CN207515900U - 基于脉冲编码和边沿滤波法的光纤光栅振动测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于脉冲编码和边沿滤波法的光纤光栅振动测量系统，包括窄线宽激光器、脉冲信号发生器、电光调制器、环形器、单模光纤、光纤光栅、光电探测器和数字信号处理单元；窄线宽激光器的输出端连接电光调制器的光输入端以输出连续光至电光调制器中，脉冲信号发生器的输出端连接电光调制器的射频输入端，电光调制器的输出端连接环形器的第一端口，环形器的第二端口依次连接单模光纤、光纤光栅，环形器的第三端口依次连接光电探测器、数字信号处理单元。本实用新型利用脉冲编码原理和边沿滤波原理做成的光纤光栅振动测量系统具备光时域反射仪(OTDR)的监测和测量功能，并解决了OTDR系统中传感距离和空间分辨率不能同时提高的矛盾。

Description

基于脉冲编码和边沿滤波法的光纤光栅振动测量系统

技术领域

本实用新型涉及光纤光栅传感器技术领域，特别涉及一种基于脉冲编码和边沿滤波法的光纤光栅振动测量系统。

背景技术

振动是反映物体正常状态的重要参数，如桥梁的振动，大型仪器工作时的振动等，当振动超出一定范围，可能会带来严重的后果，所以振动的测量对于大型结构体的健康监测很重要。光纤光栅传感器因为具有抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、体积小、灵敏度高等特点从而得到了广泛的关注和应用，例如用于建筑物健康监测，飞行器结构安全监测，地面沉降和地震实时监测等。应用光纤光栅进行振动监测时是把传感器嵌入被测的结构体中或紧密附着在被测体的表面上，当被测体结构发生变化或受到超出一定限度的振动时，光纤光栅反射回来的光波波长将发生变化，通过反射光波波长的变化来监测物体的振动及安全情况，从而及时做出应对措施，避免情况恶化甚至灾难发生，具有能够实时主动监测等优点。

在进行探测时，如监测地震、火山等高危领域，常见的光纤光栅振动传感器反馈信号衰减严重及信噪比较低，测量距离容易受到限制，测量结果精确度不够高。因此，有必要研发一种高精度、长距离、低成本的振动主动监测系统。

实用新型内容

鉴于以上内容，有必要提供一种基于脉冲编码和边沿滤波法的光纤光栅振动测量系统，以提高探测信号的信噪比，从而实现高精度和距离可调振动探测。

为达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：基于脉冲编码和边沿滤波法的光纤光栅振动测量系统，包括窄线宽激光器、脉冲信号发生器、电光调制器、环形器、单模光纤、光纤光栅、光电探测器和数字信号处理单元；所述窄线宽激光器的输出端连接电光调制器的光输入端以输出连续光至电光调制器中，所述脉冲信号发生器的输出端连接电光调制器的射频输入端以输出编码电脉冲信号至电光调制器中，所述电光调制器在编码电脉冲信号的作用下把窄线宽激光器输出的连续光调制成编码脉冲光，所述电光调制器的输出端连接环形器的第一端口，所述环形器的第二端口依次连接单模光纤、光纤光栅，所述环形器的第三端口依次连接光电探测器、数字信号处理单元。

进一步地，所述窄线宽激光器输出的连续光的中心波长等于光纤光栅反射谱上升沿或下降沿一半处的波长。

进一步地，所述电光调制器为振幅调制型电光调制器。

进一步地，所述数字信号处理单元由脉冲信号发生器向其发出的同步触发信号触发运行。

进一步地，所述光纤光栅为布拉格光栅。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型所设计的光纤光栅振动测量系统采用脉冲编码的方法可以有效提高信噪比，增加测量距离，且根据实际探测距离调整编码脉冲光的码元宽度，可提高空间分辨率；再者，采用边沿滤波法可以实现光纤光栅振动的实时测量，解决光纤光栅只能用于静态参数测量的缺点；此外，本实用新型在一套系统上具备光时域反射仪(OTDR)和光纤光栅振动测量功能，有效降低了成本。

