CN102944696B - 啁啾光纤光栅传感器及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤传感器测量技术领域，尤其是一种连续测量冲击波或爆轰波速度的啁啾光纤光栅传感器及处理方法。本发明针对微波干涉法测量冲击波或爆轰波速度存在的问题，提供了一种利用爆轰波/冲击波作用在啁啾光纤光栅上，使光纤光栅的长度减小从而使返回信号光幅度减弱的特性来连续测量爆轰波或冲击波速度的啁啾光纤光栅传感器及信号处理方法。本发明包括信号采集光路采集测量环境中连续冲击波或爆轰波速度，并将其转换为连续光信号输出并通过光电转换器转换为电信号，处理器对光电转换器输出的电压信号进行数据处理，计算采集测量环境中连续冲击波或爆轰波速度。本发明应用于光纤传感器测量技术领域。

Description

啁啾光纤光栅传感器及处理方法

技术领域

本发明涉及光纤传感器测量技术领域，尤其是一种测量连续冲击波或爆轰波速度的啁啾光纤光栅传感器及处理方法。

背景技术

爆轰波速度作为炸药特性参数之一，对流体动力学计算程序定标、化学动态燃烧模型、火箭推进剂研究、炸药的燃烧~爆轰过程研究和不同炸药界面爆轰特性研究具有重要的意义。此外，冲击波速度作为材料的动高压关键参数之一，对研究冲击波的传播规律、材料的动高压特性具有重要的作用。

文献<微波干涉仪测量冲击波、爆轰波和材料运动>(Gene H. McCall, Wayne L. Bongnianni, and Gilbert A. Miranda. Microwave interferometer for shock wave, detonation, and material motion measurements. Rev.Sci.Instrument[J], 1985, 56(8):1612~1618.)报导了微波干涉仪测量冲击波速度、爆轰波速度和材料中的粒子速度，其利用从爆轰波阵面或冲击波阵面返回的信号与参考信号叠加，形成拍频信号，处理该拍频信号可得到爆轰波/冲击波的连续速度历史。该方法具有以下不足：（1）仅适用于线性波导中的爆轰波/冲击波速度测量；（2）不适用于金属材料和某些液体材料中爆轰波/冲击波速度测量；（3）微波的“光斑”尺寸有10 mm左右，对材料中爆轰波/冲击波速度测量有较大的影响；（4）无法在强电磁干扰特定环境下测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术中微波干涉法测量冲击波或爆轰波速度存在的问题，提供了一种利用爆轰波/冲击波作用在啁啾光纤光栅上，使光纤光栅的长度减小从而使返回信号光幅度减弱的特性来连续测量爆轰波或冲击波速度的啁啾光纤光栅传感器及信号处理方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种啁啾光纤光栅传感器包括信号采集光路，用于采集测量环境中冲击波或爆轰波连续速度；光电转换器，用于接收信号采集光路的光信号并将其转换为电信号；数据采集卡，用于对信号采集光路输出的高速连续电信号进行采集和存储，并将其传输给处理器进行处理；处理器，用于接收数据采集卡输出的电压信号并计算测量环境中冲击波或爆轰波的连续速度。

所述信号采集光路包括宽光谱光源、啁啾光纤光栅、光循环器；宽光谱光源，用于提供宽光谱连续光信号；啁啾光纤光栅，用于在冲击波或爆轰波作用下，对经过光循环器输出的光信号进行反射并返回至光循环器；光循环器，用于接收宽光谱光源输出的光信号并发送至啁啾光纤光栅，并将啁啾光纤光栅返回的光信号发送至光电转换器。

