CN217953655U - 手持式超弱光纤光栅声波级振动解调仪 - Google Patents

Abstract

手持式超弱光纤光栅声波级振动解调仪，包括壳体，壳体设有显示模块，壳体内设有光子集成组件、嵌入式板卡、电源模块。光子集成组件中，窄线宽激光脉冲发生器连接光脉冲放大器，光脉冲放大器连接光环形器，光环形器分别连接光路选择开关、相位解调装置。光子集成组件设有第一接口；嵌入式板卡设有第二接口，第二接口与第一接口相连；电源模块设有第三接口，第三接口连接第二接口；显示模块设有第四接口，第四接口连接第二接口。本实用新型采用脉冲式窄线宽激光脉器取代光源和光调制器，对光学线路进行集成设计，简化了系统结构，从传统的2U~5U机箱缩小到可以手持，大幅降低了解调仪的功耗和体积，提升了解调速度。

Description

手持式超弱光纤光栅声波级振动解调仪

技术领域

本实用新型涉及光纤光栅传感领域，具体涉及一种手持式超弱光纤光栅声波级振动解调仪。

背景技术

分布式声波级振动传感技术（DAS）是以瑞利散射相干光相位来探测音频范围内的声音或振动等信号，以相位幅值大小来定量测量声音或振动事件的强度和频率信息，在周界边防、机械结构监测、能源管道运输、地震波监测等领域具有广阔的应用前景，被认定为最确信的分布式声波测量和世界最高灵敏度的光纤感测技术。

然而复杂的工程应用场景对监测设备的体积和可靠性提出了较高的要求。传统检测设备采样数据复杂，并以X86计算机进行信号处理和解调，导致解调设备的体积较大、能耗高。此外，传统的DAS解调装置集成度低，元件分立搭建，组件数量多，光纤与电缆交叉，连接可靠性差。随着工程应用的发展，亟需一款体积小、功耗低且性能强大的超弱光栅声波级振动解调仪，适应野外及各种复杂的工程应用场景。

发明内容

针对现有的DAS解调仪体积大，功耗高，操作繁琐等问题。本实用新型提出了一种手持式超弱光纤光栅声波级振动解调仪，该解调仪以嵌入式系统为核心开发嵌入式板卡，将光源和光纤线路集成化，在底层完成单元配置、A/D转换、信号采集与处理、通信传输等工作，无需与X86计算机进行交互。与此同时，采用脉冲式窄线宽激光脉器取代光源和光调制器，对光学线路进行集成设计，简化了系统结构，从传统的2U~5U机箱缩小到可以手持，大幅降低了解调仪的功耗和体积，提升了解调速度，为振动参数解调以及野外监测提供了有效方案。

本实用新型采取的技术方案为：

手持式超弱光纤光栅声波级振动解调仪，包括壳体，壳体设有显示模块，壳体内设有光子集成组件、嵌入式板卡、电源模块；

所述光子集成组件包括窄线宽激光脉冲发生器、光脉冲放大器、光环形器、光路选择开关、相位解调装置；窄线宽激光脉冲发生器连接光脉冲放大器，光脉冲放大器连接第一光环形器，第一光环形器分别连接光路选择开关、相位解调装置；

光子集成组件设有第一接口；

所述嵌入式板卡设有第二接口，第二接口与第一接口相连；

所述电源模块设有第三接口，第三接口连接第二接口；

所述显示模块设有第四接口，第四接口连接第二接口。

所述嵌入式板卡包括信号处理及控制电路，信号处理及控制电路分别连接光源控制接口电路、功率及通道控制接口电路、高速模数转换电路、电源接口电路、通信接口电路；这些电路单元与第二接口均集成于同一控制板卡上。

