CN107389978B - 一种弱反射布拉格光栅加速度计及其传感方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种弱反射布拉格光栅加速度计及其传感方法。本发明在保偏传感光纤上刻制有等间距排布的第一至第三光栅；在时域上互相独立的双脉冲在依次经过第一至第三光栅后返回，产生两个携带外界振动信息的干涉脉冲，将两束携带外界振动信息的干涉脉冲的相位解调并将解调后的相位相减，从而得到抑制共模噪声的外界振动信息，且相位差与外界振动信号呈正比；本发明提高了噪声抑制水平，不仅能够消除由于激光器以及声光调制器而引入的共模噪声，同时能够消除外界环境的微扰引入至加速度计本身的环境噪声，提高了相位灵敏度并抑制了横向串扰，节省了传感系统成本并减小传感系统体积，这一优势在准分布式多基元传感网络优势体现尤为明显。
Description
技术领域
本发明涉及光纤加速度计，具体涉及一种弱反射布拉格光栅加速度计及其传感方法。
背景技术
光纤加速度计已经广泛应用于工业领域的声音与振动测量，比如海底油气藏监测，微地震监测以及井下监测等。相比于传统电子传感器，光纤加速度计具有高灵敏度，抗电磁干扰，易于形成分布式传感网络等优点。在所有类型的光纤加速度计中，基于顺变柱体结构的干涉式加速度计是应用主流，通过将光纤盘绕于弹性圆柱体，当外界振动引起弹性柱体的形变时，缠绕于弹性筒的光纤将产生膨胀或压缩，并最终引发干涉信号的相位变化。因而外界振动信息可以通过解调相位获取。此外，基于单轴顺变柱体改进得到的推挽式顺变柱体加速度计，可以获得双倍灵敏度并消除横向串扰。
共模噪声广泛存在于各类加速度传感系统，它主要来源于传感系统装置以及外界环境。共模噪声的频率分布从几十赫兹到几千赫兹不等，极大的影响了声音与振动的探测。噪声本底是衡量系统性能优劣的重要标志之一，因而为了降低光纤传感系统的噪声本底，共模噪声必须消除。现有技术是在传感系统中加入一个参考加速度计，这个参考加速度计经过特殊设计导致对外界振动信号并不敏感，通过传感加速度计的相位减去参考加速度计的相位从而达到消除共模噪声的效果[1,2]。
传统使用参考加速度计消除共模噪声的方法有几个弊端：(1)通过相位相减可以消除由有源光器件产生的共模噪声，然而并不能消除由于外界环境作用于传感加速度计的噪声；(2) 参考加速度计仍然拥有一定的灵敏度，即仍然能感知一定的外界振动信息，因而在消除共模噪声的同时仍然会滤出一部分有用的外界振动信号；(3)参考加速度计的存在增加了传感系统的体积以及成本。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种弱反射布拉格光栅加速度计及其传感方法，通过自身结构实现对共模噪声的抑制而无须另外的参考加速度计，从而实现缩小传感系统的体积并降低传感系统成本。
本发明的一个目的在于提出一种弱反射布拉格光栅加速度计。
本发明提出的弱反射布拉格光栅加速度计包括：基座、芯轴、质量块、压盖、上弹性筒、下弹性筒、保偏传感光纤以及第一至第三光栅；其中，基座水平设置在底部；在基座的上表面的中心竖直设置芯轴；芯轴的轴线作为中轴线；芯轴垂直穿过圆盘状的质量块的中心，将质量块固定在芯轴的中间位置，二者连接为一体；在芯轴的顶端设置压盖；上弹性筒和下弹性筒为直径相同的筒状，并分别同轴套装在芯轴上，上弹性筒固定在压盖与质量块之间，下弹性筒固定在质量块与基座之间；在下弹性筒、质量块和上弹性筒的外侧壁上，按照顺序缠绕保偏传感光纤；在缠绕于质量块侧壁上的那部分保偏传感光纤上刻制有等间距排布的第一至第三光栅；时域上相互独立的双脉冲作为探测信号入射至保偏传感光纤，双脉冲的时域距离为两倍相邻的光栅之间的间距，当双脉冲中的第一脉冲经过第一光栅时，小部分的光受到反射，大部分的光继续向前传播并依次经过第二和第三光栅，并且依次有小部分光反射，产生包括三个脉冲的第一返回脉冲序列；同理当第二脉冲依次经过第一至第三光栅时，同样产生包括三个脉冲的第二返回脉冲序列，由于双脉冲在时域上互相独立，第一返回脉冲序列的第二个脉冲与第二返回脉冲序列的第一个脉冲产生干涉脉冲，以及第一返回脉冲序列的第三个脉冲与第二返回脉冲序列的第二个脉冲产生干涉脉冲；当光栅加速度计受到外界振动时，质量块引导上弹性筒和下弹性筒的轴向形变，进而引发缠绕的保偏传感光纤的径向形变，导致干涉脉冲的相位变化，干涉脉冲中携带外界振动信息；将两束携带外界振动信息的干涉脉冲的相位解调并将解调后的相位相减，从而得到抑制共模噪声的外界振动信息，且相位差与外界振动呈正比。
