CN206160957U - 一种高性能光纤动态应变传感装置 - Google Patents

Abstract

一种高性能光纤动态应变传感装置，包括窄线宽激光器、光纤耦合器、强度调制器、锁定放大器、微波开关、电脉冲发生模块、微波信号发生模块、光纤环形器、光纤光栅、光纤环形器、相位调制器、多频率信号发生模块、传感光纤、光电探测器、信号高速并行处理单元，与传统方案如光纤光栅型、干涉结构型以及瑞利散射型的光纤动态应变传感网络相比，本实用新型是基于受激布里渊非线性效应，不存在难以构建大型传感网络、系统工作状态不稳定或者难以定量测量等缺点，可以有效实现长距离分布式光纤应变的定量实时在线高速测量。

Description

一种高性能光纤动态应变传感装置

技术领域

本实用新型涉及一种传感装置,更确切的说是一种高性能光纤动态应变传感装置。

背景技术

由动态应变引起的设备和建筑物受损越来越多，尤其在地震高发区，振动和冲击波等对大坝、桥梁以及房屋等的破坏非常严重，因此迫切需要具有快速响应的动态应变传感网络。由于光纤具有损耗小、耐高温、耐腐蚀、绝缘、抗电磁干扰等显著优势，且对研究结构的健康状况、安全性、稳定性和完整性影响较小，因此本质上光纤传感技术成为构建分布式动态应变监测的最优选择。

目前，实现分布式光纤动态应变传感技术的研究主要有如下几类：一是基于光纤光栅动态应变传感技术(详见A.Cusano,et al.,Sens.Actuator A-Phys.110,276(2004))，外界动态应变或振动引起光纤光栅反射波长的动态漂移，但构建超大规模光纤光栅动态应变传感网络的技术难度和成本很高；二是基于光纤干涉结构的动态应变传感技术(详见Tapanes Edward E.,US Patent,20030198425,(2003))，利用干涉结构将光纤受外界动态应变或振动扰动的相位调制转化为光功率或者其他参量的变化，但干涉结构需要相移器和闭环控制系统来实时稳定最佳工作点，系统稳定性和定位精度较差；三是基于瑞利散射的分布式动态应变传感技术，其中较为成功的技术是相位敏感型光时域反射计(Φ-OTDR)(详见Z.Pan,et al.,Proc.of SPIE 8421,842129(2012)；Z.Qin, et al.,Opt.Express 20,20459(2012))，通过测量光脉冲覆盖区域内瑞利散射光的干涉叠加效果来解调动态扰动，但此方案对缓变扰动感知困难，且无法实现动态应变幅度的定量测量。

对于连续分布式传感，布里渊型分布式光纤传感技术可对光纤沿线上任意位置处的应力变形和温度进行连续测量，经过二十几年的发展，基于布里渊非线性效应的分布式光纤传感技术优势得到了充分展示并取得到了广泛应用。但是，这种常规基于重构布里渊增益谱分布的方案，本质上在响应速度方面还无法满足动态应变信号传感的迫切需求。国际上一些研究小组在常规布里渊分布式光纤传感技术基础上，有针对性的探索相关技术来实现分布式动态应变传感。相关探索主要集中在以下两个方面：

一方面是提高响应速度。2009年，A.Minardo等人提出了一种频差斜边偏置探测的方案(详见R.Bernini,et al.,Opt.Lett.34,2613(2009))，实现将布里渊增益谱的漂移转化为探测光功率的波动，从而大大提高系统响应速度到98Hz，但此方案动态应变测量的范围小于±350με(形变范围±0.035％)。2011年，A.Voskoboinik等人提出一种无扫频重构布里渊增益谱的方案(详见A.Voskoboinik,et al.,US Patent,US20130025374 A1,(2013))，实现无需扫描即可覆盖传感频谱，因此响应速度也可达到几十Hz量级，但此方案技术方案动态应变测量范围也只能达到±900με。2012年，A.Loayssa等人提出一种基于布里渊相移分析型的分布式动态应变测量方案(详见J.Urricelqui,etal.,Opt.Express 20,26942(2012))，通过解调应变导致布里渊增益的相位变化来实现动态应变传感，此方案中应变传感范围也仅达到±1280με。这些技术方案尽管有效提高了系统对动态应变的响应速度到100Hz左右，但是应变传感范围小于±1000με，无法满足实际应用对大测量范围的需求(±4000με以上)。