所述电源模块内嵌于壳体，包含外壳，外壳内设有电芯。

所述显示模块包括触摸式液晶显示屏，

所述壳体设有第五接口，第五接口分别连接第一接口、第二接口。

所述相位解调装置包括光环形器，3×3相位耦合器，第一光程差相位补偿装置、第二光程差相位补偿装置，信号输出端，在同一块电路板上单板集成；

光进入光环形器后，一部分直接进入信号输出端，另一部分进入3×3相位耦合器，并在第一光程差相位补偿装置和第二光程差相位补偿装置中进行相位补偿后，再次耦合传递到信号输出端，以此实现对光信号的相位补偿与解调。

所述窄线宽激光脉冲发生器是直接调制的窄线宽半导体激光器，或者是窄线宽激光器与外置电光调制器单板集成的器件。

本实用新型一种手持式超弱光纤光栅声波级振动解调仪，技术效果如下：

1）体积小，功耗低，方便普及使用：

本实用新型一种手持式超弱光纤光栅声波级振动解调仪，可手持操作，体积和重量大幅度降低，体积约为传统的1/5；高集成度设计，功耗低，结构简单，功耗降低到20W以下，降幅90%。低功耗模式下，系统功率可以下降到5W以下。携带有人机界面有好的触摸屏，可以根据现场需求进行灵活设置。采用嵌入式系统完成相位计算，实时性好，有效避免外界环境的干扰，能高灵敏度、高保真度的获取微振动信息，底噪优于传统仪表。

2）结构简单，外制冷设计，可靠性好：

本实用新型一种手持式超弱光纤光栅声波级振动解调仪，根据组件的特性进行单元化设计，采用半导体集成或单板集成的方式构建窄线宽激光脉冲发生器，对光学线路进行整合，采用嵌入式系统完成信号采集处理，简化了系统结构。铝壳体外制冷设计，导热效果好。避免了分立组件的多接头问题，模块可靠性好。

附图说明

图1为本实用新型振动解调仪结构示意图。

图2为本实用新型振动解调仪的相位解调装置结构示意图。

图3为本实用新型振动解调仪的嵌入式板卡结构示意图。

图4为本实用新型振动解调仪的显示模块结构示意图。

图5为本实用新型振动解调仪的壳体结构示意图。

具体实施方式

如图1~图4所示，手持式超弱光纤光栅声波级振动解调仪，包括壳体5，壳体5设有显示模块4，壳体5内设有光子集成组件1、嵌入式板卡2、电源模块3。

如图1所示，所述光子集成组件1包括窄线宽激光脉冲发生器11、光脉冲放大器12、第一光环形器13、光路选择开关14、相位解调装置15。窄线宽激光脉冲发生器11连接光脉冲放大器12，光脉冲放大器12连接第一光环形器13，第一光环形器13分别连接光路选择开关14、相位解调装置15。光子集成组件1设有第一接口16，第一接口16用于电源输入输出、光电信号的控制与输入输出和外设连接。所有光器件均集成于同一控制板卡上。

窄线宽激光脉冲发生器11可以是直接调制的窄线宽半导体激光器，也可以是窄线宽激光器与外置电光调制器单板集成的器件。窄线宽激光脉器11的工作波长在1550nm左右，线宽小于200KHz。

光路选择开关14可分时连接不同监测任务的4种光栅阵列，可在控制信号的作用下选择当前的光通道或自动切换光通道。

所述嵌入式板卡2包括用于相位解调计算、光栅定位及外设控制的嵌入式系统与采集电路、第二接口27，所有系统与电路均集成于同一控制板卡上。具体包括信号处理及控制电路21，信号处理及控制电路21分别连接光源控制接口电路22、功率及通道控制接口电路23、高速模数转换电路24、电源接口电路25、通信接口电路26。第二接口27与第一接口16相连，第二接口27用于电源输入输出、功率控制、光电信号输入输出和外设连接。

