CN112504433B - 温度自参考灵敏度可调谐光纤分布式振动检波装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度自参考灵敏度可调谐光纤分布式振动检波装置及方法，其中检波装置包括：宽带自发辐射光源、第一光程差产生单元、光纤光栅温度传感器阵列、第二耦合器、第二光程差产生单元、波长解调单元、第三合束器、光电探测器以及数据分析处理单元，对所述光电探测器输出的干涉光信号强度变化及相位变化进行解调分析实现振动传感。本发明的优点是能够实现温度实时修正的分布式振动传感，振动信号探测频段范围大，传感器长度及灵敏度可调谐。

Description

温度自参考灵敏度可调谐光纤分布式振动检波装置及方法

技术领域

本发明涉及温度自参考的光纤光栅宽频灵敏度可调谐振动检波技术，用于勘探、地质、结构监测中振动、加速度、地震波、声波的分布式探测与采集，可实现对宽频段范围内的声波、振动、地震、加速度等的探测以及对温度参考补偿。

背景技术

光纤光栅能够进行振动与声波的传感与监测，在地震勘探、地质调查、结构测量等很多工程领域有着广泛应用前景。目前基于光纤光栅检波技术主要依赖于采用振动敏感弹性结构或元件带动光栅发生应变，通过测量振动、地震波或声波等外界参量所引起光栅波长变化实现传感，其关键问题在于光纤传感器振动灵敏度受温度串扰影响大，且仅对弹性元件结构共振频率附近振动、地震波、声波信号较为敏感，响应频带窄，主要集中于中低频段，灵敏度有限且与量程间矛盾突出，且传感器长度一般均为固定，因而功能单一，难以满足地震勘探、地质调查、结构测量众重多工程测量领域对传感系统灵敏度、响应频率、覆盖范围的不同需求。

发明内容

本发明一种光纤可调谐分布式振动检波装置及振动检波方法，用于勘探、地质、结构监测中振动、加速度、地震波、声波的分布式探测与采集，其优点是能够实现温度实时修正及分布式振动传感，传感器长度及灵敏度可调谐，振动信号探测频段范围大，且能够有效克服灵敏度与量程之间的矛盾，适用于不同工程应用环境，满足振动监测参数需求多样化的难题。

本发明采用的技术方案如下：

一种光纤光栅可调谐分布式振动检波装置，其特征在于，包括：

宽带自发辐射光源，用于发出宽带辐射光；

第一光程差产生单元，将所述宽带自发辐射光源发出的宽带辐射光分成具有第一光程差的两路光输出；

光纤光栅温度传感器阵列，由一系列不同波长的光纤光栅组成；接收所述第一光程差产生单元输出的具有第一光程差的两路光，并将进入光纤光栅温度传感器阵列的宽带辐射光在不同位置与不同波长的光纤光栅进行反射输出；

第二耦合器，将光纤光栅温度传感器阵列的反射光分为两路输出；

第二光程差产生单元，将第二耦合器输出的一路反射光产生第二光程差后输出；

波长解调单元，对第二光程差产生单元的输出光进行波长解调，得到光的波长；

第三合束器，通过调整所述第二光程差产生单元的输出的光程差，使输入的第二光程差产生单元输出的一路光和第二耦合器输出的另一路反射光产生相干干涉；

光电探测器，用于接收第三合束器输出干涉光信号强度变化及相位变化；

数据分析处理单元，对所述光电探测器输出的干涉光信号强度变化及相位变化进行解调分析实现振动传感。

还包括：

波分复用器，将第二耦合器输出的另一路反射光输出；

光纤光栅选择单元，由第三光开光和可调谐光纤延迟线构成；所述可调谐光纤延迟线连接在所述波分复用器的输出端与第三合束器的输入端之间；当密集波分复用器各波长通道与光纤光栅温度传感器阵列的波长分布吻合时，通过第三光开光控制选择轮流切换探测任意某一个光栅前端光纤所感知的振动信号。

所述第一光程差单元包括第一光开关和第一多通道固定光程光纤延迟线阵列，通过第一光开关选择第一多通道固定光程光纤延迟线阵列中不同长度的光纤延迟线进行第一光程差的控制。

所述第一光程差单元还包括：

第一分束器，将所述宽带自发辐射光源发出的宽带辐射光分为两路输出；

第一耦合器，将所述第一分束器输出的两路一路直接输出，所述第一分束器输出的两路中另一路经所述第一光程差产生单元后输出。

所述第一光程差单元还包括：

第一合束器，设置在所述多通道固定光程光纤延迟线阵列与第一耦合器之间。

所述第一光程差单元还包括光纤环形器和第二耦合器，所述第一耦合器输出的两路具有一定光程差的连续自发辐射光依次经光纤环形器和第二耦合器后进入所述光纤光栅温度传感器阵列。