另一方面的研究集中在扩大动态应变测量范围。2011年，在前述的频差斜边偏置探测方案基础上，Q.Cui等人采用6.5ns脉宽的脉冲光作为泵浦脉冲，使得布里渊增益谱谱宽展宽到160MHz，从而实现将应变测量范围扩展到±1600με(详见Q.Cui,et al.,IEEEPhoton.Technol.Lett.23,1887(2011))，但此技术方案牺牲了系统响应速度和信号信噪比。2012年，Y.Peled等人采用任意波形发生器驱动电光调制器的方案，实现高速重构布里渊增益谱的分布(详见Y.Peled,et al.,Opt.Express 20,8584(2012))，但信号处理时却需耗时提取应变相关的布里渊频移信息，因此此方案在获得更大的应变传感范围时牺牲系统的响应速度，不利于动态应变的高速解调。这些技术方案尽管可有效扩展动态应变的测量范围到±2000με左右，但是牺牲了传感系统信噪比，使得响应速度只能达到10Hz左右，无法满足实际应用对高响应速度的需求(100Hz)。上述所有的分布式光纤动态应变测量技术方案，包括光纤光栅型、干涉结构型以及瑞利散射型，都因为具有难以构建大型传感网络、系统工作状态不稳定或者难以定量测量等缺点，而无法满足或者受限于实际应用的需求。而最有潜力的基于布里渊效应的动态应变传感方案中，也没有发明一种能同时兼顾大测量范围和高响应速度的技术。

传统的布里渊光时域分析仪(BOTDA)的基本结构和原理是：处于传感光纤两端的激光器分别将泵浦脉冲光与探测连续光相向注入传感光纤中，当泵浦脉冲光与探测连续光的光频差处于光纤局部区域布里渊增益谱范围内时，在该区域就会产生受激布里渊非线性放大效应，泵浦脉冲光与探测连续光之间发生能量转移(对于损耗型BOTDA，能量从连续光转移到脉冲光)。根据泵浦脉冲光注入到光纤中的传输时间Δt，即可定位布里渊非线性效应发生的具体位置(L＝c×Δt/n，其中c为光在真空中的传播速度，n为光纤折射率)，据此实现传感的定位分析。对连续光的频率在一定范围内进行高精度调谐，同时检测从光纤另一端透射出来的探测连续光光功率，就可确定光纤各小段区域上能量转移达到最大时所对应的频率差，由于光纤中的布里渊频移与温度、应变存在线性关系，如下公式所示，根据布里渊增益谱即可得到各局部位置处的温度、应变信息，进而实现温度和应变的分布式测量：

其中，为光纤在应变、温度扰动情况下的布里渊频移量，为无扰动情况下的初始布里渊频移量，为应变影响布里渊频移的线性系数，为应变施加量，为温度影响布里渊频移的线性系数，为温度施加量。

这种传统的BOTDA方案，是通过激光器的调谐来扫描重构获取光纤沿线布里渊增益谱的分布，进而实现温度和应变的分布式测量，一般所需频率调谐扫描范围约为200MHz，调谐精度约为1MHz，对激光器的调谐性能要求很高，受激光器调谐速度的限制以及信号处理时需要做多次累积平均以提高信噪比，实现一次长距离分布式的完整解调和测量，一般至少需要几分钟的时间甚至更长，而这种测量方式在速度上完全无法满足100Hz量级动态应变的快速响应需求。

其中为动态应变的幅度，为动态应变的频率，如上公式所示，这种动态重构布里渊增益谱分布的方案，本质上很难实现动态应变的测量。因此如前面背景技术中所述，有研究人员提出了一种频差斜边偏置探测的方案，将相对传输的两束光的频差固定在无扰动时的布里渊增益谱左侧斜边线性区域中间，若光纤局部有温度或者应变的扰动造成布里渊增益谱的漂移，这种方案就可以实现将布里渊增益谱的漂移转化为探测光功率的波动(，其中为动态应变造成的光功率波动，为应变造成光功率波动的线性系数)，从而可以避免重构布里渊增益谱，大大提高系统响应速度，使得长距离分布式动态应变响应速度可以达到150Hz量级以上。但考虑到布里渊增益谱谱宽有限(～35MHz)，此方案动态应变测量的范围小于±350με(形变范围±0.035％)，这种测量范围太小而无法满足绝大部分的实际工程需求。还有其他的一些方案，一定程度上牺牲响应速度，扩大动态应变测量的范围，但暂时还没有一种技术能同时兼顾高响应速度和大测量范围。现有光纤动态应变传感装置的多频率信号发生模块在不使用时仍然连接电路，多频信号会对电路的精度造成影响。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种高性能光纤动态应变传感装置，能够充分利用基于布里渊效应的长距离连续分布式测量的技术优势，又进一步解决实现大测量范围和高响应速度的动态应变传感，本发明提供一种高性能光纤动态应变传感装置。