附图说明

图1是本实用新型的基于脉冲编码和边沿滤波法的光纤光栅振动测量系统的示意图。

图2是边沿滤波法的原理示意图。

图3是光纤光栅反射谱光功率的时域曲线。

图4是光纤光栅反射谱光功率的频域曲线。

主要元件符号说明

图1中：1、窄线宽激光器；2、脉冲信号发生器；3、电光调制器；4、环形器；5、单模光纤；6、光纤光栅；7、光电探测器；8、数字信号处理单元。

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本实用新型。

具体实施方式

请参阅图1，在本实用新型的一种较佳实施方式中，基于脉冲编码和边沿滤波法的光纤光栅振动测量系统，包括窄线宽激光器1、脉冲信号发生器2、电光调制器3、环形器4、单模光纤5、光纤光栅6、光电探测器7和数字信号处理单元8。所述窄线宽激光器1的输出端连接电光调制器3的光输入端，其输出的连续光通过所述电光调制器3的光输入端注入电光调制器3中；所述脉冲信号发生器2的输出端连接电光调制器3的射频输入端，其输出的编码电脉冲信号通过所述电光调制器3的射频输入端注入电光调制器3中，所述电光调制器3在编码电脉冲信号的作用下把窄线宽激光器1输出的连续光调制成编码脉冲光，所述编码脉冲光的编码位数和脉冲宽度由脉冲信号发生器2设置；所述电光调制器3的输出端连接环形器4的第一端口以将编码脉冲光注入环形器4，所述环形器4的第二端口依次连接单模光纤5、光纤光栅6以将编码脉冲光输入单模光纤5并在单模光纤5中向光纤光栅6传播，优选地，所述光纤光栅6为布拉格光栅；所述光电探测器7连接环形器4的第三端口，以接收从所述单模光纤5返回的背向散射光和光纤光栅6反射回来的反射光、并输出由背向散射光和反射光混合得到电信号；所述数字信号处理单元8连接光电探测器7以通过所述电信号得到单模光纤5链路的光时域反射仪曲线(OTDR曲线)和光纤光栅6所处环境的振动信息。优选地，所述数字信号处理单元8包含有带通滤波器、A/D转换器和信号处理模块，其中，所述光电探测器7连接带通滤波器，所述带通滤波器将电信号进行滤波处理并得到模拟信号，所述带通滤波器再将该模拟信号传递给与之连接的A/D转换器，所述A/D转换器将模拟信号转换为数字信号后再传递给与之连接的信号处理模块，所述信号处理模块再通过数字信号确定单模光纤5链路的OTDR曲线和光纤光栅6所处环境的振动信息；所述数字信号处理单元8采用通用性数字信号处理器；所述数字信号处理单元8由脉冲信号发生器2向其发出的同步触发信号触发运行，以使所述数字信号处理单元8及时接收光电探测器7传递过来的电信号。

在本实用新型中，所述窄线宽激光器1用以提供连续性的激光，所述脉冲信号发生器2用以提供编码电脉冲信号，所述电光调制器3用以将窄线宽激光器输出的连续光调制成编码脉冲光以作为后续的探测信号光，所述电光调制器3为振幅调制型电光调制器。此外，在本实用新型中，所述脉冲信号发生器2所输出的编码电脉冲信号是间歇性输出，即编码电脉冲信号为周期性输出，因此，当所述脉冲信号发生器2所发出的周期性编码电脉冲信号注入电光调制器3后，所述电光调制器3即可将窄线宽激光器1输出的连续光调制成编码脉冲光，从而通过脉冲式的探测来检测分析单模光纤5链路的OTDR曲线和光纤光栅6所处环境的振动信息，即检测所述光纤光栅6所处环境的振动信号。

进一步地，所述单模光纤5链路的OTDR曲线和光纤光栅6所处环境的振动情况是由编码脉冲光经环形器4注入单模光纤5并在单模光纤5传播过程产生背向散射光和光纤光栅6反射形成反射光、所述背向散射光和反射光在环形器4中被光电探测器7探测并由光电探测器7形成电信号、所述电信号再经数字信号处理单元8转换成携带环境振动信息的数字信号的一系列过程检测并体现出来的，由此可知，所述数字信号处理单元8所获取的振动信息是以数字信号的形式体现的，其中，所述数字信号包括光纤光栅反射光功率，以通过光功率的获取来分析光纤光栅所处环境的振动量，具有分析是利用边沿滤波原理实现的，而为了更好的分析，本实用新型将所述窄线宽激光器1输出的连续光的中心波长设置成等于光纤光栅反射谱上升沿或下降沿一半处的波长，具体请参阅图2。

