一种光纤振动信号检测装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种光纤振动信号检测装置与方法，装置包括窄带相干光源、光开关、光环形器、光纤传感阵列、第一光纤耦合器、延迟光纤、连接光纤、第二光纤耦合器、第一光克尔介质、第二光克尔介质、第三光纤耦合器、平衡探测器和数据采集与控制板卡。方法利用两个光克尔介质分别对两路干涉光进行非线性相移后再次进行干涉，进而通过信号采集与控制板卡控制光开关对窄带相干光源发出的窄带光进行调制，形成脉冲窄带光，通过采集平衡探测器的输出信号获取传感信号的大小。本发明专利技术实现了不采用有源放大器的情况下对传感信号的放大，提高了传感信号的相位灵敏度；提高了系统的响应度的同时降低了系统信号处理设备的复杂性，进而降低了系统成本。

Optical fiber vibration signal detection device and method

The invention discloses a fiber optic vibration signal detection device and method, device including narrowband coherent light source, optical switch, optical circulator, optical fiber sensor array, a first optical fiber coupler, optical fiber, optical fiber delay connection and second optical fiber coupler, a first light and second light medium Kerr Kerr medium, third optical fiber coupler, balance detector and data acquisition and control board. By using the method of two light Kerr media respectively on the two interfering light nonlinear phase shift again after interference, and optical switch to narrowband narrowband coherent light emitted by the light source is modulated by the signal acquisition and control board control, the formation of narrow band pulse light, obtain the sensing signal by collecting the output signal of sensor on the balance of the size. The invention realizes the amplification of the signal without using active amplifiers, improves the phase sensitivity of the sensor signal; improve the system response rate and reduce the complexity of system signal processing equipment, and reducing system cost.