本发明的质量块采用金属。缠绕在上弹性筒的保偏传感光纤的长度不小于10米，以及缠绕在下弹性筒的保偏传感光纤的长度不小于10米。
上弹性筒和下弹性筒采用有机聚合物材料。
当光栅加速度计受到外界轴向振动时，质量块引导上弹性筒和下弹性筒的形变，其中一个弹性筒产生膨胀而另一个弹性筒受到压缩，进而引发缠绕的保偏传感光纤的径向形变，并最终导致光栅加速度计的干涉脉冲的相位变化等幅反向，产生干涉相长效应，并实现将振动信号转化为光信号的相位；而当光栅加速度计受到水平振动时，上弹性筒和下弹性筒的变化一致，光纤干涉仪两臂光路中的相位等幅同相，产生干涉相消，因而实现消除横向串扰。
第一至第三光栅的反射率在5％～10％。相邻的光栅之间的距离不小于10米。
本发明的另一个目的在于提供一种弱反射布拉格光栅加速度计的传感方法。
本发明的弱反射布拉格光栅加速度计的传感方法，包括以下步骤：
1)发射时域上相互独立的双脉冲，双脉冲作为探测信号入射至保偏传感光纤；
2)当双脉冲中的第一脉冲经过第一光栅时，小部分的光受到反射，大部分的光继续向前传播并依次经过第二和第三光栅，并且依次有小部分光反射，产生包括三个脉冲的第一返回脉冲序列；同理当第二脉冲依次经过第一至第三光栅时，同样产生包括三个脉冲的第二返回脉冲序列；
3)由于双脉冲在时域上互相独立，双脉冲的时域距离为两倍相邻的光栅之间的间距，第一返回脉冲序列的第二个脉冲与第二返回脉冲序列的第一个脉冲产生干涉脉冲，以及第一返回脉冲序列的第三个脉冲与第二返回脉冲序列的第二个脉冲产生干涉脉冲；
4)当光栅加速度计受到外界振动时，质量块引导上弹性筒和下弹性筒的形变，进而引发缠绕的保偏传感光纤的径向形变，导致干涉脉冲的相位变化，干涉脉冲中携带外界振动信息；
5)将两束携带外界振动信息的干涉脉冲的相位解调并将解调后的相位相减，从而得到抑制共模噪声的外界振动信息，且相位差与外界振动呈正比。
本发明的优点：
与传统的迈克尔逊干涉型光纤加速度计相比，本发明的光栅加速度计具有以下优势：(1) 提高了噪声抑制水平：其中一个干涉脉冲用于传感，则另一个干涉脉冲可视为参考加速度计，两个干涉脉冲相位相减不仅能够消除由于激光器以及声光调制器而引入的共模噪声，同时能够消除外界环境的微扰引入至加速度计本身的环境噪声；(2)提高了相位灵敏度并抑制了横向串扰：由于保偏传感光纤分别缠绕于位于质量块的上下两侧的上弹性筒和下弹性筒的外壁形成推挽结构，因而加速度计的理论灵敏度翻倍且横向串扰得到有效抑制；(3)节省了传感系统成本并减小传感系统体积：由于本发明的光栅加速度计无需另外参考加速度计同样能够实现对共模噪声的抑制，因而节省成本并减小体积，这一优势在准分布式多基元传感网络优势体现尤为明显。
附图说明
图1为本发明的弱反射布拉格光栅加速度计的一个实施例的示意图；
图2为本发明的弱反射布拉格光栅加速度计的一个实施例的第一至第三光栅的示意图，其中， (a)为第一至第三光栅的结构图，(b)为双脉冲入射至第一至第三光栅的脉冲序列图；
图3为本发明的弱反射布拉格光栅加速度计的一个实施例的系统的结构框图；
