CN113219205A - 一种光纤光栅分布式加速度监测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤光栅分布式加速度监测装置及方法，其中光纤光栅分布式加速度监测装置包括：光源，用于发出一路监测光；第一光延迟模块，输出为两路具有第一延迟差的脉冲信号；低反射率窄带光纤光栅阵列，输出所述第一光延迟模块两路脉冲信号的反射光信号；第二光延迟模块，输出为具有第二延迟差的两路脉冲信号；干涉模块，用于所述第二光延迟模块输出的两路输出脉冲信号产生干涉并输出干涉信号；干涉信号处理模块，根据所述干涉模块输出的干涉信号，得到外界加速度变化。本发明传感系统距离长，单根光纤可容纳光栅数量庞大，测点数多，且加速度传感无需双光栅之间波长匹配、亦无多次反射串扰、系统稳定性与耐久性好，简单且可靠性高，可长期在线监测。

Description

一种光纤光栅分布式加速度监测装置及方法
技术领域
本发明涉及一种超密集化光纤光栅加速度传感阵列技术及装置，用于工程结构加速度的分布式传感。可实现对各类工程及地质结构微加速度、微震、扰动、动态形变、开裂及声发射的长期实时在线监测。
背景技术
光纤分布式加速度传感器由于其具有高耐久、抗电磁串扰、可分布式等一系列优点，在各类工程结构如航空航天、土建交通、海洋工程、军事、工业及民用结构的加速度、扰动或声传感探测，并做出安全性评价与必要的预警。对于现有分布式光纤加速度传感技术和系统，探测距离范围和信噪比之间的矛盾是关键问题之一，探测距离越远，则后向散射光信号越弱，因而信噪比越差，导致系统分辨率、精度大幅下降。为提高系统信噪比，目前一般采用在光纤中刻写弱反射光纤光栅阵列，以增强后向散射信号，同时利用相邻两个相同波长的光栅反射光产生脉冲干涉信号，通过探测加速度所引起干涉信号相位变化，实现对加速度强度及频率的传感。此类技术方法能够有效提高反射信号强度，但仍存在若干关键问题。此类技术方案要求相邻两个弱反射光栅的反射光波长必须保持严格一致，否则无法产生干涉，而在实际工程中由于外界环境条件限制很难做到，因而需采用宽反射谱的弱反射啁啾光栅，导致波长信道数下降，即大幅降低光栅数目，使得测点数量降低、分布能力及探测长度受限。其次，该类方案中，两个光栅之间存在多次反射振荡信号，产生强串扰，导致系统稳定性与精度下降，虽然能通过降低光栅反射率减小振荡串扰，但这又将导致系统信噪比及传感距离将受到限制。因此在分布式光纤加速度传感系统中，这些关键矛盾和问题依然困扰着系统的关键性能指标提升及其实际工程化应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种光纤光栅分布式加速度监测装置及方法，用于工程结构加速度的分布式传感。可实现对各类工程及地质结构微加速度、微震、扰动、动态形变、开裂及声发射的长期实时在线监测，传感系统距离长，单根光纤可容纳光栅数量庞大，测点数多，信噪比高且加速度传感无需双光栅之间波长匹配、无反射振荡串扰、系统稳定性与耐久性好，简单且可靠性高，可长期在线监测。
本发明的技术解决方案如下：
一种光纤光栅分布式加速度监测装置，其特征在于，包括：
光源，用于发出一路监测光；
第一光延迟模块，将所述光源发出的一路监测光输出为两路具有第一延迟差的脉冲信号；
低反射率窄带光纤光栅阵列，通过低反射率窄带光纤光栅阵列中的每个单弱反射光栅反射，输出所述第一光延迟模块两路脉冲信号的反射光信号；
第二光延迟模块，将所述低反射率窄带光纤光栅阵列输出的反射光信号输出为具有第二延迟差的两路脉冲信号；
干涉模块，用于所述第二光延迟模块输出的两路输出脉冲信号产生干涉并输出干涉信号；