所述第二光程差单元包括第二光开关和第二多通道固定光程光纤延迟线阵列，通过第二光开关选择第二多通道固定光程光纤延迟线阵列中不同长度的光纤延迟线进行第二光程差的控制。

所述第二光程差单元还包括第二合束器。

在所述第二合束器输出端还连接有一第二分束器，经第二合束器形成一定光程差后进入第二分束器后分为两路分别进入波长解调单元以及第三合束器。

一种光纤光栅可调谐分布式振动检波方法，其特征在于，步骤为：

由宽带自发辐射光源发出宽带辐射光；

宽带自发辐射光通过第一分束器后分为两路，第一路依次经所述第一光开关、第一多通道固定光程光纤延迟线、第一合束器形成一定光程差后由第一耦合器输出，第二路直接由第一耦合器输出；

第一耦合器输出的两路具有一定光程差的连续自发辐射光依次经光纤环形器、第二耦合器后进入光纤光栅温度传感器阵列，进入光纤光栅温度传感器阵列的宽带辐射光经过不同位置与不同波长的光纤光栅反射后形成后向反射光原路返回至第二耦合器；

返回至第二耦合器后分为两路；第一路经第二光开关返回至第二耦合器、第二多通道固定光程光纤延迟线阵列返回至第二耦合器、第二合束器返回至第二耦合器形成一定光程差后进入第二分束器返回至第二耦合器并分为两路分别进入波长解调单元返回至第二耦合器以及第三合束器返回至第二耦合器；第二路后向散射光由第二耦合器依次经所述光纤环形器、密集波分复用器输入端、第三光开关、可调谐光纤延迟线后进入第三合束器，第三合束器输出的光信号依次经光电探测器、数据采集卡后进入数据分析处理单元，波长解调单元所输出的波长解调信息同时进入数据分析处理单元，数据分析单元一方面对振动信号以及温度传感器波长信号进行分析处理后，在显示单元显示最终结果；

通过控制第一光开关、第二光开关选择振动传感光纤传感器长度、灵敏度响应频率；

通过控制第三光开关轮流切换进行不同位置的振动传感分布式探测。

本发明温度自参考的光纤光栅宽频灵敏度可调谐振动检波装置及方法，用于勘探、地质、结构监测中振动、加速度、地震波、声波的分布式探测与采集，采用多通道双路光纤固定光程延迟线阵列，通过光纤波长分路以及光程延迟调谐扫描解调技术，结合光纤光栅波长解调共线方法，形成具有温度自参考的光纤光栅振动检波阵列技术与系统，通过双路匹配光纤固定光程延迟线阵列以及光程延迟调谐扫描解调可形成振动传感长度及灵敏度可调谐的宽频段干涉型光纤振动传感，结合光纤光栅温度传感与波长解调实现对振动传感器阵列温度串扰的有效补偿，进而能够满足对不同探测或传感领域的适用性需求。本发明的优点是能够实现温度实时修正的分布式振动传感，振动信号探测频段范围大，传感器长度及灵敏度可调谐。

附图说明

图1是本发明的一种具体结构示意图。

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。

下面结合图1具体说明本实施方式。

宽带自发辐射光源1发出的宽带自发辐射光通过第一分束器2后分为两路，第一路依次经第一光开关3、第一多通道固定光程光纤延迟线4、多通道固定光程第一合束器5形成一定光程差后由第一耦合器6输出，第二路直接由第一耦合器6输出，第一耦合器输出的两路具有一定光程差的连续自发辐射光依次经所述光纤环形器7、第二耦合器8后进入光纤光栅温度传感器阵列9。进入光纤光栅温度传感器阵列9的宽带辐射光经过不同位置与不同波长的光纤光栅反射后形成后向反射光原路返回至第二耦合器8后分为两路；第一路经第二光开关10、第二多通道固定光程光纤延迟线阵列11、第二合束器12形成一定光程差后进入第二分束器13并分为两路分别进入波长解调单元14以及第三合束器15；第二路后向散射光由第二耦合器8依次经所述光纤环形器7、密集波分复用器输入端16、第三光开关17、可调谐光纤延迟线18后进入第三合束器15，第三合束器15输出的光信号依次经光电探测器19、数据采集卡20后进入数据分析处理单元21。波长解调单元14所输出的波长解调信息同时进入数据分析处理单元21，数据分析处理单元21一方面对振动信号以及温度传感器波长信号进行分析处理后，在显示单元22显示最终结果，另一方面可通过控制第一光开关3、第二光开关10选择振动传感光纤传感器长度、灵敏度响应频率，亦可通过控制第三光开关17轮流切换进行不同位置的振动传感分布式探测。

