CN111351563A - 一种远程内调制光纤干涉振动测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种远程内调制光纤干涉振动测量装置及方法,包括有调制器、激光器、耦合器组件、振动探头、光电探测器组和信号计算输出模组,所述调制器的输出端与激光器的输入端连接,所述激光器的输出端通过远距离光纤与耦合器组件、振动探头和光电探测器组串联,所述光电探测器组输出端与信号计算输出模组的输入端连接,所述信号计算输出模组与调制器互相连接传递信号,本发明具有精确的消除内调制光纤干涉的伴生调幅问题,提高光纤测量精度的优点,使测量更加精确,确保测量结果的精确性,符合测量需求。

Description

一种远程内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测量领域,特别涉及一种远程内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。
内调制是信号对光源本身直接调制,以调制信号改变激光器的振荡参数,通过偏置电流的变化或改变激光管的腔长等,从而改变激光器输出特性以实现调制,加载信号是在激光振荡过程中进行的。
在光纤干涉测量技术中,内调制的目的在于使激光器输出光波的光频额外加载一个调制信号。但是,内调制在调制激光器的光频时,使得稳定的光功率上叠加了一个交流变化的光功率,即有伴生调幅出现。这种伴生调幅的影响使得解调过程复杂化,如果不能很好地消除其影响,将使最后解调出来的信号失真,甚至失去原来的面目,严重影响系统测量精度。
故此,需要提供一种远程内调制光纤干涉振动测量装置及检测方法解决此问题。
发明内容
本发明的目的是,提供一种角度可随意调节的车载充电头。
为了达到上述目的,本发明采用以下方案:
一种远程内调制光纤干涉振动测量装置,包括有调制器、激光器、耦合器组件、振动探头、光电探测器组和信号计算输出模组,所述调制器的输出端与激光器的输入端连接,所述激光器的输出端通过远距离光纤与耦合器组件、振动探头和光电探测器组串联,所述光电探测器组输出端与信号计算输出模组的输入端连接,所述信号计算输出模组与调制器互相连接传递信号。
进一步的,所述信号计算输出模组至少包括有鉴相器、除法器和相位解调模块,所述鉴相器与除法器分别与耦合器组件连接,所述鉴相器与除法器连接,所述调制器与鉴相器连接,所述除法器与相位解调模块连接,所述相位解调模块与与调制器互相连接传递信号
进一步的,所述光电探测器组至少包括有第一光电探测器和第二电探测器,所述第一光电探测器和第二电探测器分别与耦合器组件通过远距离光钎连接,所述第一光电探测器与鉴相器连接,所述第二电探测器与除法器连接。
进一步的,所述耦合器组件至少包括有第一耦合器和第二耦合器;
所述第一耦合器具有第一端口、第二端口和第三端口;
所述第二耦合器具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口;
所述第一耦合器的第一端口与激光器通过远距离光钎连接,所述第一耦合器的第一端口、第二端口和第二耦合器的第一端口、第三端口、第四端口和第二端口通过远距离光钎依次串联,所述第二耦合器的第三端口和第四端口之间的光纤缠绕在振动探头上,所述第二耦合器的第三端口和第四端口之间的光纤为传感光纤,缠绕在振动探头上的光纤为敏感光纤,所述第二耦合器的第二端口通过远距离光钎与第二电探测器连接,所述第一耦合器的第三端口与第一光电探测器连接。
进一步的,在所述激光器与耦合器组件之间连接有隔离器。
进一步的,在所述激光器与耦合器组件之间连接有隔离器。
一种远程内调制光纤干涉振动测量的检测方法,使用一种远程内调制光纤干涉振动测量装置,包括以下步骤;
1)由调制器输出频率为f1的调制信号给激光器,使激光器产生光频调制的光波;
2)第一耦合器的第一端口接收激光器产生光频调制的光波,再通过第一耦合器的第三端口将调制光波经过远距离光纤到第一光电探测器,并且被转换为电信号输出给鉴相器;
