CN113702492A - 基于光纤光栅阵列的分布式超声检测的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅阵列的分布式超声检测的装置，它包括激光器、第一光纤耦合器、脉冲发生装置、正弦脉冲发生装置、第二光纤耦合器、环形器、光纤光栅阵列传感器、脉冲放大装置、声光移频器、第三光纤耦合器、光电探测器和数据处理装置；本发明通过前向布里渊散射激发横向超声波，采用光纤光栅阵列的方式，能够显著提升分布式测量的距离，并实现安全可靠的分布式超声测量。

Description

基于光纤光栅阵列的分布式超声检测的装置及方法
技术领域
本发明涉及光声传感技术领域，具体地指一种基于光纤光栅阵列的分布式超声检测的装置及方法。
背景技术
超声波具有良好的方向性及穿透性，与其它无损检测技术相比，基于超声波的检测技术，具有灵敏度高、速度快、成本低、对人体无害等优点被广泛应用于医学、工业及军事领域。在铅酸蓄电池中，可用于检测电解液的浓度。同样超声检测可以用于自来水、化工、医药、酿酒等生产部门的液体性质检测。随着时代的发展，对超声检测提出进一步的要求，需要基于超声的分布式检测技术。然而在已有报道的专利中，一方面难以实现分布式测量；另一方面，现有分布式超声检测液体性质时，需要将单独的超声探测仪串联从而实现分布式，这种方式需要大量的超声探测仪，成本高、装置复杂。此外，在化工、酿酒等液体性质检测领域，使用电致超声具有安全隐患，并且不耐腐蚀。
专利CN113008302A发明了一种基于前向布里渊散射的温度和声阻抗双参量传感方法及装置。该装置利用前向布里渊散射谱的中心频率和线宽实现了对温度及声阻抗的高精度双参量测量。但是这种装置目前本身并不具有分布式测量的能力。
专利CN103713044A发明了一种分布式超声波液体浓度检测系统及方法。该专利将超声波传感器放置在被测液体中，并通过RS485总线与多通道超声波浓度检测仪连接，从而实现了分布式测量液体性质的能力。然而，这种方法采用电致超声，在化工、酿酒等液体性质检测方面具有安全隐患。并且需要并联多个独立超声波传感器，分布式数量有限。
专利CN111307935A中发明了一种分布式超声检测的装置及方法，该装置成功实现了分布式测量外界环境声阻抗。但是由于前向布里渊散射频谱空间有限，该装置分布式测量的距离不能扩展很长。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种基于光纤光栅阵列的分布式超声检测的装置及方法，该装置和方法能够显著提升分布式测量的距离，并实现安全可靠的分布式超声测量。
为实现此目的，本发明所设计的基于光纤光栅阵列的分布式超声检测的装置，它包括激光器、第一光纤耦合器、脉冲发生装置、正弦脉冲发生装置、第二光纤耦合器、环形器、光纤光栅阵列传感器、脉冲放大装置、声光移频器、第三光纤耦合器、光电探测器和数据处理装置；
所述激光器用于输出连续光信号，第一光纤耦合器用于按预设分光比将连续光信号分为两束，一束流向脉冲发生装置，另一束流向声光移频器，脉冲发生装置用于根据接收到的连续光信号产生对应的矩形脉冲光信号，正弦脉冲发生装置用于产生正弦脉冲光信号，正弦脉冲光信号和矩形脉冲光信号依次进入第二光纤耦合器，第二光纤耦合器将正弦脉冲光信号和矩形脉冲光信号依次送到环形器中，正弦脉冲光信号通过环形器后进入光纤光栅阵列传感器，在光纤光栅阵列传感器中传输的正弦脉冲光信号激发前向布里渊散射，产生横向超声信号，横向超声信号进入到待测介质中，并在声阻抗不匹配处部分反射回光纤光栅阵列传感器，反射回光纤光栅阵列传感器的横向超声信号对光纤光栅阵列传感器中的矩形脉冲光信号进行相位调制，产生多种频率和光强的矩形脉冲光信号，多种频率和光强的矩形脉冲光信号通过环形器后，由脉冲放大装置进行光信号光强的放大；声光移频器用于对另一束连续光信号进行移频处理，移频处理后的连续光信号与光强放大后的多种频率和光强的矩形脉冲光信号通过第三光纤耦合器后在光电探测器上拍频；
数据处理装置用于根据光电探测器得到的拍频信号计算待测介质的分布式环境声阻抗。
本发明的有益效果：
