CN104006900A - 一种多功能型结构健康和边界安防光纤监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多功能型结构健康和边界安防光纤监测系统，其中窄带激光器的输出光依次经光纤分束器的第一端臂、偏振控制器、声光调制器和光纤放大器，进入光纤环行器，再经光纤环行器进入传感光纤；光纤的后向散射光经光纤环形器和光纤放大器后被光纤分束器分为两束信号光，第一束信号光经扰偏器后进入合束器；同时光纤分束器的第二端臂的输出光依次经电光调制器进入合束器，进入合束器的两束光发生干涉后其输出光依次进入光电探测器和数据采集卡；第二束信号光经光纤环行器和光纤光栅滤波后，依次进入光电探测器和数据采集卡，由计算机实现两路信号的处理和显示。本发明将结构健康监测和边界安防监测融为一体。

Description

一种多功能型结构健康和边界安防光纤监测系统

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种多功能型结构健康和边界安防光纤监测系统。

背景技术

光波在光纤中传播使表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)因外界因素(温度、应力、振动、位移、电磁场等)的作用而发生变化，从而可以将光纤用作传感原件来探测各种物理量。

光时域技术(Opticaltime-domainreflectometer，OTDR)通常被用于定位光纤线网络中的断点及其它异常。其原理为：光脉冲在光纤中传播时，由于瑞利散射而发生能量损耗，通过监测后向散射光强度，就可以获得散射系数或衰减程度沿光纤分布的状况。

利用光纤中拉曼(Raman)散射、布里渊(Brillouin)散射、瑞利(Rayligh)散射等散射光随温度等参量的变化关系以及OTDR就可以构成分布式光纤温度和应力/应变等不同参量的分布式光纤传感器，主要包括：基于拉曼散射的ROTDR，基于布里渊散射的BOTDR，和基于瑞利散射相位敏感的φ-OTDR。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多功能型结构健康和边界安防光纤监测系统，能将结构健康监测和边界安防监测融为一体，对于确保结构健康和边界安全、减小安全隐患、降低维护成本的具有重要意义。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种多功能型结构健康和边界安防光纤监测系统，包括超窄带激光器，所述窄带激光器的输出光依次经第一光纤分束器的第一端臂、第一偏振控制器、声光调制器和第一光纤放大器，进入第一光纤环行器，并经第一光纤光栅滤波后，再经第二光纤环行器进入传感光纤；光纤的后向散射光经第二光纤环形器和第二光纤放大器后被第二光纤分束器分为两束信号光，其中，第一束信号光经第三光纤环行器和第二光纤光栅滤波后，经第一扰偏器后进入合束器；同时第一光纤分束器的第二端臂的输出光依次经第二偏振控制器、电光调制器、第二扰偏器后而进入合束器，进入合束器的两束光发生干涉后其输出光依次进入第一光电探测器、微波混频器、微波下变频器和数据采集卡；所述第二光纤分束器输出的第二束信号光经第四光纤环行器和第三光纤光栅滤波后，依次进入第二光电探测器和数据采集卡，由计算机实现两路信号的处理和显示。

所述的第一光纤分束器和第二光纤分束器均为可调分光比光纤分束器。

所述的第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅均为利用负热膨胀系数材料封装的温度补偿布拉格光纤光栅。

所述的第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅均为具有极窄3dB带宽的布拉格光纤光栅，其中，第一布拉格光纤光栅和第三布拉格光纤光栅的中心反射波长均等于所述超窄带激光器光源的波长，而第二布拉格光纤光栅的波长比第一布拉格光纤光栅的波长大。

所述电光调制器还与微波扫频源相连，所述微波扫频源为输出功率可调、频率可调的低相位噪声信号源，功率输出范围为3dBm～10dBm，频率输出范围为10.5～11.5GHz，最小调节步进值应小于50KHz。

