CN102928063B - 基于波分复用技术的分布式光纤振动传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于波分复用技术的分布式光纤振动传感系统，包括振动位置探测装置和振动频率探测装置，本发明通过特殊的结构设置使振动位置探测装置和振动频率探测装置复用长距离传感光纤。本发明的有益技术效果是：在同时获取振动位置信号和振动频率信号的条件下，大幅缩短需要布设的长距离传感光纤的长度，节省系统成本；基于成熟的波分复用技术，保证了两种光信号的准确性，使本发明的系统可同时实现对振动位置信号和振动频率信号的高精度检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种分布式光纤振动传感系统，尤其涉及一种基于波分复用技术的分布式光纤振动传感系统。
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等问题，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。
现有技术中基于光纤技术的振动传感系统研究已经非常广泛，但现有的测量手段一般都存在振动频率测量和振动位置测量难以兼顾的问题，因此必须在测量空间内布置两套系统，一套用于振动频率测量，另一套用于振动位置测量，为了实现对大范围区域进行全分布式监测，势必需要传感光纤的长度足够长，如果同时布置两套测量系统，需要的传感光纤长度将达到单套系统的两倍，造成系统成本大量增加。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了一种基于波分复用技术的分布式光纤振动传感系统，包括：脉冲光源、三端口环形器、第一光电探测器、长距离传感光纤、第一偏振控制器；脉冲光源与三端口环形器的输入端连接，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第一偏振控制器连接，第一偏振控制器与长距离传感光纤的一端连接，长距离传感光纤的另一端闲置；
其改进在于：还包括环形激光器、第一耦合器、第一波分复用器、第二偏振控制器、第二布拉格光纤光栅、第二光电探测器和第三光电探测器；其中，第一耦合器为3×3耦合器；
环形激光器的输出端与第一耦合器的第一输入端光路连接，第一耦合器的第二输入端和第三输入端分别与第二光电探测器和第三光电探测器连接；第一耦合器的第一输出端与第二偏振控制器连接，第二偏振控制器与第二布拉格光纤光栅连接；第一耦合器的第二输出端与第一波分复用器连接；第一耦合器的第三输出端闲置；
第一波分复用器设置于三端口环形器和第一偏振控制器之间的光路上，三端口环形器和第一偏振控制器之间通过第一波分复用器连接；第一波分复用器将第一耦合器的第二输出端输出的光信号和三端口环形器输出的光信号耦合至第一偏振控制器；
由脉冲光源、三端口环形器、第一光电探测器、长距离传感光纤、第一偏振控制器和第一波分复用器六者所连接成的装置形成振动位置探测装置；独立的振动位置探测装置其结构如图1所示，其检测原理为：光脉冲信号通过三端口环形器后传输至长距离传感光纤中，并在长距离传感光纤中激发出后向瑞利散射光，当外界振动作用在长距离传感光纤上时，将会引起光脉冲宽度范围内后向瑞利散射光的相位发生变化，第一光电探测器每间隔一定周期就从三端口环形器上采集后向瑞利散射光，得到很多条后向瑞利散射光的光信号，对采集到的后向瑞利散射光的光信号进行移动平均和差分处理直接平均，可以得出振动的位置信息。
由环形激光器、第一耦合器、第一波分复用器、第二偏振控制器、第二布拉格光纤光栅、第二光电探测器、第三光电探测器、长距离传感光纤和第一偏振控制器九者所连接成的装置形成振动频率探测装置；采用前述结构后，振动位置探测装置和振动频率探测装置复用长距离传感光纤。独立的振动频率探测装置其结构如图5所示（图1和图5中均未标出第一波分复用器，第一波分复用器在本发明中的作用是将振动位置探测装置和振动频率探测装置进行复合，使二者复用同一根长距离传感光纤，作为单独的振动频率探测装置或振动位置探测装置而言，两种装置实现其各自的单一功能时并不需要第一波分复用器，故未在图1和图5中将第一波分复用器示出），其检测原理为：振动频率探测装置采用迈克尔逊干涉原理，环形激光器输出的光被第一耦合器分为两束光，一束作为检测光输入长距离传感光纤中，另一束作为参考光输入第二布拉格光纤光栅中，检测光在长距离传感光纤的闲置端端面处发生反射并反向传输回第一耦合器中，同时，参考光在第二布拉格光纤光栅处发生反射并反向传输回第一耦合器中，通过采集反射回来的检测光和参考光的干涉信号，采用现有理论对其进行解调处理即可得到振动的频率信息；
