基于双光纤光栅阵列的振动监测系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于双光纤光栅阵列的振动监测系统，窄线宽激光器、脉冲光调制器、脉冲光放大器和光滤波器依次连接，光滤波器的输出端连接环形器的第一通信端，环形器的第二通信端连接耦合器的前侧第一通信端，耦合器的后侧第一通信端打结停用，环形器的第三通信端连接嵌入式信号处理器的第一信号输入端，耦合器的前侧第二通信端连接嵌入式信号处理器的第二信号输入端，耦合器的前侧第三通信端连接嵌入式信号处理器的第三信号输入端，耦合器的后侧第二通信端连接双光纤光栅阵列的第一光纤，耦合器的后侧第三通信端连接双光纤光栅阵列的第二光纤。本发明专利技术在不增加硬件成本的前提下，更真实的还原振动信号。

【技术实现步骤摘要】
基于双光纤光栅阵列的振动监测系统及方法
本专利技术涉及光纤光栅传感
，具体涉及一种基于双光纤光栅阵列的振动监测系统及方法。
技术介绍
随着振动传感监测技术的发展，工程上对振动信号的监测不断提出了高精度、高灵敏度的测试要求，对振动信号进行长时监测已经成为工程界的目标之一，研发高性能的振动监测系统势在必行。光纤光栅传感技术的出现，与振动监测技术的需求不谋而合，相比于传统的机械式、压电式、磁电式等传感器，光纤光栅传感器具有体积小、质量轻、柔性好、抗电磁干扰能力强、精度高、动态范围宽等一系列优点，能实现高分辨能力、高信噪比、高可信度、长期稳定的实时监测功能，在石油、土木、海洋、航空、航天、机械等领域中具有广阔的应用前景。传统的分布式光纤振动传感方法分为基于瑞利散射以及光纤光栅反射两种，其中光纤光栅反射的分布式振动信号因其信噪比高，灵敏度高，对温度容忍能力强等优势被广泛应用。基于光纤光栅的分布式振动监测方法是将振动引起的相邻两个光栅之间全部光纤长度的变化转化为干涉光信号的相位变化，从而对干涉信号的相位解调得到振动信号。理论上分析，光栅间的光纤越长，对外界的感知能力越强，系统的灵敏度越高。但是在实际应用中，由于光纤上每一小段上长度的变化都将引起干涉信号的相位变化，最终得到的相位变化是光栅间整段光纤上长度变化的累加，当振动波信号传到光纤上的每个点时，该点处的响应会随距离产生延迟，因此检测到的信号会出现振动抵消的可能性。随着光纤长度的增加，外界噪声对光纤长度的影响远远大于振动源的影响，从而造成系统的信噪比变差。光源的频率不稳定性引入的相位噪声也会随光纤长度的增长而增加。为避免上述情况的发生，可以降低光栅之间的间隔，然而这种方法又会受到诸如脉冲信号的脉宽、硬件电路的带宽、信号采集的采样率、数据传输的速率等硬件电路限制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于双光纤光栅阵列的振动监测系统及方法，本专利技术在不增加硬件成本的前提下，更真实的还原振动信号，提高系统信噪比，同时利用嵌入式系统在信号采集的过程中进行数据的预处理提高系统的动态范围。为解决上述技术问题，本专利技术所设计的基于双光纤光栅阵列的振动监测系统，其特征在于：它包括窄线宽激光器、脉冲光调制器、脉冲光放大器、光滤波器、环形器、耦合器、双光纤光栅阵列和嵌入式信号处理器，其中，窄线宽激光器的连续光信号输出端连接脉冲光调制器的输入端，脉冲光调制器的脉冲光信号输出端连接脉冲光放大器的输入端，脉冲光放大器的输出端连接光滤波器的输入端，光滤波器的输出端连接环形器的第一通信端，环形器的第二通信端连接耦合器的前侧第一通信端，耦合器的后侧第一通信端打结停用，环形器的第三通信端连接嵌入式信号处理器的第一信号输入端，耦合器的前侧第二通信端连接嵌入式信号处理器的第二信号输入端，耦合器的前侧第三通信端连接嵌入式信号处理器的第三信号输入端，耦合器的后侧第二通信端连接双光纤光栅阵列的第二光纤光栅阵列，耦合器的后侧第三通信端连接双光纤光栅阵列的第二光纤光栅阵列。