一种分布式光纤振动传感装置的解调方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于相干相位检测的分布式光纤振动传感装置，包括：光源模块，产生两路连续窄线宽激光，其中一路输入光调制模块，另一路输入相干接收模块；光调制模块将第一路连续窄线宽激光移频并调制为短脉冲光序列；短脉冲光序列进入传感光纤，经过振动信号调制后由弱反射布喇格光栅阵列反射输出反射光子序列；反射光子序列与另一路连续窄线宽激光在相干光接收模块中干涉后并转化为电信号输出多个拍频子序列，由信号处理模块将多个拍频子序列解调获得整个传感光纤上的所有振动信号的位置和振动波形；本发明专利技术采用相干相位光时域反射技术，定位精度高，振动频率响应范围大，振动波形信噪比高，能够实现长距离分布式检测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于相干相位检测的分布式光纤振动传感装置
本专利技术涉及的是一种光纤传感领域的技术，更具体的，是一种基于相干相位检测的分布式光纤振动传感装置。
技术介绍
光纤传感技术自从20世纪70年代光纤被专利技术以来迅速崛起，经过几十年的研究和发展已经广泛用于多个领域。除了在远距离高速率通信领域外，由于光纤也具备感知外部各种物理参数的能力，研究人员专利技术制作了一系列的光纤传感器件。光纤传感系统因其耐腐蚀，抗电磁干扰等优点与传统的机电传感系统相比，更适合于恶劣环境中检测信息并且具有分布式传感和远距离传感的能力，所以近年来分布式光纤传感技术成为研究的热点。分布式光纤传感技术不但具有普通光纤传感技术灵敏度高、耐高温、抗腐蚀和抗电磁干扰等优越特性，而且更能体现光纤分布延伸的优势，可以使得沿布设路径上的光纤全部成为敏感元件，具有实时获取整个传感区域内被测量的信息参数，将传输和传感合二为一，减少了布设传感器件的成本。分布式光纤振动传感技术利用光波在光纤中传输时相位、偏振等对振动敏感的特性，实时地监测光纤附近的振动，实现对故障点或扰动点的定位，是分布式光纤传感技术的一个重要分支。特别是在长距离和高空间分辨率要求的监测中，分布式光纤振动传感器具有电子传感器件不可比拟的优势，在侵入检测、社区安全、油气管道泄漏以及建筑结构监测等领域具有广泛应用前景。目前研究最热门、使用最广泛的是基于光时域反射仪OTDR(OpticalTimeDomainReflectometer)的分布式光纤振动传感技术。它具有结构紧凑、解调算法简单、灵敏度高、定位准确等优点，根据传感原理不同又分为相位光时域反射仪、偏振光时域反射仪、布里渊光时域反射仪等。光时域反射仪是通过检测光纤中的背向散射光来探测加载在光纤上的外界信号。但是由于在普通光纤中的背向散射光信号功率非常低从而导致信号光的信噪比低，容易出现振动信号定位的误判，而且平均探测时间耗时过长，极大的限制了传感器的探测精度，灵敏度，频率响应范围等性能指标。特别是上述的前两种方式难以探测0Hz左右的准静态振动信号。
技术实现思路
针对以上缺陷，本专利技术提出一种基于相干相位检测的分布式光纤振动检测装置，旨在解决现有振动传感装置信噪比低，频率响应范围小，定位不准确的技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供一种基于相干相位检测的分布式光纤振动检测装置，包括：光源模块，用于产生连续窄线宽激光；光调制模块，其输入端与光源模块输出端连接，用于将连续窄线宽激光进行移频和调制处理，输出短脉冲光序列；传感光纤，刻写有弱反射布喇格光栅阵列，其输入端与光调制模块输出端连接，短脉冲光序列经过振动信号调制并由弱反射布喇格光栅阵列反射输出多个反射光子序列；相干光接收模块，其一输入端与光源模块输出端连接，另一输入端与传感光纤输出端连接，用于让连续窄线宽激光与多个反射光子序列发生干涉形成多个拍频光信号子序列，并将多个拍频光信号子序列由光信号转化为电信号，并输出多个拍频子序列；信号处理模块，其输入端与相干光接收模块的输出端连接，用于将多个拍频子序列进行相位解调获得各个位置振动信号。