CN106066203A - 基于超短光纤光栅阵列的分布式高灵敏振动探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超短光纤光栅阵列的分布式高灵敏振动探测系统及方法，依次连接的激光光源、调制放大单元、环形器和超短光纤光栅阵列，环形器上还连接有耦合器；该系统还包括与耦合器相连的匹配干涉仪和反射光检测单元，耦合器的两个输出端口分别与匹配干涉仪的两臂相连；匹配干涉仪与超短光纤光栅阵列相对应，用于接收经过超短光纤光栅阵列后的反射光，反射光检测单元对接收到的反射光进行检测。本发明可以实现高灵敏振动信号的分布式测量，检测精度高，避免了光谱失配导致的干涉条纹可见度下降问题，且具有更高的信噪比。

Description

基于超短光纤光栅阵列的分布式高灵敏振动探测系统及方法

技术领域

本发明涉及传感技术领域，尤其涉及一种基于超短光纤光栅阵列的分布式高灵敏振动探测系统及方法。

背景技术

光纤传感具有不受电磁干扰、传输距离远、易于组成分布式传感网络等一系列独特优点，近年来在结构健康监测、周界安防、火灾报警、地震波监测等领域的应用有了大量报道，高性能、集约化和网络化已经成为光纤传感的发展方向。

光纤光栅传感是近年来迅速发展的一种传感技术，它的优势是响应快、测量参数多，灵活性强。传统的光纤光栅传感采用波分复用的方式，受光源带宽限制，单根光纤上能够复用的传感器数量只有数十个。最近发展起来的基于时分复用的弱光纤光栅传感网络受到了广泛关注，例如2012年10月申报的专利超大容量时分波分光纤光栅传感系统及其查询方法(专利号：201210390000.8)和专利一种极弱光纤光栅传感系统及其查询方法(专利号：201210391578.5)等等，通过采用反射率低至万分之一的光纤光栅作为传感单元，单根光纤上能够复用的传感器数量可达上千个。

但是，在上述的这些光纤光栅传感系统中，不管采用波分复用方式还是采用时分复用方式，都是通过直接测量光纤光栅的中心波长变化来获取外界信息，其分辨率在1pm左右。而在需要进行高灵敏探测的领域，例如水声信号探测，待测声压所造成的光纤光栅波长变化量通常小于0.01pm，传统的光纤光栅传感系统无法检测到这一微小量的变化。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中灵敏度不够高的缺陷，提供一种检测精度高的基于超短光纤光栅阵列的分布式高灵敏振动探测系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种包括依次连接的激光光源、调制放大单元、环形器和超短光纤光栅阵列，环形器上还连接有耦合器；

该系统还包括与耦合器相连的匹配干涉仪和反射光检测单元，耦合器的两个输出端口分别与匹配干涉仪的两臂相连；

匹配干涉仪与超短光纤光栅阵列相对应，用于接收经过超短光纤光栅阵列后的反射光，反射光检测单元对接收到的反射光进行检测。

进一步地，本发明的超短光纤光栅阵列包括多组超短光纤光栅，超短光纤光栅的长度为百微米级，反射宽度为纳米级。

进一步地，本发明的调制放大单元包括强制调制器和脉冲型掺铒光纤放大器。

进一步地，本发明的调制放大单元和环形器之间还设置有偏振控制装置。

进一步地，本发明的反射光检测单元包括高速光探测器和信号采集装置。

本发明提供一种基于超短光纤光栅阵列的分布式高灵敏振动探测方法，包括以下步骤：

S1、设置超短光纤光栅阵列的参数，包括光栅间距、光栅长度和中心波长；

S2、设置调制脉冲的参数，包括周期和采样频率，并根据调制脉冲的参数选择匹配干涉仪；

S3、调制放大后的光脉冲进入超短光纤光栅阵列中进行反射，匹配干涉仪获取相邻光纤光栅反射光脉冲的干涉信号；

S4、检测反射光脉冲的干涉信号的变化情况，得到每两个光纤光栅之间光纤段的相位变化信息，并根据相位变化信息对光纤的灵敏振动进行监测。

进一步地，本发明的步骤S3中获取相邻光纤光栅反射光脉冲的干涉信号的方法具体为：

调整匹配干涉仪的臂差，使臂差匹配相邻光栅间距，前一个光栅的反射光经过匹配干涉仪长臂后到达接收端的时间与后一个光栅的反射光经过匹配干涉仪短臂后到达接收端的时间重合，形成两个光脉冲的干涉，设计脉冲宽度与周期，则每一个进入超短光纤光栅阵列的光脉冲信号，在接收端将收到N+1个光脉冲，中间的N-1个标记了阴影的信号为相邻光纤光栅之间的干涉信号，其中N为光栅个数。