上述技术方案中，所述耦合器用于将输入的滤波后的脉冲信号分成三路功率相等的光信号，其中的两路光分别进入第一光纤光栅阵列和第二光纤光栅阵列，两路光在第一光纤光栅阵列和第二光纤光栅阵列中分别遇到各个光纤布拉格光栅发生反射，两路反射的光信号在耦合器中干涉后形成反射光干涉信号，耦合器将反射光干涉信号分成三路反射光干涉信号，第一路反射光干涉信号通过环形器5传输并经过光电转换(通过光电转换器实现光电转换，光电转换器由光电二极管、低噪声精密运放等组成，带宽80MHz)后传输给嵌入式信号处理器的第一信号输入端，第二路反射光干涉信号经过光电转换后传输给嵌入式信号处理器的第二信号输入端，第三路反射光干涉信号经过光电转换后传输给嵌入式信号处理器7的第三信号输入端。所述双光纤光栅阵列由两条紧密贴合的啁啾光纤光栅传感网络组成，两条光纤上均刻有m个等间隔的光纤布拉格光栅，每条光纤上相邻两个光纤布拉格光栅之间的间距为L，将两条光纤上的光纤布拉格光栅分别按同样的编号顺序进行编号，两条光纤上编号相同的两个光纤布拉格光栅之间的间距均为l，两条光纤上编号相同两个光纤布拉格光栅之间的部分视为一个振动探测点，并且双光纤光栅阵列中共有m个探测点。一种上述系统的双光纤光栅阵列振动监测方法，其特征在于，它包括如下步骤：步骤1：窄线宽激光器发出连续光，经脉冲光调制器调制后形成脉宽为t，周期为T的脉冲光信号，其中，脉宽t和周期T满足如下公式：该公式中，m为双光纤光栅阵列中的探测点个数，n为光纤纤芯折射率，c为真空中的光速，l为两条光纤上编号相同两个光纤布拉格光栅之间的间距，L为相邻两个光纤布拉格光栅之间的间距；步骤2：脉冲光调制器调制的脉冲光信号，经脉冲光放大器进行功率放大，输入光滤波器后滤除放大后的脉冲光信号中的光噪声；步骤3：经过滤波后的脉冲光信号通过环形器进入耦合器，耦合器将经过滤波后的脉冲光信号分为三路功率相等的光信号，其中一路光信号对应的输出端尾端打结停用，另外两路光信号分别进入双光纤光栅阵列中的第一光纤光栅阵列和第二光纤光栅阵列；步骤4：两路光信号进入双光纤光栅阵列后，遇到各个光纤布拉格光栅发生反射，两路反射的光信号在耦合器中干涉后形成反射光干涉信号，耦合器将反射光干涉信号分成三路存在相位差的反射光干涉信号，第一路反射光干涉信号通过环形器传输并经过光电转换后传输给嵌入式信号处理器的第一信号输入端，第二路反射光干涉信号经过光电转换后传输给嵌入式信号处理器的第二信号输入端，第三路反射光干涉信号经过光电转换后传输给嵌入式信号处理器的第三信号输入端；步骤5：嵌入式信号处理器用于通过采集到的三路反射光干涉叠加信号判断两路反射光信号的到达的时间，并利用光时域反射技术进行得到双光纤光栅阵列中振动事件发生的空间位置，并通过相位解调算法可以得到各探测点的相位变化，进而实现振动信号的还原。本专利技术相比于传统的分布式光纤振动监测技术，本专利技术提出利用双光纤光栅阵列，在不改变硬件电路的前提下，把传统的线式传感转变为点式传感，有效地避免了外界环境扰动对传输光纤的干扰以及光源频率不稳定性带来的相位噪声，可以更真实地还原信号，提高了空间定位分辨率，改善了系统信噪比，减少了相位跳变引起的信号失真。附图说明图1为本专利技术所述方法的整体结构框图；图2为本专利技术所述双光纤光栅阵列的局部细节图；图3为本专利技术所述方法光信号干涉原理。其中，1—窄线宽激光器、2—脉冲光调制器、3—脉冲光放大器、4—光滤波器、5—环形器、6—耦合器、7—嵌入式信号处理器、8—双光纤光栅阵列、9—光电转换器。具体实施方式以下结合具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明：本专利技术所设计的一种基于双光纤光栅阵列的振动监测系统，如图1所示，它包括窄线宽激光器1、脉冲光调制器2、脉冲光放大器3、光滤波器4、环形器5、耦合器6、嵌入式信号处理器7和双光纤光栅阵列8，其中，窄线宽激光器1的连续光信号输出端连接脉冲光调制器2的输入端，脉冲光调制器2的脉冲光信号输出端连接脉冲光放大器3的输入端，脉冲光放大器3的输出端连接光滤波器4的输入端，光滤波器4的输出端连接环形器5的第一通信端，环形器5的第二通信端连接耦合器6的前侧第一通信端，耦合器6的后侧第一通信端打结停用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双光纤光栅阵列的振动监测系统，其特征在于：它包括窄线宽激光器(1)、脉冲光调制器(2)、脉冲光放大器(3)、光滤波器(4)、环形器(5)、耦合器(6)、嵌