通过连续窄线宽激光的短脉冲光序列输入到传感光纤中的光栅阵列进行振动信号检测，返回反射光子序列，由于采用连续窄线宽激光的短脉冲光序列，每个短脉冲光的间隔可以足够小，能够实现高频率的振动信号的测量，由于采用布喇格光栅阵列增强背向散射光强度，信噪比高，返回的背向散射光脉冲序列与参考光能够产生拍频，同时使用互相关算法获取布拉格光栅阵列中相邻布喇格光栅之间区域的相位信息，再采用相位解缠算法还原出振动信号波形，振动信号波形还原速度快，在采集高频率的振动信号时能够实现实时还原振动信号，使得振动传感装置的频率响应范围大。振动信号的位置通过接收到的短脉冲子序列先后顺序获得，通过每个拍频电信号在拍频子序列中位置，确定每个拍频电信号对应的反射光在反射光序列位置，由反射光在反射光序列位置可以确定反射光对应光纤布喇格光栅，根据光纤布喇格光栅确定振动信号位置，使得振动信号定位准确。进一步地，光源模块包括：连续窄线宽激光器，用于输出连续窄线宽激光；光纤耦合器，其输入端与连续窄线宽激光器输出端连接，其第一输出端与光调制模块输入端连接，其第二输出端与相干光接收模块连接，用于将连续窄线宽激光分束为第一路连续窄线宽激光和第二路连续窄线宽激光。进一步地，光调制模块包括：声光调制器，其输入端与光纤耦合器的第一输出端连接，用于将第一路连续窄线宽激光进行移频处理和调制处理输出第一短脉冲光序列；掺铒光纤放大器，其输入端与声光调制器的输出端连接，用于对第一短脉冲光序列进行放大处理输出第二短脉冲光序列；窄线宽带通滤波器，其输入端与掺铒光纤放大器输出端连接，用于对第二短脉冲光序列进行去噪声处理，输出短脉冲光序列。进一步地，还包括环形器，其输入端与光调制模块输出端连接，第一输出端与传感光纤，第二输出端与相干光接收模块连接，实现短脉冲光序列与多个反射光子序列在传感光纤中双向传输。进一步地，相干光接收模块包括：相干光纤耦合器，其第一输入端与环形器第二输出端连接，其第二输入端与光纤耦合器第二输出端连接，用于使多个反射光子序列与第二路连续窄线宽激光发生干涉，形成多个拍频光信号子序列，并将多个拍频光信号子序列分束为第一路多个拍频光信号子序列和第二路多个拍频光信号子序列输出；平衡探测器，其第一输入端与相干光纤耦合器第一输出端连接，接收第一路多个拍频光信号子序列，其第二输入端与相干光纤耦合器第二输出端连接，接收第二路多个拍频光信号子序列，将第一路多个拍频光信号子序列和第二路多个拍频光信号子序列进行差分处理，获得放大后的多个拍频光信号子序列，并将放大后的多个拍频光信号子序列由光信号转化为电信号，输出多个拍频子序列。进一步地，弱反射布喇格光栅阵列中所有弱反射布喇格光栅等间隔分布。采用等间隔分布的弱反射布喇格光栅阵列便于根据拍频子序列定位获得振动信号的位置，加快信号处理模块解调振动信号的速度。进一步地，所有弱反射布喇格光栅反射波长相等，且连续窄线宽激光波长与弱反射布喇格光栅反射波长相同。进一步地，短脉冲光序列中每个短脉冲光的持续时间为两个相邻短脉冲光的间隔其中，n为光纤折射率，l为两相邻布喇格光栅的间距，c为光速；N为弱反射布喇格光栅阵列中弱反射布喇格光栅的数目。每个反射光信号子序列之间无重叠，则每个反射光信号子序列与连续窄线宽激光产生的拍频光信号子序列不重叠，提高信号处理模块对拍频电信号的解调速率，增大振动传感装置的响应频率范围。