CN105222884B - 一种基于低反射光纤光栅的分布式振动传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于低反射光纤光栅的分布式振动传感方法。本发明主要适用于分布式光纤振动传感，在长度为的普通单模光纤上每隔L刻写一个低反射光纤光栅，形成刻写有n个低反射光纤光栅的传感光纤，通过光电探头测量脉冲光经过相邻两个低反射光纤光栅反射回来的干涉光强以及脉冲光到达时间差来确定振动信号强弱和振动位置，从而实现了分布式振动传感。本发明采用普通激光光源，具有结构简单、成本低廉等优点。

Description

一种基于低反射光纤光栅的分布式振动传感方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及了一种基于低反射光纤光栅的分布式振动传感方法。

背景技术

光纤的出现带来了通信技术和传感技术的革命，基于光纤的通信系统已经成为当今信息社会的重要基础设施,而光纤传感器也已经成为物联网技术发展不可或缺的一部分。当光波在光纤中传输时，其特征参量振幅、相位、偏振态、波长等会因外界因素如温度、压力、应变等值接或间接地发生变化，从而可将光纤用作传感元件探测物理量。光纤传感技术就是利用光纤对某些物理量敏感的特性，将外界物理量转换成可以直接测量的信号的技术。光纤传感技术是光学领域最为重要的传感技术之一，分布式光纤传感技术是光纤传感技术中最具优势的技术之一,已经被广泛应用于石化、建筑、航天、航空、高铁、桥梁、国防等领域。

利用光纤传感技术可以实现分布式振动传感，目前实现分布式振动传感的光纤传感系统主要采用价格高昂的低噪声窄线宽激光器作为光源，并结合声光或电光调制器获得光脉冲，窄线宽激光器及调制系统成为分布式振动传感系统成本居高不下的主要原因，限制了其大规模应用。因此，发明一种不需要窄线宽激光器、成本低廉的分布式振动传感方法具有重要意义。

发明内容

本发明就是针对现有技术的不足，提出了一种基于低反射光纤光栅的分布式振动传感方法。

本发明的方法包括以下步骤：

步骤(1)选择一段长度为nL的普通单模光纤；利用成熟的光纤光栅刻写技术在普通单模光纤上每隔L刻写一个低反射光纤光栅，光纤光栅的反射波长为λ₀,这样制作形成一段长度为nL的传感光纤；

步骤(2)选择一个输出波长为λ₀的普通脉冲光源；选择工作波长覆盖λ₀的一个光环形器、两个光耦合器、一段长度为2L的延时光纤、一个光电探头和一台计算机。

步骤(3)将输出波长为λ₀的普通脉冲光源的输出端口和光环形器的第一端口光纤连接；将光纤环形器的第二端口和长度为nL的传感光纤光纤连接；将光纤环形器的第三端口和第一个光耦合器的输入第一端口光纤连接；将第一个光耦合器的第二端口和长度为2L的延时光纤的一个端口光纤连接；第一个光耦合器的第三端口和第二个光耦合器的第三端口光纤连接；长度为2L的延时光纤的另外一个端口和第二个光耦合器的第二端口光纤连接；第二个光耦合器的第一端口和光电探头的输入端口光纤连接；光电探头的输出端口和计算机用数据线连接；

步骤(4)开启输出波长为λ₀的普通脉冲光源，获得周期性的脉冲输出；以脉冲注入传感光纤为计时零点，当时间

t_m＝2mLn_eff/c,m＝1,2,3······ (1)

时，光电探头获得的光强恰好是第m个低反射光纤光栅和第m+1个低反射光纤光栅所反射的两部分光的干涉光强,n_eff为传感光纤的有效折射率；由于这两部分光光程相同，对光源的相干性要求低；当第m个低反射光纤光栅和第m+1个低反射光纤光栅之间的光纤受到外界振动信号扰动时，生产了和振动信号对应的附加相位φ_m，从而使得第m个低反射光纤光栅和第m+1个低反射光纤光栅所反射的两部分光的干涉光强发生改变，即在时间t_m时刻，光电探头获得的光强为

I_m＝f(t_m,φ_m) (2)

通过光电探头获得的光强信号，由计算机通过公式(1)(2)计算时间及光强信号对应的相位信号，相位信号和振动信号一一对应，从而获得振动信号的强弱及位置。

本发明主要适用于分布式光纤振动传感，在长度为nL的普通单模光纤上每隔L刻写一个低反射光纤光栅，形成刻写有n个低反射光纤光栅的传感光纤，通过光电探头测量脉冲光经过相邻两个低反射光纤光栅反射回来的干涉光强以及脉冲光到达时间差来确定振动信号强弱和振动位置，从而实现了分布式振动传感。本发明采用普通激光光源，具有结构简单、成本低廉等优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明实施例中计算机分析获得的振动信号。

具体实施方式

如图1所示，实现准分布式振动传感的装置包括一台普通脉冲光源1、一个光环形器2、一段长度为10km的传感光纤3、第一个光耦合器4、一段长度为100m的延时光纤5、第二个光耦合器6、一个光电探头7和一台计算机8。

