CN102865914B - 分布式光纤振动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式光纤振动传感器，它由光源、第一耦合器、声光调制器、掺铒光纤放大器、光滤波器、三端口环形器、第一光电探测器、第二耦合器、第二光电探测器、高通滤波器、混频器、函数发生器、低通滤波器、数据采集卡、计算机和长距离传感光纤组成；本发明的有益技术效果是：可同时对振动位置和振动频率进行检测，对信号的分辨率较高。

Description

分布式光纤振动传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤传感技术，尤其涉及一种分布式光纤振动传感器。

背景技术

振动量测量在工程领域具有潜在的运用价值，如结构健康监测、航空航天、石油化工、电力系统等安全监测。传统的振动测量方法如机械式测量法、电测量法，存在灵敏度低，体积大，测量范围受放大器件限制的问题，并且传统的振动测量方法只能进行点式测量，在实际运用中受到限制，因此研制高性能的振动测量系统势在必行。

分布式光纤传感技术是指沿光纤传输路径上的外部信号以一定的方式对光纤中的光波进行不断的调制，以实现对被测量场的连续空间进行实时测量。光纤既是导光介质，同时作为传感元件，感应外界振动信号。

相比于传统的振动传感器，光纤传感具备灵敏度高的特点，光纤传感能探测到极其细微的变化；动态范围大；保密性好，不受外界电磁波的干扰；体积小、重量轻，而且监控区域大，能对大范围区域进行监测；不易受环境变化影响；更重要的。光纤传感能达到全分布的实时监控。

基于光纤技术的振动传感系统研究已经非常广泛，分布式光纤传感系统主要包括：光时域反射（OTDR，Optical Time Domain Reflectometer）、分布式光纤布拉格光栅（FBG，Fiber Bragg Grating）、光纤干涉式分布传感。光纤布拉格光栅实现点式或准分布式光纤传感，兼合波分复用技术，能实现振动的定位，但缺失振动频率信息。光时域反射主要是相位型光时域反射（Φ-OTDR），能实现米量级的空间分辨率，但能检测的振动频率较低。光纤干涉式分布传感能检测较高的振动频率信息，但存在振动空间分辨率低的问题。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种分布式光纤振动传感器，它由光源、第一耦合器、声光调制器、掺铒光纤放大器、光滤波器、三端口环形器、第一光电探测器、第二耦合器、第二光电探测器、高通滤波器、混频器、函数发生器、低通滤波器、数据采集卡、计算机和长距离传感光纤组成；光源与第一耦合器的输入端光路连接，第一耦合器将输入光分为两路，一路光作为检测信号输出至声光调制器，另一路光作为参考信号输出至第二耦合器的第一输入端；声光调制器对输入光进行调制处理后将光输出至掺铒光纤放大器，掺铒光纤放大器对输入光进行放大处理后将光输出至光滤波器进行消噪处理，经消噪处理后的光由光滤波器传输至三端口环形器的输入端，三端口环形器的收发复用端与第一光电探测器连接，三端口环形器的输出端与长距离传感光纤的一端连接，三端口环形器用以提取长距离传感光纤的后向瑞利散射光；长距离传感光纤的另一端与第二耦合器的第二输入端连接，检测信号和参考信号在第二耦合器中发生拍频干涉；第二耦合器的输出端与第二光电探测器的输入端连接，第二光电探测器的输出端与高通滤波器的输入端连接，高通滤波器提取检测信号和参考信号的干涉信号中的交流项；高通滤波器的输出端与混频器的其中一个输入端连接，混频器的另一个输入端与函数发生器连接，检测信号和参考信号的干涉信号中的交流项与函数发生器输出的余弦信号在混频器内进行混频；函数发生器还与声光调制器连接；混频器的输出端与低通滤波器连接；低通滤波器和第一光电探测器都连接至数据采集卡，数据采集卡与计算机相连；长距离传感光纤铺设于被测空间内。

基于前述结构，为了提高第二耦合器输出的信号的信噪比，本发明还作了如下改进：第二光电探测器采用平衡光电探测器；第二耦合器采用2×2耦合器；第二耦合器的两个输出端与第二光电探测器的两个输入端一一连接。

更进一步地，函数发生器产生频率为5KHz、脉宽为50ns、高电平幅值为1V、低电平幅值为0.1V的电脉冲信号；声光调制器在函数发生器输出的电脉冲信号调制下，输出光脉冲信号，高电平脉冲光用于检测发生振动的位置；低电平脉冲光用于检测振动的频率。