本实用新型为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

一种高性能光纤动态应变传感装置，包括窄线宽激光器、光纤耦合器、强度调制器、锁定放大器、微波开关、电脉冲发生模块、微波信号发生模块、光纤环形器、光纤光栅、光纤环形器、相位调制器、多频率信号发生模块、传感光纤、光电探测器、信号高速并行处理单元，窄线宽激光器的尾纤输出和光纤耦合器的输入端口相连，将激光分成两路，其中一路经光纤耦合器的输出端口与强度调制器的输入端口相连，强度调制器的DC电压偏置端口与锁定放大器连接，强度调制器的射频输入端口与微波开关的输出端相连，微波开关的输入端与微波信号发生模块连接，微波开关的输入端与电脉冲发生模块的输出端口连接，强度调制器的输出端口与光纤环形器的输入端口连接，光纤环形器的端口与光纤光栅相连，光纤环形器的输出端口与光纤环形器的输入端口连接，光纤耦合器分光的另一路经其输出端口与相位调制器的输入端口相连，相位调制器的射频输入端口与多频率信号发生模块的输出端连接，相位调制器的输出端口连接传感光纤，传感光纤的一端与光纤环形器的端口相连，光纤环形器的输出端口连接光电探测器的输入端口，光电探测器的输出端口与信号高速并行处理单元连接。多频率信号发生模块与相位调制器之间安装高频低阻接通装置，所述高频低阻接通装置包括壳体，壳体的内部安装伸缩杆、弹簧、控制装置和第二导电板，伸缩杆的下端安装第一导电板，第一导电板的上部安装第一电磁铁，弹簧的下端与第一电磁铁连接，第一导电板的底部安装第一银镀层,弹簧处于拉伸状态，第一导电板的侧部安装弹簧板，弹簧板为导电板，弹簧板呈弧形，弹簧板的一侧安装石墨块，第一导电板能与第二导电板配合，第二导电板的上部安装第二银镀层和石墨板，石墨块能与石墨板配合，第一银镀层能与第二银镀层配合，第二导电板上安装导线，导线上安装电阻传感器，控制装置的输入端通过导线与电阻传感器的输出端连接,控制装置的输出端通过导线与第一电磁铁和第二电磁铁的输入端连接，第一导电板通过导线与多频率信号发生模块的输出端连接，导线与相位调制器的输入端连接。

为了进一步实现本实用新型的目的，还可以采用以下技术方案:所述窄线宽激光器的线宽小于0.98MHz。所述光电探测器响应带宽高于400MHz。所述信号高速并行处理单元采样速率需达500MS/s以上。

本实用新型的优点在于：本实用新型的高频低阻接通装置与多频率信号发生模块结合，能在不使用多频率信号发生模块时自动将多频率信号发生模块与相位调制器之间的连接切断，避免多频率信号发生模块产生的多频信号对电路造成影响。同时高频低阻接通装置通过第一银镀层与第二银镀层配合可以有效降低接触电路，避免多频率信号接通电路后收到外接干扰。本实用新型的石墨块与石墨板配合能在第一导电板与第二导电板对电路进行预连接，优先产生电火花，从而避免第一银镀层与第二银镀层产生电火花氧化，本实用新型的电阻传感器能够感应电阻信号并且将电阻信号转化为电信号传递给控制装置，控制装置根据电信号控制第一电磁铁和第二电磁铁的功率，从而将接触电路降低到合理的范围内，使电路较好的运行，避免了对信号的干扰。第一电磁铁和第二电磁铁能够快速使第一导电板与第二导电板连接和分离，从而避免第一导电板与第二导电板接触过程中对多频率信号发生模块产生信号的影响。

①与传统方案如光纤光栅型、干涉结构型以及瑞利散射型的光纤动态应变传感网络相比，本发明是基于受激布里渊非线性效应，不存在难以构建大型传感网络、系统工作状态不稳定或者难以定量测量等缺点，可以有效实现长距离分布式光纤应变的定量实时在线高速测量。