所述啁啾光纤光栅的长度范围10 mm～100 mm，线宽范围5 nm～40 nm。

所述处理器计算测量环境中冲击波或爆轰波连续速度的过程是：

步骤11：对光电转换器输出信号进行滤波处理；

步骤12：对滤波信号进行归一化处理，得到归一化幅度随时间变化曲线；

步骤13：对归一化幅度信号进行多项式数据拟合，获得归一化幅度信号的多项式表达式；

步骤14：通过将归一化幅度的多项式表达式与啁啾光纤光栅的初始长度相乘得到啁啾光纤光栅动态长度随时间的变化关系，即冲击波或爆轰波位移随时间的变化规律；

步骤15：对冲击波或爆轰波位移进行时间微分得到冲击波或爆轰波的连续速度。

啁啾光纤光栅传感器的处理方法，其特征在于包括

步骤1：信号采集光路通过检测测量环境中冲击波或爆轰波速度，输出相应的光信号；

步骤2：光电转换器将信号采集光路输出的光信号转换为电信号并通过数据采集卡输出至处理器，处理器进行数据处理得到冲击波或爆轰波连续速度值。

所述步骤1中信号采集光路包括宽光谱光源、啁啾光纤光栅、光循环器；

宽光谱光源，用于提供宽光谱连续光信号；啁啾光纤光栅，用于在冲击波或爆轰波作用下，对经过光循环器输出的光信号进行反射并返回至光循环器；光循环器，用于接收宽光谱光源输出的光信号并发送至啁啾光纤光栅，并将啁啾光纤光栅返回的光信号发送至光电转换器。

所述步骤一中啁啾光纤光栅长度范围10 mm~100 mm，线宽范围5 nm~40 nm。

所述步骤2中处理器进行数据处理得到冲击波或爆轰波连续速度的具体过程是：

步骤21：对光电转换器输出信号进行滤波处理；

步骤22：对滤波信号进行归一化处理，得到归一化幅度随时间变化曲线；

步骤23：对归一化幅度信号进行多项式数据拟合，获得归一化幅度信号的多项式表达式；

步骤24：通过将归一化幅度的多项式表达式与啁啾光纤光栅的初始长度相乘得到啁啾光纤光栅动态长度随时间的变化关系，即冲击波或爆轰波位移随时间的变化规律；

步骤25：对冲击波或爆轰波位移进行时间微分得到冲击波或爆轰波的连续速度。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

（1）通过光循环器将宽光谱光源发射的连续光信号照射到放置于测量环境中的啁啾光纤光栅，当测量环境中有爆轰波或冲击波冲击时，破坏啁啾光纤光纤长度，则啁啾光纤光栅返回光信号的强度变弱，则通过光循环将返回的光信号输出至光电转换器，然后通过处理器进行数据处理得到爆轰波或冲击波速度，本设计过程简单易于实现。

（2）本设计简单，效率高，并且通过不接触进行环境测量，方便简单。

（3）本设计可广泛地应用到爆轰波物理、冲击波物理、地球物理和材料物理领域等。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是啁啾光栅传感器原理框图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明相关说明：

1、本发明中冲击波或爆轰波的速度范围是100m/s到10km/s。

2、宽光谱光源是宽光谱ASE激光器，其中宽光谱ASE激光器线宽为40 nm，工作波长为1545 nm±20 nm宽光谱连续光信号，功率为10mW左右 范围内平坦度小于0.1dB；

3、啁啾光纤光栅特点是：1）其作用是可实现爆轰波/冲击波速度的连续测量；啁啾光纤光栅为绝缘材料，具有抗电磁干扰能力强的优点；较长的光栅长度可方便地布置于不同炸药、材料中，能连续测量不同炸药、材料界面的爆轰波火冲击波速度的变化。啁啾光纤光栅线宽为5 nm~40 nm， 长度为10 mm~100 mm，啁啾率介于1nm/cm~10nm/cm，反射率大于95%，工作波长为1545 nm，光谱平坦度小于0.5 dB；光电探测器的增益大于1V/mW；如表1所示，啁啾光纤光栅的长度与啁啾光纤光栅的积分反射率成正比；

表一：啁啾光纤光栅的长度与啁啾光纤光栅的积分反射率关系

20 mm	15 mm	10 mm	5 mm	0 mm
					1	0.8	0.55	0.35	0

4、光循环器是三端口器件，其中光循环器第一端口输入宽光谱光源的输出的光信号，并将宽光谱光源的连续光信号通过光循环器第二端口发射至啁啾光纤光栅，同时啁啾光纤光栅放置于测量环境中测量爆轰波或冲击波，由于爆轰波或冲击波速度不同，则啁啾光纤光栅长度被破坏的长度不同，则被破坏长度后的啁啾光纤光栅对通过光循环器第二端口的连续光信号（宽光谱光源发出的连续光信号）的反射强度不同，将反射强度不同的光信号通过光循环器第三端口输出进行后续处理。

4、光电探测器是将光循环器第三端口输出光信号转换为电信号的器件，采用低宽带光电探测器，其作用是有效抑制噪声。增益大于1 V/mW, 1545±20 nm 范围内平坦度小于0.1dB。

