CN110793617A - 一种远程外调制光纤干涉振动测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种远程外调制光纤干涉振动测量装置，包括，激光发射装置、光纤耦合器、光纤干涉仪主体结构和处理装置，激光发射装置和光纤耦合器之间、光纤干涉仪主体结构和光纤耦合器之间、光纤耦合器和处理装置之间均使用光纤连接；其中，所述光纤干涉仪主体结构包括壳体和压电弹片，压电弹片的一端固定在壳体，另一端悬空，壳体固定在基岩，光纤干涉仪主体结构和光纤耦合器之间的光纤固定于压电弹片；当环境振动发生时，壳体带动压电弹片产生振动，产生调制信号。本发明使用无源外调制方式，实现光纤干涉仪主体结构的相位调制，可以避免伴生调幅的产生。

Description

一种远程外调制光纤干涉振动测量装置及方法
技术领域
本发明涉及光纤干涉振动传感器领域，具体的，涉及一种远程外调制光纤干涉振动测量装置及方法。
背景技术
为了实现恶劣环境下的物理量测量，避免恶劣环境对传感系统主机造成损坏，将主机放置在远离传感探头的安全场所，该种测量方法称之为远程测量。
在经典光纤干涉技术中，需要对光波加以调制，消除干涉光的相位消隐现象。光波调制方法包括内调制和外调制两种。内调制是指，将单频激励信号直接输出给作为光源的激光器，使激光器输出带波长(或者说频率)调制的光波；外调制是指，将单频激励信号输出给光纤干涉仪参考臂中的相位控制器(例如压电陶瓷光纤拉伸器，或者铌酸锂相位调制器)，使光纤干涉仪参考臂的光纤长度跟随单频激励信号变化。
在现有光纤干涉振动测量装置及方法中，为了避免振动测量现场的恶劣环境对主机造成损毁，充分发挥光纤衰减小、适合远距离传感的优势，经常将振动探头和主机分开放置，且相距高达几十上百公里。通常情况下，测量现场环境恶劣且复杂，同时为了发挥光纤传感探头的无源优势，测量现场不放置任何供电设备，只能采用内调制方式实现光纤干涉仪的相位调制。
发明人认为，采用内调制实现激光器的波长或者频率调制时，会产生额外的幅度调制，降低系统测量精度。而且，内调制会造成激光器线宽性能变差，增强光纤干涉仪的相位噪声，降低系统测量灵敏度。
发明内容
针对现有的内调制方法的不足，本发明旨在提供一种远程外调制光纤干涉振动测量装置以及使用所述装置进行测量的方法，其使用外调制方式，实现光纤干涉仪主体结构的相位调制，可以避免伴生调幅的产生。
本发明的第一目的，是提供一种远程外调制光纤干涉振动测量装置。
本发明的第二目的，是提供一种远程外调制光纤干涉振动测量方法。
为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：
第一方面，本发明公开了一种远程外调制光纤干涉振动测量装置，包括，
激光发射装置、光纤耦合器、光纤干涉仪主体结构和处理装置，激光发射装置和光纤耦合器之间、光纤干涉仪主体结构和光纤耦合器之间、光纤耦合器和处理装置之间均使用光纤连接；
其中，所述光纤干涉仪主体结构包括壳体和压电弹片，压电弹片的一端固定在壳体，另一端悬空，壳体固定在基岩，光纤干涉仪主体结构和光纤耦合器之间的光纤固定于压电弹片；当环境振动发生时，壳体带动压电弹片产生振动。
进一步，所述激光发射装置包括激光器和隔离器，激光器发射的激光能经过隔离器，隔离器和所述光纤耦合器之间通过光纤连接。
进一步，当光纤耦合器包括一个时，所述激光发射装置、所述光纤干涉仪主体结构和所述处理装置均连接于同一个光纤耦合器。
进一步，所述光纤耦合器具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，光纤耦合器的第一端口通过光纤和所述激光发射装置连接，光纤耦合器的第二端口通过光纤连接处理装置；光纤耦合器的第三端口连接传感臂光纤，光纤耦合器的第四端口连接参考臂光纤；所述参考臂光纤固定于所述压电弹片。
进一步，所述传感臂光纤包括非敏感部和敏感部，非敏感部光纤用于光信号的传输介质，敏感部光纤缠绕在振动探头，振动探头固定在基岩以感知环境振动；
参考臂光纤包括非敏感部和敏感部，非敏感部光纤用于光信号的传输介质，敏感部光纤固定在压电弹片上，实现参考臂光纤长度变化。