为了降低掺铒光纤放大器的自发辐射噪声，本发明还作了如下改进：掺铒光纤放大器的工作方式采用前向泵浦方式，采用980nm泵浦光在10m掺铒光纤下实现光放大。

本发明的有益技术效果是：可同时对振动位置和振动频率进行检测，对信号的分辨率较高。

附图说明

图1、本发明的结构示意图；

图2、第二光电探测器采用平衡光电探测器时的结构示意图。

图中所示标记对应的部件分别为：光源1、第一耦合器2、声光调制器3、掺铒光纤放大器4、光滤波器5、三端口环形器6、第一光电探测器7、第二耦合器8、第二光电探测器9、高通滤波器10、混频器11、函数发生器12、低通滤波器13、数据采集卡14、计算机15、长距离传感光纤16。

具体实施方式

一种分布式光纤振动传感器，其结构为：它由光源1、第一耦合器2、声光调制器3、掺铒光纤放大器4、光滤波器5、三端口环形器6、第一光电探测器7、第二耦合器8、第二光电探测器9、高通滤波器10、混频器11、函数发生器12、低通滤波器13、数据采集卡14、计算机15和长距离传感光纤16组成；光源1与第一耦合器2的输入端光路连接，第一耦合器2将输入光分为两路，一路光作为检测信号（即后文的检测光）输出至声光调制器3，另一路光作为参考信号（即后文的参考光）输出至第二耦合器8的第一输入端；声光调制器3对输入光进行调制处理后将光输出至掺铒光纤放大器4，掺铒光纤放大器4对输入光进行放大处理后将光输出至光滤波器5进行消噪处理，经消噪处理后的光由光滤波器5传输至三端口环形器6的输入端，三端口环形器6的收发复用端与第一光电探测器7连接，三端口环形器6的输出端与长距离传感光纤16的一端连接，三端口环形器6用以提取长距离传感光纤16的后向瑞利散射光；长距离传感光纤16的另一端与第二耦合器8的第二输入端连接，检测信号和参考信号在第二耦合器8中发生拍频干涉；第二耦合器8的输出端与第二光电探测器9的输入端连接，第二光电探测器9的输出端与高通滤波器10的输入端连接，高通滤波器10提取检测信号和参考信号的干涉信号中的交流项；高通滤波器10的输出端与混频器11的其中一个输入端连接，混频器11的另一个输入端与函数发生器12连接，检测信号和参考信号的干涉信号中的交流项与函数发生器12输出的余弦信号在混频器11内进行混频；函数发生器12还与声光调制器3连接；混频器11的输出端与低通滤波器13连接；低通滤波器13和第一光电探测器7都连接至数据采集卡14，数据采集卡14与计算机15相连；长距离传感光纤16铺设于被测空间内。

前述装置的工作过程为：第一耦合器2将光源1发出的光分为两路，一路作为检测光传输至声光调制器3，另一路作为参考光传输至第二耦合器8（第一耦合器2和第二耦合器8之间传输参考光的光纤即形成参考光纤，其材质与长距离传感光纤16相同，均为普通光纤）；函数发生器12向声光调制器3输出波形信号，声光调制器3根据波形信号将检测光调制为光脉冲，然后将光脉冲输出至掺铒光纤放大器4进行放大处理，由于掺铒光纤放大器4会产生自发辐射噪声，因此在掺铒光纤放大器4后又设置了光滤波器5来进行消噪处理，经过消噪处理后的光脉冲被传输至三端口环形器6，正向传输的光脉冲通过三端口环形器6后进入长距离传感光纤16中，外界振动作用在长距离传感光纤16上，引起长距离传感光纤16的介质内部发生一系列的物理效应，从而使长距离传感光纤16的传播参数发生变化（长距离传感光纤16纵向上的应力变化导致长距离传感光纤16的长度发生变化，同时，长距离传感光纤16的直径也在泊松效应的作用下发生变化，进而使光波传播常数发生变化，另外弹光效应和热光效应使长距离传感光纤16纤芯的折射率也发生改变，前述的各种影响最终导致在长距离传感光纤16中传输的光波相位产生相应的变化），三端口环形器6从长距离传感光纤16上提取后向瑞利散射光，采集到的后向瑞利散射光的数据经处理后，即可得到振动的位置信息；长距离传感光纤16上正向传输的光进入第二耦合器8后，检测光和参考光在第二耦合器8内产生拍频干涉，然后由第二光电探测器9对拍频干涉后的光进行采集，第二光电探测器9采集到的信号送到高通滤波器10进行滤波处理，滤波处理后的信号与函数发生器12提供的余弦信号（余弦信号的频率与声光调制器3的移频数值相同）在混频器11内进行混频，混频后的信号通过低通滤波器13处理后传输至计算机，经计算机处理后，得到振动的频率信息。