在图2中，所述窄线宽激光器1输出中心波长为λ₁的连续光，其经电光调制器3调制成编码脉冲光后由光纤光栅6反射回来的反射光的光功率落在基频信号对应的光纤光栅反射谱上时，说明所述光纤光栅所处环境无振动或者振动较为稳定，当光功率位于基频信号对应的光纤光栅反射谱的上方或者下方时，说明所述光纤光栅6所处环境存在振动，此时，通过分析光功率与波长为λ₁的基频信号所述对应的光纤光栅反射谱的光功率的差值，即可获得所述光纤光栅6所在环境的振动偏移量。

综上可知，采用边沿滤波法可以实现光纤光栅振动的实时测量，解决光纤光栅只能用于静态参数测量的缺点，该方法简单方便，且可避免扫描光谱，这在很大程度上节省了振动测量的时间，同时还节约了所述光纤光栅6振动测量系统的成本，实用性较好。

进一步地，由于编码脉冲在单模光纤5传播过程会存在由瑞利散射和菲涅尔反射所产生的背向散射，而该背向散射信号能够反映由光纤而导致的衰减(损耗/距离)程度，因此，通过检测编码脉冲所产生的背向散射光即可得知单模光纤5链路中的损耗、弯曲、振动等因素，所以，本实用新型还具备有光时域反射仪(OTDR)的监测功能和振动测量功能。

此外，由于背向散射光在光纤中会产生衰减，而该衰减的程度与传感距离有关，因此，编码脉冲的探测距离受到了限制，其中，该振动探测距离为：

其中，L为光纤传感距离，c为真空中的光速，t为编码脉冲发射到接收反射信号的总时间，n为单模光纤5纤芯有效折射率。

因此，当光纤传感距离L一定时，单个探测信号打到光纤光栅的往返时间(即编码脉冲发射到接收反射信号的总时间)t为：

而由上文可知，本实用新型的探测信号为编码脉冲光，该编码脉冲光由编码电脉冲信号和连续光经电光调制器3调制而成，其中，编码电脉冲信号为周期性产生，因此，为了便于所述光电探测器7探测到单个编码脉冲光所形成的脉冲反射，所述光纤光栅振动测量系统发出的编码脉冲光的周期T应大于往返时间t，换句话说，所述脉冲信号发生器2发出的编码电脉冲信号的周期T应大于往返时间t，其中，所述周期T应满足以下条件：

其中，L为单模光纤长度，c为真空中的光速，n为单模光纤纤芯有效折射率。

由此可知，所述编码脉冲光所探测的振动频率的上限为：

综上所述，当振动传感距离L越远时，所述脉冲信号发生器2发出的电脉冲信号的周期T越长，所述编码脉冲所探测的振动频率f越小，探测范围即越小，因此，需要适当调整所述电脉冲周期T。

此外，所述编码电脉冲信号的脉冲码元宽度决定了可探测光纤的空间分辨率，较长的脉冲码元宽度可以获得较低大的动态范围，可以实现远距离监测，但存在盲区大缺点；短脉冲码元宽度探测范围小，距离短，但空间分辨较高，同时噪声会略有增加。因此，本实用新型通过编码方式改善这一现象，即，通过改变所述编码电脉冲信号的编码位数来将短脉冲码元宽度调制成适当的长脉冲宽度，从而实现传感距离和系统信噪比的自由调整，通过解码编码的短脉冲码元宽度即可获得较高的空间分辨率。因此，当振动传感受距离L一定时，通过调整编码位数来获得不同的监测精度，且编码位数较大时，精度较高。

综上可知，本实用新型所设计的光纤光栅振动测量系统采用脉冲编码的方法可以有效提高信噪比，且根据实际探测距离调整编码脉冲的码元宽度，可提高空间分辨率；再者，采用边沿滤波法可以实现光纤光栅振动的实时测量，解决光纤光栅只能用于静态参数测量的缺点；此外，本实用新型在一套系统上同时具备光时域反射仪(OTDR)和光纤光栅振动监测功能，有效降低了成本。

