CN112504309A - 光纤光栅振动及应变同时测量的分布式传感系统及方法 - Google Patents

光纤光栅振动及应变同时测量的分布式传感系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤光栅振动及应变同时测量的分布式传感系统及方法，分布式传感系统包括：低相干宽带光源；光纤光栅传感器；双路时延光纤结构，以所述低相干宽带光源为输入，输出双路低相干连续光到所述光纤光栅传感器；并以经光纤光栅传感器反射后的分离光信号为输入，输出两路低相干反射信号；光电探测器阵列，探测两路低相干反射信号，通过分析干涉的相位以及强度变化，得到外界振动信号的对应信息；波长解调单元，探测经光纤光栅传感器反射后的分离光信号的波长变化，实现应变传感。本发明优点在于能够直接利用或融合于已有的光纤光栅阵列系统，系统信噪比与灵敏度高、频率探测范围大、可实现振动与应变的分布式同时测量。

Description

光纤光栅振动及应变同时测量的分布式传感系统及方法
技术领域
本发明涉及一种高信噪比高灵敏度的低相干光纤光栅阵列振动传感及应变传感系统与方法，用于对航空航天、土建交通结构、岩土、测井、地震勘探中的分布式振动、声波及应变的传感。
背景技术
土建交通结构、岩土、测井、地震勘探工程中，对分布式振动、声波及应变的分布式监测非常关键且具有广泛需求。光纤传感作为近年来新兴分布式传感技术，对于以上工程需求具有极大的应用潜力，目前可用于结构分布式应变与振动传感的技术主要有光纤光栅传感、后向瑞利散射或弱光栅阵列技术方法。其中光纤光栅多用于温度或应变传感，主要通过测量由于温度或应变引起波长变化实现传感，可在一根光纤上刻写多个不同波长的光栅实现分布式温度或应变传感。光纤光栅难以直接用于振动传感，大多利用弹性元件将振动转化为应变后测量，导致灵敏度较低；或采用特殊结构的光纤光栅，技术较为复杂且难以分布式传感。因而目前光纤分布式振动传感大多采用后向瑞利散射或弱光栅阵列技术方法，通过探测微弱的光纤后向散射光或弱光栅阵列反射光的相干信号强度及相位变化实现对振动、声波的探测，但其信噪比及灵敏度低，且无法同时测量应变。
对于以上系统方案，光纤光栅为点式传感，光栅仅能选择进行应变传感或通过特殊设计实现振动传感振动传感器，而难以实现分布式振动应变同时测量，因而其作为点式振动或应变传感的覆盖范围有限、灵敏度低、且功能单一。后向瑞利散射或弱光栅阵列相干方法仅能进行振动测量而无法实现应变传感，系统复杂，信噪比较低。因此，针对土建交通结构、岩土、测井、地震勘探中的分布式应变与振动或声波同时探测的工程需求，往往需要对较大分布范围内的应变与微振动或声波的多参量、高灵敏度同时测量。而现有实用化的技术系统大多功能单一、系统复杂、成本较高，性能低下，难以满足对待测目标多参量、低成本、高性能化的分布式监测。
发明内容
本发明的目的是提供一种光纤光栅振动及应变同时测量的分布式传感系统及方法，用于对土建交通结构、岩土、测井、地震勘探中的分布式振动、声波及应变的传感。能够同时实现较长距离内的分布式应变与振动或声波的同时测量。
本发明的技术方案如下：
一种光纤光栅振动及应变同时测量的分布式传感系统，包括：
低相干宽带光源；
光纤光栅传感器；
双路时延光纤结构，以所述低相干宽带光源为输入，输出双路低相干连续光到所述光纤光栅传感器；并以经光纤光栅传感器反射后的分离光信号为输入，输出两路低相干反射信号；
光电探测器阵列，探测两路低相干反射信号，通过分析干涉的相位以及强度变化，得到外界振动信号的对应信息；
