CN111829645B - 一种基于光纤传感器的声学/振动监测系统 - Google Patents

一种基于光纤传感器的声学/振动监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于光纤传感器的声学/振动监测系统，由光纤环形器、宽带光源、信号分析处理单元和单模‑多模‑单模结构光纤传感单元组成；所述宽带光源、信号分析处理单元和单模‑多模‑单模结构光纤传感单元分别通过单模光纤与光纤环形器连接。所述单模‑多模‑单模结构光纤传感单元包含若干个单模‑多模‑单模结构光纤传感器，所述单模‑多模‑单模结构光纤传感器由光纤耦合器、空心管、多模光纤和光纤布拉格光栅组成，多模光纤缠绕在空心管上，多模光纤两端通过单模光纤分别与光纤耦合器和光纤布拉格光栅连接。本发明提供的监测系统可以实现对声学/振动等微弱信号的监测，且具有成本低、灵敏度高、抗干扰能力强及可靠性高等优点。

Description

一种基于光纤传感器的声学/振动监测系统
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于光纤传感器的声学/振动监测系统。
背景技术
传统的电磁波和光波在水下传播时衰减很快，传播损耗很大，而声波作为一种机械波，在水中传播时损耗很小，与光波相比大约小了3个数量级。因此声波是目前深层海洋信息搜集、感知和处理最重要的形式之一。传统的压电陶瓷型水听器存在着电磁干扰、传输距离小、结构尺寸大等多方面的问题。基于光纤传感原理的光纤水听器作为一种新型水声探测器件，与传统的压电水听器相比，具有灵敏度高、频响特性好、频带宽、“湿端”全光、抗电磁干扰、传输距离远以及便于大规模复用等优点，是现代声纳的一个重要发展方向。
光纤声学/振动传感器是以光纤、光电子技术为基础的一种新型水听器，它依照传统水听器的原理，借助光纤技术实现了传统声学/振动传感和声呐数据传输的一体化设计。目前光纤声学/振动传感器在海洋天然气、石油等矿物资源的勘测，海洋渔业，医学检测等领域得到了广泛的关注，由光纤声学/振动传感器构成的声呐系统也已经在现代海洋军事领域得到了显著的发展。干涉型光纤水听器通过水下声波或振动对光纤的应力作用改变光纤纤芯的折射率或长度，从而引起在光纤中传播光束的光程改变，导致相位发生变化，并得到有关水声信息，但由于光纤灵敏度较差，难以用于微弱信号的探测，受到了一定的限制。
发明内容
其中，所述信号分析处理单元由光功率放大器、波长解复用器、光电探测器阵列和数据采集单元组成；所述光功率放大器一端通过单模光纤与所述光纤环形器连接，另一端与所述波长解复用器连接，所述波长解复用器通过多路单模光纤与所述光电探测器阵列连接，所述光电探测器阵列通过导线与所述数据采集单元连接。
其中，所述单模-多模-单模结构光纤传感单元包含若干个单模-多模-单模结构光纤传感器，所述单模-多模-单模结构光纤传感器由光纤耦合器、空心管、多模光纤和光纤布拉格光栅组成，所述多模光纤缠绕在所述空心管上，所述多模光纤两端通过单模光纤分别与所述光纤耦合器和所述光纤布拉格光栅连接。
其中，所述单模-多模-单模结构光纤传感单元是将各个单模-多模-单模结构光纤传感器中的光纤耦合器通过单模光纤相互串联连接而成。
其中，所述单模-多模-单模结构光纤传感单元中的单模-多模-单模结构光纤传感器的数量为2~9999个。
其中，所述单模-多模-单模结构光纤传感单元中多模光纤与单模光纤用熔接机将端面切平后再进行熔接。
其中，所述单模-多模-单模结构光纤传感单元包含的每一个单模-多模-单模结构光纤传感器中的光纤布拉格光栅具有不同的中心波长。
本发明提供的监测系统的具体监测方法为：
当单模-多模-单模结构光纤传感器接收到探测信号时，空心管发生形变，带动缠绕在所述空心管上的多模光纤发生形变，由于光从单模光纤耦合到多模光纤时，多模光纤的高阶本征模式被激发，并且当光沿着多模光纤传播时，不同模式间的干涉就会发生，所以当多模光纤发生形变时，光纤中会发生弹光效应并且折射率分布会发生变化，光谱的干涉峰和干涉谷会发生移动，从而使相应波长处的输出光强发生变化，经波长解复用器传输到光电探测器阵列，所述光电探测器阵列中相应的光电探测器根据波长对应相应的声学/振动传感器，最后将所有信号传输至信号采集单元进行处理，实现环境声学/振动信号的监测。
本发明的有益效果：
本发明通过在外界声学/振动信号作用下，空心管发生形变，带动缠绕在空心管上的多模光纤发生形变，导致各个模式干涉效应发生变化，从而导致单模光纤输出的光强发生变化，不仅抗电磁信号干扰、具备较高的灵敏度、低噪声，而且系统结构简单、小巧，可以代替传统的压电传感器来实现对微弱声学/振动信号的监测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对应本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于光纤传感器的声学/振动监测系统的整体结构示意图；
附图标记所对应的名称为：1-光纤环形器，2-宽带光源，3-信号分析处理单元，4-单模-多模-单模结构光纤传感单元，301-光功率放大器，302-波长解复用器，303-光电探测器阵列，304-数据采集单元，305-导线，401-光纤耦合器，402-空心管，403-多模光纤，404-光纤布拉格光栅。
具体实施方式
以下是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
本发明提供了一种基于光纤传感器的声学/振动监测系统，所述监测系统由光纤环形器1、宽带光源2、信号分析处理单元3和单模-多模-单模结构光纤传感单元4组成；所述宽带光源2、所述信号分析处理单元3和所述单模-多模-单模结构光纤传感单元4分别通过单模光纤与所述光纤环形器1连接。
