CN106813766A - 声磁同测的分布式光纤传感系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种声磁同测的分布式光纤传感系统，包括：声磁同测探头阵列，包括至少一个声磁同测探头，所述声磁同测探头包含传感光纤，用于获取外部声磁信号，产生拉伸，且引起其光折射率变化；分布式光纤传感解调仪，与所述声磁同测探头阵列连接，用于向所述传感光纤发射光脉冲，并接收传感光纤的反射光以及对反射光进行相位解调，其中，所述反射光为所述光脉冲经过声磁信号作用得到的光信号的反射光。本发明可用于水声、磁场信号的同时检测，具有耐高压、高精度、多参量、实时测量等优势，可以更好地应用在实际工程中。

Description

声磁同测的分布式光纤传感系统
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感领域，尤其涉及一种声磁同测的分布式光纤传感系统。
背景技术
分布式光纤传感技术是光纤传感的一个重要分支，利用光波在光纤中传输时相位、偏振、幅度、波长等对外界敏感的特性，可以连续实时地监测光纤附近的温度、应变、磁场、振动和声音等物理量，具有很好的应用前景，在光纤传感市场占据主要地位。
水声检测是深海探测的一个重要组成部分，通过高灵敏度的光纤相干检测，将水声信号转化成光信号，通过光纤传至分布式光纤传感解调仪。水声检测主要检测海洋声学环境中的声传播、噪声、混响、海底声学特性、陆地地震波检测以及海洋环境检测；水声检测优势现代海军反潜作战及水下兵器实验的先进检测手段。
利用光纤进行水声检测的方法多样，光纤布拉格光栅自20世纪出现以来，迅速取得了很大进展，通过对光纤光栅进行简单的增敏封装，将声压转换成光栅的轴向应变，这种器件构成的水听器具有天然的易于波分复用的特点，不同中心波长的光纤光栅水听器通过简单的串接即可实现复用组网，不过随着对精度的要求逐渐提升，由于光纤光栅的反射光带宽无法进一步缩小，导致解调系统的波长分辨率较低，无论是噪声水平还是动态范围都无法满足现代需求。光纤激光器也是利用了光纤光栅的反射特性和选频作用，都是利用声压引起中心波长的变化，通过检测中心波长的变化还原水声信号，不过基于光纤激光器的水听器系统目前最多阵元数量为16个，阵元数量主要受限于泵浦光功率衰减以及光反射问题，实际应用限制较多。干涉式水听器主要取决于其干涉仪的类型，有迈克尔逊型，马赫增德型，萨格奈特型等多种类型，不过随着研究的深入和实际应用的开展，也暴露如受弯曲半径无法进一步缩小、大规模组网需要多种光器件配合等影响，使用也受到很大限制。
磁场检测是深海探测的另一个重要组成部分，通过超磁致伸缩材料对微弱磁场的高灵敏度应变响应，将磁场信号转化为光信号，通过光纤传至分布式光纤传感解调仪。通过可长期观测的磁场传感网可以通过探测水下航行器引发的海底磁场变化实现军事反潜，同时为为海底铁磁性矿藏开发行业提供服务。
利用光纤进行磁场检测也有多种方法，目前研究的光纤磁场传感器从原理上大体分为四类：第一类基于法拉第效应，第二类基于磁致伸缩效应，第三类则是基于电流在磁场受到安培力现象，第四类是利用磁流体等新型材料。前两类传感器对磁场变化的响应相对直接，目前研究较多，发展也相对成熟，已经成熟的利用在实际工程应用中；第三类传感器需要引入电流线路进行辅助，第四类基于磁流体材料的磁场传感器，这些都是近十年来随着材料学研究的深入发展的新兴方法。不过这两种技术出现相对晚些，也不是很成熟，不具备实际工程应用条件。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种声磁同测的分布式光纤传感系统，以解决上述的至少一项技术问题。
(二)技术方案
本发明提供了一种声磁同测的分布式光纤传感系统，包括：
声磁同测探头阵列，包括至少一个声磁同测探头，所述声磁同测探头包含传感光纤，用于获取外部声磁信号，产生拉伸，且引起其光折射率变化；
分布式光纤传感解调仪，与所述声磁同测探头阵列连接，用于向所述传感光纤发射光脉冲，并接收传感光纤的反射光以及对反射光进行相位解调，其中，所述反射光为所述光脉冲经过声磁信号作用得到的光信号的反射光。
优选地，各所述声磁同测探头的间隔不小于分布式光纤传感解调仪的空间分辨率。
优选地，所述声磁同测探头还包括内管和外管；其中，，内管置于外管内，内管和外管之间设置有弹性体和传感光纤，所述内管外表面覆盖有弹性体，弹性体外表面缠绕有所述传感光纤。
优选地，所述弹性体包括聚氨酯或声敏弹性体，弹性体厚度可以为2mm。