本发明采用第一波分复用器将振动位置探测装置和振动频率探测装置进行复合，使振动位置探测装置和振动频率探测装置复用长距离传感光纤，在同时获取振动位置信号和振动频率信号的条件下，大幅缩短需要布设的长距离传感光纤的长度，节省系统成本；其中，第一波分复用器所起的作用为：一方面，第一波分复用器将三端口环形器输出的光和第一耦合器输出的光耦合至长距离传感光纤中，实现两种探测装置复用同一长距离传感光纤，另一方面，两种光信号在长距离传感光纤的闲置端端面发生反射后又沿长距离传感光纤反向传输回第一波分复用器中，第一波分复用器又对两种不同的光信号进行解复用处理，使两种反射回的光信号返回各自的探测装置，由振动位置探测装置和振动频率探测装置分别对各自需要的信号进行处理，基于成熟的波分复用技术，保证了两种光信号的准确性，使本发明的系统可同时实现对振动位置信号和振动频率信号的高精度检测。
为了进一步降低系统成本，本发明还提出了一种脉冲光源的优选结构：所述脉冲光源由光源、声光调制器、函数发生器、掺铒光纤放大器和第一光滤波器组成；光源与声光调制器光路连接，声光调制器与掺铒光纤放大器光路连接，掺铒光纤放大器与第一光滤波器连接，第一光滤波器与三端口环形器的输入端连接，函数发生器与声光调制器电连接；函数发生器向声光调制器输出电脉冲信号，声光调制器根据电脉冲信号将光源输出的光信号调制为光脉冲信号；第一光滤波器用于消除掺铒光纤放大器的自发辐射噪声；掺铒光纤放大器用于对光信号进行放大处理。
为了进一步降低系统成本，本发明还提出了一种环形激光器的优选结构：所述环形激光器由980nm泵浦光源、第二波分复用器、掺铒光纤、隔离器、第三偏振控制器、第二耦合器和第二光滤波器组成，其中，第二耦合器为1×2耦合器；980nm泵浦光源与第二波分复用器光路连接，第二波分复用器与掺铒光纤的一端光路连接，掺铒光纤另一端与隔离器光路连接，隔离器与第三偏振控制器光路连接，第三偏振控制器与第二耦合器的输入端光路连接，第二耦合器的第一输出端与第一耦合器的第一输入端光路连接，第二耦合器的第二输出端与第二光滤波器的输入端光路连接，第二光滤波器的输出端与第二波分复用器光路连接；第二波分复用器将第二光滤波器输出的光信号和980nm泵浦光源输出的光信号耦合至掺铒光纤中。
函数发生器的优选参数设置为：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0V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。
为了提高长距离传感光纤的闲置端的反射效率，本发明还作了如下改进：长距离传感光纤的闲置端还连接有第一布拉格光纤光栅。
本发明的有益技术效果是：在同时获取振动位置信号和振动频率信号的条件下，大幅缩短需要布设的长距离传感光纤的长度，节省系统成本；基于成熟的波分复用技术，保证了两种光信号的准确性，使本发明的系统可同时实现对振动位置信号和振动频率信号的高精度检测。
附图说明
图1、独立的振动位置探测装置的结构示意图；
图2、本发明的结构示意图；
图3、本发明采用的优选结构的脉冲光源的结构示意图；
图4、本发明采用的优选结构的环形激光器的结构示意图；
图5、独立的振动频率探测装置的结构示意图。
图6、设置有第一布拉格光纤光栅时的结构示意图。
具体实施方式
一种基于波分复用技术的分布式光纤振动传感系统，包括：脉冲光源1、三端口环形器2、第一光电探测器3、长距离传感光纤4、第一偏振控制器5；脉冲光源1与三端口环形器2的输入端连接，三端口环形器2的收发复用端与第一光电探测器3连接，三端口环形器2的输出端与第一偏振控制器5连接，第一偏振控制器5与长距离传感光纤4的一端连接，长距离传感光纤4的另一端闲置；