所述信号分析处理单元3由光功率放大器301、波长解复用器302、光电探测器阵列303和数据采集单元304组成；所述光功率放大器301一端通过单模光纤与所述光纤环形器1连接，另一端与所述波长解复用器302连接，所述波长解复用器302通过多路单模光纤与所述光电探测器阵列303连接，所述光电探测器阵列303通过导线305与所述数据采集单元304连接。
所述单模-多模-单模结构光纤传感单元4包含若干个单模-多模-单模结构光纤传感器，所述单模-多模-单模结构光纤传感器由光纤耦合器401、空心管402、多模光纤403和光纤布拉格光栅404组成，所述多模光纤403缠绕在所述空心管402上，所述多模光纤403两端通过单模光纤分别与所述光纤耦合器401和所述光纤布拉格光栅404连接。所述单模-多模-单模结构光纤传感单元4是将各个单模-多模-单模结构光纤传感器中的光纤耦合器401通过单模光纤相互串联连接而成；所述单模-多模-单模结构光纤传感单元4中的单模-多模-单模结构光纤传感器的数量为2~9999个；所述单模-多模-单模结构光纤传感单元4中多模光纤403与单模光纤用熔接机将端面切平后再进行熔接；所述单模-多模-单模结构光纤传感单元4包含的每一个单模-多模-单模结构光纤传感器中的光纤布拉格光栅404具有不同的中心波长。
本发明提供的监测系统的具体监测方法为：
当单模-多模-单模结构光纤传感器接收到探测信号时，空心管402发生形变，带动缠绕在所述空心管402上的多模光纤403发生形变，由于光从单模光纤耦合到多模光纤403时，多模光纤403的高阶本征模式被激发，并且当光沿着多模光纤403传播时，不同模式间的干涉就会发生，所以当多模光纤403发生形变时，光纤中会发生弹光效应并且折射率分布会发生变化，光谱的干涉峰和干涉谷会发生移动，从而使相应波长处的输出光强发生变化，经波长解复用器302传输到光电探测器阵列303，所述光电探测器阵列303中相应的光电探测器根据波长对应相应的声学/振动传感器，最后将所有信号传输至信号采集单元进行处理，实现环境声学/振动信号的监测。
以上实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都是属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种基于光纤传感器的声学/振动监测系统，其特征在于：所述监测系统由光纤环形器（1）、宽带光源（2）、信号分析处理单元（3）和单模-多模-单模结构光纤传感单元（4）组成；所述宽带光源（2）、所述信号分析处理单元（3）和所述单模-多模-单模结构光纤传感单元（4）分别通过单模光纤与所述光纤环形器（1）连接；
所述信号分析处理单元（3）由光功率放大器（301）、波长解复用器（302）、光电探测器阵列（303）和数据采集单元（304）组成；所述光功率放大器（301）一端通过单模光纤与所述光纤环形器（1）连接，另一端与所述波长解复用器（302）连接，所述波长解复用器（302）通过多路单模光纤与所述光电探测器阵列（303）连接，所述光电探测器阵列（303）通过导线（305）与所述数据采集单元（304）连接；
所述单模-多模-单模结构光纤传感单元（4）包含若干个单模-多模-单模结构光纤传感器，所述单模-多模-单模结构光纤传感器由光纤耦合器（401）、空心管（402）、多模光纤（403）和光纤布拉格光栅（404）组成，所述多模光纤（403）缠绕在所述空心管（402）上，所述多模光纤（403）两端通过单模光纤分别与所述光纤耦合器（401）和所述光纤布拉格光栅（404）连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感器的声学/振动监测系统，其特征在于：所述单模-多模-单模结构光纤传感单元（4）是将各个单模-多模-单模结构光纤传感器中的光纤耦合器（401）通过单模光纤相互串联连接而成。
3.根据权利要求2所述的一种基于光纤传感器的声学/振动监测系统，其特征在于：所述单模-多模-单模结构光纤传感单元（4）中的单模-多模-单模结构光纤传感器的数量为2~9999个。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感器的声学/振动监测系统，其特征在于：所述单模-多模-单模结构光纤传感单元（4）中多模光纤（403）与单模光纤用熔接机将端面切平后再进行熔接。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感器的声学/振动监测系统，其特征在于：所述单模-多模-单模结构光纤传感单元（4）包含的每一个单模-多模-单模结构光纤传感器中的光纤布拉格光栅（404）具有不同的中心波长。
6.根据权利要求1~5中任意一项权利要求所述的一种基于光纤传感器的声学/振动监测系统，其特征在于，所述监测系统的具体监测方法为：当单模-多模-单模结构光纤传感器接收到探测信号时，空心管（402）发生形变，带动缠绕在所述空心管（402）上的多模光纤（403）发生形变，所述多模光纤（403）中各个模式的传输特性发生变化，导致各个模式干涉效应发生变化，从而导致单模光纤输出的光强发生变化，经波长解复用器（302）传输到光电探测器阵列（303），所述光电探测器阵列（303）中相应的光电探测器根据波长对应相应的声学/振动传感器，最后将所有信号传输至信号采集单元进行处理，实现环境声学/振动信号的监测。
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