CN102967358B - 时分复用的分布式光纤振动传感器 - Google Patents
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Abstract
一种时分复用的分布式光纤振动传感器，包括：基于后向瑞利散射原理的第一分布式光纤传感装置和基于Mach-Zehnder干涉原理的第二分布式光纤传感装置，其中，第一分布式光纤传感装置通过对应的传感光纤获取被测空间内的振动位置信息，第二分布式光纤传感装置通过对应的传感光纤获取被测空间内的振动频率信息，其特征在于：所述第一分布式光纤传感装置和第二分布式光纤传感装置共用同一条传感光纤，第一分布式光纤传感装置和第二分布式光纤传感装置通过时分复用机制错时工作。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监测，所需的传感光纤长度与原来单一功能的传感器所需的光纤长度相同，大大降低系统成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于振动信息测量的光纤传感器，尤其涉及一种时分复用的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）都存在灵敏度低、装置体积大、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，如果要同时对振动频率和振动位置进行监测，则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，本发明提出了一种时分复用的分布式光纤振动传感器，包括：基于后向瑞利散射原理的第一分布式光纤传感装置和基于Mach-Zehnder干涉原理的第二分布式光纤传感装置，其中，第一分布式光纤传感装置通过对应的传感光纤获取被测空间内的振动位置信息，第二分布式光纤传感装置通过对应的传感光纤获取被测空间内的振动频率信息，其特征在于：所述第一分布式光纤传感装置和第二分布式光纤传感装置共用同一条传感光纤，第一分布式光纤传感装置和第二分布式光纤传感装置通过时分复用机制错时工作。
采用后向瑞利散射原理获取振动位置信息以及采用Mach-Zehnder干涉原理获取振动频率信息均是本领域中常用的测量手段，现有技术中，在具体应用前述两种测量手段时，需要为其各自铺设一条传感光纤，也即在空间尺寸一定的条件下，需要铺设的光纤的总长度为单套测量装置的2倍，这对于空间尺寸较大的被测空间而言，如果要将其全面覆盖，需要铺设的光纤总长度将十分惊人，这不仅会使材料成本大幅上升，同时还会使铺设光纤的人工成本和工作量也随之大幅增加，另外，相应的光源提供装置、滤波装置、混频装置等设备也均需为两种测量装置分别单独设置；本发明的改进点在于将振动频率测量装置和振动位置测量装置通过时分复用机制有机的结合起来，使两种测量装置可以共用传感光纤，从而提高传感光纤的利用率，降低系统搭建的成本，并且使单套系统即可完成对两种振动信息的监测。
基于前述方案，本发明还提出了如下的优选实施方式：分布式光纤振动传感器由光源、第一耦合器、第一声光调制器、掺铒光纤放大器、光滤波器、三端口环形器、长距离传感光纤（也即前文所述的为两种测量装置所共用的传感光纤）、第二耦合器、平衡光电探测器、第二声光调制器、隔离器、高通滤波器、混频器、函数发生器、低通滤波器和数据采集卡组成；其中，第一耦合器为1×3耦合器，第二耦合器为2×2耦合器；其具体结构为：
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三路，第一路光作为振动位置检测信号输入第二声光调制器，第二路光作为振动频率检测信号输入第一声光调制器，第三路光作为参考信号输入第二耦合器的第一输入端；