②与目前已有的布里渊型光纤动态应变传感技术相比，针对当前布里渊分布式动态应变传感技术中测量范围和响应速度无法相互兼顾的缺点，本发明采用布里渊增益拼接谱的技术，采取利用多重布里渊增益拼接谱同时实现大测量范围和高响应速度的研究思路，可有效实现将动态应变测量范围扩展到±5000με以上，同时系统响应速度完全可保证达到同类技术的最高层次。

④基于此技术，可以有效实现分布式光纤动态应变传感监测，其传感范围可达10km以上，空间分辨率1～10m，动态应变测量范围可达±5000με，动态应变响应速率可达500Hz以上。

⑤本实用新型还具有结构简洁紧凑、制造成本低廉和使用简便的优点。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1本发明的泵浦脉冲光与探测连续光的频率设计的示意图；

图2本发明的光纤布里渊增益拼接谱的原理示意图；

图3本发明的基于布里渊增益拼接谱的长距离分布式大测量范围高响应速度光纤动态应变传感系统结构图；

图4为高频低阻接通装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

一种高性能光纤动态应变传感装置，如图1、图2、图3和图4所示，窄线宽激光器1、光纤耦合器2、强度调制器3、锁定放大器4、微波开关5、电脉冲发生模块6、微波信号发生模块7、光纤环形器8、光纤光栅9、光纤环形器10、相位调制器11、多频率信号发生模块12、传感光纤13、光电探测器14、信号高速并行处理单元15。其构成特点是：窄线宽激光器1的尾纤输出和光纤耦合器2的输入端口2-1相连，实现将激光分成两路，其中一路经光纤耦合器2的输出端口2-2与强度调制器3的输入端口3-1相连，强度调制器3的DC电压偏置端口3-2与锁定放大器4连接，实现最佳工作点的自动反馈稳定控制，强度调制器3的射频输入端口3-3与微波开关5的输出端5-3相连，微波开关5的输入端5-1与微波信号发生模块7连接，微波开关5的输入端5-2与电脉冲发生模块6连接。强度调制器3调制得到的高消光比宽带移频泵浦脉冲光由输出端口3-4输出，并连接到光纤环形器8的输入端口8-1，光纤环形器8的端口8-2与实现滤波的光纤光栅9相连，光纤环形器8的输出端口8-3与光纤环形器10的输入端口10-1相连，实现将泵浦脉冲光注入到传感光纤13中。光纤耦合器2分光的另一路经其输出端口2-3与相位调制器11的输入端口11-1相连，相位调制器11的射频输入端口11-2与多频率信号发生模块12连接，相位调制器11的输出端口11-3输出包含多频率成份的探测连续光并注入到传感光纤13中。探测连续光与泵浦脉冲光在传感光纤13中相向传输后与光纤环形器10的端口10-2相连，光纤环形器10的输出端口10-3连接光电探测器14的输入端口14-1，光电探测器14的输出端口14-2与信号高速并行处理单元15相连，实现传感信号的解调。它可以实现分布式光纤动态应变传感监测，其传感范围可达10km以上，空间分辨率1～10m，动态应变测量范围可达±5000με，动态应变响应速率可达100Hz以上。多频率信号发生模块12与相位调制器11之间安装高频低阻接通装置31，所述高频低阻接通装置包括壳体16，壳体16的内部安装伸缩杆17、弹簧18、控制装置29和第二导电板25，伸缩杆17的下端安装第一导电板20，第一导电板20的上部安装第一电磁铁19，弹簧18的下端与第一电磁铁19连接，第一导电板20的底部安装第一银镀层21,弹簧18处于拉伸状态，第一导电板20的侧部安装弹簧板22，弹簧板22为导电板，弹簧板22呈弧形，弹簧板22的一侧安装石墨块23，第一导电板20能与第二导电板25配合，第二导电板25的上部安装第二银镀层26和石墨板24，石墨块23能与石墨板24配合，第一银镀层21能与第二银镀层26配合，第二导电板25上安装导线28，导线28上安装电阻传感器30，控制装置29的输入端通过导线与电阻传感器30的输出端连接,控制装置29的输出端通过导线与第一电磁铁19和第二电磁铁27的输入端连接，第一导电板20通过导线与多频率信号发生模块12的输出端连接，导线28与相位调制器11的输入端连接。