经第二光纤光栅提取的信号光为携带待测结构温度和应变信息的光纤后向布理渊散射光，经第三光纤光栅提取的信号光为携带待测边界入侵信息的光纤后向瑞利散射光，两者分别用于结构健康和边界安防信息的分析、处理和显示；根据前者的频率和功率，推算结构的温度和应变分布，根据后者光的功率分布曲线推算边界异常入侵信息，两者结合可对温度、应变、边界的异常情况进行监测和定位。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本发明可同时实现结构健康状态参量(温度和应变)监测、结构所在区域的边界安全预警，能补足现有结构健康和安防预警领域、尤其是多功能监测预警领域中，监测系统不能互相兼容、且互相干扰的欠缺之处，避免了传统结构健康监测领域以点式探测为主的不足之处；同时也避免了传统的结构健康状态关键参量(应变和温度)的监测系统存在的复用测量点数少、性价比低、难以实现远程监控、重复性差等许多缺点和以红外探头等为主的传统安防监测领域中存在的照射距离短、使用寿命短、高费用投入、高损坏率、外露光器件易老化、夜视监控漏报率高等许多缺点。本发明所述的多功能光纤监测系统不仅具有抗电磁干扰、抗腐蚀、灵敏度高等特点，而且具有隐蔽性好、报警定位精确、数据处理相对简单等优点，在大范围、长距离、需实时监测的安防领域有着重要的应用前景。

本发明只需将一根普通单模光纤的前段粘贴(或埋入)于待测结构，将光纤的后段埋入待测边界的地面下，即可完成结构健康和边界安防的实时监测系统的传感探头的布置，而且光纤总长度以及前段与后段光纤的长度比例，可根据待测目标的尺寸和几何结构、待测边界长度等因素而灵活选择，避免了传统技术中需要安装多个传感头(如，应变片和温度计等)和多个监测探头(如，红外探头)所带来的代价高、施工复杂等许多缺点。本发明实现的一种多功能型结构健康和边界安防光纤监测系统，其传感探头的布置灵活方便，性价比高，并且可实现长距离边界监测的远程监控，无检测盲点。

本发明中采用的光纤光栅共有3个，共同具有如下特征：均用作光纤滤波器；均具有窄的3dB带宽(0.05nm)；均经过负热膨系数材料的温度补偿封装。其中第一光纤光栅和第三光纤光栅的中心波长与系统的激光器的波长一致，第一光纤光栅滤波器是为了滤除第一光纤放大器(EDFA)产生的以自发辐射放大为主的噪声波段的光源，而保留激光器波长附近极窄波段的信号光。而第二光纤光栅滤波器和第三光纤光栅滤波器是为了分离传感光纤的后向散射光中的布理渊散射光和瑞利散射光，布理渊散射光携带了结构的温度和应变信息，而瑞利散射光携带了边界入侵的信息。

本发明中的声光调制器产生的脉冲光的宽度决定了结构健康和边界安防监测的空间分辨率，可根据具体需求而调节脉冲宽度，从而实现空间分辨率的灵活调节。

本发明可实现分布式探测，并可实现多个结构异常点(温度过高或/和应变过大)和多个边界入侵点(非正常进入边界内)的同时探测和定位，给出实时的预警信号。

本发明中所有光纤和元器件的工艺水平都已非常成熟，制作方便可行。其可广泛用于各种领域，对推动光纤传感技术的实用化和产业化进程有重要意义。

附图说明

图1是本发明的系统示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种多功能型结构健康和边界安防光纤监测系统，如图1所示，超窄带激光器1的输出光依次经第一光纤分束器2的第一个端臂、偏振控制器3、声光调制器4和第一光纤放大器5，进入第一光纤环行器6，并经第一光纤光栅7滤波后，经第二光纤环行器8进入传感单模光纤9，传感单模光纤9的安装较为灵活，可根据需要粘贴到待测建筑物、管道等结构表面，并埋入需保护边界的地面下(根据需要光纤长度可达数十千米至数百千米)。传感单模光纤9的后向散射光经第二光纤环形器8和第二光纤放大器10后被第二光纤分束器11分为两束信号光。第一束信号光由第三光纤环行器12和第二光纤光栅13滤波后，进入扰偏器14并与第一光纤分束器2第二端臂的输出光一起进入合束器19而相干，实现外差相干探测，其中，第一光纤分束器2第二端臂的输出光依次经第二偏振控制器15、电光调制器17、第二扰偏器18后而进入合束器19。相干光进入第一光电探测器20、微波混频器21、微波下变频器22和数据采集卡26。第二束信号光经第四光纤环行器23和第三光纤光栅24滤波后，进入第二光电探测器25和数据采集卡26。数据采集卡26和计算机27实现两路信号的处理，系统可实时显示结构温度、应变等信息，并显示边界入侵的探测和定位信息。本系统具有抗电磁干扰、全光纤型测量、分布式、可远程监控并实现无损测量等优点。

