CN103308148B - 直线型多通道光纤声振动传感装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直线型多通道光纤声振动传感装置及方法，其中装置包括：光源、传输光纤、微型全光纤中继复用器、光纤声振动传感器和光信号分析器。光源、微型全光纤中继复用器以及光信号分析器通过传输光纤按直线型串联，探测光经微型全光纤中继复用器输入光纤声振动传感器中，同时经过声调制的光信号返回沿传输光纤进入光信号分析器分析处理。该装置可实现多个光纤声振动传感器的直线串行连接，有效降低系统复杂度，且实现同步测量。该系统适用于多种应用场合，可构建灵活多变的声振动传感网络。

Description

直线型多通道光纤声振动传感装置及方法

技术领域

本发明涉及声振动传感技术领域，适用于声波、冲击波和振动等信号的探测。

背景技术

采用光纤技术构成的声振动传感器，由于不受电磁干扰，能在有毒、易燃、易爆、小空间等恶劣环境下工作，因而能处理传统基于声电换能技术的声学测量中难以解决的技术问题，在声音采集、发动机噪声、环境噪声等领域具有广泛的应用前景。

基于法珀干涉微腔的光纤声振动传感器由于灵敏度高，能实现对声振动源的高保真实时监测，因而更受关注。在很多应用场合，往往需要多个光纤声振动传感器共同工作实现多点同时测量，以便更好的还原声振动源的信息。由于光纤声振动传感器的FP腔结构使得传感器不能直接串联，且由于测量对象是一个快速变化的信号，目前常用的多点测量的做法是一只光纤声振动传感器配一个解调单元，或者采用一个解调单元和光开关的方式进行星型布线（各个通道不能同时工作，每次只能选择一个通道使用），每个光纤声振动传感器均需要单独准备一根传输光纤连接到解调单元上，当布设的测量点较多或相互距离较大时，需要的传输光纤的数量将非常多，而且维护和布设都将变得复杂。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种直线型多通道光纤声振动传感装置及方法，通过增加一个微型全光纤中继复用器，使光纤声振动传感器能够如光纤光栅传感器一样串行布置，从而实现多通道同步高速声振动传感。

为了解决上述技术问题，本发明直线型多通道光纤声振动传感装置予以实现的技术方案是：该装置包括：光源、传输光纤、N个光纤声振动传感器、N个微型全光纤中继复用器和光信号分析器；其中：

光源用以提供宽带探测光，采用宽光谱的SLD光源或者ASE光源，工作波段为1310nm或1550nm；

传输光纤：用于连接光纤声振动传感装置中光源、微型全光纤中继复用器和光信号分析器；

N个光纤声振动传感器,N≤64,所述光纤声振动传感器采用法珀干涉微腔结构，由单模光纤端面与传感膜片构成法珀腔，其中传感膜片采用聚合物薄膜制作，可耐受液氮温度（-196℃），声压力变化分辨率0.01Pa，传感器体采用高硼硅套管和毛细管制作，单模光纤置于毛细管中心；

N个微型全光纤中继复用器，N≤64,每个微型全光纤中继复用器由一对具有相同特征波长参数的光栅辅助光纤耦合器和一个分光比为50:50的光纤耦合器组成；所述微型全光纤中继复用器具有三个端口，其中一个端口用于连接所述光纤声振动传感器，另外两个端口用于前后传输光纤的串接；所述微型全光纤中继复用器特征波长采用通信中的密集波分复用DWDM的中心波长，为每个光纤声振动传感器输出特定波长的谱宽度小于0.1nm窄带探测光，同时接收返回的经声振动调制的信号光；本发明中，所述微型全光纤中继复用器为全光纤无源器件。