第二声光调制器的输出端与隔离器的输入端光路连接，隔离器的输出端与长距离传感光纤的首端光路连接（隔离器的作用为防止反向传输的光信号对光源造成干扰），长距离传感光纤的末端与三端口环形器的收发复用端光路连接，三端口环形器的输出端与第二耦合器的第二输入端光路连接；
第一声光调制器的输出端与掺铒光纤放大器的输入端光路连接，掺铒光纤放大器的输出端与光滤波器的输入端光路连接，光滤波器的输出端与三端口环形器的输入端光路连接；
第二耦合器的两个输出端与平衡光电探测器的两个输入端一一对应地光路连接，平衡光电探测器的输出端与高通滤波器的输入端连接，高通滤波器的输出端与混频器的第一输入端连接，混频器的第二输入端与函数发生器连接，混频器的输出端与低通滤波器的输入端连接，低通滤波器的输出端与数据采集卡连接；
函数发生器还分别与第一声光调制器和第二声光调制器连接；
函数发生器向第一声光调制器输出第一电脉冲信号，函数发生器向第二声光调制器输出第二电脉冲信号，通过调整第一电脉冲信号和第二电脉冲信号之间的输出时延形成时分复用机制，使用于获取振动位置信息的相关装置和用于获取振动频率信息的相关装置错时工作；
当分布式光纤振动传感器对振动位置信息进行测量时，函数发生器向混频器输出与第一电脉冲信号对应的余弦信号，当分布式光纤振动传感器对振动频率信息进行测量时，函数发生器向混频器输出与第二电脉冲信号对应的余弦信号。
前述结构的工作原理是：
1）振动位置信息测量：光源输出的光传输至第一声光调制器后，当第一声光调制器接收到函数发生器输出的第一电脉冲信号时，第一声光调制器将光信号调制为对应的光脉冲信号，第一声光调制器将光脉冲信号输出至铒光纤放大器进行放大处理，放大后的光脉冲信号经光滤波器进行消噪处理（主要是为了消除铒光纤放大器的自发辐射噪声）后，传输至三端口环形器的输入端，并从三端口环形器的收发复用端射入长距离传感光纤的末端，当外界振动能量作用在长距离传感光纤上时，引起长距离传感光纤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的传播参数发生变化，此时，由光脉冲激发出的后向瑞利散射光又从长距离传感光纤的末端传输回三端口环形器，并由三端口环形器的输出端传输至第二耦合器中，此时，第二耦合器中还有来自于第一耦合器的参考信号（参考光），参考光和后向瑞利散射光在第二耦合器中发生拍频干涉，拍频干涉后的光信号被平衡光电探测器提取并转化为电信号，电信号经高通滤波器进行滤波处理（提取拍频干涉信号中的交流项）后在混频器内与函数发生器提供的余弦信号（此余弦信号的频率与第一声光调制器的移频数值相同）进行混频，然后由低通滤波器处理后被数据采集卡采集并传输至计算机，由计算机进行相关处理后，即可得到振动位置信号。前述“振动位置信息测量”处理过程中所涉及到的装置，即形成本发明前文所述的第一分布式光纤传感装置；
2）振动频率信息测量：光源输出的光传输至第二声光调制器，当第二声光调制器接收到函数发生器输出的第二电脉冲信号时，第二声光调制器将光信号调制为对应的光脉冲信号，第二声光调制器将光脉冲输出至隔离器，由隔离器将光脉冲信号单向传输至长距离传感光纤的首端，此时，长距离传感光纤即形成Mach-Zehnder干涉原理中的传感臂，用于感应外界振动的频率信息；传感臂中，经外界振动作用调制后的光脉冲由长距离传感光纤的末端输出至三端口环形器，并由三端口环形器的输出端传输至第二耦合器中，在第二耦合器中，包含有振动频率信息的光信号与来自于第一耦合器的参考信号发生拍频干涉，拍频干涉后的信号由平衡光电探测器进行提取并转化为电信号，然后由高通滤波器提取拍频干涉信号中的交流项，再将该交流项与函数发生器提供的余弦信号（此余弦信号的频率与第二声光调制器的移频数值相同）在混频器中进行混频处理，然后由低通滤波器滤波后，经数据采集卡采集至计算机，由计算机进行相关处理后，即可获得振动的频率信息。前述“振动频率信息测量”处理过程中所涉及到的装置，即形成本发明前文所述的第二分布式光纤传感装置；