工作过程：通过光循环器将宽光谱光源发射的连续光信号照射到放置于测量环境中的啁啾光纤光栅，当测量环境中有爆轰波或冲击波冲击时，破坏啁啾光纤光栅长度，则啁啾光纤光栅返回光信号的强度变弱，则通过光循环将返回的光信号输出至光电转换器，然后通过处理器进行数据处理得到爆轰波或冲击波速度。

具体的：1）当未使用冲击波或者爆轰波作用在第一啁啾光纤光栅时，宽光谱光源发出连续的光信号，从光循环器的第一端口、光循环器第一循环器第二端口，进入啁啾光纤光栅，啁啾光纤光栅在接受到从光循环器第二端口输出的并通过光循环器第二端口反射回来光信号（波长满足布拉格衍射条件的部分光），在通过光循环器第三端口输出至光电探测器。

2）当使用冲击波或者爆轰波作用在啁啾光纤光栅时，将使啁啾光纤光栅的长度减小，从而使啁啾光纤光栅在接受到从光循环器第二端口输出的并通过光循环器第二端口反射回来光信号变弱，变弱的光信号通过光循环器第三端口输出至光电转换器后在通过高速处理器处理得到冲击波或者爆轰波速度（或者经过光电转换器之后在经过高速缓冲存储器后，在经过低速处理器处理得到冲击波或者爆轰波的速度）。

实施例一：如图1所示，啁啾光纤光栅传感器包括信号采集光路，用于采集测量环境中冲击波或爆轰波连续速度；光电转换器，用于接收信号采集光路的光信号并将其转换为电信号；数据采集卡，用于对信号采集光路输出的高速连续电信号进行采集和存储，并将其传输给处理器进行处理；处理器，用于接收数据采集卡输出的电压信号并计算测量环境中冲击波或爆轰波的连续速度。

实施例二，在实施例一基础上，所述信号采集光路包括宽光谱光源、啁啾光纤光栅、光循环器；宽光谱光源，用于提供宽光谱连续光信号；啁啾光纤光栅，用于在冲击波或爆轰波作用下，对经过光循环器输出的光信号进行反射并返回至光循环器；光循环器，用于接收宽光谱光源输出的光信号并发送至啁啾光纤光栅，并将啁啾光纤光栅返回的光信号发送至光电转换器。

实施例三：在实施例一或二基础上，所述啁啾光纤光栅的长度范围10 mm～100 mm，线宽范围5 nm～40 nm。

实施例四：在实施例一至三之一基础上，所述高速处理器计算测量环境中连续冲击波或爆轰波速度的过程是：

步骤11：对光电转换器输出信号进行滤波处理；

步骤12：对滤波信号进行归一化处理，得到归一化幅度随时间变化曲线；

步骤13：对归一化幅度信号进行多项式数据拟合，获得归一化幅度信号的多项式表达式；

步骤14：通过将归一化幅度的多项式表达式与啁啾光纤光栅的初始长度相乘得到啁啾光纤光栅动态长度随时间的变化关系，即冲击波或爆轰波位移随时间的变化规律；

步骤15：对冲击波或爆轰波位移进行时间微分得到冲击波或爆轰波的连续速度。

实施例五：在实施例一基础上，啁啾光纤光栅传感器的处理方法，其特征在于包括

步骤1：信号采集光路通过检测测量环境中冲击波或爆轰波速度，输出相应的光信号；步骤2：光电转换器将信号采集光路输出的光信号转换为电信号并通过数据采集卡输出至处理器，处理器进行数据处理得到冲击波或爆轰波连续速度值。

实施例六：在实施例一至五之一基础上，所述步骤1中信号采集光路包括宽光谱光源、啁啾光纤光栅、光循环器；

宽光谱光源，用于提供宽光谱连续光信号；

啁啾光纤光栅，用于在冲击波或爆轰波作用下，对经过光循环器输出的光信号进行反射并返回至光循环器；

光循环器，用于接收宽光谱光源输出的光信号并发送至啁啾光纤光栅，并将啁啾光纤光栅返回的光信号发送至光电转换器。

实施例七：在实施例一至六之一基础上，所述步骤一中啁啾光纤光栅长度范围10 mm~100 mm，线宽范围5 nm~40 nm。

实施例八：在实施例七基础上，所述步骤2中处理器进行数据处理得到冲击波或爆轰波连续速度的具体过程是：

步骤21：对光电转换器输出信号进行滤波处理；

步骤22：对滤波信号进行归一化处理，得到归一化幅度随时间变化曲线；

步骤23：对归一化幅度信号进行多项式数据拟合，获得归一化幅度信号的多项式表达式；

步骤24：通过将归一化幅度的多项式表达式与啁啾光纤光栅的初始长度相乘得到啁啾光纤光栅动态长度随时间的变化关系，即冲击波或爆轰波位移随时间的变化规律；

步骤25：对冲击波或爆轰波位移进行时间微分得到冲击波或爆轰波的连续速度。

滤波处理采用带通滤波器处理方法等。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。 

Claims (6)