本发明的具体实施过程：自发辐射宽带光源1发出的宽带光经第一分束器2分为两路后，第一路光经过第一光开关3、第一多通道固定光程光纤延迟线阵列4、多通道固定光程第一合束器5后到达第一耦合器6，第二路光信号则直接到达第一耦合器6，第一通道固定光程光纤延迟线阵列4由多路不同光程长度的光纤延迟线组成，因而光程差大小可通过光开关选择第一多通道固定光程光纤延迟线阵列4中不同长度的光纤延迟线进行控制，由于多通道固定光程光纤延迟线的存在，使得两路光存在一定光程差，且通过光开关选择匹配不同长度光纤延迟线，能够实现对光程差大小的选择。两路光汇合于第一耦合器6后依次经过光纤环形器7以及第二耦合器8后进入光纤光栅温度传感器阵列9，光纤光栅温度传感器阵列9由一系列不同波长的光纤光栅组成，这些光纤光栅通过密封以隔绝应力影响，且相互之间具有一定长度间隔以实现分布式温度测量，满足光纤光栅温度传感器阵列9各光栅波长条件的光沿原路返回至第二耦合器8后分为两路，一路反射光依次经过第二光开关10、第二多通道固定光程光纤延迟线阵列11、第二合束器12并形成一定光程差，第二合束器12的输出光进入第二分束器13后分为两路，分别进入波长解调单元14及第三合束器15，第二耦合器15输出的第二路反射光依次经所述光纤环形器7、密集波分复用器输入端16、第三光开关17、可调谐光纤延迟线18后进入第三合束器15。当通过第一光开关3以及第二光开关10分别选择控制第一多通道固定光程光纤延迟线阵列4以及第二多通道固定光程光纤延迟线阵列11所产生的光程差完全相等时，光源所发出光有两路会满足相干条件并形成干涉：分别为依次经过第一多通道固定光程光纤延迟线阵列4并被光纤光栅温度传感器阵列9反射后通过光纤环形器7，以及第二分束器13后直接到达第三合束器15的一路光，以及依次经过第一分束器2、第一耦合器5、光纤环形器7、第二耦合器8进入光纤光栅温度传感器阵列9被反射后经过第二多通道固定光程光纤延迟线阵列11进入第三合束器15的另一路光。这两路光会由于光程差相等而在第三合束器15处产生相干，因而当光纤光栅温度传感器阵列9中某个光栅前端的传输光纤受到外界振动产生微变形时，这两路光之间的光程差会发生改变，导致光电探测器19所接收探测的第三合束器15输出光信号干涉状态发生变化，且光程差与外界振动幅度对应，光程差变化频率、所引起干涉光强变化频率、相位变化频率与外界振动频率相对应，通过数据分析处理单元21控制可调谐光纤延迟线长度可进行光程差扫描解调分析干涉光信号强度变化及相位变化可实现振动传感，此时，各光栅前端的传输光纤作为振动传感器，且传感器长度由两个多通道固定光程光纤延迟线阵列内的延时光纤长度所决定，光纤光栅作仅作为光反射点，振动信号对光纤光栅温度传感器阵列的波长无串扰影响。当密集波分复用器16各波长通道与光纤光栅温度传感器阵列的波长分布吻合时，通过第三光开光17可控制选择轮流切换探测任意某一个光栅前端光纤所感知的振动信号。此外通过分析由第二分束器13进入波长解调单元14的光纤光栅温度传感器阵列的光波长信号，不满足相干条件，因而振动对波长无影响，可用于实现无振动串扰的温度测量。数据分析处理单元21对每个光栅前端振动传感光纤由于已知温度所引起串扰进行实时同步修正，同时对相邻振动传感光纤信号进行差分以消除相互之间的振动串扰。本发明所涉及干涉结构中，振动传感光纤长度变化与振动灵敏度及高频响应能力成正比，因而通过第一光开关3与第二光开关10调谐选择第一多通道固定光程光纤延迟线阵列4以及第二多通道固定光程光纤延迟线阵列11中的延迟线长度，可实现对传感器长度、振动灵敏度及响应频率的调谐控制。