通过控制函数发生器输出的第一电脉冲信号和第二电脉冲信号之间的时延，以及控制函数发生器在相应时间向混频器输出对应的余弦信号，即可实现第一分布式光纤传感装置和第二分布式光纤传感装置对长距离传感光纤的时分复用，并且，通过前面的介绍，我们可以明显的看出，通过本发明方案，除了可以使两种分布式光纤传感装置共用同一条长距离传感光纤外，还可以使两种分布式光纤传感装置共用光源、滤波器、混频器、光电探测器等设备，从而使测量装置在具备两种测量功能的条件下，大大降低系统成本。
其中，掺铒光纤放大器还可采用如下的优参数设置方案：掺铒光纤放大器的工作方式采用前向两级泵浦方式，采用980nm泵浦光在4m或6m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监测，所需的传感光纤长度与原来单一功能的传感器所需的光纤长度相同，大大降低系统成本。
附图说明
图1、本发明的结构示意图；
图中各个标记所对应的部件分别为：光源1、第一耦合器2、第一声光调制器3、掺铒光纤放大器4、光滤波器5、三端口环形器6、长距离传感光纤7、第二耦合器8、平衡光电探测器9、第二声光调制器10、隔离器11、高通滤波器12、混频器13、函数发生器14、低通滤波器15、数据采集卡16；
具体实施方式
一种时分复用的分布式光纤振动传感器，包括：基于后向瑞利散射原理的第一分布式光纤传感装置和基于Mach-Zehnder干涉原理的第二分布式光纤传感装置，其中，第一分布式光纤传感装置通过对应的传感光纤获取被测空间内的振动位置信息，第二分布式光纤传感装置通过对应的传感光纤获取被测空间内的振动频率信息，其特征在于：所述第一分布式光纤传感装置和第二分布式光纤传感装置共用同一条传感光纤，第一分布式光纤传感装置和第二分布式光纤传感装置通过时分复用机制错时工作。
进一步地，分布式光纤振动传感器由光源1、第一耦合器2、第一声光调制器3、掺铒光纤放大器4、光滤波器5、三端口环形器6、长距离传感光纤7、第二耦合器8、平衡光电探测器9、第二声光调制器10、隔离器11、高通滤波器12、混频器13、函数发生器14、低通滤波器15和数据采集卡16组成；其中，第一耦合器2为1×3耦合器，第二耦合器8为2×2耦合器；
光源1与第一耦合器2的输入端光路连接，第一耦合器2将输入光分为三路，第一路光作为振动位置检测信号输入第二声光调制器10，第二路光作为振动频率检测信号输入第一声光调制器3，第三路光作为参考信号输入第二耦合器8的第一输入端；
第二声光调制器10的输出端与隔离器11的输入端光路连接，隔离器11的输出端与长距离传感光纤7的首端光路连接，长距离传感光纤7的末端与三端口环形器6的收发复用端光路连接，三端口环形器6的输出端与第二耦合器8的第二输入端光路连接；
第一声光调制器3的输出端与掺铒光纤放大器4的输入端光路连接，掺铒光纤放大器4的输出端与光滤波器5的输入端光路连接，光滤波器5的输出端与三端口环形器6的输入端光路连接；
第二耦合器8的两个输出端与平衡光电探测器9的两个输入端一一对应地光路连接，平衡光电探测器9的输出端与高通滤波器12的输入端连接，高通滤波器12的输出端与混频器13的第一输入端连接，混频器13的第二输入端与函数发生器14连接，混频器13的输出端与低通滤波器15的输入端连接，低通滤波器15的输出端与数据采集卡16连接；
函数发生器14还分别与第一声光调制器3和第二声光调制器10连接；