嵌入式板卡2通过第二接口27对窄线宽激光脉冲发生器11进行调制形成激光脉冲，对光脉冲放大器12、光路选择开关14进行配置；

光脉冲放大器12对光脉冲进行放大并输出，接收被测对象返回的光信号，经过相位补偿模块后，完成光电转换，由接口输出；

嵌入式板卡2接收模拟电信号，完成模数转换、光栅定位及相位实时解析，输出光纤长度方向上声波级的微振动相位信息。

信号处理及控制电路21采用高集成度的嵌入式系统，如ARM和FPGA的SOC系统。

光源控制接口电路22采用大电流MOSFET的栅极控制，通过FPGA输出的电平控制导通或断开，实现分时启动。

所述功率及通道控制接口电路23采用RS232串口进行通信，由FPGA下发电流值和通道号，并回读设置成功后的EDFA电流值以及光开关的通道号。

高速模数转换电路24包括单端转差分芯片、增益可调放大器、14 bits 250MSPS高速模拟/数字转换芯片，输入的模拟电信号通过单端-差分转换后，根据需求进行增益，最后进行模数转换。

电源接口电路25对电源接口进行控制，对电源模块3如锂电池或外部电源进行自动切换，在低功耗模式下只保持嵌入式最小系统工作，切断其它接口及单元的供电。

通信接口电路26可以是千兆以太网等。

所述电源模块3内嵌于壳体5，包含外壳，外壳内设有电芯31。电源模块3设有第三接口32，第三接口32连接第二接口27。第三接口32作为电源接口和控制接口，用于电源控制与输入输出。

所述显示模块4包括触摸式液晶显示屏41，显示模块4设有第四接口42，第四接口42连接第二接口27。第四接口42作为电信号输入/输出接口、电源接口，用于光电信号的控制与输入输出。

所述壳体5采用铝合金一体铣削加工，直接对各单元的功率器件进行散热。

壳体5设有第五接口51，第五接口51分别连接第一接口16、第二接口27。第五接口51作为光输入/输出接口、电源接口、电输入/输出通信接口以及与上位机交互接口，负责电源输入输出、光电信号输入输出、上位机交互和外设连接。

所述相位解调装置15包括第二光环形器151，3×3相位耦合器152，第一光程差相位补偿装置153、第二光程差相位补偿装置154，信号输出端155，在同一块电路板上单板集成；

光进入第二光环形器151后，一部分直接进入信号输出端155，另一部分进入3×3相位耦合器152，并在第一光程差相位补偿装置153和第二光程差相位补偿装置154中进行相位补偿后，再次耦合传递到信号输出端155，以此实现对光信号的相位补偿与解调。

所述由光栅中传入的包含震动信息的光信号在第一光程差相位补偿装置153、第二光程差相位补偿装置154中得到相位补偿，从而使光信号产生干涉。对各位置的采集数据进行筛选、平均计算，按照3×3反正切算法进行相位计算，得到每个位置的相位值，并进行反卷绕，获取各位置光纤上的连续的动态相位信号。

该解调仪信息传递过程如下：

嵌入式板卡2通过第二接口27对光子集成组件1进行指令和参数设置；光子集成组件1产生波长重复变化的激光脉冲，对光脉冲进行放大并输出，接收被测对象返回的光信号并完成光电转换后，由第一接口16输出。嵌入式板卡2由第二接口27接收模拟电信号，完成模数转换、光栅定位及波长实时解析，保存超弱光栅的位置信息，输出波长信息。显示模块4通过第四接口42接受嵌入式板卡2的信息并显示，并反馈人机交互信息；壳体5通过第五接口51接入传感介质，第五接口51接收电源模块3或外部供电、与上位机交互。

基于本实用新型手持式超弱光纤光栅声波级振动解调仪的传感方法，具有如下步骤：

S1：模块上电，信号处理及控制电路21完成自身的参数配置，依次启动其他单元的供电；

S2：用户通过触摸屏将起始波长、光通道、光功率等参数下发到嵌入式板卡2；

S3：嵌入式板卡2通过光源控制接口电路22对窄线宽激光脉冲发生器11进行调制；通过功率及通道控制接口电路23对增益均衡光放大器的增益进行设定，对光开关的当前通道或切换规律进行指定；