本发明的具体实施案例：光源发出的光经第一分束器2分为两路后分别到达第一耦合器6，由于第一多通道固定光程光纤延迟线阵列4的存在，使得经过第一多通道固定光程光纤延迟线阵列4的光信号产生了额外光程，导致两路光到达第一耦合器6时会产生固定时延差或相位差，通过第一光开关3可选择切换不同时延长度的光纤延迟线，能够选择经过第一多通道固定光程光纤延迟线阵列4的光信号所经历额外光程的大小，进而实现两路光之间时延差或相位差大小的调谐选择与控制。当两路具有一定时延差或相位差的光进入光纤光栅阵列9后依次被反射，且对应反射光的时延差与相位差保持不变，但当每个光栅前端一定长度的光纤发生一定振动形变时，由于光纤受到振动信号的调制会产行形变，因此该段光纤光程发生变化会导致两路光信号之间的时延差或相位差变化，其变化趋势如频率、相位等与振动信号一致。由于能够感受振动的该段最大光纤长度与两路光信号之间光程差所对应得光纤长度，因此通过第一光开关3控制选择第一多通道固定光程光纤延迟线阵列4便可实现振动传感光纤长度的调谐控制。此外振动传感光纤受到相同振动时，当传感光纤长度越长，则单位时间内振动导致两路光信号之间的光程差或相位差变化量就越大，具体反映为光纤传感系统振动灵敏度越高或者说对高频弱振动探测能力就越强，因此通过对传感光纤长度的选择控制亦能够同时实现对振动灵敏度及响应频率的控制。当具有时延差的两路光纤光栅反射光信号分为三路，其中一路通过第二耦合器8进入波长解调单元14，对光纤光栅阵列9中的各个光栅波长进行解调，振动引起光程差变化不会引起波长解调单元14所接收到的光纤光栅阵列的各个光栅波长产生变化，因而光纤光栅阵列9能够独立用于温度传感，以实现对温度所引起每个光栅前端的振动传感光纤测量偏差的补偿修正。当另外两路具有时延差的反射光信号分别从光纤环形器7以及第二耦合器8进入第三合束器15，由于可调谐光纤延迟线18以及第二多通道固定光程光纤延迟线阵列11的存在，使得两路光的时延差再次改变，通过调节可调谐光纤延迟线18以及第二光开关10控制第二多通道固定光程光纤延迟线阵列11，能够完全补偿第一多通道固定光程光纤延迟线阵列4所引起的光程差，使得两路光的时延差或相位差为零。当这两路光的相位差或光程差完全得到补偿后，则在第三合束器15处两路光信号将会发生干涉，当振动光纤受振动后会引起两路反射光信号的时延差发生动态改变，导致第三合束器15处两路光的干涉状态发生对应动态变化，通过探测两路光信号并分析干涉状态变化即可实现振动传感。

Claims (10)

1.一种温度自参考灵敏度可调谐光纤分布式振动检波装置，其特征在于，包括：

宽带自发辐射光源（1），用于发出宽带辐射光；

第一光程差产生单元，将所述宽带自发辐射光源（1）发出的宽带辐射光分成具有第一光程差的两路光输出；

光纤光栅温度传感器阵列（9），由一系列不同波长的光纤光栅组成；接收所述第一光程差产生单元输出的具有第一光程差的两路光，并将进入光纤光栅温度传感器阵列（9）的宽带辐射光在不同位置与不同波长的光纤光栅进行反射输出；

第二耦合器，将光纤光栅温度传感器阵列（9）的反射光分为两路输出；

第二光程差产生单元，将第二耦合器输出的一路反射光产生第二光程差后输出；

波长解调单元（14），对第二光程差产生单元的输出光进行波长解调，得到光的波长；

第三合束器（15），通过调整所述第二光程差产生单元的输出的光程差，使输入的第二光程差产生单元输出的一路光和第二耦合器输出的另一路反射光产生相干干涉；

光电探测器（19），用于接收第三合束器（15）输出干涉光信号强度变化及相位变化；

数据分析处理单元（21），对所述光电探测器输出的干涉光信号强度变化及相位变化进行解调分析实现振动传感。

2.根据权利要求1所述的温度自参考灵敏度可调谐光纤分布式振动检波装置，其特征在于，还包括：

波分复用器，将第二耦合器输出的另一路反射光输出；

光纤光栅选择单元，由第三光开光（17）和可调谐光纤延迟线（18）构成；所述可调谐光纤延迟线（18）连接在所述波分复用器的输出端与第三合束器（15）的输入端之间；当密集波分复用器各波长通道与光纤光栅温度传感器阵列的波长分布吻合时，通过第三光开光（17）控制选择轮流切换探测任意某一个光栅前端光纤所感知的振动信号。