本实用新型的高频低阻接通装置31与多频率信号发生模块12结合，能在不使用多频率信号发生模块12时自动将多频率信号发生模块12与相位调制器11之间的连接切断，避免多频率信号发生模块12产生的多频信号对电路造成影响。同时高频低阻接通装置31通过第一银镀层21与第二银镀层26配合可以有效降低接触电路，避免多频率信号接通电路后收到外接干扰。本实用新型的石墨块23与石墨板24配合能在第一导电板20与第二导电板25对电路进行预连接，优先产生电火花，从而避免第一银镀层21与第二银镀层26产生电火花氧化，本实用新型的电阻传感器30能够感应电阻信号并且将电阻信号转化为电信号传递给控制装置29，控制装置29根据电信号控制第一电磁铁19和第二电磁铁27的功率，从而将接触电路降低到合理的范围内，使电路较好的运行。第一电磁铁19和第二电磁铁27能够快速使第一导电板20与第二导电板25连接和分离，从而避免第一导电板20与第二导电板25接触过程中对多频率信号发生模块12产生信号的影响。

利用相位调制器11和多频率信号发生模块12构建出一种布里渊增益拼接谱的光学结构，使用包含多频率成分的多频率信号发生模块12作用相位调制器11上，实现调制探测连续光的相位，使得探测连续光中产生多光频成分，通过控制探测连续光各光频的幅度来调节各自对应的布里渊增益谱幅度，拼接出所需谱宽和谱型的布里渊增益谱，在无损系统信噪比和响应速度的情况下，实现极大扩展动态应变测量范围。

利用强度调制器3、锁定放大器4、微波开关5、电脉冲发生模块6、微波信号发生模块7、光纤环形器8、光纤光栅9和光纤环形器10构建泵浦脉冲光产生的光学结构，获取高消光比微波移频泵浦脉冲光，进而将产生布里渊放大效应两束光的频差固定在布里渊增益拼接谱斜边线性区域中间，把应变导致的布里渊增益拼接谱的漂移转化为探测光功率的波动，可实现分布式动态、静态应变的定量测量。

所述窄线宽激光器1的线宽小于0.98MHz。

所述光纤光栅9，布拉格短周期光纤光栅，其反射中心波长选择定制在泵浦光脉冲的微波宽带移频下频带范围内；另外可通过温度或应变施加在光纤光栅上，进行一定范围内的反射中心波长的调谐。此处光纤光栅也可由窄带滤波器替代。

所述光电探测器14响应带宽高于400MHz。

所述信号高速并行处理单元15采样速率需达500MS/s以上。

与传统方案如光纤光栅型、干涉结构型以及瑞利散射型的光纤动态应变传感网络相比，本发明是基于受激布里渊非线性效应，不存在难以构建大型传感网络、系统工作状态不稳定或者难以定量测量等缺点，可以有效实现长距离分布式光纤应变的定量实时在线高速测量。

与目前已有的布里渊型光纤动态应变传感技术相比，针对当前布里渊分布式动态应变传感技术中测量范围和响应速度无法相互兼顾的缺点，本发明采用布里渊增益拼接谱的技术，采取利用多重布里渊增益拼接谱同时实现大测量范围和高响应速度的研究思路，可有效实现将动态应变测量范围扩展到±5000με以上，同时系统响应速度完全可保证达到同类技术的最高层次。

基于此技术，可以有效实现分布式光纤动态应变传感监测，其传感范围可达10km以上，空间分辨率1～10m，动态应变测量范围可达±5000με，动态应变响应速率可达100Hz以上。

本发明的基于布里渊增益拼接谱的分布式光纤动态应变传感系统的结构设计如图3所示，窄线宽激光器1通过耦合器2分光成两路，其中一路经过强度调制器3调制成高消光比、宽带移频泵浦脉冲光，其后经光纤光栅9滤波保留下移频光频成分，经环行器10进入到传感光纤13中；另一路作为探测连续光进入相位调制器11，使用多频率成分合成信号发生模块12驱动相位调制器11，探测连续光被调制成包含多移频光频成分，利用其下频移频带中多光频对应的多布里渊增益谱拼接裁剪出更宽更线性的布里渊增益谱。将泵浦脉冲光和探测连续光的频率差固定在传感光纤13的布里渊增益拼接谱左侧线型谱斜边中间，当传感光纤13局部受到动态应变扰动时，光纤局部布里渊增益拼接谱也会发生动态漂移，使用高速光电探测器14探测光功率的波动即能解调出动态应变，无需重构光纤沿线的布里渊增益谱，利用信号高速并行处理单元15实现大测量范围高响应速度的分布式动态应变信号的解调。