其改进在于：还包括环形激光器7、第一耦合器8、第一波分复用器9、第二偏振控制器10、第二布拉格光纤光栅12、第二光电探测器13和第三光电探测器14；其中，第一耦合器8为3×3耦合器；
环形激光器7的输出端与第一耦合器8的第一输入端光路连接，第一耦合器8的第二输入端和第三输入端分别与第二光电探测器13和第三光电探测器14连接；第一耦合器8的第一输出端与第二偏振控制器10连接，第二偏振控制器10与第二布拉格光纤光栅12连接；第一耦合器（8）的第二输出端与第一波分复用器9连接；第一耦合器8的第三输出端闲置；
第一波分复用器9设置于三端口环形器2和第一偏振控制器5之间的光路上，三端口环形器2和第一偏振控制器5之间通过第一波分复用器9连接；第一波分复用器9将第一耦合器8的第二输出端输出的光信号和三端口环形器2输出的光信号耦合至第一偏振控制器5；
由脉冲光源1、三端口环形器2、第一光电探测器3、长距离传感光纤4、第一偏振控制器5和第一波分复用器9六者所连接成的装置形成振动位置探测装置；由环形激光器7、第一耦合器8、第一波分复用器9、第二偏振控制器10、第二布拉格光纤光栅12、第二光电探测器13、第三光电探测器14、长距离传感光纤4和第一偏振控制器5九者所连接成的装置形成振动频率探测装置；采用前述结构后，振动位置探测装置和振动频率探测装置复用长距离传感光纤4。
与本发明直接相关的外围装置还有数据采集卡和计算机，第一光电探测器3、第二光电探测器13和第三光电探测器14均连接至数据采集卡，数据采集卡将采集到的数据传输至计算机，由计算机完成对信号的后期处理并输出振动位置信号和振动频率信号的信息。
进一步地，所述脉冲光源1由光源1-1、声光调制器1-2、函数发生器1-3、掺铒光纤放大器1-4和第一光滤波器1-5组成；光源1-1与声光调制器1-2光路连接，声光调制器1-2与掺铒光纤放大器1-4光路连接，掺铒光纤放大器1-4与第一光滤波器1-5连接，第一光滤波器1-5与三端口环形器2的输入端连接，函数发生器1-3与声光调制器1-2电连接；函数发生器1-3向声光调制器1-2输出电脉冲信号，声光调制器1-2根据电脉冲信号将光源1-1输出的光信号调制为光脉冲信号；第一光滤波器1-5用于消除掺铒光纤放大器1-4的自发辐射噪声；掺铒光纤放大器1-4用于对光信号进行放大处理。
进一步地，所述环形激光器7由980nm泵浦光源7-1、第二波分复用器7-2、掺铒光纤7-3、隔离器7-4、第三偏振控制器7-5、第二耦合器7-6和第二光滤波器7-7组成，其中，第二耦合器7-6为1×2耦合器；980nm泵浦光源7-1与第二波分复用器7-2光路连接，第二波分复用器7-2与掺铒光纤7-3的一端光路连接，掺铒光纤7-3另一端与隔离器7-4光路连接，隔离器7-4与第三偏振控制器7-5光路连接，第三偏振控制器7-5与第二耦合器7-6的输入端光路连接，第二耦合器7-6的第一输出端与第一耦合器8的第一输入端光路连接，第二耦合器7-6的第二输出端与第二光滤波器7-7的输入端光路连接，第二光滤波器7-7的输出端与第二波分复用器7-2光路连接；第二波分复用器7-2将第二光滤波器7-7输出的光信号和980nm泵浦光源7-1输出的光信号耦合至掺铒光纤7-3中。
更进一步地，函数发生器1-3产生频率为5KHz、脉宽为50ns、高电平幅值为1V、低电平幅值为0V的电脉冲信号；声光调制器1-2在函数发生器1-3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。
更进一步地，长距离传感光纤4的闲置端还连接有第一布拉格光纤光栅6。
Claims (4)
1.一种基于波分复用技术的分布式光纤振动传感系统，包括：脉冲光源（1）、三端口环形器（2）、第一光电探测器（3）、长距离传感光纤（4）、第一偏振控制器（5）；脉冲光源（1）与三端口环形器（2）的输入端连接，三端口环形器（2）的收发复用端与第一光电探测器（3）连接，三端口环形器（2）的输出端与第一偏振控制器（5）连接，第一偏振控制器（5）与长距离传感光纤（4）的一端连接，长距离传感光纤（4）的另一端还连接有第一布拉格光纤光栅（6）；
其特征在于：还包括环形激光器（7）、第一耦合器（8）、第一波分复用器（9）、第二偏振控制器（10）、第二布拉格光纤光栅（12）、第二光电探测器（13）和第三光电探测器（14）；其中，第一耦合器（8）为3×3耦合器；