进一步地，针对上述基于脉冲编码和边沿滤波法的光纤光栅振动测量系统，本实用新型还提供了一种基于脉冲编码和边沿滤波法的光纤光栅振动测量方法，该光纤光栅振动测量方法基于所述光纤光栅振动测量系统进行，所述光纤光栅振动测量方法包括OTDR曲线的获取，其中，所述OTDR曲线的获取包括如下步骤：

1)调整所述脉冲信号发生器输出的编码电脉冲信号的周期、编码位数和码元宽度；

2)所述窄线宽激光器将连续光、所述脉冲信号发生器将编码电脉冲信号注入电光调制器，所述电光调制器输出的编码脉冲光至所述环形器中，所述数字信号处理单元记录编码脉冲光发出至光电探测器接收到光信号的时间间隔t，同时所述数字信号处理单元记录时间间隔t内每一时刻的光功率；

3)所述数字信号处理单元依据所测量得到的时间间隔t和每一时刻的光功率，并根据公式经过解码得到OTDR曲线；其中，所述公式中，L为单模光纤长度，c为真空中的光速，n为单模光纤纤芯有效折射率。

进一步地，所述光纤光栅振动测量方法还包括光纤光栅反射谱光功率的时域曲线和频域曲线的获取，其中，所述光纤光栅反射谱光功率的时域曲线和频域曲线的获取基于OTDR曲线的获取得到的，具体步骤如下：

1)光纤光栅反射谱光功率的时域曲线的获取：所述数字信号处理单元根据所测得的OTDR曲线确定光纤光栅的位置，并根据探测到光纤光栅反射光功率的时间顺序提取光纤光栅反射光功率分布曲线(如图3所示)，即得到光纤光栅反射谱光功率的时域曲线，其中，所述光纤光栅反射谱光功率的时域曲线中的幅值对应光纤光栅所处环境振动的幅值大小；

2)光纤光栅反射谱光功率的频域曲线的获取：所述数字信号处理单元对所述光纤光栅反射光功率分布曲线进行快速傅里叶变换即得到光纤光栅反射谱光功率的频域曲线(如图4所示)，同时所述数字信号处理单元获取基频信号的频率信息f₀，从而实现所述光纤光栅所处外界环境振动的实时监测；其中，所述基频信号为所述光纤光栅振动测量系统无振动或者振动稳定且不超过预先设定范围时光纤光栅反射回来的光信号。

上述说明是针对本实用新型较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本实用新型的专利申请范围，凡本实用新型所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本实用新型所涵盖专利范围。

Claims (5)

1.基于脉冲编码和边沿滤波法的光纤光栅振动测量系统，其特征在于，包括窄线宽激光器、脉冲信号发生器、电光调制器、环形器、单模光纤、光纤光栅、光电探测器和数字信号处理单元；所述窄线宽激光器的输出端连接电光调制器的光输入端以输出连续光至电光调制器中，所述脉冲信号发生器的输出端连接电光调制器的射频输入端以输出编码电脉冲信号至电光调制器中，所述电光调制器在编码电脉冲信号的作用下把窄线宽激光器输出的连续光调制成编码脉冲光，所述电光调制器的输出端连接环形器的第一端口，所述环形器的第二端口依次连接单模光纤、光纤光栅，所述环形器的第三端口依次连接光电探测器、数字信号处理单元。

2.如权利要求1所述的基于脉冲编码和边沿滤波法的光纤光栅振动测量系统，其特征在于，所述窄线宽激光器输出的连续光的中心波长等于光纤光栅反射谱上升沿或下降沿一半处的波长。

3.如权利要求1所述的基于脉冲编码和边沿滤波法的光纤光栅振动测量系统，其特征在于，所述电光调制器为振幅调制型电光调制器。

4.如权利要求1所述的基于脉冲编码和边沿滤波法的光纤光栅振动测量系统，其特征在于，所述数字信号处理单元由脉冲信号发生器向其发出的同步触发信号触发运行。

5.如权利要求1所述的基于脉冲编码和边沿滤波法的光纤光栅振动测量系统，其特征在于，所述光纤光栅为布拉格光栅。