号，并将所述拍频信号进行解调和输出，得到所述反射光信号的扰动信息。
进一步的是，所述光环形器为透射式光环形器或反射式光环形器。
进一步的是，所述光环形器为多端口非互易光学器件，包括n个端口，其中n大于等于三，当端口数量为三个时：
所述光环形器，用于通过端口一接收所述单脉冲光信号，并根据所述单脉冲光信号产生啁啾脉冲光信号并将其通过端口二输入待测传待测传感光纤，并接收所述待测传感光纤返回的反射光信号，并通过端口三将所述反射光信号输入信号采集模块。
进一步的是，所述振动声源模块阵列包括定位装置和振动产生设备；
所述定位装置用于产生位置信息；
所述振动产生设备，用于产生不同频率的振动信号，所述振动信号为声波信号。
进一步的是，所述待测传感光纤为单模光纤。
另外，本发明还提出一种光纤空间定位系统的实现方法，包括如下步骤：
步骤1、分布式光纤传感系统模块实时解调待测传感光纤上的振动信号；
步骤2、振动声源模块阵列在待测传感光纤上产生不同频率的振动信号，并开始计时；
步骤3、分布式光纤传感系统模块解调出扰动信号，记录对应光纤长度距离和扰动频率信息并根据时钟同步得到一组时长与光纤长度距离和扰动频率信息对应；
步骤4、得到与待测传感光纤长度匹配的振动声源模块的位置信息与相应时间信息，其中，一个扰动信号的频率信息对应一个振动声源模块的位置信息；
步骤5、将所述位置信息与时间信息输入解算定位模块，解算出待测传感光纤上对应光纤长度上的三维坐标。
进一步的是，还包括步骤6：将待测传感光纤的长度与它的实际三维坐标的匹配信息存储到数据库中。
本发明的有益效果是，通过上述光纤空间定位系统及其实现方法，通过振动声源模块阵列产生振动，利用传感光纤将振动信号的传播时间算出，再重复多次计算，由多组振动源的位置信息与对应光纤长度信息，最后依据到达时间差的定位算法，准确求出光纤的具体三维位置，为找寻光纤的具体位置提供了一个新的快捷的方法。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的光纤空间定位系统的系统框图；
图2是本发明实施例1中的分布式光纤传感模块的系统框图；
图3是本发明实施例1中的振动声源模块阵列的系统框图；
图4是本发明实施例1中的对应光纤长度的振动声源模块阵列的定位信息和时间信息的对照图；
图5是本发明实施例2提供的光纤空间定位系统的实现方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。
实施例1
本实施例提出一种光纤空间定位系统，其系统框图见图1，其中，该系统包括：分布式光纤传感系统模块、振动声源模块阵列、待测传感光纤及解算定位模块；其中，振动声源模块阵列，用于在待测传感光纤上产生位置信息和不同频率(如图1中所示f1,f2,f3等多个频率)的振动信号，并开始时钟同步并计时；分布式光纤传感系统模块，用于实时解调待测传感光纤上的振动信号，并将解调出的振动信号的频率和振动声源模块阵列的位置信息对应，如图4所示，得到对应光纤长度的振动声源模块阵列的位置信息和时间信息；解算定位模块，用于根据位置信息和时间信息，解算出待测传感光纤对应光纤长度的三维坐标。
本实施例中的光纤定位系统主要是基于到达时间差(timedifferenceofarrival,tdoa)实现，具体地，是基于到达时间差的相位敏感光时域反射仪(φ-otdr)实现的。
参见图2，上述系统中，分布式光纤传感系统模块可以包括激光器模块、耦合器、光信号调制器、信号采集模块和光环形器；其中，激光器模块，用于产生光信号至耦合器；耦合器为光耦合器，耦合器用于分别将光信号输入至光信号调制模块和信号采集模块；光信号调制模块，用于将光信号调制为单脉冲光信号，并输入至光环形器；光环形器，用于根据单脉冲光信号产生啁啾脉冲光信号并将其输入待测传感光纤，并接收待测传感光纤返回的反射光信号，并将反射光信号输入信号采集模块；信号采集模块，用于根据反射光信号和耦合器输入的光信号产生拍频信号，并将拍频信号进行解调和输出，得到反射光信号的扰动信息。
需要指出的是，光环形器是一种多端口非互易光学器件，其具有光导向作用，其典型结构有n个端口，n大于等于3，当光由其中任一个端口输入(一般是端口1)时，可以几乎无损失地按照数字顺序由下一个端口(端口2)输出，而其它端口(端口3)处几乎没有光输出；以此类推，当光由端口2输入时，也可以由端口3近乎无损失的输出，于此同时，端口1或其他端口上没有光输出。
本实施例中，光环形器可以为透射式光环形器或反射式光环形器。具体而言，光环形器端口数量为三个时：光环形器，用于通过端口一接收单脉冲光信号，并根据单脉冲光信号产生啁啾脉冲光信号并将其通过端口二输入待测传待测传感光纤，并接收待测传感光纤返回的反射光信号，并通过端口三将反射光信号输入信号采集模块。
参见图3，振动声源模块阵列可包括定位装置和振动产生设备；其中，定位装置用于产生位置信息；振动产生设备，用于产生不同频率的振动信号，本实施例中，振动信号可为声波信号。
实际应用中，为了测试方便，待测传感光纤可为普通的单模光纤。
实施例2
参见图5，在实施例1的基础上，本实施例提出一种光纤空间定位系统的实现方法，该方法具体包括如下步骤：