【技术实现步骤摘要】
一种光纤振动信号检测装置与方法
本专利技术属于光纤传感
，具体涉及一种光纤振动信号检测装置与方法。
技术介绍
分布式振动检测在实际工程应用中具有很大的应用潜力与广阔市场。当前在大型结构健康监测、电力电缆安全监测，管道安全监测、周界安防等领域得到越来越广泛的应用。分布式光纤振动传感由于具有传感距离远，防电磁干扰等优点，相比于传统的电类传感系统具有独特优势。但是随着长距离管道、国界安防等超长距离的振动监测的迫切需求，需要对分布式光纤振动检测系统扩大传感距离。传统的延长分布式光纤传感距离方法有：采用EDFA放大光源输出光的功率，采用拉曼分布式放大系统在传感光缆上对信号进行分布式放大，采用弱光栅阵列增强反射光强度等。首先，基于EDFA放大技术的远程分布式光纤放大系统由于受到非线性效应和调制不稳定性的影响，限制了EDFA的最大输出功率，采用EDFA放大系统复杂成本也有一定提高；其次拉曼分布式放大系统远程分布式振动检测系统受到拉曼泵浦光的双端如光的影响，实际探测距离缩短了一半，而且全程放大增益不够均匀，而且拉曼放大的成本很高；再次，基于弱光栅阵列的分布式振动监测系统由于受到不同光栅之间串扰的影响，限制了光栅最大反射率。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，针对现有光纤分布式干涉型振动信号检测系统的信号放大存在的上述不足，提出了一种光纤振动信号检测装置与方法，利用光克尔介质的非线性性质，提高传感信号的相位灵敏度，实现了不采用有源放大器的情况下对传感信号的放大。本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种光纤分布式振动检测装置，它包括窄带相干光源、光开关、光环形器、光纤传感阵列、第一光纤耦合器、延迟光纤、连接光纤、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、平衡探测器和数据采集与控制板卡，窄带相干光源经光开关连接光环形器的第一端口；光环形器的第二端口连接光纤传感阵列，光纤环形器的第三端口与第一光纤耦合器的第一端口连接，第一光纤耦合器的第二端口经延迟光纤与第二光纤耦合器的第一端口连接，第一光纤耦合器的第三端口经连接光纤与第二光纤耦合器的第二端口连接；第二光纤耦合器的第三端口经第一光克尔介质与第三光纤耦合器的第一端口连接，第二光纤耦合器的第四端口经第二光克尔介质与第三光纤耦合器的第二端口连接；第三光纤耦合器的第三端口和第四端口分别连接到平衡探测器的第一输入口、第二输入口，平衡探测器的输出口与数据采集与控制板卡的第一端口连接，数据采集与控制板卡的第二端口连接到光开关的输入口。按上述方案，所述延迟光纤长度为光纤传感阵列上相邻弱反射单元间隔的2倍。按上述方案，所述第一光克尔介质和第二光克尔介质结构参数一致。按上述方案，所述窄带相干光源为半导体窄带激光器或窄带光纤激光器。按上述方案，所述光开关是电光调制器，或声光调制器，或半导体光放大器，或磁光开关，或电吸收调制器。按上述方案，所述光纤传感阵列为低反射率的布拉格光纤光栅阵列，或低反射率的反射镜阵列。本专利技术还提供了一种上述光纤振动信号检测装置实现振动信号检测的方法，包括以下步骤：1)窄带相干光源输出的窄带相干光经过光开光后调制成脉冲相干窄带光；2)脉冲相干窄带光入射到光纤环形器的第一端口，然后从光纤环形器的第二端口出射后耦合到由若干弱反射单元构成的光纤传感阵列；3)光纤传感阵列反射的脉冲相干窄带光返回到光纤环形器后，通过光纤环形器的第三端口出射后耦合到第一光纤耦合器的第一端口，通过第一光纤耦合器分成两束脉冲相干光，分别为第一脉冲相干光和第二脉冲相干光，第一脉冲相干光和第二脉冲相干光的电场E1、E2分别表示为和其中R为光纤传感阵列的弱反射单元的反射率，E为窄带相干光源出射光的电场，和分别为第一脉冲相干光和第二脉冲相干光的传输相移；第一脉冲相干光从第一光纤耦合器的第二端口出射后经过延迟光纤耦合到第二光纤耦合器的第一端口，第二脉冲相干光从第一光纤耦合器的第三端口出射后经过连接光纤入射到第二光纤耦合器的第二端口，第一脉冲相干光和第二脉冲相干光在第二光纤耦合器中发生干涉，通过第二光纤耦合器的第三端口输出光的电场E3和第四端口输出光的电场E4分别为：E3通过第一光克尔介质后入射到第三光纤耦合器的第一端口，E4通过第二光克尔介质后入射到第三光纤耦合器的第二端口，E3与E4在第三光纤耦合器中发生干涉，然后通过第三光纤耦合器的第三端口和第四端口输出电场为E5和E6的两束光，其中电场E5和电场E6分别为：其中，K是第一光克尔介质和第二光克尔介质的非线性系数，L是第一光克尔介质和第二光克尔介质的长度；4)第三光纤耦合器的第三端口输出光耦合到平衡探测器的第一输入口，第三光纤耦合器的第四端口输出光耦合到平衡探测器的第二输入口，两路光在平衡探测器中的响应I1,2为其中，I1取加号I2取减号，则平衡探测器的输出信号I为：其中，P0＝|E|2为光源的输入功率，第一光克尔介质、第二光克尔介质参数选择满足5)通过信号采集与控制板卡获取平衡探测器的输出信号I；6)通过信号采集与控制板卡控制光开关对窄带相干光源发出的窄带光进行调制，形成脉冲窄带光，通过脉冲往返时间定位传感信号对应反射单元的位置，通过采集平衡探测器的输出信号I获取传感信号的大小。按上述方案，所述步骤2)中，脉冲相干窄带光的波长在光纤传感阵列上的弱反射单元的反射谱区中间。按上述方案，所述步骤3)中，延迟光纤长度为光纤传感阵列上相邻弱反射单元间隔的2倍。本专利技术的有益效果为：1、采用两个光克尔介质对两路干涉光分别进行非线性相移后再次进行干涉，利用光克尔介质的非线性性质，提高了干涉传感信号的相位灵敏度，实现了不采用有源放大器的情况下对传感信号的放大；2、由于不需要采用传统的光学放大器，提高了系统的响应度与传感距离，降低系统信号处理设备的复杂性，也进一步降低了系统成本。附图说明图1为本专利技术实施例光纤分布式振动检测装置的结构示意图；图中：1-窄带相干光源，2-光开关，3-光环形器，301-光环形器的第一端口，302-光环形器的第二端口，303-光环形器的第三端口，4-弱反射单元，5-光纤传感阵列，6-第一光纤耦合器，601-第一光纤耦合器的第一端口，602-第一光纤耦合器的第二端口，603-第一光纤耦合器的第三端口，7-延迟光纤，8-连接光纤，9-第二光纤耦合器，901-第二光纤耦合器的第一端口，902-第二光纤耦合器的第二端口，903-第二光纤耦合器的第三端口，904-第二光纤耦合器的第四端口，10-第一光克尔介质，11-第二光克尔介质，12-第三光纤耦合器，121-第三光纤耦合器的第一端口，122-第三光纤耦合器的第二端口，123-第三光纤耦合器的第三端口，124-第三光纤耦合器的第四端口，13-平衡探测器，131-平衡探测器的第一输入口，132-平衡探测器的第二输入口，133-平衡探测器的输出口，14-信号采集与控制板卡，141-信号采集与控制卡的第一端口，142-信号采集与控制卡的第二端口。具体实施方式以下结合附图及实施例对本专利技术的原理和特征进一步的描述。如图1所示，本专利技术实施例所述的光纤分布式振动检测装置，它包括窄带相干光源1、光开关2、光环形器3、光纤传感阵列5、第一光纤耦合器6、延迟光纤7、连接光纤8、第二光纤耦合器9、第三光纤耦合器12、平衡探本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤分布式振动检测装置，其特征在于，它包括窄带相干光源、光开关、光环形器、光纤传感阵列、第一光纤耦合器、延迟光纤、连接光纤、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、平衡探测器和数据采集与控制板卡，窄带相干光源经光开关连接光环形器的第一端口；光环形器的第二端口连接光纤传感阵列，光纤环形器的第三端口与第一光纤耦合器的第一端口连接，第一光纤耦合器的第二端口经延迟光纤与第二光纤耦合器的第一端口连接，第一光纤耦合器的第三端口经连接光纤与第二光纤耦合器的第二端口连接；第二光纤耦合器的第三端口经第一光克尔介质与第三光纤耦合器的第一端口连接，第二光纤耦合器的第四端口经第二光克尔介质与第三光纤耦合器的第二端口连接；第三光纤耦合器的第三端口和第四端口分别连接到平衡探测器的第一输入口、第二输入口，平衡探测器的输出口与数据采集与控制板卡的第一端口连接，数据采集与控制板卡的第二端口连接到光开关的输入口。