S4: 嵌入式板卡2通过光源控制接口电路22检测窄线宽激光脉冲发生器11的同步信号，由高速模数转换电路24对所述光学线路单元的模拟输出信号进行采集和A/D转换；

S5: 信号处理及控制电路21实时检测高速模数转换电路24输出的数字信号，根据反射信号在时域上的强度特征截取光栅的反射信号，按照光时域反射测距算法（OTDR）确定每个超弱光纤光栅的位置，并保存初始值；

S6：信号处理及控制电路21根据S5获取的超弱光纤光栅的位置，连续采集高速模数转换电路24的信号，对各位置的采集数据进行筛选、平均计算，按照3×3反正切算法进行相位计算，得到每个位置的相位值，并进行反卷绕，获取各位置光纤上的连续的动态相位信号；

S7：根据振动信号的特征或规律，利用机器学习或人工智能，提取相位信号的特征向量，对信号进行预处理；

S8：通过通信接口电路26将感测值通过千兆以太网、PCIe等上传网络或上位机。

综上所述，本实用新型公开的手持式超弱光纤光栅声波级振动解调仪，以高度集成的嵌入式系统为核心开发嵌入式板卡，同时完成单元配置、A/D转换、通信传输以及海量相位数据的采集与处理，取代X86计算机，直接解调超弱光栅传感器的位置和相位信息。与此同时，采用直接调制的窄线宽激光器作为光源，降低系统的功耗，简化了系统结构。该模块相比较传统DAS分析仪，系统结构简单，数据量只有传统DAS的2.6%，功耗和体积为1/5，为声波级微振动解调以及野外监测提供了有效方案。

Claims (6)

1.手持式超弱光纤光栅声波级振动解调仪，包括壳体（5），壳体（5）设有显示模块（4），壳体（5）内设有光子集成组件（1）、嵌入式板卡（2）、电源模块（3），其特征在于：

所述光子集成组件（1）包括窄线宽激光脉冲发生器（11）、光脉冲放大器（12）、第一光环形器（13）、光路选择开关（14）、相位解调装置（15）；窄线宽激光脉冲发生器（11）连接光脉冲放大器（12），光脉冲放大器（12）连接第一光环形器（13），第一光环形器（13）分别连接光路选择开关（14）、相位解调装置（15）；

光子集成组件（1）设有第一接口（16）；

所述嵌入式板卡（2）设有第二接口（27），第二接口（27）与第一接口（16）相连；

所述电源模块（3）设有第三接口（32），第三接口（32）连接第二接口（27）；

所述显示模块（4）设有第四接口（42），第四接口（42）连接第二接口（27）。

2.根据权利要求1所述手持式超弱光纤光栅声波级振动解调仪，其特征在于：所述嵌入式板卡（2）包括信号处理及控制电路（21），信号处理及控制电路（21）分别连接光源控制接口电路（22）、功率及通道控制接口电路（23）、高速模数转换电路（24）、电源接口电路（25）、通信接口电路（26）；这些电路单元与第二接口（27）均集成于同一控制板卡上。

3.根据权利要求2所述手持式超弱光纤光栅声波级振动解调仪，其特征在于：所述电源模块（3）内嵌于壳体（5），包含外壳，外壳内设有电芯（31）。

4.根据权利要求1所述手持式超弱光纤光栅声波级振动解调仪，其特征在于：所述显示模块（4）包括触摸式液晶显示屏（41）。

5.根据权利要求3所述手持式超弱光纤光栅声波级振动解调仪，其特征在于：所述壳体（5）设有第五接口（51），第五接口（51）分别连接第一接口（16）、第二接口（27）。

6.根据权利要求1所述手持式超弱光纤光栅声波级振动解调仪，其特征在于：所述窄线宽激光脉冲发生器（11）是直接调制的窄线宽半导体激光器，或者是窄线宽激光器与外置电光调制器单板集成的器件。

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