干涉信号处理模块，根据所述干涉模块输出的干涉信号，得到外界加速度变化。
所述第一光延迟模块包括：
脉冲调制器，用于对所述光源发出的一路监测光进行脉冲调制产生脉冲信号；
第一光纤分束器，将所述脉冲调制器产生的脉冲信号分两路输出；
相位调制器，对所述第一光纤分束器输出的一路脉冲信号进行相位调制；
第一光纤合束器，将所述第一光纤分束器输出的另一路脉冲信号和经所述相位调制器输出的一路脉冲信号输出，形成两路具有第一延迟差的脉冲信号。
所述第二光延迟模块，包括：
第二光纤分束器，将所述低反射率窄带光纤光栅阵列输出的反射光信号分两路输出；
光纤移相器，对所述第二光纤分束器输出的一路反射光信号进行相位调制，输出与所述第二光纤分束器输出的另一路反射光信号具有第二延迟差的脉冲信号。
所述干涉模块为第二光纤合束器，使所述第二光纤分束器输出的另一路反射信号和经所述光纤移相器输出的一路反射信号产生干涉。
所述干涉信号处理模块包括：
光电探测器，对输送干涉模块输出的干涉光信号进行光电转换，得到对应的电信号；
数据采集卡，采集所述光电探测器得到的电信号；
相位分析单元，分析所述数据采集卡采集的电信号的相位实时变化，得到外界的实时加速度变化。
一种光纤光栅分布式加速度监测方法，其特征在于，包括：
对探测光进行脉冲调制，得到脉冲信号；
对所述脉冲信号进行双路光相位延迟调制，使低反射率窄带光纤光栅阵列中单个光栅产生相移双脉冲；
使相移双脉冲之间产生干涉，根据干涉信号得到加速度信号。
所述探测光为多波长激光器发出的激光。
所述激光通过脉冲调制器进行脉冲调制形成激光脉冲信号。
本发明光纤光栅分布式加速度监测装置，是一种超密集化光纤光栅加速度传感阵列系统，用于工程及地质结构加速度的分布式传感，采用一系列单个窄带弱反射光栅，通过双路光相位延迟调制使得单个光栅可产生相移双脉冲，相移双脉冲之间可实现干涉，其等效于两个光栅，但无振荡串扰以及反射损耗，结合双路信号移相及平衡光电探测形成相位解调系统，通过多波长密集阵列化，光纤能容纳光栅数目即传感测点数可实现倍增长，同时可大幅提升系统信噪比及探测距离。
本发明采用单个弱反射光栅反射具有一定相位差的光脉冲即可形成干涉进而实现分布式加速度传感，无需采用两个波长相等具有一定距离的双光栅分别通过反射产生两个能够干涉的脉冲信号，因而能够有效消除激光脉冲在两个光栅之间反复振荡所形成的串扰，且由于采用单个弱反射光栅即可实现干涉，因而对于任意某一特定波长的一系列弱反射光栅而言，其测点数可有效增长一倍以上，由于采用多波长激光器，所有波长的光栅测点数均可提升一倍以上，进而实现分布式探测距离及测点数的倍增长且能够有效降低噪声串扰。
附图说明
图1是本发明光纤光栅分布式加速度监测装置示意图。
图2是本发明低反射率窄带光纤光栅阵列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。
具体实施方式一：下面结合图1具体说明本实施方式。多波长激光器1发出的激光依次经过脉冲调制器2和第一光纤分束器3后分为两路，第一路直接进入第一光纤合束器4，第二路经相位调制器5后进入第一光纤合束器4，第一光纤合束器4的输出光经光纤环形器6后进入低反射率窄带光纤光栅阵列7，低反射率窄带光纤光栅阵列7的反射光信号返回光纤环形器6后进入第二光纤分束器8，第二光纤分束器8的输出光分为两路，其中一路直接进入第二光纤合束器9，另一路经光纤移相器后10进入第二光纤合束器9，第二光纤合束器9的两路输出光依次经过双平衡光电探测器11、多通道数据采集单元12、信号相位分析单元13，最后在显示单元14显示探测分析结果，多通道数据采集单元12可控制脉冲调制器2的开关状态，以实现对脉冲发生及数据采集的同步控制。