波长解调单元，探测经光纤光栅传感器反射后的分离光信号的波长变化，实现应变传感。
双路时延光纤结构包括第一光纤耦合器、时延光纤以及合束器；所述第一光纤耦合器第一输出端连接时延光纤输入端，所述第一光纤耦合器第二输出端连接合束器的第二输入端；所述时延光纤输出端连接合束器的第一输入端；所述第一光纤耦合器的第一输入端连接所述宽带自发辐射光源的输出端；第一光纤耦合器的第三输出端连接光电探测器阵列的输入端。
在所述第一光纤耦合器的第三输出端与光电探测器阵列的输入端之间连接有滤波器阵列；所述滤波器阵列的各波长通道与光纤光栅阵列的波长一一对应，将光栅应变传感器阵列的各光栅波长所产生的低相干光分离并通过光电探测器阵列分别进行探测。
在所述合束器与光纤光栅传感器之间还设置有第二光纤耦合器；第二光纤耦合器的第一输出端连接高光纤光栅应变传感器阵列的输入端，第二光纤耦合器的第二输出端连接波长解调单元的输入端并向波长解调单元输入经光纤光栅传感器反射后的分离光信号；第二光纤耦合器的第三输出端连接合束器的第三输入端并向合束器输入经光纤光栅传感器反射后的分离光信号。
在所述光电探测器阵列的输出端连接有数据采集卡。
在所述数据采集卡的输出端连接有数据分析显示单元。
一种分布式传感方法，其特征在于，
利用低相干宽带光源及双路时延光纤结构，形成双路低相干连续光输出；
经光纤光栅应变传感器阵列反射并返回分离光信号，分离光信号一路经双路时延光纤结构后形成两路低相干反射信号，一路直接输出；
通过测量低相干反射信号的干涉信号相位以及强度，形成分布式振动传感；
探测直接输出的光信号的波长变化，实现应变传感。
利用低相干宽带光源及双路时延光纤结构，形成双路低相干连续光输出的方法是：
宽带自发辐射光源所产生低相干连续光进入第一光纤耦合器后分为两路，一路经时延光纤后进入合束器，另一路直接进入合束器，经合束器输出两路具有时延的连续低相干光信号。
分离光信号经双路时延光纤结构后形成两路低相干反射信号的方法是：
两路具有时延的连续低相干光信号经第二光纤耦合器进入光纤光栅传感器阵列，光纤光栅传感器阵列各点所形成反射光信号原路返回经第二光纤耦合器后进入合束器，经合束器后分为两路，一路经时延光纤后进入第一耦合器，另一路直接进入第一耦合器，经第一耦合器输出满足干涉条件的两路低相干反射信号并进入光电探测器阵列。
本发明利用低相干宽带光源及双路时延光纤结构，形成双路低相干连续光输出，经光纤光栅应变传感器阵列反射并返回双路时延光纤结构后形成两路低相干反射信号，通过测量低相干反射信号的干涉信号强度，形成分布式振动传感，低相干宽带光源同时复用为光纤光栅应变传感器的传感光源，光纤光栅阵列反射光直接进入波长解调系统，形成非相干连续光信号，波长解调系统探测分析非相干光信号得波长变化，实现应变传感，进而实现对分布式振动或声波以及应变的同时测量。
本发明亦能够直接利用或融合于即有的、已布设安装的或已工作运行的分布式光纤光栅传感网络，因而可有效降低成本、系统兼容性好、且振动灵敏度及信噪比高、测量频率范围大。
附图说明
图1是本发明分布式传感系统示意图。
图2是本发明光纤光栅传感器的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明光纤光栅振动及应变同时测量的分布式传感系统，包括宽带自发辐射光源1、第一光纤耦合器2、时延光纤3、合束器4、第二光纤耦合器5、光纤光栅传感器、波长解调单元7、数据分析显示单元8、滤波器阵列9、光电探测器阵列10以及多通道数据采集卡11。其中光纤光栅传感器6包括延光纤长度方向间隔布置的光栅，在每个光栅前面是一定长度的传输光纤，见图2所示，间隔的光栅构成用于应变监测的应变传感阵列6-1，位于每个光栅前面的每段传输光纤构成用于振动监测的振动传感阵列6-2。。