环形激光器（7）的输出端与第一耦合器（8）的第一输入端光路连接，第一耦合器（8）的第二输入端和第三输入端分别与第二光电探测器（13）和第三光电探测器（14）连接；第一耦合器（8）的第一输出端与第二偏振控制器（10）连接，第二偏振控制器（10）与第二布拉格光纤光栅（12）连接；第一耦合器（8）的第二输出端与第一波分复用器（9）连接；第一耦合器（8）的第三输出端闲置；
第一波分复用器（9）设置于三端口环形器（2）和第一偏振控制器（5）之间的光路上，三端口环形器（2）和第一偏振控制器（5）之间通过第一波分复用器（9）连接；第一波分复用器（9）将第一耦合器（8）的第二输出端输出的光信号和三端口环形器（2）输出的光信号耦合至第一偏振控制器（5）；
由脉冲光源（1）、三端口环形器（2）、第一光电探测器（3）、长距离传感光纤（4）、第一偏振控制器（5）和第一波分复用器（9）六者所连接成的装置形成振动位置探测装置；由环形激光器（7）、第一耦合器（8）、第一波分复用器（9）、第二偏振控制器（10）、第二布拉格光纤光栅（12）、第二光电探测器（13）、第三光电探测器（14）、长距离传感光纤（4）和第一偏振控制器（5）九者所连接成的装置形成振动频率探测装置；采用前述结构后，振动位置探测装置和振动频率探测装置复用长距离传感光纤（4）。
2.根据权利要求1所述的基于波分复用技术的分布式光纤振动传感系统，其特征在于：所述脉冲光源（1）由光源（1-1）、声光调制器（1-2）、函数发生器（1-3）、掺铒光纤放大器（1-4）和第一光滤波器（1-5）组成；光源（1-1）与声光调制器（1-2）光路连接，声光调制器（1-2）与掺铒光纤放大器（1-4）光路连接，掺铒光纤放大器（1-4）与第一光滤波器（1-5）连接，第一光滤波器（1-5）与三端口环形器（2）的输入端连接，函数发生器（1-3）与声光调制器（1-2）电连接；函数发生器（1-3）向声光调制器（1-2）输出电脉冲信号，声光调制器（1-2）根据电脉冲信号将光源（1-1）输出的光信号调制为光脉冲信号；第一光滤波器（1-5）用于消除掺铒光纤放大器（1-4）的自发辐射噪声；掺铒光纤放大器（1-4）用于对光信号进行放大处理。
3.根据权利要求1所述的基于波分复用技术的分布式光纤振动传感系统，其特征在于：所述环形激光器（7）由980nm泵浦光源（7-1）、第二波分复用器（7-2）、掺铒光纤（7-3）、隔离器（7-4）、第三偏振控制器（7-5）、第二耦合器（7-6）和第二光滤波器（7-7）组成，其中，第二耦合器（7-6）为1×2耦合器；980nm泵浦光源（7-1）与第二波分复用器（7-2）光路连接，第二波分复用器（7-2）与掺铒光纤（7-3）的一端光路连接，掺铒光纤（7-3）另一端与隔离器（7-4）光路连接，隔离器（7-4）与第三偏振控制器（7-5）光路连接，第三偏振控制器（7-5）与第二耦合器（7-6）的输入端光路连接，第二耦合器（7-6）的第一输出端与第一耦合器（8）的第一输入端光路连接，第二耦合器（7-6）的第二输出端与第二光滤波器（7-7）的输入端光路连接，第二光滤波器（7-7）的输出端与第二波分复用器（7-2）光路连接；第二波分复用器（7-2）将第二光滤波器（7-7）输出的光信号和980nm泵浦光源（7-1）输出的光信号耦合至掺铒光纤（7-3）中。
4.根据权利要求2所述的基于波分复用技术的分布式光纤振动传感系统，其特征在于：函数发生器（1-3）产生频率为5KHz、脉宽为50ns、高电平幅值为1V、低电平幅值为0V的电脉冲信号；声光调制器（1-2）在函数发生器（1-3）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。
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| 基于波分复用器的光纤光栅振动传感器阵列;江毅等;《中国激光》;20051130;第32卷(第11期);1525-1528 * |
| 江毅等.基于波分复用器的光纤光栅振动传感器阵列.《中国激光》.2005,第32卷(第11期),1525-1528. |
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