进一步，所述传感臂光纤的末端连接振动探头，所述参考臂光纤的末端和所述传感臂光纤的末端设置法拉第旋镜，来自于传感臂光纤和参考臂光纤的光波均能够被法拉第旋镜反射。
进一步，当光纤耦合器包括两个时，光纤耦合器包括第一光纤耦合器和第二光纤耦合器，所述激光发射器连接第一光纤耦合器，所述光纤干涉仪主体结构同时连接第一光纤耦合器和所述第二光纤耦合器，所述处理装置连接第二光纤耦合器。
进一步，所述第一光纤耦合器具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，第一光纤耦合器的第一端口通过光纤和所述激光发射装置连接，第一光纤耦合器的第二端口空置，第一光纤耦合器的第三端口连接传感臂光纤，第一光纤耦合器的第四端口连接参考臂光纤；
所述第二光纤耦合器具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，第二光纤耦合器的第一端口空置，第二光纤耦合器的第二端口连接处理装置，第二光纤耦合器的第三端口连接参考臂光纤，第二光纤耦合器的第四端口连接传感臂光纤。
进一步，所述处理装置包括光电探测器、窄带滤波器、相位解调模块、倍频器和处理器，光电探测器同时电连接窄带滤波器和相位解调模块，窄带滤波器同时连接倍频器和相位调解模块，倍频器连接相位解调模块，相位解调模块还连接处理器。
第二方面，本发明公开了一种远程外调制光纤干涉振动测量方法，使用所述的远程外调制光纤干涉振动测量方法，包括如下步骤：
1)激光器输出连续光；
2)连续光经过光纤干涉仪主体结构，在光纤耦合器输出端口形成干涉光信号：
3)干涉光信号经过光电探测器、窄带滤波器和倍频器，得到干涉电信号、1倍频信号和2倍频信号；
4)由1倍频信号、2倍频信号和干涉电信号，解调得到能够反映环境振动的相位信号；
5)根据相位信号，以及相位信号相对于环境振动的响应特性，计算得到环境振动的速度、加速度、位移等测量数据。
与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：
1)本发明采用外调制方式，实现光纤干涉仪的相位调制，可以避免伴生调幅的产生，保持激光器的相位噪声始终处于较低水平，提高系统测量精度和灵敏度。
2)本发明中，为了保证放置在测量现场的振动探头具有无源特点，不采用额外设备供电，将放置在测量现场的光纤干涉仪参考臂一段敏感光纤固定在压电材料制作的弹片上，当振动发生时，压电弹片产生固定频率的振动，引起参考臂光纤长度变化，实现光纤干涉仪的外调制。
3)本发明中，将光纤干涉仪参考臂的敏感光纤固定在压电弹片上，压电弹片的一端固定在壳体上，另一端悬空，壳体固定在基岩上，当环境振动发生时，壳体带动压电弹片产生振动，压电弹片的振动频率由其自身物理参数决定，与环境振动无关，因此使参考臂光纤长度变化的频率为单频，壳体除了起到固定压电弹片的作用，还起到使压电弹片振幅保持恒定的作用。
4)本发明中，当环境振动幅度超过一定阈值，压电弹片的悬空端碰触壳体的顶部和底部，振动幅度保持不变，使得参考臂光纤长度变化的幅度为常量，因此，环境振动发生且超过一定阈值时，参考臂光纤长度产生频率和幅度均恒定的变化，实现了光纤干涉仪的无源相位外调制。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为实施例1系统组成示意图，
图2为实施例2系统组成示意图。、
图中，1、激光器，2、隔离器，3、光电探测器，4、窄带滤波器，5、倍频器，6、相位解调模块，7、处理器，8、光纤耦合器，81、第一光纤耦合器，82、第二光纤耦合器，10、参考臂光纤末端的法拉第旋镜，11、壳体，12、压电弹片，13、传感臂光纤，14、参考臂光纤。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所述，针对现有的内调制方法的不足，本发明旨在提供一种远程外调制光纤干涉振动测量装置以及使用所述装置进行测量的方法，其外调制方式，实现光纤干涉仪的相位调制，可以避免伴生调幅的产生，现结合附图和具体实施方式对本发明进一步进行说明。
实施例1