3)由调制器输出相位可调的被除信号给鉴相器,鉴相器比较被除信号,与第一光电探测器输出电信号的相位是否一致,并将差值输出给调制器,调制器根据差值对被除信号的相位进行调制,直至被除信号与第一光电探测器输出电信号的相位一致;
4)由缠绕在振动探头上的传感光纤感知环境振动,第二耦合器的第三端口和第四端口同时接收传感光纤返回的光信号,并在第二耦合器的第二端口形成干涉光,输出给第二光电探测器,第二光电探测器将干涉光波转换为电信号,输出给除法器;
5)由除法器将干涉光波的电信号除以鉴相器输出的电信号,由于第一耦合器、第二耦合器、振动探头的物理位置相距较近,使第一光电探测器输出的电信号,与第二光电探测器输出的干涉电信号中的伴生调幅成分,远距离光纤传输引起的相位延迟一致,由于调制器调制被除信号的相位后,被除信号与第一光电探测器输出电信号的相位一致,所以除法器可以滤除干涉光波电信号中的伴生调幅成分;
6)由调制器向相位解调模块输出的1倍频信号、2倍频信号,相位解调信号利用调制器输出的1倍频信号、2倍频信号,对除法器输出的干涉电信号进行相位解调,输出振动测量信号。
综上所述,本发明相对于现有技术其有益效果是:
本发明具有精确的消除内调制光纤干涉的伴生调幅问题,提高光纤测量精度的优点,使测量更加精确,确保测量结果的精确性,符合测量需求。
附图说明
图1为本发明的平面示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步描述:
如图1所示,一种远程内调制光纤干涉振动测量装置,包括有调制器1、激光器2、耦合器组件45、振动探头6、光电探测器组81和信号计算输出模组110,所述调制器1的输出端与激光器2的输入端连接,所述激光器2的输出端通过远距离光纤与耦合器组件45、振动探头6和光电探测器组81串联,所述光电探测器组81输出端与信号计算输出模组110的输入端连接,所述信号计算输出模组110与调制器1互相连接传递信号。
如图1所示,所述信号计算输出模组110至少包括有鉴相器7、除法器9和相位解调模块11,所述鉴相器7与除法器9分别与耦合器组件45连接,所述鉴相器7与除法器9连接,所述调制器1与鉴相器7连接,所述除法器9与相位解调模块11连接,所述相位解调模块11与与调制器1互相连接传递信号
如图1所示,所述光电探测器组81至少包括有第一光电探测器8和第二电探测器10,所述第一光电探测器8和第二电探测器10分别与耦合器组件45通过远距离光钎连接,所述第一光电探测器8与鉴相器7连接,所述第二电探测器10与除法器9连接。
如图1所示,所述耦合器组件45至少包括有第一耦合器4和第二耦合器5;
所述第一耦合器4具有第一端口、第二端口和第三端口;
所述第二耦合器5具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口;
所述第一耦合器4的第一端口与激光器2通过远距离光钎连接,所述第一耦合器4的第一端口、第二端口和第二耦合器5的第一端口、第三端口、第四端口和第二端口通过远距离光钎依次串联,所述第二耦合器5的第三端口和第四端口之间的光纤缠绕在振动探头6上,所述第二耦合器5的第三端口和第四端口之间的光纤为传感光纤,缠绕在振动探头6上的光纤为敏感光纤,所述第二耦合器5的第二端口通过远距离光钎与第二电探测器10连接,所述第一耦合器4的第三端口与第一光电探测器8连接。
如图1所示,在所述激光器2与耦合器组件45之间连接有隔离器3,隔离器的输出光经过远距离光纤传输给第一耦合器的1端口,起到隔离激光器与后面光纤链路的作用,防止第一耦合器1端口的反射光影响激光器的稳定性。
如图1所示,在所述激光器2与耦合器组件45之间连接有隔离器3,隔离器的输出光经过远距离光纤传输给第一耦合器的1端口,起到隔离激光器与后面光纤链路的作用,防止第一耦合器1端口的反射光影响激光器的稳定性。
本发明中第一耦合器、第二耦合器和振动探头的物理位置相距距离为20米以内。