所述光纤声振动传感器的初始工作点与微型全光纤中继复用器的特征波长相匹配。

光信号分析器，由DWDM滤波模块、InGaAs探测器模块、数据采集卡和计算单元组成；DWDM光通道数包括4路，8路，16路，32路或64路，用于将传输光纤中的各个波长的光干涉信号进行分离；所述InGaAs探测器模块的数量与DWDM光通道数匹配，进行光电转换；采用4块数据采集卡，数据采集卡采用16位AD，AD转换速度为1MHz，每块数据采集卡具有16路探测通道；计算单元包括计算机或嵌入式系统，对采集的各个波长的光干涉信号进行分析，完成高灵敏度多点声振动状态的同时监测。

另一方面，本发明还提供了一种直线型多通道光纤声振动传感方法，包括以下步骤：

步骤一、光源、N个微型全光纤中继复用器以及光信号分析器通过传输光纤按直线型串联相接，各个微型全光纤中继复用器具有不同的特征波长，并且每个微型全光纤中继复用器连接一个光纤声振动传感器，作为一个传感通道；每个微型全光纤中继复用器中的一对具有相同特征波长参数的光栅辅助光纤耦合器，其中第一个光栅辅助光纤耦合器为上载光栅辅助耦合器，另外第二个光栅辅助光纤耦合器为下载光栅辅助耦合器；

步骤二、光源提供的宽带探测光经传输光纤进入第一个微型全光纤中继复用器，该微型全光纤中继复用器中的上载光栅辅助耦合器提取出特征波长为λ₁、谱宽小于0.1nm的窄带光，输入光中未被提取的部分将不会受到影响，从上载光栅辅助耦合器中直接通过，并继续向前传输到下载光栅辅助耦合器，被提取的窄带光作为该通道的探测光经过50:50光纤耦合器输入光纤声振动传感器，声振动信号作用在光纤声振动传感器的传感膜片上，实现对中心波长为λ₁的窄带光相位调制，调制后的反射信号光经50：50光纤耦合器返回进入下载光栅辅助耦合器，并通过交叉耦合与来自上载光栅辅助耦合器的光合成一束光输出至传输光纤，在这个过程中，宽带探测光中只有特征波长为λ₁的窄带光携带声振动信息；

步骤三、其它微型全光纤中继复用器处将重复步骤二过程；

步骤四、各个波长的信号光混叠一起通过传输光纤最终进入光信号分析器，通过光信号分析器的DWDM滤波模块进行光波长分离，输入到InGaAs探测器模块进行光电转换，通过数据采集卡进行采集后在计算机或嵌入式系统计算分析处理，从而实现高灵敏度多通道声振动传感。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1．本发明可以方便的将多达64个光纤声振动传感器串行连接，且实现同步测量，克服了以往光纤声振动传感难以实现多点测量的问题；

2．本发明的微型全光纤中继复用器采用光栅辅助光纤耦合器和一个50：50光纤耦合器构成，为全光纤器件，有利于降低损耗，且光栅辅助光纤耦合器能保证谱宽＜0.1nm的窄带光，使之满足干涉条件；

3.本发明能够通过合理分配微型全光纤中继复用器的特征波长，提高光源的使用率，提高复用程度，光纤声振动传感器各通道间互不干扰，从而构建灵活多变的声振动传感网络，适用多种应用场合。

附图说明

图1是本发明中光纤声振动传感器示意图；

图2是本发明中采用光栅辅助光纤耦合器的微型全光纤中继复用器示意图；

图3是本发明直线型多通道光纤声振动传感装置示意图。

图中：

1-单模光纤                10-光纤声振动传感器

2-通孔                    11-支路C

3-套管                    12-下载光栅辅助耦合器

4-毛细管                  13-光源

5-传感器膜片              14-特征波长是λ₁的微型全光纤中继复用器

6-上载光栅辅助耦合器      15-特征波长是λ₂的微型全光纤中继复用器

7-支路A                   16-传输光纤

8-支路B                   17-特征波长是λ_n的微型全光纤中继复用器

9-50：50光纤耦合器        18为光信号分析器。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图3所示，本发明一种直线型多通道光纤声振动传感装置，包括：光源13，传输光纤16，N个微型全光纤中继复用器14,15，……，17，N≤64；N个光纤声振动传感器10，光信号分析器18。其中：