所述的光纤分束器为可调分光比的分束器，可根据测试目标的需求，调节两束光的分光比。其中，根据外差探测理论和待测结构的特征，利用第一光纤分束器调节光纤输入光和本振光的分光比，以提高相干效果，增大信噪比。另一方面，根据用于结构健康监测部分的光纤长度和用于边界安防部分光纤长度的比例，由第二光纤分束器调节布理渊散射光路部分和瑞利散射光路部分的分光比。

所述的光纤光栅为利用具有负热膨胀系数的材料封装的窄带布拉格光纤光栅，其半高带宽(3dB带宽)为0.05nm，三个光纤光栅均用于在适当的光路位置滤除噪声波长成分。其中第一光纤光栅7和第三光纤光栅24的中心波长均等于激光器光源的波长，而第二光纤光栅13的中心波长比第一光纤光栅7的中心波长大0.08nm。这样选择波长和带宽，以利于精确分离和提取光纤后向散射光中的布理渊散射光信号和瑞利散射光信号，并能最大限度的滤除噪声信号。其中，利用第二光纤光栅13和第三光纤环行器12实现第一束信号光中的布理渊散射光的提取和瑞利散射光的滤除；利用第三光纤光栅24和第四光纤环行器23实现第二束信号光中的瑞利散射光的提取和布理渊散射光的滤除。这样，有效分离并提取了布理渊散射信号光和瑞利散射信号光，利用系统的信号处理。

所述电光调制器还与微波扫频源相连，所述的微波扫频源为输出功率可调、频率可调的低相位噪声信号源，其输出功率范围为3dBm～10dBm，其输出频率范围为10.5～11.5GHz，最小调节步进值为1KHz(满足小于50KHz的取值原则)。对输入到电光调制器的光信号进行频率和功率的控制，以实现较好的外差相干探测。对于普通单模光纤，根据布里渊频移ν_B和强度P_B与温度和应变之间的关系式可计算出，当应变为0，温度为20oＣ，入射光波长为1550nm时，其后向布理渊散射光的频移ν_B为11GHz，其中关系式如下：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{v}_B=C_{\mathrm{vT}}\mathrm{\ΔT}+C_{\mathrm{v\ϵ}}\mathrm{\Δ\ϵ}\\ \frac{\mathrm{\Δ}{P}_B}{P_B}=C_{\mathrm{PT}}\mathrm{\ΔT}+C_{\mathrm{P\ϵ}}\mathrm{\Δ\ϵ}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，Δν_B表示布里渊频移的变化量，ΔP_B/P_B表示布里渊强度的相对变化量，ΔT是光纤的温度变化量，Δε是光纤的应变变化量，C_νT和C_νε分别表示布里渊频移的温度系数和应变系数，C_PT和C_Pε分别表示布里渊强度的温度系数和应变系数。当温度范围为：-30℃≤T≤100℃时，在应变不变的条件下，温度每变化1oＣ，布理渊频移的变化量Δν_B约为1.18MHz。而当温度不变时，应变每变化1n，频移变化Δν_B为0.048MHz。因此，对应于系统中微波扫频源1KHz的频移，可实现的温度测量分辨率约为0.001℃，可实现的应变测量分辨率约为0.02n，这些利于系统实现较高的温度和应变测量精度。

本发明经第二光纤光栅提取的信号光为携带待测结构温度和应变信息的光纤后向布理渊散射光，经第三光纤光栅提取的信号光为携带待测边界入侵信息的光纤后向瑞利散射光，两者分别用于结构健康和边界安防信息的分析、处理和显示；根据前者的频率和功率，推算结构的温度和应变分布，根据后者光的功率分布曲线推算边界异常入侵信息，两者结合可对温度、应变、边界的异常情况进行监测和定位。

值得一提的是，本发明实现的一种多功能型结构健康和边界安防光纤监测系统，也可用于结构负载量、磁场强度、振动等其他参量的测量。

本发明实现的一种多功能型结构健康和边界安防光纤监测系统，具体实施方式如下：(1)在选择并确定激光光源时，应选择具有低频率漂移的高稳定性窄线宽激光器，一般激光器线宽应小于5KHz，而其频率漂移量应小于1MHz；(2)选择第一光纤放大器时，应选择内置滤波器的高倍光纤放大器(放大倍数一般应大于30dB)；而选择第二光纤放大器时，主要应满足小信号放大，因为从光纤后向散射的光，通常较弱；(3)选择电光调制器时，其消光比一般应大于35dB；(4)选择微波扫频源时，其扫频范围应至少涵括11GHz±0.5GHz的频率范围，并选择频率步进值小(一般应小于0.05MHz)的低相位噪声微波源；(5)选择数据采集卡时，其应具有较高的采样频率(一般应大于100MHz)的多通道(至少应包含两个通道)采集卡。