3.根据权利要求1所述的温度自参考灵敏度可调谐光纤分布式振动检波装置，其特征在于，所述第一光程差产生单元包括第一光开关（3）和第一多通道固定光程光纤延迟线阵列（4），通过第一光开关（3）选择第一多通道固定光程光纤延迟线阵列（4）中不同长度的光纤延迟线进行第一光程差的控制。

4.根据权利要求3所述的温度自参考灵敏度可调谐光纤分布式振动检波装置，其特征在于，所述第一光程差产生单元还包括：

第一分束器（2），将所述宽带自发辐射光源（1）发出的宽带辐射光分为两路输出；

第一耦合器（6），将所述第一分束器（2）输出的两路一路直接输出，所述第一分束器（2）输出的两路中另一路经所述第一光程差产生单元后输出。

5.根据权利要求4所述的温度自参考灵敏度可调谐光纤分布式振动检波装置，其特征在于，所述第一光程差产生单元还包括：

第一合束器（5），设置在所述第一多通道固定光程光纤延迟线阵列（4）与第一耦合器（6）之间。

6.根据权利要求5所述的温度自参考灵敏度可调谐光纤分布式振动检波装置，其特征在于，还包括光纤环形器（7）和第二耦合器（8），所述第一耦合器（6）输出的两路具有一定光程差的连续自发辐射光依次经光纤环形器（7）和第二耦合器（8）后进入所述光纤光栅温度传感器阵列（9）。

7.根据权利要求6所述的温度自参考灵敏度可调谐光纤分布式振动检波装置，其特征在于，所述第二光程差产生单元包括第二光开关（10）和第二多通道固定光程光纤延迟线阵列（11），通过第二光开关（10）选择第二多通道固定光程光纤延迟线阵列（11）中不同长度的光纤延迟线进行第二光程差的控制。

8.根据权利要求7所述的温度自参考灵敏度可调谐光纤分布式振动检波装置，其特征在于，所述第二光程差产生单元还包括第二合束器（12）。

9.根据权利要求8所述的温度自参考灵敏度可调谐光纤分布式振动检波装置，其特征在于，在所述第二合束器（12）输出端还连接有一第二分束器（13），经第二合束器（12）形成一定光程差后进入第二分束器（13）后分为两路分别进入波长解调单元（14）以及第三合束器（15）。

10.一种温度自参考灵敏度可调谐光纤分布式振动检波方法，其特征在于，步骤为：

由宽带自发辐射光源（1）发出宽带辐射光；

宽带自发辐射光通过第一分束器（2）后分为两路，第一路依次经第一光开关（3）、第一多通道固定光程光纤延迟线阵列（4）、第一合束器（5）形成一定光程差后由第一耦合器（6）输出，第二路直接由第一耦合器（6）输出；

第一耦合器（6）输出的两路具有一定光程差的连续自发辐射光依次经光纤环形器（7）、第二耦合器（8）后进入光纤光栅温度传感器阵列（9），进入光纤光栅温度传感器阵列（9）的宽带辐射光经过不同位置与不同波长的光纤光栅反射后形成后向反射光原路返回至第二耦合器（8）；

返回至第二耦合器（8）后分为两路；第一路经第二光开关（10）、第二多通道固定光程光纤延迟线阵列（11）、第二合束器（12）形成一定光程差后进入第二分束器（13）并分为两路分别进入波长解调单元（14）以及第三合束器（15）；第二路后向散射光由第二耦合器（8）依次经所述光纤环形器（7）、密集波分复用器（16）输入端、第三光开关（17）、可调谐光纤延迟线（18）后进入第三合束器（15），第三合束器（15）输出的光信号依次经光电探测器（19）、数据采集卡（20）后进入数据分析处理单元（21），波长解调单元（14）所输出的波长解调信息同时进入数据分析处理单元（21），数据分析处理单元（21）一方面对振动信号以及温度传感器波长信号进行分析处理后，在显示单元（22）显示最终结果；通过控制第一光开关（3）、第二光开关（10）选择振动传感光纤传感器长度、灵敏度响应频率；

通过控制第三光开关（17）轮流切换进行不同位置的振动传感分布式探测。

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