【技术特征摘要】
1.一种光纤分布式振动检测装置，其特征在于，它包括窄带相干光源、光开关、光环形器、光纤传感阵列、第一光纤耦合器、延迟光纤、连接光纤、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、平衡探测器和数据采集与控制板卡，窄带相干光源经光开关连接光环形器的第一端口；光环形器的第二端口连接光纤传感阵列，光纤环形器的第三端口与第一光纤耦合器的第一端口连接，第一光纤耦合器的第二端口经延迟光纤与第二光纤耦合器的第一端口连接，第一光纤耦合器的第三端口经连接光纤与第二光纤耦合器的第二端口连接；第二光纤耦合器的第三端口经第一光克尔介质与第三光纤耦合器的第一端口连接，第二光纤耦合器的第四端口经第二光克尔介质与第三光纤耦合器的第二端口连接；第三光纤耦合器的第三端口和第四端口分别连接到平衡探测器的第一输入口、第二输入口，平衡探测器的输出口与数据采集与控制板卡的第一端口连接，数据采集与控制板卡的第二端口连接到光开关的输入口。2.根据权利要求1所述的光纤分布式振动检测装置，其特征在于，所述延迟光纤长度为光纤传感阵列上相邻弱反射单元间隔的2倍。3.根据权利要求1所述的光纤分布式振动检测装置，其特征在于，所述第一光克尔介质和第二光克尔介质参数一致。4.根据权利要求1所述的光纤分布式振动检测装置，其特征在于，所述窄带相干光源为半导体窄带激光器或窄带光纤激光器。5.根据权利要求1所述的光纤分布式振动检测装置，其特征在于，所述光开关是电光调制器，或声光调制器，或半导体光放大器，或磁光开关，或电吸收调制器。6.根据权利要求1所述的光纤分布式振动检测装置，其特征在于，所述光纤传感阵列为低反射率的布拉格光纤光栅阵列，或低反射率的反射镜阵列。7.一种根据上述权利要求1～6任一项所述的光纤振动信号检测装置实现振动信号检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)窄带相干光源输出的窄带相干光经过光开光后调制成脉冲相干窄带光；2)脉冲相干窄带光入射到光纤环形器的第一端口，然后从光纤环形器的第二端口出射后耦合到由若干弱反射单元构成的光纤传感阵列；3)光纤传感阵列反射的脉冲相干窄带光返回到光纤环形器后，通过光纤环形器的第三端口出射后耦合到第...

【专利技术属性】
技术研发人员：许儒泉，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42