步骤1、分布式光纤传感系统模块实时解调待测传感光纤上的振动信号；
步骤2、振动声源模块阵列在待测传感光纤上产生不同频率的振动信号，并开始计时；
步骤3、分布式光纤传感系统模块解调出扰动信号，记录对应光纤长度距离和扰动频率信息并根据时钟同步得到一组时长与光纤长度距离和扰动频率信息对应；
步骤4、得到与待测传感光纤长度匹配的振动声源模块的位置信息与相应时间信息，其中，一个扰动信号的频率信息对应一个振动声源模块的位置信息；
步骤5、将位置信息与时间信息输入解算定位模块，解算出待测传感光纤上对应光纤长度上的三维坐标；
步骤6、将待测传感光纤的长度与它的实际三维坐标的匹配信息存储到数据库中。
实际应用过程中，步骤5中，将得到的多组时长与其中第一组时长做差，那么有：
ri,1＝vδti,1＝v(ti-t1)
其中，ti为时长，v为声源在介质的传播速度，那么有：
其中，(x,y,z)为待测传感光纤(3)上一个空间分辨率内的三维坐标，(xi,yi,zi)为振动声源模块(2)的三维坐标，
这里，令xi,1＝xi-x1,yi,1＝yi-y1,zi,1＝zi-z1，
测量次数大于4次时，tdoa测量值的数目大于未知参数的数目，采用加权最小二乘法使chan算法获得更好的待测位置估计值，解算如下：
令zp＝[x,y,z]t，za＝[zpt,r1]，则可建立存在tdoa噪声的线性方程：
ψ＝h-gaza；
其中，
za＝argmin{(h-gaza)tψ-1(h-gaza)}＝(gaψ-1ga)gatψ-1h；
其中，ψ为误差向量的协方差矩阵，q为tdoa测量值的协方差矩阵
通过本实施例的方法，首先由设备产生振动，然后利用传感光纤将振动信号的传播时间算出，再重复多次上述步骤，由多组振动源的位置信息与对应光纤长度信息，最后依据到达时间差的定位算法，准确求出对应光纤长度的三维位置，为找寻光纤长度上一段的具体位置提供了一个新的快捷的方法，也为后续故障点的维护提供了更加精确的依据，节约了大量的人力成本。
1.光纤空间定位系统，其特征在于，包括分布式光纤传感系统模块、振动声源模块阵列、待测传感光纤及解算定位模块；
所述振动声源模块阵列，用于在待测传感光纤上产生位置信息和不同频率的振动信号，并开始时钟同步并计时；
所述分布式光纤传感系统模块，用于实时解调待测传感光纤上的振动信号，并将解调出的振动信号的频率和振动声源模块阵列的位置信息对应，得到对应光纤长度的振动声源模块阵列的位置信息和时间信息；
所述解算定位模块，用于根据所述位置信息和时间信息，解算出待测传感光纤对应光纤长度的三维坐标。
2.根据权利要求1所述的光纤空间定位系统，其特征在于，所述分布式光纤传感系统模块包括激光器模块、耦合器、光信号调制器、信号采集模块和光环形器；
所述激光器模块，用于产生光信号至耦合器；
所述耦合器为光耦合器，所述耦合器用于分别将光信号输入至光信号调制模块和信号采集模块；
所述光信号调制模块，用于将光信号调制为单脉冲光信号，并输入至光环形器；
所述光环形器，用于根据所述单脉冲光信号产生啁啾脉冲光信号并将其输入待测传感光纤，并接收所述待测传感光纤返回的反射光信号，并将所述反射光信号输入信号采集模块；
所述信号采集模块，用于根据所述反射光信号和耦合器输入的光信号产生拍频信号，并将所述拍频信号进行解调和输出，得到所述反射光信号的扰动信息。
3.根据权利要求2所述的光纤空间定位系统，其特征在于，所述光环形器为透射式光环形器或反射式光环形器。
4.根据权利要求2或3所述的光纤空间定位系统，其特征在于，所述光环形器为多端口非互易光学器件，包括n个端口，其中n大于等于三，当端口数量为三个时：
所述光环形器，用于通过端口一接收所述单脉冲光信号，并根据所述单脉冲光信号产生啁啾脉冲光信号并将其通过端口二输入待测传待测传感光纤，并接收所述待测传感光纤返回的反射光信号，并通过端口三将所述反射光信号输入信号采集模块。
5.根据权利要求1所述的光纤空间定位系统，其特征在于，所述振动声源模块阵列包括定位装置和振动产生设备；
所述定位装置用于产生位置信息；
所述振动产生设备，用于产生不同频率的振动信号，所述振动信号为声波信号。
6.根据权利要求1所述的光纤空间定位系统，其特征在于，所述待测传感光纤为单模光纤。
7.光纤空间定位系统的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、分布式光纤传感系统模块实时解调待测传感光纤上的振动信号；
步骤2、振动声源模块阵列在待测传感光纤上产生不同频率的振动信号，并开始计时；
步骤3、分布式光纤传感系统模块解调出扰动信号，记录对应光纤长度距离和扰动频率信息并根据时钟同步得到一组时长与光纤长度距离和扰动频率信息对应；
步骤4、得到与待测传感光纤长度匹配的振动声源模块的位置信息与相应时间信息，其中，一个扰动信号的频率信息对应一个振动声源模块的位置信息；
步骤5、将所述位置信息与时间信息输入解算定位模块，解算出待测传感光纤上对应光纤长度上的三维坐标。
8.根据权利要求7所述的光纤空间定位系统的实现方法，其特征在于，还包括步骤6：将待测传感光纤的长度与它的实际三维坐标的匹配信息存储到数据库中。
技术总结