本发明通过正弦脉冲光激发前向布里渊散射产生横向超声波，并采用光纤光栅阵列，能够显著提升分布式测量的距离(光纤光栅阵列反射矩形脉冲，反射后的矩形脉冲与通过声光移频的连续光拍频，计算得到外界环境声阻抗，因此，探测距离由光纤光栅阵列的长度决定，而实际中，光纤光栅阵列可以制备较长距离，因此探测距离可以显著提升)，并实现安全可靠的分布式超声测量。同时传感器采用光纤，能够抗电磁干扰、防腐蚀、并且能够用于易燃易爆等复杂环境。另外，本发明中正弦脉冲光具有较强的光功率，激发前向布里渊散射得到的横向超声波强度较强，因此信号受到噪声的干扰较小，从而使得测量精度高。相比其它专利中对每个传感器单独制备，光纤光栅阵列由拉丝塔在线制备，可大批量、长距离制备。实现了成本的降低。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中数据处理装置采集得到的矩形脉冲光信号从光栅阵列反射到光电探测器的拍频时域图。
图3为本发明中对拍频脉冲进行快速傅里叶变换得到的频谱图。
图4为本发明中前三阶频率的强度随距离变化图。
图5为本发明中矩形脉冲光信号沿着光纤所受到的相位调制相对深度。
图6为本发明中相邻光栅间的相位调制相对深度沿着光纤的变化值。
图7为本发明中光纤光栅阵列去掉涂覆层部分在空气环境下前向布里渊散射频谱的测量值与拟合值。
图8为本发明中光纤光栅阵列去掉涂覆层部分在无水乙醇环境下前向布里渊散射频谱的测量值与拟合值。
图7和图8中VFWHM为测量得到的洛伦兹曲线线宽，Vm为修正后得到的洛伦兹曲线线宽，洛伦兹曲线拟合是对测量得到的散射进行曲线拟合，通过拟合可以得到曲线的半高宽。通过半高宽计算得到声阻抗。
其中，1—激光器、2—第一光纤耦合器、3—脉冲发生装置、4—正弦脉冲发生装置、5—第二光纤耦合器、6—环形器、7—光纤光栅阵列传感器、8—脉冲放大装置、9—声光移频器、10—第三光纤耦合器、11—光电探测器、12—数据处理装置。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
如图1所示的基于光纤光栅阵列的分布式超声检测的装置，它包括激光器1、第一光纤耦合器2、脉冲发生装置3、正弦脉冲发生装置4、第二光纤耦合器5、环形器6、光纤光栅阵列传感器7、脉冲放大装置8、声光移频器9、第三光纤耦合器10、光电探测器11和数据处理装置12；
所述激光器1用于输出连续光信号，第一光纤耦合器2用于按预设分光比将连续光信号分为两束，一束流向脉冲发生装置3，另一束流向声光移频器9，脉冲发生装置3用于根据接收到的连续光信号产生对应的矩形脉冲光信号，正弦脉冲发生装置4用于产生正弦脉冲光信号，正弦脉冲光信号和矩形脉冲光信号依次进入第二光纤耦合器5(耦合器用于将两束脉冲信号导入一根光纤中)，第二光纤耦合器5将正弦脉冲光信号和矩形脉冲光信号依次送到环形器6中，正弦脉冲光信号通过环形器6后进入光纤光栅阵列传感器7，在光纤光栅阵列传感器7中传输的正弦脉冲光信号激发前向布里渊散射，产生横向超声信号，横向超声信号进入到待测介质中，并在声阻抗不匹配处部分反射回光纤光栅阵列传感器7，反射回光纤光栅阵列传感器7的横向超声信号对光纤光栅阵列传感器7中的矩形脉冲光信号进行相位调制，产生多种频率和光强的矩形脉冲光信号，多种频率和光强的矩形脉冲光信号通过环形器6后，由脉冲放大装置8进行光信号光强的放大，使脉冲峰值光功率2倍甚至更高；声光移频器9用于对另一束连续光信号进行移频处理(声光移频器使连续光频率向下移动δf，δf大小与声光移频器本身性能有关，声光移频器内部有一个正弦信号驱动器，δf是这个正弦信号的频率，它决定了声光移频器的移频大小)，移频处理后的连续光信号与光强放大后的多种频率和光强的矩形脉冲光信号通过第三光纤耦合器10后在光电探测器11上拍频；
数据处理装置12用于根据光电探测器11得到的拍频信号计算待测介质的分布式环境声阻抗。
上述技术方案中，反射回光纤光栅阵列传感器7的横向超声信号对光纤光栅阵列传感器7中的矩形脉冲光信号进行相位调制时，根据相位匹配，正弦脉冲光信号的群速度与横向超声信号的轴向相速度相等，矩形脉冲光信号沿光纤光栅阵列传感器7传播时，在光纤光栅阵列传感器7的光纤每一段受到的折射率调制相同，多种频率和光强的矩形脉冲光信号中相邻频率的间隔与正弦脉冲光信号的正弦周期相同，多种频率和光强的矩形脉冲光信号中多频成分强度随着相位调制的深度按照各阶贝塞尔函数变化。