光源13：提供宽光谱的SLD光源或者ASE光源，工作波段为1310nm或1550nm；

传输光纤16：用于连接光纤声振动传感装置中光源、微型全光纤中继复用器和光信号分析器；

N个微型全光纤中继复用器14,15，……，17，N≤64,每个微型全光纤中继复用器具有三个端口，其中一个端口用于连接光纤声振动传感器10，另外两个端口用于前后传输光纤16的串接；每个微型全光纤中继复用器分别为每个光纤声振动传感器10输出特定波长的光，同时接收返回的经声振动调制的光信号；微型全光纤中继复用器由一对具有相同特征波长参数的光栅辅助光纤耦合器和一个分光比为50:50的光纤耦合器组成，如图2所示，特征波长采用通信中的密集波分复用（DWDM）的中心波长；其中的第一个光栅辅助光纤耦合器，称为上载光栅辅助耦合器6，用于选择特定中心波长、光谱宽度小于0.1nm的光进入50:50光纤耦合器9中，然后输入到光纤声振动传感器10中，经过声调制的反射光随后由50:50光纤耦合器9传输到第二个光栅辅助光纤耦合器，称为下载光栅辅助耦合器12，最终通过下载光栅辅助耦合器12进入传输光纤16中。

本发明中微型全光纤中继复用器的工作原理，如图2所示，微型全光纤中继复用器具有一组成对的光栅辅助光纤耦合器，第一个光栅辅助光纤耦合器又称为上载光栅辅助耦合器6和第二个光栅辅助光纤耦合器又称为下载光栅辅助耦合器12，上载光栅辅助耦合器6提取出特征波长为λ_i、谱宽小于0.1nm的窄带光通过交叉耦合进入支路A7，而输入光中未被提取的部分将不会受到影响，从上载光栅辅助耦合器6直接通过到支路B8，继续向前传输到下载光栅辅助耦合器12，被提取的窄带光作为该通道的探测光经50:50光纤耦合器9输入光纤声振动传感器10，经光纤声振动传感器10调制后的反射信号光经50:50光纤耦合器9返回，经支路C11进入下载光栅辅助光纤耦合器12，并通过交叉耦合与支路B8中来自上载光栅辅助耦合器6的光合成一束光输出，在这个过程中，宽带光中只有特征波长为λ_i的窄带光携带声振动信息。

光纤声振动传感器10，如图1所示，采用法珀干涉微腔结构，由单模光纤1端面与传感膜片5构成法珀腔，其中传感膜片5采用聚合物薄膜制作，可耐受液氮温度（-196℃），声压力变化分辨率0.01Pa；传感器体采用高硼硅套管3和毛细管4制作，单模光纤1置于毛细管4中心；由于法珀腔初始腔长要使干涉信号置于线性工作区内，光纤声振动传感器的初始工作点需要与微型全光纤中继复用器的特征波长相匹配；当外界声振动源作用在传感膜片5上时将引起膜片形变，从而改变法珀腔腔长，即可对探测光进行相位调制；

本发明中的光纤声振动传感器的工作原理，如图1所示，毛细管4内嵌于套管3中，为单模光纤1准直定位，套管3支撑传感器膜片5，传感膜片5采用聚合物薄膜制作，可耐受液氮温度（-196℃），通孔2用来平衡法珀腔内与外界气压，减小法珀腔内气压所带来的阻尼影响，提高传感器灵敏度；单模光纤1的端面与传感器膜片5构成法珀干涉微腔，初始腔长要使干涉信号置于线性工作区内，光纤声振动传感器的初始工作点需要与微型全光纤中继复用器的特征波长相匹配；当声振动源作用在传感器膜片5上时，传感器膜片5将发生形变，法珀腔腔长随即发生改变；由于光纤声振动传感器的反射光光强与法珀腔腔长呈线性关系，即得到可以反映声振动的光信号，声压力变化分辨率0.01Pa。