入式信号处理器(7)和双光纤光栅阵列(8)，其中，窄线宽激光器(1)的连续光信号输出端连接脉冲光调制器(2)的输入端，脉冲光调制器(2)的脉冲光信号输出端连接脉冲光放大器(3)的输入端，脉冲光放大器(3)的输出端连接光滤波器(4)的输入端，光滤波器(4)的输出端连接环形器(5)的第一通信端，环形器(5)的第二通信端连接耦合器(6)的前侧第一通信端，耦合器(6)的后侧第一通信端打结停用，环形器(5)的第三通信端连接嵌入式信号处理器(7)的第一信号输入端，耦合器(6)的前侧第二通信端连接嵌入式信号处理器(7)的第二信号输入端，耦合器(6)的前侧第三通信端连接嵌入式信号处理器(7)的第三信号输入端，耦合器(6)的后侧第二通信端连接双光纤光栅阵列(8)的第一光纤光栅阵列，耦合器(6)的后侧第三通信端连接双光纤光栅阵列(8)的第二光纤光栅阵列。

【技术特征摘要】
1.一种基于双光纤光栅阵列的振动监测系统，其特征在于：它包括窄线宽激光器(1)、脉冲光调制器(2)、脉冲光放大器(3)、光滤波器(4)、环形器(5)、耦合器(6)、嵌入式信号处理器(7)和双光纤光栅阵列(8)，其中，窄线宽激光器(1)的连续光信号输出端连接脉冲光调制器(2)的输入端，脉冲光调制器(2)的脉冲光信号输出端连接脉冲光放大器(3)的输入端，脉冲光放大器(3)的输出端连接光滤波器(4)的输入端，光滤波器(4)的输出端连接环形器(5)的第一通信端，环形器(5)的第二通信端连接耦合器(6)的前侧第一通信端，耦合器(6)的后侧第一通信端打结停用，环形器(5)的第三通信端连接嵌入式信号处理器(7)的第一信号输入端，耦合器(6)的前侧第二通信端连接嵌入式信号处理器(7)的第二信号输入端，耦合器(6)的前侧第三通信端连接嵌入式信号处理器(7)的第三信号输入端，耦合器(6)的后侧第二通信端连接双光纤光栅阵列(8)的第一光纤光栅阵列，耦合器(6)的后侧第三通信端连接双光纤光栅阵列(8)的第二光纤光栅阵列。2.根据权利要求1所述的基于双光纤光栅阵列的振动监测系统，其特征在于：所述耦合器(6)用于将输入的滤波后的脉冲信号分成三路功率相等的光信号，其中的两路光分别进入第一光纤光栅阵列和第二光纤光栅阵列，两路光在第一光纤光栅阵列和第二光纤光栅阵列中分别遇到各个光纤布拉格光栅发生反射，两路反射的光信号在耦合器(6)中干涉后形成反射光干涉信号，耦合器(6)将反射光干涉信号分成三路反射光干涉信号，第一路反射光干涉信号通过环形器(5)传输并经过光电转换后传输给嵌入式信号处理器(7)的第一信号输入端，第二路反射光干涉信号经过光电转换后传输给嵌入式信号处理器(7)的第二信号输入端，第三路反射光干涉信号经过光电转换后传输给嵌入式信号处理器(7)的第三信号输入端。3.根据权利要求2所述的基于双光纤光栅阵列的振动监测系统，其特征在于：所述嵌入式信号处理器(7)用于通过采集到的三路反射光干涉叠加信号判断两路反射光信号的到达的时间，并利用光时域反射技术进行得到双光纤光栅阵列(8)中振动事件发生的空间位置，并通过相位解调算法可以得到各探测点的相位变化，进而实现振动信号的还原。4.根据权利要求1所述的基于双光纤光栅阵列的振动监测系统，其特征在于：所述耦合器(6)为3×3的熔融拉锥型耦合器，所述耦合器(6)的耦合系数大小相等|κ12|＝|κ23|＝|κ31|，耦合器(6)中三根光纤的相位因子相同，其中，耦合器(6)前侧第一通信端与后侧第二通信端之间的耦合系数为|κ12|，耦合器(6)前侧第二通信端与后侧第三通信端之间的耦合系数为|κ23|，耦合器(6)前侧第三通信端与后侧第一通信端之间的耦合系数为|κ31|。5.根据权利要求1所述的基于双光纤光栅阵列的振动监测系统，其特征在于：所述脉冲光放大器(3)为脉冲型掺铒光纤放大器，所述光滤波器(4)为窄带光滤波器。6.根据权利要求1所述的基于双光纤光栅阵列的振动监测系统，其特征在于：所述耦合器(6)的输出光强比为1:1:1，且每两路之间具有相同的相位差2π/3。...

【专利技术属性】
技术研发人员：李政颖，王加琪，王洪海，刘佳佩，王立新，姜德生，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42