上述技术方案中，所述数据处理装置12对拍频信号通过快速傅里叶变换(FFT)，解调得到拍频信号各频率光的强度，并计算得到拍频信号相位调制深度，随后改变正弦脉冲光信号中正弦频率(正弦脉冲发生装置内部具有信号源，更改这个信号源产生的正弦频率，即可改变产生的正弦脉冲光信号中的正弦频率)，计算得到不同调制频率下的拍频信号相位调制深度，继而恢复前向布里渊散射频谱，再通过恢复的前向布里渊散射频谱的频谱宽度计算得到待测介质的的声阻抗，依据矩形脉冲光信号从光纤光栅阵列传感器7反射回光电探测器11的时间，计算待测介质的分布式环境声阻抗。
上述技术方案中，所述光纤光栅阵列传感器7的光纤光栅周期范围为1nm～2000nm；光纤光栅阵列传感器7的光纤光栅波长范围为200nm～2000nm；光纤光栅阵列传感器7的光纤光栅间隔范围为1cm～1000m；光纤光栅阵列传感器7的光纤光栅长度的范围为0.1cm～100cm；光纤光栅阵列传感器7的光纤光栅反射率为-80dB～0dB；光纤光栅阵列传感器7的光纤光栅带宽为10pm～100nm；光纤光栅阵列传感器7的光栅数量范围为1～100000。
光纤光栅周期可以决定光栅的反射波长，通过调整光栅周期，使光栅阵列能够反射具有不同波长的矩形光脉冲，1nm～2000nm能够目前紫外光到红外光范围。光纤光栅波长不同，能够反射具有不同波长的矩形光脉冲，200nm～2000nm是目前常见的光源范围。光栅间隔决定了传感器的空间分辨率，也就是每一个探测点探测的长度。1cm～1000m能够满足不同空间分辨率的需要。光栅长度是光纤光栅阵列中每一个光栅的长度。0.1cm～100cm是能够制备得到的光栅的长度。光栅长度本身对测量结果没有影响。光栅反射率可以决定反射的矩形脉冲的强度。-80dB～0dB是可以制备得到的光栅的反射率。光栅反射率较强可以提升反射的矩形脉冲的强度，使得测量精度提升，但是较强的反射率会降低传感距离。光栅带宽是光栅反射谱的半高宽。较宽的带宽，使得反射矩形脉冲时，不容易受到环境干扰。但是较宽的带宽会使光栅反射率较弱，或者提升系统成本。10pm～100nm的范围，能够根据使用情况选择不同的带宽。光栅数量是刻写在光纤上光栅的数量，对应了传感器的数量。根据需要可以选择不同的传感器数量。1～100000是可以制备得到的传感器数量，能够满足对传感器数量不同的需求。
上述技术方案中，所述光纤光栅阵列传感器7的光纤为熔融石英光纤、红外光纤或硫系光纤。不同的光纤可以应用在不同的光波段范围。
上述技术方案中，正弦脉冲光信号与矩形脉冲光信号的间隔范围为1ns～1μs。正弦脉冲光信号的脉宽范围为10ns～1μs，矩形脉冲光信号的脉宽范围为1ns～1μs。
所述激光器1输出的连续光信号的波长范围为200nm～20μm。
所述正弦脉冲光信号的光波长范围为200nm～20μm；正弦脉冲光信号的正弦频率为10MHz～10GHz。
上述技术方案中，正弦脉冲光信号与矩形脉冲光信号的间隔不同，会使得正弦脉冲光信号激发前向布里渊散射产生的横向声波对矩形光脉冲相位调制大小不同。1μs是横向声波的持续时间，在这个时间内，都会对矩形脉冲光信号进行相位调制。正弦脉冲光信号和矩形脉冲光信号的脉宽是设备可以给出、且具有较好测量效果的脉冲宽度。这个范围内都可以得到较好的测量结果。
光信号的正弦频率位10MHz～10GHz，这个频率范围内，正弦脉冲光信号都能够激发前向布里渊散射产生横向声波。
一种基于光纤光栅阵列的分布式超声检测方法，它包括如下步骤：
步骤1：激光器1输出连续光信号，第一光纤耦合器2按预设分光比将连续光信号分为两束，一束流向脉冲发生装置3，另一束流向声光移频器9；
步骤2：脉冲发生装置3根据接收到的连续光信号产生对应的矩形脉冲光信号，正弦脉冲发生装置4产生正弦脉冲光信号，正弦脉冲光信号和矩形脉冲光信号依次进入第二光纤耦合器5；
步骤3：第二光纤耦合器5将正弦脉冲光信号和矩形脉冲光信号依次送到环形器6中，正弦脉冲光信号通过环形器6后进入光纤光栅阵列传感器7；