本发明的检测原理是：1）通过采集后向瑞利散射光获取振动位置信息的原理和方法是现有技术，光脉冲在光纤中传输激发出后向瑞利散射光，后向瑞利散射光的光强是光脉冲宽度范围内后向散射光干涉叠加的结果，其灵敏度较高。当外界振动作用在光纤上时，将会引起光脉冲宽度范围内后向散射光的相位发生变化，所以干涉叠加光强变化，可以检测出振动源在光纤的位置。

2）通过采集参考信号和检测信号的拍频干涉信号，然后将其和余弦信号进行混频，最终处理得到振动频率，其原理和方法是现有的理论，

参考光和检测光在第二耦合器8中发生拍频干涉后的干涉信号光强I可由下式示出:

接着经过第二光电探测器9和高通滤波器10的处理后可得到：

将I_AC与函数发生器12提供的余弦信号cos(2πΔft)进行混频处理后经低通滤波器13处理，即可得到外界振动信号的余弦函数

对其进行FFT变换（快速傅里叶变换），即可得到外界振动的频率信息。

具体的处理方法为：

1）振动频率信息的求取；

因外部振动而导致的长距离传感光纤16中传输的光波相位变化可由下式示出：

$\mathrm{\Δ\φ}=\mathrm{\Δ}\left(\mathrm{\βl}\right)=\mathrm{\βl}\left(\frac{\mathrm{\Δl}}{l}\right)+l\left(\frac{\∂\mathrm{\β}}{\∂n}\right)\mathrm{\Δn}+l\left(\frac{\∂\mathrm{\β}}{\∂a}\right)\mathrm{\Δa}$

其中，l为长距离传感光纤16的原始长度；Δl为长距离传感光纤16在外界振动作用下的长度变化量；β为光波传播常数；n为长距离传感光纤16的纤芯折射率；Δn为长距离传感光纤16的纤芯折射率在外界振动作用下的变化量；

为偏微分符号；a为长距离传感光纤16的纤芯半径；Δa为长距离传感光纤16的纤芯半径在外界振动作用下的变化量；

上述表达式中，因式

表征了长距离传感光纤16长度变化引起的相位变化；因式

表征了长距离传感光纤16折射率变化引起的相位变化；因式

表征了长距离传感光纤16半径变化引起的相位变化；其中，

的值相对很小，可以忽略不计，即

则可得到如下的表达式：

$\mathrm{\Δ\φ}=\mathrm{\Δ}\left(\mathrm{\βl}\right)=\mathrm{\βl}\left(\frac{\mathrm{\Δl}}{l}\right)+l\left(\frac{\∂\mathrm{\β}}{\∂n}\right)\mathrm{\Δn}$

根据前述理论，即可根据解调出的φ(t)获知振动的相关信息；

参考光和检测光在第二耦合器8中发生拍频干涉后的干涉信号光强I可由下式示出：

其中，I₁为参考光的光强，I₂为检测光的光强，I₁+I₂为干涉信号的直流项，可通过第二光电探测器9和高通滤波器10消除；Δf为参考光和检测光的频率差，其值等于声光调制器3的移频数值（也即为器件参数）；

为参考光和检测光的初始相位差，

λ为传输光的波长，n为参考光纤和长距离传感光纤16的纤芯折射率，ΔL为参考光纤和长距离传感光纤16之间的初始长度差；φ(t)为外界振动信号。通过高通滤波器10提取到的参考光和检测光的干涉信号交流项I_AC可由下式示出：

其中，k为第二光电探测器9的放大倍数；R为第二光电探测器9的响应度；

干涉信号交流项与函数发生器12提供的余弦信号cos(2πΔft)进行混频处理后，经过低通滤波器13处理后，得到外界振动信号的余弦函数

对其进行FFT变换（快速傅里叶变换），即可得到外界振动的频率信息。

2）振动位置信息的求取；

光脉冲在长距离传感光纤16中传输，每一个光脉冲采集一次后向瑞利散射光，得到很多条后向瑞利散射光（脉冲光的重复周期必须大于脉冲光在长距离传感光纤16中的往返时间,以免发生瑞利散射光的混叠）,对采集到的后向瑞利散射光进行移动平均与差分处理,可以得出振动的位置信息。