由此可见，本发明实现的一种多功能型结构健康和边界安防光纤监测系统，所述经分离和提取的后向布理渊散射信号和后向瑞利散射信号，分别携带了待测结构(温度和应变)的分布信息和待测边界的入侵信息，在实现实时探测的同时，给出准确的定位(空间定位分辨率主要决定于声光调制器输出的光脉冲信号宽度)，测量和安装灵活，信号采集和处理实时，对于机场、监狱、楼宇、军事基地等领域需要重点监测的建筑物、管道、边界等目标的结构健康和边界入侵定位的一体化实时监测具有重要意义。

Claims (6)

1.一种多功能型结构健康和边界安防光纤监测系统，包括超窄带激光器(1)，其特征在于，所述窄带激光器(1)的输出光依次经第一光纤分束器(2)的第一端臂、第一偏振控制器(3)、声光调制器(4)和第一光纤放大器(5)，进入第一光纤环行器(6)，并经第一光纤光栅(7)滤波后，再经第二光纤环行器(8)进入传感光纤(9)；光纤的后向散射光经第二光纤环形器(8)和第二光纤放大器(10)后被第二光纤分束器(11)分为两束信号光，其中，第一束信号光经第三光纤环行器(12)和第二光纤光栅(13)滤波后，经第一扰偏器(14)后进入合束器(19)；同时第一光纤分束器(2)的第二端臂的输出光依次经第二偏振控制器(15)、电光调制器(17)、第二扰偏器(18)后而进入合束器(19)，进入合束器(19)的两束光发生干涉后其输出光依次进入第一光电探测器(20)、微波混频器(21)、微波下变频器(22)和数据采集卡(26)；所述第二光纤分束器(11)输出的第二束信号光经第四光纤环行器(23)和第三光纤光栅(24)滤波后，依次进入第二光电探测器(25)和数据采集卡(26)，由计算机(27)实现两路信号的处理和显示。

2.根据权利要求1所述的多功能型结构健康和边界安防光纤监测系统，其特征在于，所述的第一光纤分束器(2)和第二光纤分束器(11)均为可调分光比光纤分束器。

3.根据权利要求1所述的多功能型结构健康和边界安防光纤监测系统，其特征在于，所述的第一光纤光栅(7)、第二光纤光栅(13)和第三光纤光栅(24)均为利用负热膨胀系数材料封装的温度补偿布拉格光纤光栅。

4.根据权利要求1所述的多功能型结构健康和边界安防光纤监测系统，其特征在于，所述的第一光纤光栅(7)、第二光纤光栅(13)和第三光纤光栅(24)均为具有极窄3dB带宽的布拉格光纤光栅，其中，第一布拉格光纤光栅(7)和第三布拉格光纤光栅(24)的中心反射波长均等于所述超窄带激光器(1)光源的波长，而第二布拉格光纤光栅(13)的波长比第一布拉格光纤光栅(7)的波长大。

5.根据权利要求1所述的多功能型结构健康和边界安防光纤监测系统，其特征在于，所述电光调制器(17)还与微波扫频源(16)相连，所述微波扫频源(16)为输出功率可调、频率可调的低相位噪声信号源，功率输出范围为3dBm～10dBm，频率输出范围为10.5～11.5GHz，最小调节步进值应小于50KHz。

6.根据权利要求1所述的多功能型结构健康和边界安防光纤监测系统，其特征在于，经第二光纤光栅(13)提取的信号光为携带待测结构温度和应变信息的光纤后向布理渊散射光，经第三光纤光栅(24)提取的信号光为携带待测边界入侵信息的光纤后向瑞利散射光，两者分别用于结构健康和边界安防信息的分析、处理和显示；根据前者的频率和功率，推算结构的温度和应变分布，根据后者光的功率分布曲线推算边界异常入侵信息，两者结合可对温度、应变、边界的异常情况进行监测和定位。