1.一种啁啾光纤光栅传感器，其特征在于包括

信号采集光路，用于采集测量环境中冲击波或爆轰波连续速度；

光电转换器，用于接收信号采集光路的光信号并将其转换为电信号；

数据采集卡，用于对信号采集光路输出的高速连续电信号进行采集和存储，并将其传输给处理器进行处理；

处理器，用于接收数据采集卡输出的电压信号并计算测量环境中冲击波或爆轰波的连续速度；所述信号采集光路包括宽光谱光源、啁啾光纤光栅、光循环器；

宽光谱光源，用于提供宽光谱连续光信号；

啁啾光纤光栅，用于在冲击波或爆轰波作用下，对经过光循环器输出的光信号进行反射并返回至光循环器；

光循环器，用于接收宽光谱光源输出的光信号并发送至啁啾光纤光栅，并将啁啾光纤光栅返回的光信号发送至光电转换器。

2.根据权利要求1所述的啁啾光纤光栅传感器，其特征在于所述啁啾光纤光栅的长度范围10 mm～100 mm，线宽范围5 nm～40 nm。

3.根据权利要求2所述的啁啾光纤光栅传感器，其特征在于所述处理器计算测量环境中冲击波或爆轰波连续速度的过程是：

步骤11：对光电转换器输出信号进行滤波处理；

步骤12：对滤波信号进行归一化处理，得到归一化幅度随时间变化曲线；

步骤13：对归一化幅度信号进行多项式数据拟合，获得归一化幅度信号的多项式表达式；

步骤14：通过将归一化幅度的多项式表达式与啁啾光纤光栅的初始长度相乘得到啁啾光纤光栅动态长度随时间的变化关系，即冲击波或爆轰波位移随时间的变化规律；

步骤15：对冲击波或爆轰波位移进行时间微分得到冲击波或爆轰波的连续速度。

4.根据权利要求1所述的啁啾光纤光栅传感器的处理方法，其特征在于包括

步骤1：信号采集光路通过检测测量环境中冲击波或爆轰波速度，输出相应的光信号；

步骤2：光电转换器将信号采集光路输出的光信号转换为电信号并通过数据采集卡输出至处理器，处理器进行数据处理得到冲击波或爆轰波连续速度值；所述的啁啾光纤光栅传感器的处理方法，其特征在于所述步骤1中信号采集光路包括宽光谱光源、啁啾光纤光栅、光循环器；

宽光谱光源，用于提供宽光谱连续光信号；

啁啾光纤光栅，用于在冲击波或爆轰波作用下，对经过光循环器输出的光信号进行反射并返回至光循环器；

光循环器，用于接收宽光谱光源输出的光信号并发送至啁啾光纤光栅，并将啁啾光纤光栅返回的光信号发送至光电转换器。

5.根据权利要求4所述的啁啾光纤光栅传感器的处理方法，其特征在于所述步骤1中啁啾光纤光栅长度范围10 mm~100 mm，线宽范围5 nm~40 nm。

6.根据权利要求5所述的啁啾光纤光栅传感器的处理方法，其特征在于所述步骤2中处理器进行数据处理得到冲击波或爆轰波连续速度的具体过程是：

步骤21：对光电转换器输出信号进行滤波处理；

步骤22：对滤波信号进行归一化处理，得到归一化幅度随时间变化曲线；

步骤23：对归一化幅度信号进行多项式数据拟合，获得归一化幅度信号的多项式表达式；

步骤24：通过将归一化幅度的多项式表达式与啁啾光纤光栅的初始长度相乘得到啁啾光纤光栅动态长度随时间的变化关系，即冲击波或爆轰波位移随时间的变化规律；

步骤25：对冲击波或爆轰波位移进行时间微分得到冲击波或爆轰波的连续速度。

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