在前述方案的基础上，为了提高输入高通滤波器10的信号的信噪比，本发明还作了如下改进：第二光电探测器9采用平衡光电探测器；第二耦合器8采用2×2耦合器；第二耦合器8的两个输出端与第二光电探测器9的两个输入端一一连接（第二耦合器8的两个输入端接入的器件与前述结构相同）。

函数发生器12产生频率为5KHz、脉宽为50ns、高电平幅值为1V、低电平幅值为0.1V的电脉冲信号；声光调制器3在函数发生器12输出的电脉冲信号调制下，输出光脉冲信号，高电平脉冲光用于检测发生振动的位置；低电平脉冲光用于检测振动的频率。

为了降低掺铒光纤放大器4的自发辐射噪声，本发明还作了如下改进：掺铒光纤放大器4的工作方式采用前向泵浦方式，采用980nm泵浦光在10m掺铒光纤下实现光放大。

Claims (4)

1.一种分布式光纤振动传感器，其特征在于：它由光源（1）、第一耦合器（2）、声光调制器（3）、掺铒光纤放大器（4）、光滤波器（5）、三端口环形器（6）、第一光电探测器（7）、第二耦合器（8）、第二光电探测器（9）、高通滤波器（10）、混频器（11）、函数发生器（12）、低通滤波器（13）、数据采集卡（14）、计算机（15）和长距离传感光纤（16）组成；光源（1）与第一耦合器（2）的输入端光路连接，第一耦合器（2）将输入光分为两路，一路光作为检测信号输出至声光调制器（3），另一路光作为参考信号输出至第二耦合器（8）的第一输入端；声光调制器（3）对输入光进行调制处理后将光输出至掺铒光纤放大器（4），掺铒光纤放大器（4）对输入光进行放大处理后将光输出至光滤波器（5）进行消噪处理，经消噪处理后的光由光滤波器（5）传输至三端口环形器（6）的输入端，三端口环形器（6）的收发复用端与第一光电探测器（7）连接，三端口环形器（6）的输出端与长距离传感光纤（16）的一端连接，三端口环形器（6）用以提取长距离传感光纤（16）的后向瑞利散射光；长距离传感光纤（16）的另一端与第二耦合器（8）的第二输入端连接，检测信号和参考信号在第二耦合器（8）中发生拍频干涉；第二耦合器（8）的输出端与第二光电探测器（9）的输入端连接，第二光电探测器（9）的输出端与高通滤波器（10）的输入端连接，高通滤波器（10）提取检测信号和参考信号的干涉信号中的交流项；高通滤波器（10）的输出端与混频器（11）的其中一个输入端连接，混频器（11）的另一个输入端与函数发生器（12）连接，检测信号和参考信号的干涉信号中的交流项与函数发生器（12）输出的余弦信号在混频器（11）内进行混频；函数发生器（12）还与声光调制器（3）连接；混频器（11）的输出端与低通滤波器（13）连接；低通滤波器（13）和第一光电探测器（7）都连接至数据采集卡（14），数据采集卡（14）与计算机（15）相连；长距离传感光纤（16）铺设于被测空间内。

2.根据权利要求1所述的分布式光纤振动传感器，其特征在于：第二光电探测器（9）采用平衡光电探测器；第二耦合器（8）采用2×2耦合器；第二耦合器（8）的两个输出端与第二光电探测器（9）的两个输入端一一连接。

3.根据权利要求1所述的分布式光纤振动传感器，其特征在于：函数发生器（12）产生频率为5KHz、脉宽为50ns、高电平幅值为1V、低电平幅值为0.1V的电脉冲信号；声光调制器（3）在函数发生器（12）输出的电脉冲信号调制下，输出光脉冲信号，高电平电脉冲信号调制下输出的光脉冲信号用于检测发生振动的位置；低电平电脉冲信号调制下输出的光脉冲信号用于检测振动的频率。

4.根据权利要求1所述的分布式光纤振动传感器，其特征在于：掺铒光纤放大器（4）的工作方式采用前向泵浦方式，采用980nm泵浦光在10m掺铒光纤下实现光放大。

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