具体实现准分布式振动传感的方法包括以下步骤：

(1)选择一段长度为nL＝200×50＝10000m的普通单模光纤；利用成熟的光纤光栅刻写技术在普通单模光纤上每隔50m刻写一个低反射光纤光栅，光纤光栅的反射波长为λ₀＝1550nm,这样制作形成一段长度为10000m的传感光纤3；

(2)选择一个输出波长为λ₀＝1550nm的普通脉冲光源1；选择工作波长覆盖λ₀＝1550nm的一个光环形器2、第一个光耦合器4、一段长度为100m的延时光纤5、第二个光耦合器6、一个光电探头7和一台计算机8。

(3)将输出波长为λ₀＝1550nm的普通脉冲光源1的输出端口和光环形器2的第一端口光纤连接；将光纤环形器2的第二端口和长度为10000m的传感光纤3光纤连接；将光纤环形器2的第三端口和第一个光耦合器4的输入第一端口光纤连接；将第一个光耦合器4的第二端口和长度为100m的延时光纤5的一个端口光纤连接；第一个光耦合器4的第三端口和第二个光耦合器6的第三端口光纤连接；长度为100m的延时光纤5的另外一个端口和第二个光耦合器6的第二端口光纤连接；第二个光耦合器6的第一端口和光电探头7的输入端口光纤连接；光电探头7的输出端口和计算机8用数据线连接；

(4)开启输出波长为λ₀＝1550nm的普通脉冲光源1，获得周期性的脉冲输出；以脉冲注入传感光纤为计时零点，当时间

t_m＝2mLn_eff/c,m＝1,2,3······ (1)

时，光电探头7获得的光强恰好是第m个低反射光纤光栅和第m+1个低反射光纤光栅所反射的两部分光的干涉光强,n_eff为传感光纤的有效折射率；由于这两部分光光程相同，对光源的相干性要求低；当第m个低反射光纤光栅和第m+1个低反射光纤光栅之间的光纤受到外界振动信号扰动时，生产了和振动信号对应的附加相位φ_m，从而使得第m个低反射光纤光栅和第m+1个低反射光纤光栅所反射的两部分光的干涉光强发生改变，即在时间t_m时刻，光电探头7获得的光强为

I_m＝f(t_m,φ_m) (2)

通过光电探头7获得的光强信号，由计算机通过公式(1)(2)计算时间及光强信号对应的相位信号，相位信号和振动信号一一对应，从而获得振动信号的强弱及位置。

图2给出了经过计算机处理的振动信号，在位于6000m的附近出现了一个振动信号。

本发明主要利用了近年来发展起来的分布式光纤传感技术，在长度为nL的普通单模光纤上刻制作了n个低反射光纤光栅，利用了相邻两个低反射光纤光栅反射回来的干涉光强对振动的敏感性，通过光电探头测量光信号强弱以及信号到达时间差来确定振动信号强弱和振动位置，从而实现了分布式振动传感。本发明采用普通激光光源，具有结构简单、成本低廉等优点。

Claims (1)

1.一种基于低反射光纤光栅的分布式振动传感方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

步骤(1)选择一段长度为nL的单模光纤；利用光纤光栅刻写技术在单模光纤上每隔L刻写一个低反射光纤光栅，光纤光栅的反射波长为λ₀,这样制作形成一段长度为nL的传感光纤；

步骤(2)选择一个输出波长为λ₀的脉冲光源；选择工作波长覆盖λ₀的一个光环形器、两个光耦合器、一段长度为2L的延时光纤、一个光电探头和一台计算机；

步骤(3)将输出波长为λ₀的脉冲光源的输出端口和光环形器的第一端口光纤连接；将光环形器的第二端口和长度为nL的传感光纤光纤连接；将光环形器的第三端口和第一个光耦合器的输入第一端口光纤连接；将第一个光耦合器的第二端口和长度为2L的延时光纤的一个端口光纤连接；第一个光耦合器的第三端口和第二个光耦合器的第三端口光纤连接；长度为2L的延时光纤的另外一个端口和第二个光耦合器的第二端口光纤连接；第二个光耦合器的第一端口和光电探头的输入端口光纤连接；光电探头的输出端口和计算机用数据线连接；

步骤(4)开启输出波长为λ₀的脉冲光源，获得周期性的脉冲输出；以脉冲注入传感光纤为计时零点，当时间

t_m＝2mLn_eff/c,m＝1,2,3…… (1)

时，光电探头获得的光强恰好是第m个低反射光纤光栅和第m+1个低反射光纤光栅所反射的两部分光的干涉光强,n_eff为传感光纤的有效折射率；由于这两部分光光程相同，对光源的相干性要求低；当第m个低反射光纤光栅和第m+1个低反射光纤光栅之间的光纤受到外界振动信号扰动时，生产和振动信号对应的附加相位φ_m，从而使得第m个低反射光纤光栅和第m+1个低反射光纤光栅所反射的两部分光的干涉光强发生改变，即在时间t_m时刻，光电探头获得的光强为

I_m＝f(t_m,φ_m) (2)

通过光电探头获得的光强信号，由计算机通过公式(1)(2)计算时间及光强信号对应的相位信号，相位信号和振动信号一一对应，从而获得振动信号的强弱及位置。