步骤4：在光纤光栅阵列传感器7中传输的正弦脉冲光信号激发前向布里渊散射，产生横向超声信号，横向超声信号进入到待测介质中，并在声阻抗不匹配处部分反射回光纤光栅阵列传感器7，反射回光纤光栅阵列传感器7的横向超声信号对光纤光栅阵列传感器7中的矩形脉冲光信号进行相位调制，产生多种频率和光强的矩形脉冲光信号，多种频率和光强的矩形脉冲光信号通过环形器6后，由脉冲放大装置8进行光信号光强的放大；
步骤5：声光移频器9对另一束连续光信号进行移频处理，移频处理后的连续光信号与光强放大后的多种频率和光强的矩形脉冲光信号通过第三光纤耦合器10后在光电探测器11上拍频；
步骤6：数据处理装置12用于根据光电探测器11得到的拍频信号计算待测介质的分布式环境声阻抗。
对拍频脉冲信号进行傅里叶变换后，得到不同频率的强度，选择前三阶频率的强度，通过下式，可以计算得到相位调制的相对大小：
Figure BDA0003182062530000081
αRI(vF,z)＝<ξ(zr)>-<ξ(zr-Δz)> (2)
αRI(vF,z)为折射率调制的相对幅度，代表了前向布里渊散射的频谱，ξ(vF,zr)为横向声波对矩形脉冲声波的相位调制大小，
Figure BDA0003182062530000082
分别为矩形脉冲本征光强度、一阶调频矩形脉冲光强度、二阶调频矩形脉冲光强度；
为了补偿因为前向布里渊散射不充分激发导致的频谱展宽，得到的频谱宽度需要通过下式进行修正：
Figure BDA0003182062530000083
ψ＝ΓT-1+e-ΓT (4)
其中，T为泵浦脉冲(正弦脉冲)脉宽，Γ＝2π×vCW/2，vCW为连续光泵浦时的前向布里渊散射频谱线宽，vpulse为脉冲光泵浦时前向布里渊散射频谱线宽，e为自然常数；
改变正弦脉冲光信号中正弦频率，依次获得相位调制深度，可以得到前向布里渊散射频谱。利用下式，基于频谱谱宽可以得到外界环境的声阻抗：
Figure BDA0003182062530000091
其中，Zo为石英光纤包层的声阻抗，Zf为外界环境的声阻抗，Δvm为前向布里渊散射频谱中与相邻前后峰间隔的平均值，δvs为光纤在空气中时，前向布里渊散射频谱的谱宽；δvm为光纤处在待测环境中时，前向布里渊散射频谱的谱宽，也就是通过αRI(vF,z)测量得到的频谱谱宽。
实施例：
激光器1输出波长为1559.79nm的连续光信号，通过第一光纤耦合器2输出部分光通过脉冲发生装置3，形成矩形脉冲光信号，矩形脉冲光信号的脉冲间隔为100μs，脉冲脉宽为42ns，正弦脉冲发生装置4产生正弦脉冲光信号，正弦脉冲光信号的脉宽为250ns，正弦周期为561.56MHz。正弦脉冲光信号与矩形脉冲光信号的间隔为10ns，正弦脉冲光信号和矩形脉冲光信号通过第二光纤耦合器5合束，并进入到环形器6中。合束后的光通过中心波长为1550.12nm的超弱啁啾光纤光栅阵列。光栅阵列中310和315米处两个光栅间的涂覆层被去掉，放置于空气中。
正弦脉冲光信号具有高功率，在光纤光栅阵列中激发前向布里渊散射，产生横向传输的声波。横向声波对紧随正弦脉冲光信号的矩形脉冲光信号的相位进行调制。由于正弦脉冲光信号的光波长不在啁啾光栅的反射波长带宽上，因此只有矩形脉冲光信号从啁啾光纤光栅阵列反射进入脉冲放大装置8。
矩形脉冲光信号通过脉冲放大装置8后，与固定移频为200MHz的声光移频器的光相遇，并经过第三光纤耦合器10在光电探测器11处拍频，进入数据处理装置12。数据处理装置12采集得到的拍频脉冲阵列如图2所示。截取每一个光栅反射的拍频脉冲并进行快速傅里叶变换(FFT)处理，结果如图3所示。图3中，拍频频率为200MHz所对应的光为0阶光，361.56MHz和761.56MHz处所对应的光为1阶光，923.12MHz处所对应的光为2阶光。提取这三阶光，如图4所示，并带入公式1和公式2中，计算得到矩形脉冲光信号沿着光纤所受到的相位调制相对深度，经过多次平均后，结果如图5所示。为了更清晰的显示出定位效果，通过对相位调制相对深度做差值处理，可以更清楚显示声阻抗发生突变的位置，结果如图6所示。