激光器应具有窄线宽特性,产生光频调制并伴生调幅的窄线宽连续光,输出给隔离器。
本发明中的第一耦合器4和第二耦合器5均为光纤耦合器。
一种远程内调制光纤干涉振动测量的检测方法,使用一种远程内调制光纤干涉振动测量装置,包括以下步骤;
第1步,激光器输出光频调制的光波,并含有伴生调幅。
Figure BDA0002449373290000041
Figure BDA0002449373290000046
其中,EL(t)代表光波的电场强度,EC代表电场强度的直流分量,KE指伴生调幅引入的电场强度调制深度,ωC指调制频率,即2πf1,
Figure BDA0002449373290000047
指伴生调幅引入的电场强度调制初始相位,vL(t)指光频调制,vC指光波中心频率,Kv指光频调制深度,
Figure BDA0002449373290000042
指光频调制初始相位,t指时间。
第2步,第一耦合器的3端口输出调制光波经过远距离光纤到第一光电探测器,并且被转换为电信号输出给鉴相器。
Figure BDA0002449373290000043
其中,V1(t)指第一光电探测器输出的电压信号,KD1指由第一耦合器的分光比、第一光电探测器的电流强度转换比决定的常数,
Figure BDA0002449373290000044
指由于远距离光纤造成的相位延迟。
第3步,调制器输出频率为f1,即角频率ωC,相位可调的被除信号给鉴相器,鉴相器比较被除信号,与第一光电探测器输出电信号的相位是否一致,并将差值输出给调制器。调制器根据差值对被除信号的相位进行调制,直至被除信号与第一光电探测器输出电信号的相位一致。
Figure BDA0002449373290000045
其中,V2(t)指与第一光电探测器输出电信号相位一致的被除信号,MD1指被除信号直流分量,ME指被除信号的交流系数。
第4步,第二耦合器的3、4端口连接传感光纤。传感光纤分为不敏感部分和敏感部分。不敏感部分光纤仅作为光信号的传输介质;敏感部分光纤缠绕在振动探头上,振动探头固定在基岩上,感知环境振动。
第二耦合器的3、4端口同时接收传感光纤返回的光信号,并在2端口形成干涉光,输出给第二光电探测器。
第二光电探测器将干涉光波转换为电信号,输出给除法器。干涉光波电信号的幅度项可以表示为
Figure BDA0002449373290000051
第5步,除法器将干涉光波的电信号除以鉴相器输出的电信号。由于第一耦合器、第二耦合器、振动探头的物理位置相距较近,因此可以认为第一光电探测器输出的电信号,与第二光电探测器输出的干涉电信号中的伴生调幅成分,远距离光纤传输引起的相位延迟一致。进一步的,由于调制器调制被除信号的相位后,被除信号与第一光电探测器输出电信号的相位一致,所以除法器可以滤除干涉光波电信号中的伴生调幅成分。
第6步,相位解调信号利用调制器输出的1倍频信号、2倍频信号,对除法器输出的干涉电信号进行相位解调,即可以输出振动测量信号。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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设备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,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种远程内调制光纤干涉振动测量装置,其特征在于:包括有调制器(1)、激光器(2)、耦合器组件(45)、振动探头(6)、光电探测器组(81)和信号计算输出模组(110),所述调制器(1)的输出端与激光器(2)的输入端连接,所述激光器(2)的输出端通过远距离光纤与耦合器组件(45)、振动探头(6)和光电探测器组(81)串联,所述光电探测器组(81)输出端与信号计算输出模组(110)的输入端连接,所述信号计算输出模组(110)与调制器(1)互相连接传递信号。
