基于超短光纖光柵陣列的分布式高靈敏振動探測系統及方法

基于超短光纖光柵陣列的分布式高靈敏振動探測系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于超短光纖光柵陣列的分布式高靈敏振動探測系統及方法，依次連接的激光光源、調制放大單元、環形器和超短光纖光柵陣列，環形器上還連接有耦合器；該系統還包括與耦合器相連的匹配干涉儀和反射光檢測單元，耦合器的兩個輸出端口分別與匹配干涉儀的兩臂相連；匹配干涉儀與超短光纖光柵陣列相對應，用于接收經過超短光纖光柵陣列后的反射光，反射光檢測單元對接收到的反射光進行檢測。本發明可以實現高靈敏振動信號的分布式測量，檢測精度高，避免了光譜失配導致的干涉條紋可見度下降問題，且具有更高的信噪比。
【專利說明】
基于超短光纖光柵陣列的分布式高靈敏振動探測系統及方法
技術領域
[0001] 本發明設及傳感技術領域，尤其設及一種基于超短光纖光柵陣列的分布式高靈敏 振動探測系統及方法。
【背景技術】
[0002] 光纖傳感具有不受電磁干擾、傳輸距離遠、易于組成分布式傳感網絡等一系列獨 特優點，近年來在結構健康監測、周界安防、火災報警、地震波監測等領域的應用有了大量 報道，高性能、集約化和網絡化已經成為光纖傳感的發展方向。
[0003] 光纖光柵傳感是近年來迅速發展的一種傳感技術，它的優勢是響應快、測量參數 多，靈活性強。傳統的光纖光柵傳感采用波分復用的方式，受光源帶寬限制，單根光纖上能 夠復用的傳感器數量只有數十個。最近發展起來的基于時分復用的弱光纖光柵傳感網絡受 到了廣泛關注，例如2012年10月申報的專利超大容量時分波分光纖光柵傳感系統及其查詢 方法(專利號:201210390000.8)和專利一種極弱光纖光柵傳感系統及其查詢方法(專利號： 201210391578.5)等等，通過采用反射率低至萬分之一的光纖光柵作為傳感單元，單根光纖 上能夠復用的傳感器數量可達上千個。
[0004] 但是，在上述的運些光纖光柵傳感系統中，不管采用波分復用方式還是采用時分 復用方式，都是通過直接測量光纖光柵的中屯、波長變化來獲取外界信息，其分辨率在1pm左 右。而在需要進行高靈敏探測的領域，例如水聲信號探測，待測聲壓所造成的光纖光柵波長 變化量通常小于O.Olpm，傳統的光纖光柵傳感系統無法檢測到運一微小量的變化。

【發明內容】

[0005] 本發明要解決的技術問題在于針對現有技術中靈敏度不夠高的缺陷，提供一種檢 測精度高的基于超短光纖光柵陣列的分布式高靈敏振動探測系統及方法。
[0006] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：
[0007] 本發明提供一種包括依次連接的激光光源、調制放大單元、環形器和超短光纖光 柵陣列，環形器上還連接有禪合器；
[000引該系統還包括與禪合器相連的匹配干設儀和反射光檢測單元，禪合器的兩個輸出 端口分別與匹配干設儀的兩臂相連；
[0009] 匹配干設儀與超短光纖光柵陣列相對應，用于接收經過超短光纖光柵陣列后的反 射光，反射光檢測單元對接收到的反射光進行檢測。
[0010] 進一步地，本發明的超短光纖光柵陣列包括多組超短光纖光柵，超短光纖光柵的 長度為百微米級，反射寬度為納米級。
[0011] 進一步地，本發明的調制放大單元包括強制調制器和脈沖型滲巧光纖放大器。
[0012] 進一步地，本發明的調制放大單元和環形器之間還設置有偏振控制裝置。
[0013] 進一步地，本發明的反射光檢測單元包括高速光探測器和信號采集裝置。
[0014] 本發明提供一種基于超短光纖光柵陣列的分布式高靈敏振動探測方法，包括W下 步驟：