下面结合图2具体说明本实施方式。低反射率光纤光栅阵列7可由一系列波长相同或不同的低反射率窄带光纤光栅组成，激光器的每一个波长均对应N个弱反射光栅，弱反射光栅可通过一定封装设计消除温度或外界影响导致的波长漂移，光栅阵列的排列即可采用图2所示相同波长的光栅为一组（波长1一组，由光栅1-1到光栅1-N；波长2一组，由光栅2-1到光栅2-N），亦可采用不同波长光栅随机排列方式。
本发明的具体实施过程：多波长激光器1发出的激光进入脉冲调制器2后形成激光脉冲，脉冲调制器2输出的激光脉冲经第一光纤分束器3后分为两路光，第一路直接进入第一光纤合束器4，第二路进入相位调制器5后产生了相位调制，形成具有一定相位延迟或光程延迟的激光脉冲光后进入了第一光纤合束器4，第一合束器4输出的两路具有一定延迟差的激光脉冲信号经光纤环形器6后进入低反射率窄带光纤光栅阵列7，低反射率光纤光栅阵列7可由一系列波长相同或不同的低反射率窄带光纤光栅组成，如图2。低反射率窄带光纤光栅阵列7中每个光栅依次反射具有延迟差的两路脉冲光信号，且不同位置的光栅反射的脉冲光信号具有一定时延差。反射光激光脉冲信号沿原路返回经光纤环形器6进入第二光纤分束器8后分为两路，其中一路光脉冲直接进入第二光纤合束器9，另一路经光纤移相器10对其相位进行调制后进入第二光纤合束器9，在第二光纤合束器9处两路输出激光脉冲产生干涉，干涉信号分两路进入双平衡光电探测器11的两个通道进行光电转换并输出对应电信号，多通道数据采集卡12同步采集双平衡光光电探测器11输出的电信号并通过信号相位分析单元13分析干涉信号的相位实时变化，从而得到外界加速度变化并最终在显示单元14显示探测分析结果。此外，多通道数据采集单元12可通过内触发端口发出触发脉冲电平，触发脉冲电平进入脉冲调制器2的调制端口以控制其开关状态，以实现对脉冲发生的控制及数据采集的同步控制，从而保证激光脉冲的发射与信号探测采集的时间一致性。
本发明的具体实施案例：当某一时刻多波长激光器1发出的包含多个波长的连续激光经脉冲调制器2后，其强度得到调制，形成一个激光脉冲，脉冲经第一光纤分束器3后分为两个完全相同的光脉冲，由于相位调制器5的存在，使得经过相位调制器5的光脉冲受到相位调制，光脉冲内所有波长的光相位均产生一定光程延迟，因而当两个激光脉冲经第一光纤合束器4和光纤环形器6进入低反射率窄带光纤光栅阵列7时形成两个具有一定相位差的脉冲信号，因而对于任意一个光栅，会先后反射这两个具有一定相位差的脉冲信号中波长相同的部分光。对于某一个光栅，其先后反射脉冲中的部分光后，两个反射信号光将沿原路返回光纤环形器后进入第二光纤分束器8，再次分为两路，其中一路光经过光纤移相器10后产生一定程度的移相，当两路光的部分光分别经过相位调制器5和光纤移相器10后满足相位匹配条件时，在第二光纤合束器9处两路输出激光脉冲将产生干涉，且干涉信号能够具有基频，基频的频率由相位调制器5决定。当光纤某段发生加速度，引起该段光纤相对光程产生变化，因而该段光纤位置所对应光栅先后反射的两个脉冲光信号之间光程差亦会产生对应变化，因而在第二光纤合束器9处两路光干涉状态发生对应变化，干涉状态变化规律与加速度规律保持一致，因而基频信号的相位也发生对应变化，通过双平衡光电探测器11、多通道数据采集卡12、相位分析单元13依次探测采集以及分析基频信号的频率与相位实时变化，并对相邻光栅反射光信号进行差分后，即可实现对加速度信号的探测，由于不同位置的光栅反射的光信号具有一定时延差，且时延差和位置远近成正比，通过确定反射激光脉冲干涉信号的时延差即可对加速度位置进行定位。由于通过以上设计，本发明采用单个弱反射光栅反射具有一定相位差的两个光脉冲即可形成干涉进而实现分布式加速度传感，无需采用两个波长相等具有一定距离的双光栅分别通过反射产生两个能够干涉的脉冲信号，因而能够有效消除激光脉冲在两个光栅之间反复振荡所形成的串扰，且由于采用单个弱反射光栅即可实现干涉，因而对于任意某一特定波长的一系列弱反射光栅而言，其测点数可有效增长一倍以上，由于采用多波长激光器，所有波长的光栅测点数均可提升一倍以上，进而实现分布式探测距离及测点数的倍增长且能够有效降低噪声串扰。