函数发生器14向第一声光调制器3输出第一电脉冲信号，函数发生器14向第二声光调制器10输出第二电脉冲信号，通过调整第一电脉冲信号和第二电脉冲信号之间的输出时延形成时分复用机制，使用于获取振动位置信息的相关装置和用于获取振动频率信息的相关装置错时工作；第一电脉冲信号和第二电脉冲信号之间的输出时延可根据长距离传感光纤7的具体长度灵活调整，原则上只要保证振动频率检测信号和振动位置检测信号互不干涉即可，一般来说，长距离传感光纤7的长度越长，第一电脉冲信号和第二电脉冲信号之间的输出时延也应设定得较长，由于光的传播速度很快，即使长距离传感光纤7的长度达到几公里，其时延也可控制在微秒级，并不会影响振动测量的时实性。
当分布式光纤振动传感器对振动位置信息进行测量时，函数发生器14向混频器13输出与第一电脉冲信号对应的余弦信号，当分布式光纤振动传感器对振动频率信息进行测量时，函数发生器14向混频器13输出与第二电脉冲信号对应的余弦信号。
进一步地，掺铒光纤放大器4的工作方式采用前向两级泵浦方式，采用980nm泵浦光在4m或6m掺铒光纤下实现光放大。
Claims (2)
1.一种时分复用的分布式光纤振动传感器，其特征在于：所述分布式光纤振动传感器由光源（1）、第一耦合器（2）、第一声光调制器（3）、掺铒光纤放大器（4）、光滤波器（5）、三端口环形器（6）、长距离传感光纤（7）、第二耦合器（8）、平衡光电探测器（9）、第二声光调制器（10）、隔离器（11）、高通滤波器（12）、混频器（13）、函数发生器（14）、低通滤波器（15）和数据采集卡（16）组成；其中，第一耦合器（2）为1×3耦合器，第二耦合器（8）为2×2耦合器；
光源（1）与第一耦合器（2）的输入端光路连接，第一耦合器（2）将输入光分为三路，第一路光作为振动频率检测信号输入第二声光调制器（10），第二路光作为振动位置检测信号输入第一声光调制器（3），第三路光作为参考信号输入第二耦合器（8）的第一输入端；
第二声光调制器（10）的输出端与隔离器（11）的输入端光路连接，隔离器（11）的输出端与长距离传感光纤（7）的首端光路连接，长距离传感光纤（7）的末端与三端口环形器（6）的收发复用端光路连接，三端口环形器（6）的输出端与第二耦合器（8）的第二输入端光路连接；
第一声光调制器（3）的输出端与掺铒光纤放大器（4）的输入端光路连接，掺铒光纤放大器（4）的输出端与光滤波器（5）的输入端光路连接，光滤波器（5）的输出端与三端口环形器（6）的输入端光路连接；
第二耦合器（8）的两个输出端与平衡光电探测器（9）的两个输入端一一对应地光路连接，平衡光电探测器（9）的输出端与高通滤波器（12）的输入端连接，高通滤波器（12）的输出端与混频器（13）的第一输入端连接，混频器（13）的第二输入端与函数发生器（14）连接，混频器（13）的输出端与低通滤波器（15）的输入端连接，低通滤波器（15）的输出端与数据采集卡（16）连接；
函数发生器（14）还分别与第一声光调制器（3）和第二声光调制器（10）连接；
函数发生器（14）向第一声光调制器（3）输出第一电脉冲信号，函数发生器（14）向第二声光调制器（10）输出第二电脉冲信号，通过调整第一电脉冲信号和第二电脉冲信号之间的输出时延形成时分复用机制，使用于获取振动位置信息的相关装置和用于获取振动频率信息的相关装置错时工作；
当分布式光纤振动传感器对振动位置信息进行测量时，函数发生器（14）向混频器（13）输出与第一电脉冲信号对应的余弦信号，当分布式光纤振动传感器对振动频率信息进行测量时，函数发生器（14）向混频器（13）输出与第二电脉冲信号对应的余弦信号。
2.根据权利要求1所述的时分复用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两级泵浦方式，采用980nm泵浦光在4m或6m掺铒光纤下实现光放大。
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