窄线宽激光器1的尾纤输出和光纤耦合器2的输入端口2-1相连，将种子激光分成两路，其中一路经光纤耦合器2的输出端口2-2与强度调制器3的输入端口3-1相连，强度调制器3的DC电压偏置端口3-2与锁定放大器4连接，实现强度调制器3最佳工作点的自动反馈稳定控制；强度调制器3的射频输入端口3-3与微波开关5的输出端口5-3相连，微波开关5的输入端5-1与微波信号发生模块7相连，微波开关5的输入端5-2与电脉冲发生模块6相连。经强度调制器3调制得到的高消光比宽带移频泵浦脉冲光由输出端口3-4输出并连接到光纤环形器8的输入端口8-1，光纤环形器8的端口8-2与实现滤波作用的光纤光栅9相连，光纤环形器8的输出端口8-3与光纤环形器10的输入端口10-1相连，实现将泵浦脉冲光注入到传感光纤13中。光纤耦合器2分光的另一路经其输出端口2-3与相位调制器11的输入端口11-1相连，相位调制器11的射频输入端口11-2与多频率信号发生模块12连接，包含多频率成份的探测连续光经相位调制器11的输出端口11-3注入到传感光纤13中。探测连续光与泵浦脉冲光在传感光纤13中相向传输，探测连续光传输经过传感光纤13后与光纤环形器10的端口10-2相连，并通过光纤环形器10的输出端口10-3连接到高速光电探测器14的输入端口14-1，高速光电探测器14的输出端口14-2与信号高速并行处理单元15相连，实现传感信号的解调。

各器件模块的说明如下：

窄线宽激光器1，是基于布里渊增益拼接谱的高性能光纤动态应变传感系统的种子光源。由于单模光纤布里渊增益谱谱宽为35MHz左右，因此需要泵浦种子光源的线宽较窄。本发明中采用的光源为商用窄线宽激光器，要求线宽小于1MHz。

光纤耦合器2，普通单模光纤1550nm波段，1×2三端口，分光比需要根据实际实施时的光功率设定。

强度调制器3，在系统中是实现获取高消光比、宽带移频泵浦脉冲光的调制器件，工作在1550nm波段，可采用20GHz带宽铌酸锂电光强度调制器。

锁定放大器4，为电光调制器的偏置电压反馈控制单元，使其运转在最佳工作点处，可采用商用kHz量级响应速率的锁定放大器。

微波开关5，在系统中是用于控制微波信号通道的开启和关闭，要求响应速度小于1ns，隔离度达到-45dB以上，可选择符合参数要求的商用微波开关。

电脉冲发生模块6，在系统中是用于产生高对比度、窄脉宽的电脉冲，触发控制微波开关的开启和关闭，要求产生的电脉冲脉宽达到10ns量级，脉冲重复频率10kHz量级，可选择符合参数要求的商用脉冲信号发生器。

微波信号发生模块7，在系统中用于产生微波信号输出并作用到电光强度调制器上，使得被调制的激光频率获得宽带移频，由于单模光纤布里渊频移约为11GHz，因此微波信号发生模块可以采用频率范围10～13GHz的商用微波信号发生器，其微波输出功率需要与所使用的强度调制器驱动相匹配。

光纤环行器8和10，是一个三端口光纤环行器，单向导通，也可采用接入光纤耦合器和隔离器的办法，起到光纤环行器的作用。

光纤光栅9，布拉格短周期光纤光栅，其反射中心波长选择定制在泵浦光脉冲的微波宽带移频下频带范围内；另外可通过温度或应变施加在光纤光栅上，进行一定范围内的反射中心波长的调谐。此处光纤光栅也可由窄带滤波器替代。

相位调制器11，在系统中是实现获取包含多频率成份的探测连续光的调制器件，工作在1550nm波段，可采用2.5GHz带宽铌酸锂电光相位调制器。

多频率信号发生模块12，在系统中是用于产生包含多频率成份的高频调制正弦波电信号，其工作频段在750～1250MHz，多频率成分之间的间隔约为1MHz以及多频率成分的数量可达500以上，该信号发生模块作用到电光相位调制器上，使得被调制的激光频率移频后获得多频率成分，可以选择符合参数要求的商用编程函数信号发生器。