Claims (10)

1.一种光纤光栅分布式加速度监测装置，其特征在于，包括：
光源，用于发出一路监测光；
第一光延迟模块，将所述光源发出的一路监测光输出为两路具有第一延迟差的脉冲信号；
低反射率窄带光纤光栅阵列，通过低反射率窄带光纤光栅阵列中的每个单弱反射光栅反射，输出所述第一光延迟模块两路脉冲信号的反射光信号；
第二光延迟模块，将所述低反射率窄带光纤光栅阵列输出的反射光信号输出为具有第二延迟差的两路脉冲信号；
干涉模块，用于所述第二光延迟模块输出的两路输出脉冲信号产生干涉并输出干涉信号；
干涉信号处理模块，根据所述干涉模块输出的干涉信号，得到外界加速度变化。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅分布式加速度监测装置，其特征在于，所述第一光延迟模块包括：
脉冲调制器，用于对所述光源发出的一路监测光进行脉冲调制产生脉冲信号；
第一光纤分束器，将所述脉冲调制器产生的脉冲信号分两路输出；
相位调制器，对所述第一光纤分束器输出的一路脉冲信号进行相位调制；
第一光纤合束器，将所述第一光纤分束器输出的另一路脉冲信号和经所述相位调制器输出的一路脉冲信号输出，形成两路具有第一延迟差的脉冲信号。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅分布式加速度监测装置，其特征在于，所述第二光延迟模块，包括：
第二光纤分束器，将所述低反射率窄带光纤光栅阵列输出的反射光信号分两路输出；
光纤移相器，对所述第二光纤分束器输出的一路反射光信号进行相位调制，输出与所述第二光纤分束器输出的另一路反射光信号具有第二延迟差的脉冲信号。
4.根据权利要求3所述的光纤光栅分布式加速度监测装置，其特征在于，所述干涉模块为第二光纤合束器，使所述第二光纤分束器输出的另一路反射信号和经所述光纤移相器输出的一路反射信号产生干涉。
5.根据权利要求1所述的光纤光栅分布式加速度监测装置，其特征在于，所述干涉信号处理模块包括：
光电探测器，对输送干涉模块输出的干涉光信号进行光电转换，得到对应的电信号；
数据采集卡，采集所述光电探测器得到的电信号；
相位分析单元，分析所述数据采集卡采集的电信号的相位实时变化，得到外界的实时加速度变化。
6.根据权利要求5所述的光纤光栅分布式加速度监测装置，其特征在于，所述干涉信号处理模块还包括：显示单元，显示所述相位分析单元得到的加速度变化。
7.根据权利要求1-6任一所述的光纤光栅分布式加速度监测装置，其特征在于，所述光源为多波长激光器。
8.一种光纤光栅分布式加速度监测方法，其特征在于，包括：
对探测光进行脉冲调制，得到脉冲信号；
对所述脉冲信号进行双路光相位延迟调制，使低反射率窄带光纤光栅阵列中单个光栅产生相移双脉冲；
使相移双脉冲之间产生干涉，根据干涉信号得到加速度信号。
9.根据权利要求8所述的一种光纤光栅分布式加速度监测方法，其特征在于，所述探测光为多波长激光器发出的激光。
10.根据权利要求9所述的一种光纤光栅分布式加速度监测方法，其特征在于，所述激光通过脉冲调制器进行脉冲调制形成激光脉冲信号。
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