作为本专利技术的另一方面，本专利技术提供了一种分布式光纤振动传感装置的解调方法，包括如下步骤：(1)对第i个拍频子序列中第k个拍频和第i个拍频子序列中第k+1个拍频采用互相关法获得第i个拍频子序列中第k个拍频和第i个拍频子序列中第k+1个拍频的相位差；(2)将第i个拍频子序列中第k个拍频和第i个拍频子序列中第k+1个拍频的相位差进行相位解缠获得第i个拍频子序列中第k个拍频和第i个拍频子序列中第k+1个拍频的解缠后相位差，并将第i个拍频子序列中第k个拍频和第i个拍频子序列中第k+1个拍频的解缠后相位差作为第k个振动信号在第i个拍频子序列起始时刻的强度；(3)判断拍频次序k是否等于P-1，若是，进入步骤(4)；否则，令k＝k+1，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于相干相位检测的分布式光纤振动传感装置，其特征在于，包括：光源模块(1)，用于产生连续窄线宽激光；光调制模块(2)，其输入端与所述光源模块(1)输出端连接，用于将连续窄线宽激光进行移频和调制处理，输出短脉冲光序列；传感光纤(5)，刻写有弱反射布喇格光栅阵列，其输入端与所述光调制模块(2)输出端连接，短脉冲光序列经过振动信号调制并由弱反射布喇格光栅阵列反射输出多个反射光子序列；相干光接收模块(3)，其一输入端与所述光源模块(1)输出端连接，另一输入端与所述传感光纤(5)输出端连接，用于让连续窄线宽激光与多个反射光子序列发生干涉形成多个拍频光信号子序列，并将多个拍频光信号子序列由光信号转化为电信号，并输出多个拍频子序列；信号处理模块(4)，其输入端与相干光接收模块(3)的输出端连接，用于将多个拍频子序列进行相位解调获得各个位置振动信号。

【技术特征摘要】
1.一种基于相干相位检测的分布式光纤振动传感装置，其特征在于，包括：光源模块(1)，用于产生连续窄线宽激光；光调制模块(2)，其输入端与所述光源模块(1)输出端连接，用于将连续窄线宽激光进行移频和调制处理，输出短脉冲光序列；传感光纤(5)，刻写有弱反射布喇格光栅阵列，其输入端与所述光调制模块(2)输出端连接，短脉冲光序列经过振动信号调制并由弱反射布喇格光栅阵列反射输出多个反射光子序列；相干光接收模块(3)，其一输入端与所述光源模块(1)输出端连接，另一输入端与所述传感光纤(5)输出端连接，用于让连续窄线宽激光与多个反射光子序列发生干涉形成多个拍频光信号子序列，并将多个拍频光信号子序列由光信号转化为电信号，并输出多个拍频子序列；信号处理模块(4)，其输入端与相干光接收模块(3)的输出端连接，用于将多个拍频子序列进行相位解调获得各个位置振动信号。2.根据权利要求1所述的分布式光纤振动传感装置，其特征在于，所述的光源模块(1)包括：连续窄线宽激光器，用于输出连续窄线宽激光，光纤耦合器，其输入端与所述连续窄线宽激光器输出端连接，其第一输出端与所述光调制模块(2)输入端连接，其第二输出端与所述相干光接收模块(3)连接，用于将连续窄线宽激光分束为第一路连续窄线宽激光和第二路连续窄线宽激光。3.根据权利要求2所述的分布式光纤振动传感装置，其特征在于，所述的光调制模块(2)包括：声光调制器，其输入端与所述光纤耦合器的第一输出端连接，用于将第一路连续窄线宽激光进行移频处理和调制处理，输出第一短脉冲光序列；掺铒光纤放大器，其输入端与所述声光调制器的输出端连接，用于对所述第一短脉冲光序列进行放大处理，输出第二短脉冲光序列；窄线宽带通滤波器，其输入端与所述掺铒光纤放大器输出端连接，用于对第二短脉冲光序列进行去噪声处理，输出短脉冲光序列。4.根据权利要求2所述的分布式光纤振动传感装置，其特征在于，还包括环形器，其输入端与所述光调制模块(2)输出端连接，第一输出端与所述传感光纤(5)连接，第二输出端与所述相干光接收模块(3)连接，用于实现短脉冲光序列与多个反射光子序列在传感光纤(5)中双向传输。5.根据权利要求4所述的分布式光纤振动传感装置，其特征在于，所述相干光接收模块(3)包括：相干光纤耦合器，其第一输入端与所述环形器第二输出端连接，其第二输入端与所述光纤耦合器第二输出端连接，用于使多个反射光子序列与第二路...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙琪真，张威，艾凡，闫志君，汪静逸，刘德明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42