[0015] SI、設置超短光纖光柵陣列的參數，包括光柵間距、光柵長度和中屯、波長；
[0016] S2、設置調制脈沖的參數，包括周期和采樣頻率，并根據調制脈沖的參數選擇匹配 干設儀；
[0017] S3、調制放大后的光脈沖進入超短光纖光柵陣列中進行反射，匹配干設儀獲取相 鄰光纖光柵反射光脈沖的干設信號；
[0018] S4、檢測反射光脈沖的干設信號的變化情況，得到每兩個光纖光柵之間光纖段的 相位變化信息，并根據相位變化信息對光纖的靈敏振動進行監測。
[0019] 進一步地，本發明的步驟S3中獲取相鄰光纖光柵反射光脈沖的干設信號的方法具 體為：
[0020] 調整匹配干設儀的臂差，使臂差匹配相鄰光柵間距，前一個光柵的反射光經過匹 配干設儀長臂后到達接收端的時間與后一個光柵的反射光經過匹配干設儀短臂后到達接 收端的時間重合，形成兩個光脈沖的干設，設計脈沖寬度與周期，則每一個進入超短光纖光 柵陣列的光脈沖信號，在接收端將收到N+1個光脈沖，中間的N-1個標記了陰影的信號為相 鄰光纖光柵之間的干設信號，其中N為光柵個數。
[0021] 進一步地，本發明的步驟S3中每個干設信號的光強為：
[0022] |e|2>R 口+cos[20 化-k)]}
[0023] 其中，R為超短光纖光柵的反射率，L為相鄰超短光纖光柵的間距為匹配干設儀 的臂差。
[0024] 本發明產生的有益效果是:本發明的基于超短光纖光柵陣列的分布式高靈敏振動 探測系統，通過匹配干設儀對超短光纖光柵陣列的反射光進行接收，由干設信號解調出相 位變化，可W實現高靈敏振動信號的分布式測量，檢測精度高;其傳感光纖由超短光纖光柵 陣列構成，每個超短光纖光柵的長度在數百微米，其反射帶寬為數納米，避免了光譜失配導 致的干設條紋可見度下降問題;超短光纖光柵的反射光相比于Φ-OTDR采用的瑞利散射光 干設，強度高出了約2個數量級，因此具有更高的信噪比。
【附圖說明】
[0025] 下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：
[0026] 圖1是本發明實施例的基于超短光纖光柵陣列的分布式高靈敏振動探測系統的結 構示意圖；
[0027] 圖2是本發明實施例的基于超短光纖光柵陣列的分布式高靈敏振動探測方法的流 程圖；
[0028] 圖3(a)是本發明實施例的基于超短光纖光柵陣列的分布式高靈敏振動探測系統 的光柵長度不同時的帶寬模擬圖(a);
[0029] 圖3(b)是本發明實施例的基于超短光纖光柵陣列的分布式高靈敏振動探測系統 的光柵長度不同時的帶寬模擬圖(b);
[0030] 圖4是本發明實施例的基于超短光纖光柵陣列的分布式高靈敏振動探測系統的超 短光纖光柵序列反射光信號時域圖；
[0031] 圖5(a)是本發明實施例的基于超短光纖光柵陣列的分布式高靈敏振動探測系統 的不同頻率信號的測試結果圖(a);
[0032] 圖5(b)是本發明實施例的基于超短光纖光柵陣列的分布式高靈敏振動探測系統 的不同頻率信號的測試結果圖(b);
[0033] 圖5(c)是本發明實施例的基于超短光纖光柵陣列的分布式高靈敏振動探測系統 的不同頻率信號的測試結果圖（C);
[0034] 圖5(d)是本發明實施例的基于超短光纖光柵陣列的分布式高靈敏振動探測系統 的不同頻率信號的測試結果圖（d);
[0035] 圖中，1-激光光源，2-強制調制器，3-脈沖型滲巧光纖放大器，4-偏振控制裝置，5- 環形器，6-超短光纖光柵陣列，7-禪合器，8-匹配干設儀，9-高速光探測器，10-信號采集裝 置。
【具體實施方式】
[0036] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，W下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用W解釋本發明，并不 用于限定本發明。