本实施例公开了一种远程外调制光纤干涉振动测量装置，包括激光发射装置、光纤耦合器8、壳体11、压电弹片12、振动探头、法拉第旋镜和处理装置，激光发射装置和光纤耦合器8之间、光纤干涉仪和光纤耦合器8之间、光纤耦合器8和处理装置之间均使用光纤连接；本实施例中的所述光纤干涉仪为迈克尔逊结构，也即本实施例中的光纤耦合器8、壳体11、压电弹片12、振动探头、法拉第旋镜组成迈克尔逊结构光纤干涉仪，为了便于描述，本实施例中将壳体11、压电弹片12、振动探头、法拉第旋镜称为光纤干涉仪主体结构，压电弹片12的一端固定在壳体11，另一端悬空，壳体11固定在基岩；当环境振动发生时，壳体11带动压电弹片12产生振动。
所述激光发射装置包括激光器1和隔离器2，激光器1发射的激光能经过隔离器2，隔离器2和所述光纤耦合器8之间通过光纤连接。
本实施例中光纤耦合器8包括一个，所述激光发射装置、所述光纤干涉仪主体结构和所述处理装置均连接于同一个光纤耦合器8。
更为具体的，所述光纤耦合器8具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，光纤耦合器8的第一端口通过光纤和所述激光发射装置连接，光纤耦合器8的第二端口通过光纤连接处理装置；光纤耦合器8的第三端口连接传感臂光纤13，光纤耦合器8的第四端口连接参考臂光纤14；所述参考臂光纤14固定于所述压电弹片12。
所述传感臂光纤13包括非敏感部和敏感部，非敏感部光纤用于光信号的传输介质，敏感部光纤缠绕在振动探头，振动探头固定在基岩以感知环境振动；
参考臂光纤14包括非敏感部和敏感部，非敏感部光纤用于光信号的传输介质，敏感部光纤固定在压电弹片12上，实现参考臂光纤14长度变化。
所述传感臂光纤13的末端连接振动探头，所述参考臂光纤14的末端和所述传感臂光纤13的末端设置法拉第旋镜，来自于传感臂光纤和参考臂光纤的光波均能够被法拉第旋镜反射。
所述处理装置包括光电探测器3、窄带滤波器4、相位解调模块6、倍频器5和处理器7，光电探测器3同时电连接窄带滤波器4和相位解调模块6，窄带滤波器4同时连接倍频器5和相位调解模块，倍频器5连接相位解调模块6，相位解调模块6还连接处理器7，也即，相位解调模块6同时连接倍频器5、窄带滤波器4和光电探测器3，相位解调模块6还连接处理器7。可以理解的是，相位解调模块6利用由倍频器5、窄带滤波器4和光电探测器3输入的2倍频信号、1倍频信号和干涉电信号，使用经典的微分交叉相乘(DCM)或者反正切解调方法，解调得到能够反映环境振动的相位信号，并输出处理器7。
隔离器2的输出光经过远距离光纤传输给光纤耦合器8的第一端口，起到隔离激光器1与后面光纤链路的作用，防止光纤耦合器8第一端口的反射光影响激光器1的稳定性；光纤耦合器8的第三端口连接传感臂光纤13，光纤耦合器8的第四端口连接参考臂光纤14。
压电弹片12的一端固定在壳体11，另一端悬空，壳体11固定在基岩；当环境振动发生时，壳体11带动压电弹片12产生振动；压电弹片12的振动频率由其自身物理参数决定，与环境振动无关，因此使参考臂光纤14长度变化的频率为单频。
壳体11除了起到固定压电弹片12的作用，还起到使压电弹片12振幅保持恒定的作用；当环境振动幅度超过一定阈值，压电弹片12的悬空端碰触壳体11的顶部和底部，振动幅度保持不变，使得参考臂光纤14长度变化的幅度为常量。因此，环境振动发生且超过一定阈值时，参考臂光纤14长度产生频率和幅度均恒定的变化，即实现了光纤干涉仪主体结构的相位外调制。
传感臂光纤13末端的法拉第旋镜放置在振动探头内部，法拉第旋镜将光信号反射回光纤耦合器8。
光纤耦合器8的第三端口和第四端口接收传感臂和参考臂返回的光信号，并在第二端口形成干涉光，输出给光电探测器3。
本实施例中选用的激光器1具有窄线宽特性，产生窄线宽连续光，输出给隔离器2。
光电探测器3将干涉光信号转换为干涉电信号，并传输给窄带滤波器4和相位解调模块6。窄带滤波器4的滤波器通带范围即为压电弹片12的振动频率，可以从干涉电信号提取相位外调制的1倍频信号，并传输给倍频器5和相位解调模块6。倍频器5将1倍频信号倍频，得到相位外调制的2倍频信号，传输给相位解调模块6。相位解调模块6利用输入的1倍频信号、2倍频信号和干涉电信号，使用经典的微分交叉相乘(DCM)或者反正切解调方法，解调得到能够反映环境振动的相位信号，并输出处理器7。处理器7根据输入的相位信号，以及相位信号相对于环境振动的响应特性，计算得到环境振动的速度、加速度、位移等测量数据，并进行记录。