光信号分析器18：由DWDM滤波模块、InGaAs探测器模块、数据采集卡和计算单元组成；DWDM光通道数包括4路，8路，16路，32路或64路，用于将传输光纤16中的各个波长的光干涉信号进行分离；InGaAs探测器模块数量与DWDM光通道数匹配，进行光电转换；采用4块数据采集卡，数据采集卡采用16位AD，AD转换速度1MHz，每块数据采集卡具有16路探测通道；计算单元包括计算机或嵌入式系统，对采集的各个波长的光干涉信号进行分析，完成高灵敏度多点声振动状态的同时监测。

本发明提供了一种直线型多通道光纤声振动传感方法，具体包括：

如图3所示，步骤一、光源13、N个微型全光纤中继复用器（N≤64）14,15，……，17以及光信号分析器18通过传输光纤16按直线型串联相接，各个微型全光纤中继复用器14,15，……，17具有不同的特征波长，并且每个微型全光纤中继复用器连接一个光纤声振动传感器10，作为一个传感通道。

步骤二、光源13提供的宽带探测光经传输光纤16进入第一个微型全光纤中继复用器14，如图2所示，该微型全光纤中继复用器14中的第一个光栅辅助耦合光纤耦合器，即上载光栅辅助耦合器6提取出特征波长为λ₁、谱宽小于0.1nm的窄带光通过交叉耦合进入支路A7，输入光中未被提取的部分将不会受到影响，从上载光栅辅助耦合器6中直接通过到支路B8，并继续向前传输到第二个光栅辅助光纤耦合器，即下载光栅辅助耦合器12，被提取的窄带光作为该通道的探测光经过50:50光纤耦合器9输入光纤声振动传感器10，声振动信号作用在光纤声振动传感器10的传感膜片上，实现对中心波长为λ₁的窄带光相位调制，调制后的反射信号光经50：50光纤耦合器9返回，经支路C11进入下载光栅辅助耦合器12，并通过交叉耦合与支路B8中来自上载光栅辅助耦合器6的光合成一束光输出至传输光纤16，在这个过程中，宽带光中只有特征波长为λ₁的窄带光携带声振动信息。

步骤三、在后面的N-1个微型全光纤中继复用器处将重复上述步骤二过程。

经过上述步骤二、三，光源13提供的宽带探测光经传输光纤16进入第一个微型全光纤中继复用器14，提取出中心波长为λ₁的窄带光作为该通道的探测光输入光纤声振动传感器10中；同时经过声调制的反射光返回微型全光纤中继复用器14，与宽带探测光中未被提取的部分汇合，进入传输光纤16继续向后传输。同理，其它微型全光纤中继复用器15，……，17可分别提取中心波长为λ₂…λ_n的窄带光作为各个传感通道的工作光源。

步骤四、经过声振动调制的N个波长的光信号混叠在一起，通过传输光纤16最终进入光信号分析器18，经光信号分析器18进行分波和处理，光信号分析器18中的DWDM滤波模块将各个波长的信号光分离开，然后经过InGaAs探测器模块进行光电转换，通过数据采集卡进行采集输入至计算机或嵌入式系统进行计算分析处理，从而实现高灵敏度多通道声振动状态的同时监测。

本发明中采用串行结构实现声振动的多通道同步传感测量；微型全光纤中继复用器为全光纤无源器件，有利于降低光功率损耗；通过分配微型全光纤中继复用器的特征波长，能提高光源13的使用率，提高复用程度，构建灵活多变的光纤声振动传感网络。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种直线型多通道光纤声振动传感装置，其特征在于，该装置包括光源、传输光纤、N个光纤声振动传感器、N个微型全光纤中继复用器，光信号分析器；其中：

光源：提供宽带探测光，采用宽光谱的SLD光源或者ASE光源，工作波段为1310nm或1550nm；

传输光纤：用于光纤声振动传感装置中光源、微型全光纤中继复用器和光信号分析器各部分之间的连接；

N个光纤声振动传感器,N≤64,所述光纤声振动传感器采用法珀干涉微腔结构，由单模光纤端面与传感膜片构成法珀腔，其中传感膜片采用聚合物薄膜制作，可耐受液氮温度-196℃，声压力变化分辨率0.01Pa，传感器体采用高硼硅套管和毛细管制作，单模光纤置于毛细管中心；