进一步地，本发明的步骤S3中每个干涉信号的光强为：

|E|²≈R{2+cos[2β(L-L_r)]}

其中，R为超短光纤光栅的反射率，L为相邻超短光纤光栅的间距，L_r为匹配干涉仪的臂差。

本发明产生的有益效果是：本发明的基于超短光纤光栅阵列的分布式高灵敏振动探测系统，通过匹配干涉仪对超短光纤光栅阵列的反射光进行接收，由干涉信号解调出相位变化，可以实现高灵敏振动信号的分布式测量，检测精度高；其传感光纤由超短光纤光栅阵列构成，每个超短光纤光栅的长度在数百微米，其反射带宽为数纳米，避免了光谱失配导致的干涉条纹可见度下降问题；超短光纤光栅的反射光相比于Φ-OTDR采用的瑞利散射光干涉，强度高出了约2个数量级，因此具有更高的信噪比。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的基于超短光纤光栅阵列的分布式高灵敏振动探测系统的结构示意图；

图2是本发明实施例的基于超短光纤光栅阵列的分布式高灵敏振动探测方法的流程图；

图3(a)是本发明实施例的基于超短光纤光栅阵列的分布式高灵敏振动探测系统的光栅长度不同时的带宽模拟图(a)；

图3(b)是本发明实施例的基于超短光纤光栅阵列的分布式高灵敏振动探测系统的光栅长度不同时的带宽模拟图(b)；

图4是本发明实施例的基于超短光纤光栅阵列的分布式高灵敏振动探测系统的超短光纤光栅序列反射光信号时域图；

图5(a)是本发明实施例的基于超短光纤光栅阵列的分布式高灵敏振动探测系统的不同频率信号的测试结果图(a)；

图5(b)是本发明实施例的基于超短光纤光栅阵列的分布式高灵敏振动探测系统的不同频率信号的测试结果图(b)；

图5(c)是本发明实施例的基于超短光纤光栅阵列的分布式高灵敏振动探测系统的不同频率信号的测试结果图(c)；

图5(d)是本发明实施例的基于超短光纤光栅阵列的分布式高灵敏振动探测系统的不同频率信号的测试结果图(d)；

图中，1-激光光源，2-强制调制器，3-脉冲型掺铒光纤放大器，4-偏振控制装置，5-环形器，6-超短光纤光栅阵列，7-耦合器，8-匹配干涉仪，9-高速光探测器，10-信号采集装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的基于超短光纤光栅阵列的分布式高灵敏振动探测系统，包括依次连接的激光光源1、调制放大单元、环形器5和超短光纤光栅阵列6，环形器5上还连接有耦合器7；

该系统还包括与耦合器7相连的匹配干涉仪8和反射光检测单元，耦合器7的两个输出端口分别与匹配干涉仪8的两臂相连；

调制放大单元包括强制调制器2和脉冲型掺铒光纤放大器3；调制放大单元和环形器5之间还设置有偏振控制装置4；反射光检测单元包括高速光探测器9和信号采集装置10。

匹配干涉仪8与超短光纤光栅阵列6相对应，用于接收经过超短光纤光栅阵列6后的反射光，反射光检测单元对接收到的反射光进行检测。

超短光纤光栅阵列6包括多组超短光纤光栅，超短光纤光栅的长度为百微米级，反射宽度为纳米级。

FBG的零点带宽△λ为：

$\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\λ}}_B}=\frac{\mathrm{\Δ}n}{n}\sqrt{1+{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_B}{\mathrm{\Δ}nL}\right)}^2}$

其中，L，△n，n，λB分别为FBG的长度、折射率调制深度，有效折射率，和中心波长。由上面公式可得，当光纤光栅的长度越短，反射宽度越宽。

光纤光栅的峰值反射率为：

R_max＝tanh²(kL)

其中，h为常数，k为耦合系数，也是一个常数。由上式可得光纤光栅长度越短，反射率越低。

光纤光栅的带宽与光栅长度成反比，当光栅长度越短时，带宽越宽，但是峰值反射率降低，同时旁瓣效应也增加。故选用的超短光纤光栅长度不能太短，在几百微米的范围内刚好满足我们的系统要求的带宽个反射率要求。

普通光纤光栅的长度大约1毫米，反射带宽为0.2纳米。我们使用的超短光纤光栅的长度大约500微米，反射带宽大约为3纳米。

本发明中的光纤光栅长度比普通的光纤光栅长度要短，故其反射带宽也比一般的光纤光栅要宽。光纤光栅的反射带宽的增加，可以提高两束光的相干干涉，从而有效避免了光谱失配导致的干涉条纹可见度下降问题。

