光干涉与相关分析检测地下水管泄漏

　　1　概述

　　本系统采用频率直接调制光源的Mach-Zehnder干涉仪,用单一光纤输出作为水声信号探头,以提高灵敏度。配以无线电发射-接收机,增加测试距离,使用隔声筒(即传声筒),降低环境器噪声的输入,再加上相关运算,大大地改善了系统的信噪比。

　　2　系统结构及原理

　　如图1所示,系统使用两个检测仪,分别置于管道的两端,它们是系统的主机和从机。主机包括干涉仪、相关分析接口电路、笔记本电脑和无线电发射-接收机。从机则只含有干涉仪及无线电发射-接收机。从机接受主机的指令测试,并发送测试结果给主机。主机和从机的两个干涉仪测试管道两端的水声信号,输入的声音有正常的流水声、环境噪声和泄漏的流水声。在相关分析中,前二者是噪声,后者才是信号。

　　流水的频率主要集中在50 Hz~1·5 kHz。由于管道的传声特性不同,测试的水声频率也不同。为此,特设计由光开关控制的二选一光纤敏感线圈,从而感受不同频段的水声信号。

　　实测时,主机发送无线电指令,使从机选择与主机相同波段的光开关。经过干涉仪,水声信号转换成光信号,再转换成电信号。此二电信号均为声频。经由无线传播,主机收到从机的测试数据,与主机测得的数据一起,作相关运算,得到幅值正比于漏水声音的信号。由电脑计算、定位,在荧光屏上显示出漏水点的位置。

　　3　光干涉测量

　　图2中,以ω0≈110 kHz的正弦波调制半导体激光器,输入光功率为120 mW,光波长为

　　在流体静压力下,光纤敏感线圈的静态应变引起的电阻R相对变化为

　　这里,P为流体静压力,ν为材料的泊松比,E为材料的杨氏模量,t为管壁厚度。绕在圆柱体上的长度为L的信号臂光纤,受到静压后产生的归一化相移为

式中,M为光纤中光场的波数,νf为光纤的泊松比,n为纤芯折射率,P11、P12为光纤的Pockel系数。

　　把参考臂光纤缠在内柱,信号臂光纤缠在外柱,能提高参考臂的抗干扰能力,采用上下迭加的形式,可以提高最小可检测相移。干涉仪的工作方式为零差检测。干涉仪的参考臂用PZT元件引入载波信号。此时,光源输出的光功率基本恒定。到达光探测器D的光强为

　　用Bessel函数展开:

　　4　接口电路的信号处理

　　5　相关分析

　　式(2)中的X(t)是信号与噪声之和。其中,信号是漏水声,噪声是正常流水声加环境噪声。X(t)经过A/D转换变成数字信号进入电脑。X(t)是主机的信号。同样,从机在管道的另一端将测得的相应的信号Y(t)经天线发射无线电波传输给主机。数字化后,也进入电脑。电脑对信号作相关处理。