优选地，所述内管和外管可以为金属材料，所述金属材料包括铝、镍或铁，内管厚度可以为0.5mm，外管厚度可以为0.5mm。
优选地，所述传感光纤表面镀覆有金属和超磁致伸缩材料。
优选地，所述金属包括镍、铁或银，金属厚度可以为200nm。
优选地，所述超磁致伸缩材料材料为TbFe2(铁化铽)、DyFe2(铁化镝)或SmFe2(铁化钐)，超磁致伸缩材料厚度可以为5μm。
(三)有益效果
本发明相较于现有技术，具有以下优点：
1、本发明通过分布式光纤传感技术和镀金属光纤作为导光传感介质，实现大规模传感单元组网，可同时实现水声和磁场的实时高精度同时测量。
2、本发明的系统具有探头结构简单、组网能力强、成本低等特点，此外，本发明探头的内外管上涂覆弹性体作为增敏结构，使得声磁信号更准确地还原。
3、本发明具有空气腔结构，适用于深水区，具备具有耐高压、低成本、可实时测量的优势。
附图说明
图1是本发明实施例的声磁同测的分布式光纤传感系统的示意图；
图2是本发明实施例的传感光纤制作工艺及流程示意图；
图3是本发明实施例的声磁同测探头的零部件图；
图4是本发明实施例的声磁同测探头的制作及组装示意图。
具体实施方式
本发明提供的分布式光纤传感技术，利用检测传输光纤中背向瑞利散射光的相位信号来实现分布式磁场及水声传感的测量。当外界磁场或水声作用于传感光纤某一位置时，该位置处的光纤将会感受到外界应力或应变的作用，引起光纤拉伸和折射率变化，进而引起导致背向散射光在传输时的相位发生变化，因此通过检测相位变化来实现对外界振动或声音的测量。基于相位生成载波技术的分布式光纤传感系统可以实现任意位置处的磁场及水声信号探测。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明实施例提供了一种声磁同测的分布式光纤传感系统，图1为本发明实施例的声磁同测的分布式光纤传感系统的示意图，如图1所示，该系统包括：声磁同测探头阵列2和分布式光纤传感解调仪1。其中，所述声磁同测探头阵列2包括：至少一个声磁同测探头20，所述声磁同测探头20包含传感光纤21，用于获取外部声磁信号(即水声信号和磁场信号)，产生拉伸，且引起其光折射率变化；分布式光纤传感解调仪1，与所述声磁同测探头阵列2连接，用于向所述传感光纤21发射光脉冲，所述光脉冲在声磁信号的作用下形成相应的光信号，并接收传感光纤21的反射光以及对反射光的背向瑞利散射光进行相位解调，其中，所述反射光为所述光脉冲经过声磁信号作用得到的光信号的反射光。
其中，本实施例中的各所述声磁同测探头20的间隔以不小于分布式光纤传感解调仪1的空间分辨率为佳。空间分辨率指在所述分布式光纤传感系统中，若每一米光纤是一个传感单元，则系统的空间分辨率即为一米，因此，空间分辨率与所述系统的设定参数有关，参数改变，空间分辨率也相应发生改变。系统中的传感光纤21作为导光和传感器件，当解调仪1发射的脉冲光进入传感光纤21时，各声磁同测探头20返回背向瑞利散射光，当各所述声磁同测探头20的间隔以不小于分布式光纤传感解调仪1的空间分辨率时，可以避免各背向瑞利散射光出现叠加混频、难以分辨和无法解调的情况。
本发明实施例采用的分布式光纤传感解调仪1可以捕捉到所述反射光的背向瑞利散射光。背向瑞利散射是一种光学现象，属于散射的一种情况。其散射粒子尺度远小于入射光波长时(小于波长的十分之一)，其各方向上的散射光强度是不一样的，该强度与入射光的波长的四次方成反比，为光的自然特征。
系统工作时，当外界磁场或水声信号(声磁信号)作用于缠绕在声磁同测探头20的传感光纤21某一位置时，该位置处的传感光纤21将会感受到外界应力或应变的作用，引起光纤拉伸和折射率变化，进而引起背向瑞利散射光在传输时的相位发生变化，通过分布式光纤传感解调仪1显示的相位解调结果即可还原所述声磁信号。
本发明实施例设计得到所述分布式光纤传感解调仪1，可以包括窄线宽激光器、光耦合器、调制器、光隔离器、光纤放大器、环形器、光纤光栅、传感光纤、相干接收器、数据采集卡、信号处理机和脉冲发生器，采用相干接收技术和正交解调算法实现背向瑞利散射光的相位解调，从而高精度地还原所述声磁信号。