宽带自发辐射光源1发出低相干光信号经第一光纤耦合器2后分为两路，一路经一定长度的时延光纤3产生一定光程差后依次进入合束器4、第二光纤耦合器5以及光纤光栅传感器6，另一路直接依次进入合束器4、第二光纤耦合器5以及光纤光栅传感器6，由于时延光纤3导致两路光依次进入光纤光栅传感器6并存在一定时延差，光纤光栅传感器6中的应变传感阵列6-1所产生的后向反射光亦存在对应时延差并沿光纤原路返回，经第二光纤耦合器5后分为两路，一路直接经波长解调单元7探测应变传感阵列6-1反射光波长变化，实现应变传感，并通过数据分析显示单元8得到分布式应变，该路信号由于光信号光程差较大因而不满足低相干条件，不能产生低相干，因而振动对应变测量及波长解调无串扰影响。另一路反射光信号经第二耦合器5后进入合束器4并再次分为两路，一路经过时延光纤3后进入耦合器2，另一路直接进入耦合器2。其中，传输路径一依次为宽带自发辐射光源1→第一光纤耦合器2→时延光纤3→合束器4→第二光纤耦合器5→应变传感阵列6-1→第二光纤耦合器5→合束器4→第一光纤耦合器2的反射光信号，传输路径二依次为宽带自发辐射光源1→第一光纤耦合器2→合束器4→第二光纤耦合器5→应变传感阵列6-1→第二光纤耦合器5→合束器4→时延光纤3→第一光纤耦合器2的反射光信号，由于其光程差基本相等，因而满足低相干条件而产生干涉，用于振动传感。低相干光信号经第一耦合器2进入滤波器阵列9，滤波器阵列9的各波长通道与光纤光栅阵列的波长一一对应，将光栅应变传感器阵列的各光栅波长所产生的低相干光分离并通过光电探测器阵列10分别进行探测，经通道数据采集卡11进行采集以及数据分析显示单元8进行分析显示。
由于时延光纤的存在，经传输路径一及传输路径二到达应变传感阵列6-1并反射的信号具有一定时延差，即两路反射信号存在对应的光程差，应变传感阵列6-1中每个光栅均作为反射镜，每个光栅前端一定长度的传输光纤均转化为振动传感阵列6-2，振动传感阵列6-2中每段振动传感光纤长度由时延光纤长度决定且与其一致，当振动传感光纤受到振动或声压作用时其长度发生对应变化，引起两路反射信号对应的光程差或时延差发生变化，导致经第一耦合器2进入光电探测器阵列10的低相干光信号的相干状态发生变化。通过光电探测器阵列探测每个光栅前端的振动传感光纤相干信号相位与强度变化趋势并通过频谱分析便可得到外界振动信号的对应信息。
振动传感利用振动传感阵列6-2作为传感器，应变传感阵列6-1中每个光栅仅作为反射镜，光栅波长变化对振动无影响，因此可直接利用或融合于既有光纤光栅网络实现振动传感功能。应变传感利用应变传感阵列6-1中每个光栅反射光信号的波长变化，无低相干效果，因而振动传感信号与应变传感信号两者之间互不串扰且互不依赖，既可独立工作或单独运行，亦可同时运行实现分布式振动与应变的同步测量。
振动传感利用高反射率光栅反射低相干连续光信号，因此相比于瑞利散射信号或弱光栅反射信号，其低相干反射信号强度大、信噪比高。其测量频率不受脉冲光信号频率限制，因此可用于高频振动或声波、超声波测量。由于低相干传感技术的振动灵敏度较高，因此系统采用宽带自发辐射光源1作为低相干传感光源，相比于采用高相干激光传感方式，可实现高灵敏度振动传感，且其同时可复用作为应变传感阵列6-1的宽谱传感光源。