本发明中的光纤光栅阵列的长度为2公里,光栅间距为2.5米。

在本发明的另一个实施例中，基于超短光纤光栅阵列的分布式高灵敏振动探测系统，包括激光光源、强度调制器、脉冲型掺铒光纤放大器、偏振控制装置、环形器、超短光纤光栅阵列、耦合器、匹配干涉仪、高速光探测器和信号采集装置。

激光光源提供特定波段的连续光功率信号；激光光源发出的光经过强度调制器调制成脉冲光，再经过脉冲型掺铒光纤放大器(EDFA)放大，放大后的光经过偏振控制器后通过环形器进入超短光纤光栅传感阵列；所述的环形器的另一个端口接耦合器，耦合器输出的两端口接匹配干涉仪的两臂，耦合器反射回来的光经过高速光探测器；高速光电探测器用串口线与信号采集装置连接。

其中，所述的强度调制器对光源信号进行调制并放大，光信号经过调制器后输出为脉冲光信号。

光纤光栅由超短光纤光栅阵列构成，每个超短光纤光栅的长度在数百微米，其反射带宽为数纳米，避免了光谱失配导致的干涉条纹可见度下降问题。

如图2所示，本发明实施例的基于超短光纤光栅阵列的分布式高灵敏振动探测方法，用于实现本发明实施例的基于超短光纤光栅阵列的分布式高灵敏振动探测系统，包括以下步骤：

S1、设置超短光纤光栅阵列的参数，包括光栅间距、光栅长度和中心波长；

S2、设置调制脉冲的参数，包括周期和采样频率，并根据调制脉冲的参数选择匹配干涉仪；

S3、调制放大后的光脉冲进入超短光纤光栅阵列中进行反射，匹配干涉仪获取相邻光纤光栅反射光脉冲的干涉信号；

获取相邻光纤光栅反射光脉冲的干涉信号的方法具体为：

调整匹配干涉仪的臂差，使臂差匹配相邻光栅间距，前一个光栅的反射光经过匹配干涉仪长臂后到达接收端的时间与后一个光栅的反射光经过匹配干涉仪短臂后到达接收端的时间重合，形成两个光脉冲的干涉，设计脉冲宽度与周期，则每一个进入超短光纤光栅阵列的光脉冲信号，在接收端将收到N+1个光脉冲，中间的N-1个标记了阴影的信号为相邻光纤光栅之间的干涉信号，其中N为光栅个数。

每个干涉信号的光强为：

|E|²≈R{2+cos[2β(L-L_r)]}

其中，R为超短光纤光栅的反射率，L为相邻超短光纤光栅的间距，L_r为匹配干涉仪的臂差。

S4、检测反射光脉冲的干涉信号的变化情况，得到每两个光纤光栅之间光纤段的相位变化信息，并根据相位变化信息对光纤的灵敏振动进行监测。

在本发明的另一个实施例中，如图3(a)和图3(b)所示，为光谱图，通过使用超短光纤光栅，由于外界温度等变化引起两个光纤光栅光谱失配，当光谱窄的时候，会导致激光发出的光不在两光谱重合的区域，使干涉条纹可见度降低。而使用超短光纤光栅时，有较宽的光谱，即使温度等发生变化使光谱发生了漂移，但是激光发出的光仍然在两光谱重合的区域，这样就避免了光谱失配导致的干涉条纹可见度下降问题。

该方法通过获取相邻光纤光栅反射光脉冲的干涉信息，即可获取这两个光栅之间光纤段的相位变化信息，从而对振动信号进行高灵敏解调。

激光光源发出的光经过强度调制器调制成光脉冲，经过脉冲型掺铒光纤放大器(EDFA)的放大，再通过偏振控制器进入环形器，环形器出来的光进入超短光纤光栅阵列，反射回来的光进入采用迈克尔逊干涉仪结构的匹配干涉仪。当迈克尔逊干涉仪臂差完全匹配相邻光栅间距时，前一个光栅的反射光经过干涉仪长臂后到达接收端的时间恰好与与后一个光栅的反射光经过干涉仪短臂后到达接收端的时间重合，形成两个光脉冲的干涉，精确设计脉冲宽度与周期，则每一个进入超短光纤光栅阵列的光脉冲信号，在接收端将收到N+1个光脉冲(N为光栅个数)，其中中间的N-1个标记了阴影的信号为相邻光纤光栅之间两两干涉信号，如图4所示，每个干涉信号的光强可以表示为：

|E|²≈R{2+cos[2β(L-L_r)]}

其中，R为超短光纤光栅的反射率，L为相邻超短光纤光栅的间距，Lr为匹配干涉仪的臂差。

检测这些干涉信号的变化，可以获取每两个光栅之间光纤段的相位变化信息，从而实现对沿整根光纤的高灵敏振动监测。

超短光纤光栅阵列中的多次反射除了产生串扰，降低接收端的信噪比之外，还会形成光谱阴影效应。光纤光栅阵列的复用个数将受到这些串扰和阴影效应的制约，通过将光栅的反射率控制在很小的水平(例如-40dB左右)，串扰和阴影效应的影响将大大减小，复用数量可达上千个。