改变正弦脉冲光信号中正弦的频率，正弦周期从554.56MHz～568.56MHz，以0.1MHz的频率间隔扫频，得到光栅阵列测量得到的空气中的前向布里渊散射频谱，结果如图7所示。随后通过公式3和4修正测量得到的频谱谱宽。将光纤光栅阵列传感器去掉涂覆层的部分放置在无水乙醇中，用于测量无水乙醇的声阻抗，体现传感器的测量能力，通过同样的步骤测量得到在无水乙醇环境中时的前向布里渊散射频谱。利用公式5计算得到无水乙醇的声阻抗为0.9×106kg·m-2·s-1，结果如图8所示。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种基于光纤光栅阵列的分布式超声检测的装置，其特征在于：它包括激光器(1)、第一光纤耦合器(2)、脉冲发生装置(3)、正弦脉冲发生装置(4)、第二光纤耦合器(5)、环形器(6)、光纤光栅阵列传感器(7)、脉冲放大装置(8)、声光移频器(9)、第三光纤耦合器(10)、光电探测器(11)和数据处理装置(12)；
所述激光器(1)用于输出连续光信号，第一光纤耦合器(2)用于按预设分光比将连续光信号分为两束，一束流向脉冲发生装置(3)，另一束流向声光移频器(9)，脉冲发生装置(3)用于根据接收到的连续光信号产生对应的矩形脉冲光信号，正弦脉冲发生装置(4)用于产生正弦脉冲光信号，正弦脉冲光信号和矩形脉冲光信号依次进入第二光纤耦合器(5)，第二光纤耦合器(5)将正弦脉冲光信号和矩形脉冲光信号依次送到环形器(6)中，正弦脉冲光信号通过环形器(6)后进入光纤光栅阵列传感器(7)，在光纤光栅阵列传感器(7)中传输的正弦脉冲光信号激发前向布里渊散射，产生横向超声信号，横向超声信号进入到待测介质中，并在声阻抗不匹配处部分反射回光纤光栅阵列传感器(7)，反射回光纤光栅阵列传感器(7)的横向超声信号对光纤光栅阵列传感器(7)中的矩形脉冲光信号进行相位调制，产生多种频率和光强的矩形脉冲光信号，多种频率和光强的矩形脉冲光信号通过环形器(6)后，由脉冲放大装置(8)进行光信号光强的放大；声光移频器(9)用于对另一束连续光信号进行移频处理，移频处理后的连续光信号与光强放大后的多种频率和光强的矩形脉冲光信号通过第三光纤耦合器(10)后在光电探测器(11)上拍频；
数据处理装置(12)用于根据光电探测器(11)得到的拍频信号计算待测介质的分布式环境声阻抗。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅阵列的分布式超声检测的装置，其特征在于：反射回光纤光栅阵列传感器(7)的横向超声信号对光纤光栅阵列传感器(7)中的矩形脉冲光信号进行相位调制时，根据相位匹配，正弦脉冲光信号的群速度与横向超声信号的轴向相速度相等，矩形脉冲光信号沿光纤光栅阵列传感器(7)传播时，在光纤光栅阵列传感器(7)的光纤每一段受到的折射率调制相同，多种频率和光强的矩形脉冲光信号中相邻频率的间隔与正弦脉冲光信号的正弦周期相同，多种频率和光强的矩形脉冲光信号中多频成分强度随着相位调制的深度按照各阶贝塞尔函数变化。
3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅阵列的分布式超声检测的装置，其特征在于：所述数据处理装置(12)对拍频信号通过快速傅里叶变换，解调得到拍频信号各频率光的强度，并计算得到拍频信号相位调制深度，随后改变正弦脉冲光信号中正弦频率，计算得到不同调制频率下的拍频信号相位调制深度，继而恢复前向布里渊散射频谱，再通过恢复的前向布里渊散射频谱的频谱宽度计算得到待测介质的的声阻抗，依据矩形脉冲光信号从光纤光栅阵列传感器(7)反射回光电探测器(11)的时间，计算待测介质的分布式环境声阻抗。
4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅阵列的分布式超声检测的装置，其特征在于：所述光纤光栅阵列传感器(7)的光纤光栅周期范围为1nm～2000nm；光纤光栅阵列传感器(7)的光纤光栅波长范围为200nm～2000nm；光纤光栅阵列传感器(7)的光纤光栅间隔范围为1cm～1000m；光纤光栅阵列传感器(7)的光纤光栅长度的范围为0.1cm～100cm；光纤光栅阵列传感器(7)的光纤光栅反射率为-80dB～0dB；光纤光栅阵列传感器(7)的光纤光栅带宽为10pm～100nm；光纤光栅阵列传感器(7)的光栅数量范围为1～100000。