可以理解的是，本实施例中所使用的激光器1、隔离器2、光纤耦合器8、振动探头、压电弹片12、壳体11、法拉第旋镜、光电探测器3、窄带滤波器4、倍频器5、相位解调模块6和处理器7均为现有的部件。
可以理解的是，本实施例中的激光器1、隔离器2、光电探测器3、窄带滤波器4、倍频器5、相位解调模块6和处理器7均连接电源。
实施例2
实施例2与实施例1的不同之处在于，实施例2中，请参考图2，光纤干涉仪由迈克尔逊结构换为马赫增德尔结构，也即，光纤耦合器8、振动探头、压电弹片12、壳体11、光纤耦合器8组成马赫增德尔光纤干涉仪，代替实施方式1中的光纤耦合器8、振动探头、压电弹片12、壳体11、法拉第旋镜组成的迈克尔逊光纤干涉仪，也即，本实施例中光纤干涉仪主体结构不包括法拉第旋镜。
本实施例中的光纤耦合器8包括两个，光纤耦合器8包括第一光纤耦合器81和第二光纤耦合器82，所述激光发射器连接第一光纤耦合器81，所述光纤干涉仪同时连接第一光纤耦合器81和所述第二光纤耦合器82，所述处理装置连接第二光纤耦合器82。
所述第一光纤耦合器81具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，第一光纤耦合器81的第一端口通过光纤和所述激光发射装置连接，第一光纤耦合器81的第二端口空置，第一光纤耦合器81的第三端口连接传感臂光纤13，第一光纤耦合器81的第四端口连接参考臂光纤14；
所述第二光纤耦合器82具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，第二光纤耦合器82的第一端口空置，第二光纤耦合器82的第二端口连接处理装置，第二光纤耦合器82的第三端口连接参考臂光纤14，第二光纤耦合器82的第四端口连接传感臂光纤13。
实施例3
实施例3公开了一种远程外调制光纤干涉振动测量方法，使用如实施例1或实施例2中公开的远程外调制光纤干涉振动测量装置，包括以下步骤：
第1步，激光器1输出适合光纤传输的波长为1550nm或1330nm的连续光。
Figure BDA0002313266530000103
其中，EL(t)表示激光器1输出连续光的电场强度，EC表示电场强度的幅度值，νC表示光频，
Figure BDA0002313266530000104
表示随时间随机变化的激光器1相位噪声，t表示时间。
第2步，连续光经过包括传感臂和参考臂的光纤干涉仪，在光纤耦合器8输出端口形成干涉光信号：
Figure BDA0002313266530000101
Figure BDA0002313266530000102
其中，Iinter(t)表示干涉光，Kct和Kcc分别表示光纤耦合器8的直通系数和耦合系数，KM表示振动探头中和参考臂的法拉第旋镜的反射系数，n表示光纤折射率，LA和LB分别表示传感臂和参考臂光纤14的初始长度，Lra(t)表示环境振动通过振动探头引起的传感臂光纤13长度变化，Lrb(t)表示环境振动通过压电弹片12引起的参考臂光纤14长度变化，t1表示光波在传感臂光纤13来回程的时间延迟，t2表示光波在参考臂光纤14来回程的时间延迟。Kb表示参考臂光纤14长度变化幅度，ωC表示参考臂光纤14长度变化频率，
Figure BDA0002313266530000111
表示参考臂光纤14长度变化的初始相位。
第3步，干涉光经过光电探测器3、窄带滤波器4和倍频器5，得到干涉电信号、1倍频信号和2倍频信号。
第4步，由1倍频信号、2倍频信号和干涉电信号，使用经典的微分交叉相乘(DCM)或者反正切解调方法，解调得到能够反映环境振动的相位信号。