[0037] 如圖1所示，本發明實施例的基于超短光纖光柵陣列的分布式高靈敏振動探測系 統，包括依次連接的激光光源1、調制放大單元、環形器5和超短光纖光柵陣列6,環形器5上 還連接有禪合器7;
[0038] 該系統還包括與禪合器7相連的匹配干設儀8和反射光檢測單元，禪合器7的兩個 輸出端口分別與匹配干設儀8的兩臂相連；
[0039] 調制放大單元包括強制調制器2和脈沖型滲巧光纖放大器3;調制放大單元和環形 器5之間還設置有偏振控制裝置4;反射光檢測單元包括高速光探測器9和信號采集裝置10。
[0040] 匹配干設儀8與超短光纖光柵陣列6相對應，用于接收經過超短光纖光柵陣列6后 的反射光，反射光檢測單元對接收到的反射光進行檢測。
[0041] 超短光纖光柵陣列6包括多組超短光纖光柵，超短光纖光柵的長度為百微米級，反 射寬度為納米級。
[0042] FBG的零點帶寬Δλ為：
[0043]
[0044] 其中，L，Δη，η，λΒ分別為FBG的長度、折射率調制深度，有效折射率，和中屯、波長。 由上面公式可得，當光纖光柵的長度越短，反射寬度越寬。
[0045] 光纖光柵的峰值反射率為：
[0046] Rmax = 1:anh2 化L)
[0047] 其中，h為常數，k為禪合系數，也是一個常數。由上式可得光纖光柵長度越短，反射 率越低。
[004引光纖光柵的帶寬與光柵長度成反比，當光柵長度越短時，帶寬越寬，但是峰值反射 率降低，同時旁瓣效應也增加。故選用的超短光纖光柵長度不能太短，在幾百微米的范圍內 剛好滿足我們的系統要求的帶寬個反射率要求。
[0049] 普通光纖光柵的長度大約1毫米，反射帶寬為0.2納米。我們使用的超短光纖光柵 的長度大約500微米，反射帶寬大約為3納米。
[0050] 本發明中的光纖光柵長度比普通的光纖光柵長度要短，故其反射帶寬也比一般的 光纖光柵要寬。光纖光柵的反射帶寬的增加，可W提高兩束光的相干干設，從而有效避免了 光譜失配導致的干設條紋可見度下降問題。
[0051] 本發明中的光纖光柵陣列的長度為2公里，光柵間距為2.5米。
[0052] 在本發明的另一個實施例中，基于超短光纖光柵陣列的分布式高靈敏振動探測系 統，包括激光光源、強度調制器、脈沖型滲巧光纖放大器、偏振控制裝置、環形器、超短光纖 光柵陣列、禪合器、匹配干設儀、高速光探測器和信號采集裝置。
[0053] 激光光源提供特定波段的連續光功率信號;激光光源發出的光經過強度調制器調 制成脈沖光，再經過脈沖型滲巧光纖放大器化DFA)放大，放大后的光經過偏振控制器后通 過環形器進入超短光纖光柵傳感陣列;所述的環形器的另一個端口接禪合器，禪合器輸出 的兩端口接匹配干設儀的兩臂，禪合器反射回來的光經過高速光探測器;高速光電探測器 用串口線與信號采集裝置連接。
[0054] 其中，所述的強度調制器對光源信號進行調制并放大，光信號經過調制器后輸出 為脈沖光信號。
[0055] 光纖光柵由超短光纖光柵陣列構成，每個超短光纖光柵的長度在數百微米，其反 射帶寬為數納米，避免了光譜失配導致的干設條紋可見度下降問題。
[0056] 如圖2所示，本發明實施例的基于超短光纖光柵陣列的分布式高靈敏振動探測方 法，用于實現本發明實施例的基于超短光纖光柵陣列的分布式高靈敏振動探測系統，包括 W下步驟：
[0057] S1、設置超短光纖光柵陣列的參數，包括光柵間距、光柵長度和中屯、波長；
[0058] S2、設置調制脈沖的參數，包括周期和采樣頻率，并根據調制脈沖的參數選擇匹配 干設儀；
[0059] S3、調制放大后的光脈沖進入超短光纖光柵陣列中進行反射，匹配干設儀獲取相 鄰光纖光柵反射光脈沖的干設信號；