5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅阵列的分布式超声检测的装置，其特征在于：所述光纤光栅阵列传感器(7)的光纤为熔融石英光纤、红外光纤或硫系光纤。
6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅阵列的分布式超声检测的装置，其特征在于：正弦脉冲光信号与矩形脉冲光信号的间隔范围为1ns～1μs。
7.根据权利要求1所述的基于光纤光栅阵列的分布式超声检测的装置，其特征在于：正弦脉冲光信号的脉宽范围为10ns～1μs，矩形脉冲光信号的脉宽范围为1ns～1μs。
8.根据权利要求1所述的基于光纤光栅阵列的分布式超声检测的装置，其特征在于：所述激光器(1)输出的连续光信号的波长范围为200nm～20μm。
9.根据权利要求1所述的基于光纤光栅阵列的分布式超声检测的装置，其特征在于：所述正弦脉冲光信号的光波长范围为200nm～20μm；正弦脉冲光信号的正弦频率为10MHz～10GHz。
10.一种基于光纤光栅阵列的分布式超声检测方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：激光器(1)输出连续光信号，第一光纤耦合器(2)按预设分光比将连续光信号分为两束，一束流向脉冲发生装置(3)，另一束流向声光移频器(9)；
步骤2：脉冲发生装置(3)根据接收到的连续光信号产生对应的矩形脉冲光信号，正弦脉冲发生装置(4)产生正弦脉冲光信号，正弦脉冲光信号和矩形脉冲光信号依次进入第二光纤耦合器(5)；
步骤3：第二光纤耦合器(5)将正弦脉冲光信号和矩形脉冲光信号依次送到环形器(6)中，正弦脉冲光信号通过环形器(6)后进入光纤光栅阵列传感器(7)；
步骤4：在光纤光栅阵列传感器(7)中传输的正弦脉冲光信号激发前向布里渊散射，产生横向超声信号，横向超声信号进入到待测介质中，并在声阻抗不匹配处部分反射回光纤光栅阵列传感器(7)，反射回光纤光栅阵列传感器(7)的横向超声信号对光纤光栅阵列传感器(7)中的矩形脉冲光信号进行相位调制，产生多种频率和光强的矩形脉冲光信号，多种频率和光强的矩形脉冲光信号通过环形器(6)后，由脉冲放大装置(8)进行光信号光强的放大；
步骤5：声光移频器(9)对另一束连续光信号进行移频处理，移频处理后的连续光信号与光强放大后的多种频率和光强的矩形脉冲光信号通过第三光纤耦合器(10)后在光电探测器(11)上拍频；
步骤6：数据处理装置(12)用于根据光电探测器(11)得到的拍频信号计算待测介质的分布式环境声阻抗。
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Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5924986A (en) * 1997-09-10 1999-07-20 Acuson Corporation Method and system for coherent ultrasound imaging of induced, distributed source, bulk acoustic emissions
US6100969A (en) * 1998-12-02 2000-08-08 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Distributed fiber optic laser ultrasonic system
CA2504765A1 (en) * 2004-04-14 2005-10-14 Her Majesty The Queen In Right Of Canada, As Represented By The Minister Of Industry, Through The Communications Research Centre Canada Optical fiber sensor based on retro-reflective fiber bragg gratings