Claims (9)

1.一种光纤光栅振动及应变同时测量的分布式传感系统，其特征在于，包括：
低相干宽带光源；
光纤光栅传感器；
双路时延光纤结构，以所述低相干宽带光源为输入，输出双路低相干连续光到所述光纤光栅传感器；并以经光纤光栅传感器反射后的分离光信号为输入，输出两路低相干反射信号；
光电探测器阵列，探测两路低相干反射信号，通过分析干涉的相位以及强度变化，得到外界振动信号的对应信息；
波长解调单元，探测经光纤光栅传感器反射后的分离光信号的波长变化，实现应变传感。
2.根据权利要求1所述的分布式传感系统，其特征在于，双路时延光纤结构包括第一光纤耦合器、时延光纤以及合束器；所述第一光纤耦合器第一输出端连接时延光纤输入端，所述第一光纤耦合器第二输出端连接合束器的第二输入端；所述时延光纤输出端连接合束器的第一输入端；所述第一光纤耦合器的第一输入端连接所述宽带自发辐射光源的输出端；第一光纤耦合器的第三输出端连接光电探测器阵列的输入端。
3.根据权利要求2所述的分布式传感系统，其特征在于，在所述第一光纤耦合器的第三输出端与光电探测器阵列的输入端之间连接有滤波器阵列；所述滤波器阵列的各波长通道与光纤光栅阵列的波长一一对应，将光栅应变传感器阵列的各光栅波长所产生的低相干光分离并通过光电探测器阵列分别进行探测。
4.根据权利要求3所述的分布式传感系统，其特征在于，在所述合束器与光纤光栅传感器之间还设置有第二光纤耦合器；第二光纤耦合器的第一输出端连接光纤光栅应变传感器阵列的输入端，第二光纤耦合器的第二输出端连接波长解调单元的输入端并向波长解调单元输入经光纤光栅传感器反射后的分离光信号；第二光纤耦合器的第三输出端连接合束器的第三输入端并向合束器输入经光纤光栅传感器反射后的分离光信号。
5.根据权利要求4所述的分布式传感系统，其特征在于，在所述光电探测器阵列的输出端连接有数据采集卡。
6.根据权利要求5所述的分布式传感系统，其特征在于，在所述数据采集卡的输出端连接有数据分析显示单元。
7.一种基于权利要求1-6任一所述分布式传感系统的方法，其特征在于，
利用低相干宽带光源及双路时延光纤结构，形成双路低相干连续光输出；
经光纤光栅应变传感器阵列反射并返回分离光信号，分离光信号一路经双路时延光纤结构后形成两路低相干反射信号，一路直接输出；
通过测量低相干反射信号的干涉信号相位以及强度，形成分布式振动传感；
探测直接输出的光信号的波长变化，实现应变传感。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：利用低相干宽带光源及双路时延光纤结构，形成双路低相干连续光输出的方法是：
宽带自发辐射光源所产生低相干连续光进入第一光纤耦合器后分为两路，一路经时延光纤后进入合束器，另一路直接进入合束器，经合束器输出两路具有时延的连续低相干光信号。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：分离光信号经双路时延光纤结构后形成两路低相干反射信号的方法是：
两路具有时延的连续低相干光信号经第二光纤耦合器进入光纤光栅传感器阵列，光纤光栅传感器阵列各点所形成反射光信号原路返回经第二光纤耦合器后进入合束器，经合束器后分为两路，一路经时延光纤后进入第一耦合器，另一路直接进入第一耦合器，经第一耦合器输出满足干涉条件的两路低相干反射信号并进入光电探测器阵列。
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