[0060] 獲取相鄰光纖光柵反射光脈沖的干設信號的方法具體為：
[0061] 調整匹配干設儀的臂差，使臂差匹配相鄰光柵間距，前一個光柵的反射光經過匹 配干設儀長臂后到達接收端的時間與后一個光柵的反射光經過匹配干設儀短臂后到達接 收端的時間重合，形成兩個光脈沖的干設，設計脈沖寬度與周期，則每一個進入超短光纖光 柵陣列的光脈沖信號，在接收端將收到N+1個光脈沖，中間的N-1個標記了陰影的信號為相 鄰光纖光柵之間的干設信號，其中N為光柵個數。
[0062] 每個干設信號的光強為：
[0063] |e|2>R 口+cos[20 化-k)]}
[0064] 其中，R為超短光纖光柵的反射率，L為相鄰超短光纖光柵的間距為匹配干設儀 的臂差。
[0065] S4、檢測反射光脈沖的干設信號的變化情況，得到每兩個光纖光柵之間光纖段的 相位變化信息，并根據相位變化信息對光纖的靈敏振動進行監測。
[0066] 在本發明的另一個實施例中，如圖3(a)和圖3(b)所示，為光譜圖，通過使用超短光 纖光柵，由于外界溫度等變化引起兩個光纖光柵光譜失配，當光譜窄的時候，會導致激光發 出的光不在兩光譜重合的區域，使干設條紋可見度降低。而使用超短光纖光柵時，有較寬的 光譜，即使溫度等發生變化使光譜發生了漂移，但是激光發出的光仍然在兩光譜重合的區 域，運樣就避免了光譜失配導致的干設條紋可見度下降問題。
[0067] 該方法通過獲取相鄰光纖光柵反射光脈沖的干設信息，即可獲取運兩個光柵之間 光纖段的相位變化信息，從而對振動信號進行高靈敏解調。
[0068] 激光光源發出的光經過強度調制器調制成光脈沖，經過脈沖型滲巧光纖放大器 化DFA)的放大，再通過偏振控制器進入環形器，環形器出來的光進入超短光纖光柵陣列，反 射回來的光進入采用邁克爾遜干設儀結構的匹配干設儀。當邁克爾遜干設儀臂差完全匹配 相鄰光柵間距時，前一個光柵的反射光經過干設儀長臂后到達接收端的時間恰好與與后一 個光柵的反射光經過干設儀短臂后到達接收端的時間重合，形成兩個光脈沖的干設，精確 設計脈沖寬度與周期，則每一個進入超短光纖光柵陣列的光脈沖信號，在接收端將收到N+1 個光脈沖(N為光柵個數），其中中間的N-1個標記了陰影的信號為相鄰光纖光柵之間兩兩干 設信號，如圖4所示，每個干設信號的光強可W表示為：
[0069] |e|2>R 口+cos[20 化-k)]}
[0070] 其中，R為超短光纖光柵的反射率，L為相鄰超短光纖光柵的間距，Lr為匹配干設儀 的臂差。
[0071] 檢測運些干設信號的變化，可W獲取每兩個光柵之間光纖段的相位變化信息，從 而實現對沿整根光纖的高靈敏振動監測。
[0072] 超短光纖光柵陣列中的多次反射除了產生串擾，降低接收端的信噪比之外，還會 形成光譜陰影效應。光纖光柵陣列的復用個數將受到運些串擾和陰影效應的制約，通過將 光柵的反射率控制在很小的水平(例如-40地左右），串擾和陰影效應的影響將大大減小，復 用數量可達上千個。
[0073] 在一個具體的操作過程中，建立了一個該系統結構的相干檢測系統，具體步驟是：
[0074] 1、超短光纖光柵陣列，光柵間距2.5m，光柵長度為500皿，中屯、波長1550.6nm。
[0075] 2、確定調制脈沖為20ns和采樣率為lOKHz，選擇匹配的相干解調儀。
[0076] 3、對兩個光柵反射脈沖信號進行干設解調，，將兩個光柵中間的光纖部分纏繞在 PZT上，通過PZT在兩個光柵之間的光纖上施加電壓幅值為+10V，頻率分別為100Hz，500Hz， 振動信號，如圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)和圖5(d)所示，在接收端能夠清楚的分辨出微弱的不 同頻率的振動信號，具有很好的頻率響應特性。