N个微型全光纤中继复用器，N≤64,每个微型全光纤中继复用器由一对具有相同特征波长参数的光栅辅助光纤耦合器和一个分光比为50:50的光纤耦合器组成；所述微型全光纤中继复用器具有三个端口，其中一个端口用于连接所述光纤声振动传感器，另外两个端口用于前后传输光纤的串接；所述微型全光纤中继复用器特征波长采用通信中的密集波分复用DWDM的中心波长，为每个光纤声振动传感器输出特定波长的谱宽度小于0.1nm窄带探测光，同时接收返回的经声振动调制的信号光；

所述光纤声振动传感器的初始工作点与微型全光纤中继复用器的特征波长相匹配；

光信号分析器：由DWDM滤波模块、InGaAs探测器模块、数据采集卡和计算单元组成；DWDM光通道数包括4路，8路，16路，32路或64路，用于将传输光纤中的各个波长的光干涉信号进行分离；所述InGaAs探测器模块的数量与DWDM光通道数匹配，进行光电转换；采用4块数据采集卡，数据采集卡采用16位AD，AD转换速度为1MHz，每块数据采集卡具有16路探测通道；计算单元包括计算机或嵌入式系统，对采集的各个波长的光干涉信号进行分析，完成高灵敏度多点声振动状态的同时监测。

2.根据权利要求1所述的直线型多通道光纤声振动传感装置，其特征在于，光源、N个微型全光纤中继复用器以及光信号分析器通过传输光纤按直线型串联相接，用以实现声振动的多通道同步传感测量。

3.根据权利要求1或2所述的直线型多通道光纤声振动传感装置，其特征在于，所述微型全光纤中继复用器为全光纤无源器件。

4.一种直线型多通道光纤声振动传感方法，其特征在于：采用如权利要求1所述直线型多通道光纤声振动传感装置，包括以下步骤：

步骤一、光源、N个微型全光纤中继复用器以及光信号分析器通过传输光纤按直线型串联相接，各个微型全光纤中继复用器具有不同的特征波长，并且每个微型全光纤中继复用器连接一个光纤声振动传感器，作为一个传感通道；每个微型全光纤中继复用器中的一对具有相同特征波长参数的光栅辅助光纤耦合器，其中第一个光栅辅助光纤耦合器为上载光栅辅助耦合器，第二个光栅辅助光纤耦合器为下载光栅辅助耦合器；

步骤二、光源提供的宽带探测光经传输光纤进入第一个微型全光纤中继复用器，该微型全光纤中继复用器中的上载光栅辅助耦合器提取出特征波长为λ₁、谱宽小于0.1nm的窄带光，输入光中未被提取的部分将不会受到影响，从上载光栅辅助耦合器中直接通过，并继续向前传输到下载光栅辅助耦合器，被提取的窄带光作为该通道的探测光经过50:50光纤耦合器输入光纤声振动传感器，声振动信号作用在光纤声振动传感器的传感膜片上，实现对中心波长为λ₁的窄带光相位调制，调制后的反射信号光经50：50光纤耦合器返回进入下载光栅辅助耦合器，并通过交叉耦合与来自上载光栅辅助耦合器的光合成一束光输出至传输光纤，在这个过程中，宽带探测光中只有特征波长为λ₁的窄带光携带声振动信息；

步骤三、在后面的N-1个微型全光纤中继复用器处分别提取出特征波长为λ₂……λ_n的窄带光作为相应传感通道的工作光源，提取特征波长后，重复上述步骤二中的传感过程进行传感；

步骤四、各个波长的信号光混叠一起通过传输光纤最终进入光信号分析器，通过光信号分析器的DWDM滤波模块进行光波长分离，输入到InGaAs探测器模块进行光电转换，通过数据采集卡进行采集后在计算机或嵌入式系统计算分析处理，从而实现高灵敏度多通道声振动传感。