CN102798411A (zh) * 2012-07-27 2012-11-28 广西师范大学 基于布里渊散射的分布式光纤传感测量系统及测量方法
CN106404215A (zh) * 2015-08-13 2017-02-15 珠海任驰光电科技有限公司 基于布里渊散射的分布式光纤传感系统的设计
CN108196107A (zh) * 2017-12-28 2018-06-22 重庆大学 一种分布式全光电压测量系统及其测量方法
CN108303626A (zh) * 2018-03-09 2018-07-20 广东电网有限责任公司珠海供电局 一种基于分布式光纤传感阵列的局部放电超声测量系统与方法
CN111307935A (zh) * 2020-03-18 2020-06-19 武汉理工大学 一种分布式超声检测的装置及方法
US20210048337A1 (en) * 2019-08-13 2021-02-18 Laser Institute of Shandong Academy of Science Fiber distributed acoustic sensing system

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5924986A (en) * 1997-09-10 1999-07-20 Acuson Corporation Method and system for coherent ultrasound imaging of induced, distributed source, bulk acoustic emissions
US6100969A (en) * 1998-12-02 2000-08-08 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Distributed fiber optic laser ultrasonic system
CA2504765A1 (en) * 2004-04-14 2005-10-14 Her Majesty The Queen In Right Of Canada, As Represented By The Minister Of Industry, Through The Communications Research Centre Canada Optical fiber sensor based on retro-reflective fiber bragg gratings
CN102798411A (zh) * 2012-07-27 2012-11-28 广西师范大学 基于布里渊散射的分布式光纤传感测量系统及测量方法
CN106404215A (zh) * 2015-08-13 2017-02-15 珠海任驰光电科技有限公司 基于布里渊散射的分布式光纤传感系统的设计
CN108196107A (zh) * 2017-12-28 2018-06-22 重庆大学 一种分布式全光电压测量系统及其测量方法
CN108303626A (zh) * 2018-03-09 2018-07-20 广东电网有限责任公司珠海供电局 一种基于分布式光纤传感阵列的局部放电超声测量系统与方法
US20210048337A1 (en) * 2019-08-13 2021-02-18 Laser Institute of Shandong Academy of Science Fiber distributed acoustic sensing system
CN111307935A (zh) * 2020-03-18 2020-06-19 武汉理工大学 一种分布式超声检测的装置及方法

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