[0077] 應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可W根據上述說明加 W改進或變換， 而所有運些改進和變換都應屬于本發明所附權利要求的保護范圍。
【主權項】
1. 一種基于超短光纖光柵陣列的分布式高靈敏振動探測系統，其特征在于，包括依次 連接的激光光源（1)、調制放大單元、環形器(5)和超短光纖光柵陣列(6)，環形器(5)上還連 接有耦合器(7); 該系統還包括與耦合器（7)相連的匹配干涉儀(8)和反射光檢測單元，耦合器(7)的兩 個輸出端口分別與匹配干涉儀(8)的兩臂相連； 匹配干涉儀(8)與超短光纖光柵陣列（6)相對應，用于接收經過超短光纖光柵陣列（6) 后的反射光，反射光檢測單元對接收到的反射光進行檢測。2. 根據權利要求1所述的基于超短光纖光柵陣列的分布式高靈敏振動探測系統，其特 征在于，超短光纖光柵陣列（6)包括多組超短光纖光柵，超短光纖光柵的長度為百微米級， 反射寬度為納米級。3. 根據權利要求1所述的基于超短光纖光柵陣列的分布式高靈敏振動探測系統，其特 征在于，調制放大單元包括強制調制器(2)和脈沖型摻鉺光纖放大器(3)。4. 根據權利要求1所述的基于超短光纖光柵陣列的分布式高靈敏振動探測系統，其特 征在于，調制放大單元和環形器(5)之間還設置有偏振控制裝置(4)。5. 根據權利要求1所述的基于超短光纖光柵陣列的分布式高靈敏振動探測系統，其特 征在于，反射光檢測單元包括高速光探測器(9)和信號采集裝置(10)。6. -種基于超短光纖光柵陣列的分布式高靈敏振動探測方法，其特征在于，包括以下 步驟： 51、 設置超短光纖光柵陣列的參數，包括光柵間距、光柵長度和中心波長； 52、 設置調制脈沖的參數，包括周期和采樣頻率，并根據調制脈沖的參數選擇匹配干涉 儀； 53、 調制放大后的光脈沖進入超短光纖光柵陣列中進行反射，匹配干涉儀獲取相鄰光 纖光柵反射光脈沖的干涉信號； 54、 檢測反射光脈沖的干涉信號的變化情況，得到每兩個光纖光柵之間光纖段的相位 變化信息，并根據相位變化信息對光纖的靈敏振動進行監測。7. 根據權利要求6所述的基于超短光纖光柵陣列的分布式高靈敏振動探測方法，其特 征在于，步驟S3中獲取相鄰光纖光柵反射光脈沖的干涉信號的方法具體為： 調整匹配干涉儀的臂差，使臂差匹配相鄰光柵間距，前一個光柵的反射光經過匹配干 涉儀長臂后到達接收端的時間與后一個光柵的反射光經過匹配干涉儀短臂后到達接收端 的時間重合，形成兩個光脈沖的干涉，設計脈沖寬度與周期，則每一個進入超短光纖光柵陣 列的光脈沖信號，在接收端將收到N+1個光脈沖，中間的N-1個標記了陰影的信號為相鄰光 纖光柵之間的干涉信號，其中N為光柵個數。8. 根據權利要求7所述的基于超短光纖光柵陣列的分布式高靈敏振動探測方法，其特 征在于，步驟S3中每個干涉信號的光強為： E|2^R{2+cos[20(L-Lr)]} 其中，R為超短光纖光柵的反射率，L為相鄰超短光纖光柵的間距，Lr為匹配干涉儀的臂 差。
【文檔編號】G01H9/00GK106066203SQ201610353374
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年5月25日 公開號201610353374.0, CN 106066203 A, CN 106066203A, CN 201610353374, CN-A-106066203, CN106066203 A, CN106066203A, CN201610353374, CN201610353374.0
【發明人】文泓橋, 劉勝
【申請人】武漢理工大學