传感光纤13，是整个分布式光纤动态应变传感系统的基本传感单元，外界的动态应变作用到传感光纤上，影响此段光纤的布里渊增益谱，通过在终端解调即可获取相关的应变及位置信息。在此系统中，可以采用商用G652型号的通信单模光纤作为传感光纤。

光电探测器14，将光信号转换为电信号，可以选用响应带宽高于100MHz的高速光电探测器。

信号高速并行处理单元15，是整个分布式光纤动态应变传感系统的信息获取及处理部分，包括信号采集、数据传输、数据高速处理和传感结果显示及保存多个部分，其中，为了获得高时间分辨率，需要采用高速数据采集卡，采样速率需达到100MS/s以上，数据处理可以采取高速并行处理架构，实现实时信号传输与处理。

所述的强度调制器，为电光强度调制器，工作在1550nm波段，要求调制带宽大于10GHz。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高性能光纤动态应变传感装置，其特征在于：包括窄线宽激光器(1)、光纤耦合器(2)、强度调制器(3)、锁定放大器(4)、微波开关(5)、电脉冲发生模块(6)、微波信号发生模块(7)、光纤环形器(8)、光纤光栅(9)、光纤环形器(10)、相位调制器(11)、多频率信号发生模块(12)、传感光纤(13)、光电探测器(14)、信号高速并行处理单元(15)，窄线宽激光器(1)的尾纤输出和光纤耦合器(2)的输入端口相连，将激光分成两路，其中一路经光纤耦合器(2)的输出端口与强度调制器(3)的输入端口相连，强度调制器(3)的DC电压偏置端口与锁定放大器(4)连接，强度调制器(3)的射频输入端口与微波开关(5)的输出端相连，微波开关(5)的输入端与微波信号发生模块(7)连接，微波开关(5)的输入端与电脉冲发生模块(6)的输出端口连接，强度调制器(3)的输出端口与光纤环形器(8)的输入端口连接，光纤环形器(8)的端口与光纤光栅(9)相连，光纤环形器(8)的输出端口与光纤环形器(10)的输入端口连接，光纤耦合器(2)分光的另一路经其输出端口与相位调制器(11)的输入端口相连，相位调制器(11)的射频输入端口与多频率信号发生模块(12)的输出端连接，相位调制器(11)的输出端口连接传感光纤(13)，传感光纤(13)的一端与光纤环形器(10)的端口相连，光纤环形器(10)的输出端口连接光电探测器(14)的输入端口，光电探测器(14)的输出端口与信号高速并行处理单元(15)连接,多频率信号发生模块(12)与相位调制器(11)之间安装高频低阻接通装置(31)，所述高频低阻接通装置包括壳体(16)，壳体(16)的内部安装伸缩杆(17)、弹簧(18)、控制装置(29)和第二导电板(25)，伸缩杆(17)的下端安装第一导电板(20)，第一导电板(20)的上部安装第一电磁铁(19)，弹簧(18)的下端与第一电磁铁(19)连接，第一导电板(20)的底部安装第一银镀层(21),弹簧(18)处于拉伸状态，第一导电板(20)的侧部安装弹簧板(22)，弹簧板(22)为导电板，弹簧板(22)呈弧形，弹簧板(22)的一侧安装石墨块(23)，第一导电板(20)能与第二导电板(25)配合，第二导电板(25)的上部安装第二银镀层(26)和石墨板(24)，石墨块(23)能与石墨板(24)配合，第一银镀层(21)能与第二银镀层(26)配合，第二导电板(25)上安装导线(28)，导线(28)上安装电阻传感器(30)，控制装置(29)的输入端通过导线与电阻传感器(30)的输出端连接,控制装置(29)的输出端通过导线与第一电磁铁(19)和第二电磁铁(27)的输入端连接，第一导电板(20)通过导线与多频率信号发生模块(12)的输出端连接，导线(28)与相位调制器(11)的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种高性能光纤动态应变传感装置，其特征在于：所述窄线宽激光器(1)的线宽小于0.98MHz。

3.根据权利要求1所述的一种高性能光纤动态应变传感装置，其特征在于：所述光电探测器(14)响应带宽高于400MHz。

4.根据权利要求1所述的一种高性能光纤动态应变传感装置，其特征在于：所述信号高速并行处理单元(15)采样速率需达500MS/s以上。