2.根据权利要求1所述的一种远程内调制光纤干涉振动测量装置,其特征在于所述信号计算输出模组(110)至少包括有鉴相器(7)、除法器(9)和相位解调模块(11),所述鉴相器(7)与除法器(9)分别与耦合器组件(45)连接,所述鉴相器(7)与除法器(9)连接,所述调制器(1)与鉴相器(7)连接,所述除法器(9)与相位解调模块(11)连接,所述相位解调模块(11)与与调制器(1)互相连接传递信号。
3.根据权利要求2所述的一种远程内调制光纤干涉振动测量装置,其特征在于所述光电探测器组(81)至少包括有第一光电探测器(8)和第二电探测器(10),所述第一光电探测器(8)和第二电探测器(10)分别与耦合器组件(45)通过远距离光钎连接,所述第一光电探测器(8)与鉴相器(7)连接,所述第二电探测器(10)与除法器(9)连接。
4.根据权利要求3所述的一种远程内调制光纤干涉振动测量装置,其特征在于所述耦合器组件(45)至少包括有第一耦合器(4)和第二耦合器(5);
所述第一耦合器(4)具有第一端口、第二端口和第三端口;
所述第二耦合器(5)具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口;
所述第一耦合器(4)的第一端口与激光器(2)通过远距离光钎连接,所述第一耦合器(4)的第一端口、第二端口和第二耦合器(5)的第一端口、第三端口、第四端口和第二端口通过远距离光钎依次串联,所述第二耦合器(5)的第三端口和第四端口之间的光纤缠绕在振动探头(6)上,所述第二耦合器(5)的第三端口和第四端口之间的光纤为传感光纤,缠绕在振动探头(6)上的光纤为敏感光纤,所述第二耦合器(5)的第二端口通过远距离光钎与第二电探测器(10)连接,所述第一耦合器(4)的第三端口与第一光电探测器(8)连接。
5.根据权利要求4所述的一种远程内调制光纤干涉振动测量装置,其特征在于在所述激光器(2)与耦合器组件(45)之间连接有隔离器(3)。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的一种远程内调制光纤干涉振动测量装置,其特征在于在所述激光器(2)与耦合器组件(45)之间连接有隔离器(3)。
7.一种远程内调制光纤干涉振动测量的检测方法,其特征在于,使用如权利要求4或5所述的一种远程内调制光纤干涉振动测量装置,包括以下步骤;
1)由调制器输出频率为f1的调制信号给激光器,使激光器产生光频调制的光波;
2)第一耦合器的第一端口接收激光器产生光频调制的光波,再通过第一耦合器的第三端口将调制光波经过远距离光纤到第一光电探测器,并且被转换为电信号输出给鉴相器;
3)由调制器输出相位可调的被除信号给鉴相器,鉴相器比较被除信号,与光电探测器1输出电信号的相位是否一致,并将差值输出给调制器,调制器根据差值对被除信号的相位进行调制,直至被除信号与光电探测器1输出电信号的相位一致;
4)由缠绕在振动探头上的传感光纤感知环境振动,第二耦合器的第三端口和第四端口同时接收传感光纤返回的光信号,并在第二耦合器的第二端口形成干涉光,输出给第二光电探测器,第二光电探测器将干涉光波转换为电信号,输出给除法器;
5)由除法器将干涉光波的电信号除以鉴相器输出的电信号,由于第一耦合器、第二耦合器、振动探头的物理位置相距较近,使第一光电探测器输出的电信号,与第二光电探测器输出的干涉电信号中的伴生调幅成分,远距离光纤传输引起的相位延迟一致,由于调制器调制被除信号的相位后,被除信号与第一光电探测器输出电信号的相位一致,所以除法器可以滤除干涉光波电信号中的伴生调幅成分;
6)由调制器向相位解调模块输出的1倍频信号、2倍频信号,相位解调信号利用调制器输出的1倍频信号、2倍频信号,对除法器输出的干涉电信号进行相位解调,输出振动测量信号。
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