图4为根据本发明的弱反射布拉格光栅加速度计的一个实施例得到的抑制共模噪声的效果频域图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的弱反射布拉格光栅加速度计包括：基座1、芯轴2、质量块3、压盖4、上弹性筒5、下弹性筒6、保偏传感光纤7以及第一至第三光栅G1～G3；其中，基座1水平设置在底部；在基座1的上表面的中心竖直设置芯轴2；芯轴的轴线作为中轴线；芯轴 2垂直穿过圆盘状的质量块3的中心，将质量块固定在芯轴的中间位置，二者连接为一体；在芯轴的顶端设置压盖4；上弹性筒5和下弹性筒6为直径相同的筒状，并分别同轴套装在芯轴2上，上弹性筒固定在压盖4与质量块3之间，下弹性筒6固定在质量块3与基座1之间；在下弹性筒、质量块和上弹性筒的外侧壁上，按照顺序缠绕保偏传感光纤7；在缠绕于质量块侧壁上的那部分保偏传感光纤上刻制有等间距排布的相同的第一至第三光栅G1～G3。本实施例中，质量块采用不锈钢金属；缠绕在上弹性筒的保偏传感光纤的长度为10米，以及缠绕在下弹性筒的保偏传感光纤的长度为10米；上弹性筒和下弹性筒采用聚苯砜。
如图2(a)所示，在本实施例中，保偏传感光纤7缠绕于质量块外壁的部分为23米长，刻制有等间距排布的相同的第一至第三光栅G1～G3，缠绕于上弹性筒与下弹性筒的保偏传感光纤的长度分别为10米。三个光栅两两相距10米。光栅的中心波长是1554.12nm，反射率设置为5％，以此保证入射光经三个光栅反射后反射光强幅度接近一致。另外光栅的3dB带宽选择为1nm，以保证入射光频率落在光栅的反射频谱内。
如图2(b)所示，本实施例中，输入时域上相距20米的双脉冲，作为探测信号，脉冲宽度设置为80ns且脉冲重复频率为200kHz。当双脉冲中的第一脉冲经过第一光栅时，5％的光受到反射，95％的光继续向前传播并依次经过第二和第三光栅，并且依次有5％光反射，产生携带外界振动信息的第一返回脉冲序列，第一返回脉冲序列包括三个脉冲11、12和13；同理当第二脉冲依次经过第一至第三光栅时，同样产生携带外界振动信息的包括三个脉冲的第二返回脉冲序列21、22和23，由于双脉冲在时域上互相独立，第一返回脉冲序列的第二个脉冲12与第二返回脉冲序列的第一个脉冲21产生干涉脉冲，以及第一返回脉冲序列的第三个脉冲13与第二返回脉冲序列的第二个脉冲22产生干涉脉冲；将两束干涉脉冲的相位解调并将解调后的相位相减，从而得到抑制共模噪声的外界振动信息，且相位差与外界振动呈正比。
搭建实验平台并对本发明的光栅加速度计的共模噪声抑制效果进行测试，并在测试过程中加入参考加速度计用来比较在共模噪声抑制方面性能的优劣。实验系统的结构框图如图3 所示：首先选择中心波长1554nm的保偏激光器作为光源，经过一个1×2的第一耦合器分为两路，并分别通过第一和第二声光调制器产生外差式双脉冲对，其中一条光路添加20米延时保偏光纤使输出双脉冲在时域上分离。接下来，两路脉冲信号经过2×2的第二耦合器产生两路双脉冲序列，其中一路双脉冲信号与本发明的光栅加速度计相连接，而另一路双脉冲与参考加速度计相连接以比较不同方法在噪声抑制性能方面的优劣。两路返回的干涉脉冲序列经光电转换，由采样频率为100MHz/s的数据采集卡采集信号，并最终解调相位信号。
共模噪声的抑制性能通过测量系统的噪声本底并转化为功率谱密度来描述。测试结果如图4所示，第一信号与第二信号表示干涉相位01与02对应的噪声本底功率谱密度(干涉相位01和02如图3中对应所示，下同)，第三信号表示干涉相位01与参考加速度计干涉相位 03采集得到相位之差，对应传统的共模噪声抑制技术方法而得到的噪声本底功率谱密度，第四信号表示干涉相位01与02之差，对应本发明提出的新型加速度计解调相位而得到的噪声本底功率谱密度。由图对比可以看出首先第一信号与第二信号对应的噪声本底曲线几乎一致，而第一信号与第二信号相位相减后的共模噪声抑制效果明显，在100Hz共模噪声衰减约55 dB。此外，通过第三信号与第四信号的对比可以看出，与传统共模噪声抑制技术方法相比，此发明提出的新型光纤加速度计的共模噪声抑制性能更优，在100Hz的共模噪声抑制还要低 10dB。综上可以得出结论，本发明的光栅加速度计具有较好共模噪声抑制功能。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
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Claims (8)