在一个具体的操作过程中，建立了一个该系统结构的相干检测系统，具体步骤是：

1、超短光纤光栅阵列，光栅间距2.5m，光栅长度为500um，中心波长1550.6nm。

2、确定调制脉冲为20ns和采样率为10KHz，选择匹配的相干解调仪。

3、对两个光栅反射脉冲信号进行干涉解调，，将两个光栅中间的光纤部分缠绕在PZT上，通过PZT在两个光栅之间的光纤上施加电压幅值为+10V,频率分别为100Hz，500Hz，振动信号，如图5(a)、图5(b)、图5(c)和图5(d)所示，在接收端能够清楚的分辨出微弱的不同频率的振动信号，具有很好的频率响应特性。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于超短光纤光栅阵列的分布式高灵敏振动探测系统，其特征在于，包括依次连接的激光光源(1)、调制放大单元、环形器(5)和超短光纤光栅阵列(6)，环形器(5)上还连接有耦合器(7)；

该系统还包括与耦合器(7)相连的匹配干涉仪(8)和反射光检测单元，耦合器(7)的两个输出端口分别与匹配干涉仪(8)的两臂相连；

匹配干涉仪(8)与超短光纤光栅阵列(6)相对应，用于接收经过超短光纤光栅阵列(6)后的反射光，反射光检测单元对接收到的反射光进行检测。

2.根据权利要求1所述的基于超短光纤光栅阵列的分布式高灵敏振动探测系统，其特征在于，超短光纤光栅阵列(6)包括多组超短光纤光栅，超短光纤光栅的长度为百微米级，反射宽度为纳米级。

3.根据权利要求1所述的基于超短光纤光栅阵列的分布式高灵敏振动探测系统，其特征在于，调制放大单元包括强制调制器(2)和脉冲型掺铒光纤放大器(3)。

4.根据权利要求1所述的基于超短光纤光栅阵列的分布式高灵敏振动探测系统，其特征在于，调制放大单元和环形器(5)之间还设置有偏振控制装置(4)。

5.根据权利要求1所述的基于超短光纤光栅阵列的分布式高灵敏振动探测系统，其特征在于，反射光检测单元包括高速光探测器(9)和信号采集装置(10)。

6.一种基于超短光纤光栅阵列的分布式高灵敏振动探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、设置超短光纤光栅阵列的参数，包括光栅间距、光栅长度和中心波长；

S2、设置调制脉冲的参数，包括周期和采样频率，并根据调制脉冲的参数选择匹配干涉仪；

S3、调制放大后的光脉冲进入超短光纤光栅阵列中进行反射，匹配干涉仪获取相邻光纤光栅反射光脉冲的干涉信号；

S4、检测反射光脉冲的干涉信号的变化情况，得到每两个光纤光栅之间光纤段的相位变化信息，并根据相位变化信息对光纤的灵敏振动进行监测。

7.根据权利要求6所述的基于超短光纤光栅阵列的分布式高灵敏振动探测方法，其特征在于，步骤S3中获取相邻光纤光栅反射光脉冲的干涉信号的方法具体为：

调整匹配干涉仪的臂差，使臂差匹配相邻光栅间距，前一个光栅的反射光经过匹配干涉仪长臂后到达接收端的时间与后一个光栅的反射光经过匹配干涉仪短臂后到达接收端的时间重合，形成两个光脉冲的干涉，设计脉冲宽度与周期，则每一个进入超短光纤光栅阵列的光脉冲信号，在接收端将收到N+1个光脉冲，中间的N-1个标记了阴影的信号为相邻光纤光栅之间的干涉信号，其中N为光栅个数。

8.根据权利要求7所述的基于超短光纤光栅阵列的分布式高灵敏振动探测方法，其特征在于，步骤S3中每个干涉信号的光强为：

|E|²≈R{2+cos[2β(L-L_r)]}

其中，R为超短光纤光栅的反射率，L为相邻超短光纤光栅的间距，L_r为匹配干涉仪的臂差。