第5步，根据相位信号，以及相位信号相对于环境振动的响应特性，计算得到环境振动的速度、加速度、位移等测量数据。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种远程外调制光纤干涉振动测量装置，其特征在于，包括，激光发射装置、光纤耦合器、光纤干涉仪主体结构和处理装置，激光发射装置和光纤耦合器之间、光纤干涉仪主体结构和光纤耦合器之间、光纤耦合器和处理装置之间均使用光纤连接；
其中，所述光纤干涉仪主体结构包括壳体和压电弹片，压电弹片的一端固定在壳体，另一端悬空，壳体固定在基岩，光纤干涉仪主体结构和光纤耦合器之间的光纤固定于压电弹片；当环境振动发生时，壳体带动压电弹片产生振动。
2.如权利要求1所述的远程外调制光纤干涉振动测量装置，其特征在于，所述激光发射装置包括激光器和隔离器，激光器发射的激光能经过隔离器，隔离器和所述光纤耦合器之间通过光纤连接。
3.如权利要求1所述的远程外调制光纤干涉振动测量装置，其特征在于，当光纤耦合器包括一个时，所述激光发射装置、所述光纤干涉仪主体结构和所述处理装置均连接于同一个光纤耦合器。
4.如权利要求3所述的远程外调制光纤干涉振动测量装置，其特征在于，所述光纤耦合器具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，光纤耦合器的第一端口通过光纤和所述激光发射装置连接，光纤耦合器的第二端口通过光纤连接处理装置；光纤耦合器的第三端口连接传感臂光纤，光纤耦合器的第四端口连接参考臂光纤；所述参考臂光纤固定于所述压电弹片。
5.如权利要求4所述的远程外调制光纤干涉振动测量装置，其特征在于，所述传感臂光纤包括非敏感部和敏感部，非敏感部光纤用于光信号的传输介质，敏感部光纤缠绕在振动探头，振动探头固定在基岩以感知环境振动；
参考臂光纤包括非敏感部和敏感部，非敏感部光纤用于光信号的传输介质，敏感部光纤固定在压电弹片上，实现参考臂光纤长度变化。
6.如权利要求4所述的远程外调制光纤干涉振动测量装置，其特征在于，所述传感臂光纤的末端连接振动探头，所述参考臂光纤的末端和所述传感臂光纤的末端设置法拉第旋镜，来自于传感臂光纤和参考臂光纤的光波均能够被法拉第旋镜反射。
7.如权利要求1所述的远程外调制光纤干涉振动测量装置，其特征在于，当光纤耦合器包括两个时，光纤耦合器包括第一光纤耦合器和第二光纤耦合器，所述激光发射器连接第一光纤耦合器，所述光纤干涉仪主体结构同时连接第一光纤耦合器和所述第二光纤耦合器，所述处理装置连接第二光纤耦合器。
8.如权利要求7所述的远程外调制光纤干涉振动测量装置，其特征在于，所述第一光纤耦合器具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，第一光纤耦合器的第一端口通过光纤和所述激光发射装置连接，第一光纤耦合器的第二端口空置，第一光纤耦合器的第三端口连接传感臂光纤，第一光纤耦合器的第四端口连接参考臂光纤；
所述第二光纤耦合器具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，第二光纤耦合器的第一端口空置，第二光纤耦合器的第二端口连接处理装置，第二光纤耦合器的第三端口连接参考臂光纤，第二光纤耦合器的第四端口连接传感臂光纤。
9.如权利要求1所述的远程外调制光纤干涉振动测量装置，其特征在于，所述处理装置包括光电探测器、窄带滤波器、相位解调模块、倍频器和处理器，光电探测器同时电连接窄带滤波器和相位解调模块，窄带滤波器同时连接倍频器和相位调解模块，倍频器连接相位解调模块，相位解调模块还连接处理器。
10.一种远程外调制光纤干涉振动测量方法，其特征在于，使用如权利要求1～9任意一项所述的远程外调制光纤干涉振动测量方法，包括如下步骤：
1)激光器输出连续光；
2)连续光经过光纤干涉仪主体结构，在光纤耦合器输出端口形成干涉光信号：
3)干涉光信号经过光电探测器、窄带滤波器和倍频器，得到干涉电信号、1倍频信号和2倍频信号；
4)由1倍频信号、2倍频信号和干涉电信号，解调得到能够反映环境振动的相位信号；
5)根据相位信号，以及相位信号相对于环境振动的响应特性，计算得到环境振动的速度、加速度、位移等测量数据。
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