图2为本发明实施例的传感光纤21制作工艺及流程示意图，如图2所示，本发明实施例的传感光纤21为导光、传感介质，可以由单模光纤经过预处理和磁控溅射处理得到，其中，所述预处理包括：剥离涂覆层、除去油脂、超声清洗和恒温箱干燥；所述磁控溅射处理包括：样品抽真空、通入氩气溅射镀金属和镀超磁致伸缩材料。其中所镀的金属通过磁控溅射的制作工艺镀于所述单模光纤，所述金属包括镍、铁或银，厚度优选为200nm。所述超磁致伸缩材料通过电镀工艺镀于所述金属上，超磁致伸缩材料可以为TbFe2、DyFe2或SmFe2，超磁致伸缩材料厚度优选为5μm。所述超磁致伸缩材料对微弱磁场产生高灵敏度的应变响应，使得磁场信号将解调仪发射的光脉冲转化为光信号，光信号通过传感光纤21传送至分布式光纤传感解调仪1，使得作用于所述传感光纤21的磁信号作为改变传感光纤21拉伸效果的作用力，引起传感光纤21更明显的折射率变化。对于水声信号的检测，本发明实施例通过高灵敏度的光纤相干检测，相干检测是一种信号的解调机制。利用调制信号的载波和接收到的已调信号相乘，然后通过低通滤波得到调制信号的检测方式，使得解调仪发射的光脉冲在水声信号的作用下转化为光信号，通过传感光纤21传至分布式光纤传感解调仪1，同时作用于所述传感光纤21的水声信号作为改变传感光纤21拉伸效果的作用力，引起其传感光纤21更明显的折射率变化。
图3为本发明实施例的声磁同测探头20的零部件图，如图3所示，所述声磁同测探头20包括：堵头201、传感光纤21、一外管203和一内管202。图4为本发明实施例的声磁同测探头20的制作及组装示意图，如图4所示，声磁同测探头20中的内管202，内管置于外管内，使得内管202与内管202中的空气形成空气腔结构，防止外管203外的静水压对传感光纤21的干扰，维持所述系统在深水区工作的稳定性。此外，从堵头201的小孔穿出一导线，导线的一端通过熔接方法接于所述传感光纤21，另一端连接所述分布式光纤传感解调仪1。
另外，内管202和外管203之间设置有弹性体和传感光纤21，所述内管202外表面覆盖有一层弹性体，弹性体外表面缠绕有所述传感光纤21，所述弹性体为聚氨酯或声敏弹性体，弹性体厚度优选为2mm。本发明实施例采用所述弹性体作为增敏材料，使得内管202在受到声磁信号作用时产生更明显的形变，传感光纤21产生更明显的拉伸，从而引起其更明显的折射率变化。此时，与声磁同测探头20相连的分布式光纤传感解调仪1发射光脉冲至传感光纤21，并接收传感光纤21对所述光脉冲的反射光，以及进行更精确的相位解调。
所述内管202、外管203和堵头201可以为金属材料，所述金属材料包括镍、铝或铁，本发明实施例中内管202优选为厚度为0.5mm的薄壁铝管，外管203优选为厚度为0.5mm的薄壁铝管，堵头201也选择铝。更进一步地，在所述弹性体与传感光纤21之间、所述导线与堵头201的小孔之间以及所述堵头201与内管202的延伸段之间，涂抹硅胶或者胶水401，从而达到防水的效果，其中所述胶水可以选用353D胶水，硅胶可以选择天山软硅胶。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种声磁同测的分布式光纤传感系统，包括：
声磁同测探头阵列，包括至少一个声磁同测探头，所述声磁同测探头包含传感光纤，用于获取外部声磁信号，产生拉伸且引起其光折射率变化；
分布式光纤传感解调仪，与所述声磁同测探头阵列连接，用于向所述传感光纤发射光脉冲，并接收传感光纤的反射光以及对反射光的背向瑞利散射光进行相位解调，其中，所述反射光为所述光脉冲经过声磁信号作用得到的光信号的反射光。
2.根据权利要求1所述的系统，各所述声磁同测探头的间隔不小于分布式光纤传感解调仪的空间分辨率。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述声磁同测探头还包括内管和外管；其中，内管置于外管内，内管和外管之间设置有弹性体和传感光纤，所述内管外表面覆盖有弹性体，弹性体外表面缠绕有所述传感光纤。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述弹性体包括聚氨酯或声敏弹性体，弹性体厚度为2mm。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述内管和外管为金属材料，所述金属材料包括铝、镍或铁，内管厚度为0.5mm，外管厚度为0.5mm。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感光纤表面镀覆有金属和超磁致伸缩材料。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述金属包括镍、铁或银，金属厚度为200nm。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述超磁致伸缩材料材料为铁化铽、铁化镝或铁化钐，超磁致伸缩材料厚度为5μm。
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