1.一种弱反射布拉格光栅加速度计，其特征在于，所述光栅加速度计包括：基座、芯轴、质量块、压盖、上弹性筒、下弹性筒、保偏传感光纤以及第一至第三光栅；其中，所述基座水平设置在底部；在基座的上表面的中心竖直设置芯轴；所述芯轴的轴线作为中轴线；所述芯轴垂直穿过圆盘状的质量块的中心，将质量块固定在芯轴的中间位置，二者连接为一体；在芯轴的顶端设置压盖；所述上弹性筒和下弹性筒为直径相同的筒状，并分别同轴套装在芯轴上，上弹性筒固定在压盖与质量块之间，下弹性筒固定在质量块与基座之间；在下弹性筒、质量块和上弹性筒的外侧壁上，按照顺序缠绕保偏传感光纤；在缠绕于质量块侧壁上的那部分保偏传感光纤上刻制有等间距排布的第一至第三光栅；时域上相互独立的双脉冲作为探测信号入射至保偏传感光纤，双脉冲的时域距离为两倍相邻的光栅之间的间距，当双脉冲中的第一脉冲经过第一光栅时，小部分的光受到反射，大部分的光继续向前传播并依次经过第二和第三光栅，并且依次有小部分光反射，产生包括三个脉冲的第一返回脉冲序列；同理当第二脉冲依次经过第一至第三光栅时，同样产生包括三个脉冲的第二返回脉冲序列，由于双脉冲在时域上互相独立，第一返回脉冲序列的第二个脉冲与第二返回脉冲序列的第一个脉冲产生干涉脉冲，以及第一返回脉冲序列的第三个脉冲与第二返回脉冲序列的第二个脉冲产生干涉脉冲；当光栅加速度计受到外界振动时，质量块引导上弹性筒和下弹性筒的轴向形变，进而引发缠绕的保偏传感光纤的径向形变，导致干涉脉冲的相位变化，干涉脉冲中携带外界振动信息；将两束携带外界振动信息的干涉脉冲的相位解调并将解调后的相位相减，从而得到抑制共模噪声的外界振动信息，且相位差与外界振动呈正比。
2.如权利要求1所述的光栅加速度计，其特征在于，所述质量块采用金属。
3.如权利要求1所述的光栅加速度计，其特征在于，缠绕在上弹性筒的保偏传感光纤的长度不小于10米，以及缠绕在下弹性筒的保偏传感光纤的长度不小于10米。
4.如权利要求1所述的光栅加速度计，其特征在于，所述上弹性筒和下弹性筒采用有机聚合物材料。
5.如权利要求1所述的光栅加速度计，其特征在于，所述第一至第三光栅的反射率在5％～10％。
6.如权利要求1所述的光栅加速度计，其特征在于，相邻的光栅之间的距离不小于10米。
7.一种弱反射布拉格光栅加速度计的传感方法，其特征在于，所述传感方法包括以下步骤：
1)发射时域上相互独立的双脉冲，双脉冲作为探测信号入射至保偏传感光纤；
2)当双脉冲中的第一脉冲经过第一光栅时，小部分的光受到反射，大部分的光继续向前传播并依次经过第二和第三光栅，并且依次有小部分光反射，产生包括三个脉冲的第一返回脉冲序列；同理当第二脉冲依次经过第一至第三光栅时，同样产生包括三个脉冲的第二返回脉冲序列；
3)由于双脉冲在时域上互相独立，双脉冲的时域距离为两倍相邻的光栅之间的间距，第一返回脉冲序列的第二个脉冲与第二返回脉冲序列的第一个脉冲产生干涉脉冲，以及第一返回脉冲序列的第三个脉冲与第二返回脉冲序列的第二个脉冲产生干涉脉冲；
4)当光栅加速度计受到外界振动时，质量块引导上弹性筒和下弹性筒的形变，进而引发缠绕的保偏传感光纤的径向形变，导致干涉脉冲的相位变化，干涉脉冲中携带外界振动信息；
5)将两束携带外界振动信息的干涉脉冲的相位解调并将解调后的相位相减，从而得到抑制共模噪声的外界振动信息，且相位差与外界振动呈正比。
8.如权利要求7所述的传感方法，其特征在于，当光栅加速度计受到外界轴向振动时，质量块引导上弹性筒和下弹性筒的形变，其中一个弹性筒产生膨胀而另一个弹性筒受到压缩，进而引发缠绕的保偏传感光纤的径向形变，并最终导致光栅加速度计的干涉脉冲的相位变化等幅反向，产生干涉相长效应，并实现将振动信号转化为光信号的相位；而当光栅加速度计受到水平振动时，上弹性筒和下弹性筒的变化一致，两臂光路中的相位等幅同相，产生干涉相消，从而消除横向串扰。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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