一种相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置及方法制造方法及图纸

本公开提供了一种相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置及方法，包括信号发生器、激光器、隔离器、光纤耦合器、芯轴式振动探头、反馈控制模块、相位延迟补偿模块和驱动器、相位控制器、法拉第旋镜、光电探测器、相位解调模块、滤波器和处理器；本公开利用反馈控制模块、相位延迟补偿模块、驱动器、相位控制器组成的反馈回路，控制光纤干涉仪参考臂的光纤长度变化，改变了超低频振动测量系统的响应特性，提高了系统对超低频特环境振动的测量灵敏度；在闭环控制系统基础上，带反馈的相位信息经过滤波器实现滤波处理，提高了振动测量精度，改善了工作频带内的平坦度。

A kind of phase feedback control optical fiber interference ultra-low frequency vibration measuring device and method

【技术实现步骤摘要】
一种相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置及方法
本公开涉及振动测量
，特别涉及一种相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置及方法。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
，并不必然构成现有技术。现代地震仪通过探测地震波，得到地震记录来研究震源、地球内部结构和地震波本身，并实现临震预报。但是，传统的地震波探测系统普遍存在着灵敏度低、动态范围小、漏电、供电困难等问题，限制了地震预报技术的发展。鉴于光纤传感技术耐腐蚀、抗电磁干扰、动态范围大、工作频带宽、灵敏度高、绝缘性好、利于组网及长距离传输等优点，光纤振动仪可以明显解决传统电动式地震仪的应用难题。目前，光纤振动仪主要包括光纤光栅类和光纤干涉类，前者利用光纤光栅测量环境振动，但由于动态范围小，灵敏度低，且无法测量长周期信号，一直未成功应用到自然地震监测中；后者采用非平衡迈克尔逊光纤干涉仪将环境振动转化为干涉仪相位变化。干涉仪输出的信号经过光电转换后，用采集卡转换为数字信号输入计算机，最后利用相位解调装置，得到与被测振动有关的相位信息，可以实现超低频振动信号的测量，代表了新一代地震仪的发展方向。本公开专利技术人发现，现有的光纤干涉振动测量装置及方法，虽然相比较于传统电动式甚宽频地震仪具有诸多应用优势，但受激光器相位噪声水平的制约，其加速度最小可测水平在超低频范围内(低于0.1Hz)高于地球低背景噪声模型(NLNM)，使系统工作频带下限的截止频率较高，很难测量到超低频的自然地震信号。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置及方法，实现了自然地震的无源、高灵敏度和高精度测量。为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：本公开第一方面提供了一种相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置。一种相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置，包括信号发生器、激光器、隔离器、光纤耦合器、芯轴式振动探头、相位控制器、法拉第旋镜、光电探测器、相位解调模块、滤波器和处理器；所述信号发生器输出三路信号，分别为调频信号、一倍频信号和二倍频信号，调频信号传输给激光器，所述激光器产生带有波长调制的窄线宽连续光通过隔离器后传输到光纤耦合器的第一端口；光纤耦合器的第三端口和第四端口分别连接传感臂光纤和参考臂光纤，传感臂光纤分为不敏感部分和敏感部分，不敏感部分光纤作为光信号的传输介质，敏感部分光纤缠绕在芯轴式振动探头上用于感知环境振动；参考臂光纤分为不敏感部分和敏感部分，不敏感部分光纤仅作为光信号的传输介质，敏感部分光纤缠绕在相位控制器上，实现参考臂光纤轴向长度变化的检测；光纤耦合器的第三端口和第四端口接收传感臂和参考臂返回的光信号，并在第二端口形成干涉光，输出给光电探测器；光电探测器将干涉光信号转化为干涉电信号，输出给相位解调模块，相位解调模块利用输入的一倍频信号、二倍频信号和干涉电信号，解调得到能够反映环境振动的相位信号，并通过滤波器滤波后传输给处理器；处理器根据输入的相位信号以及相位信号相对于环境振动的响应特性，计算得到环境振动的速度、加速度和位移测量数据。作为可能的一些实现方式，所述芯轴式振动探头缠绕有传感光纤，将环境振动转化为传感光纤的轴向长度变化，所述芯轴式振动探头内置法拉第旋镜，连接在传感光纤的末端，用于使传感臂光信号反射回光纤耦合器。作为可能的一些实现方式，所述压电陶瓷光纤拉伸器连接有法拉第旋镜，用于使参考臂光信号反射回光纤耦合器。作为可能的一些实现方式，还包括反馈控制模块、相位延迟补偿模块和驱动器；光电探测器将干涉光信号转化为干涉电信号并输出给反馈控制模块，反馈控制模块根据环境振动的测量需求输出反馈信号给相位延迟补偿模块；相位延迟补偿模块用来补偿相位解调模块和反馈控制模块引起的相位延迟，使反馈信号和相位信号同步，输出延迟补偿后的反馈信号给驱动器；驱动器针对参考臂的相位控制器特性，产生合适的驱动信号给相位控制器，使相位控制器引起的参考臂光纤轴向长度变化与延迟补偿后的反馈信号在工作频带内呈现幅度和相位平坦响应特征。作为进一步的限定，所述芯轴式振动探头、光纤耦合器、光电探测器、相位解调模块、反馈控制模块、相位延迟补偿模块、驱动器、相位控制器和法拉第旋镜组成以环境振动为输入、以相位信号为输出的闭环控制系统；所述反馈控制模块、相位延迟补偿模块、驱动器、相位控制器组成上述闭环控制系统的反馈回路。作为可能的一些实现方式，所述滤波器用于对相位信号进行进一步滤波处理，滤除非工作频带的噪声，改善工作频带内的平坦度；作为可能的一些实现方式，所述调频信号的角频率为ωc，一倍频信号和二倍频信号相位同步，角频率分别为ωc和2ωc，且与调频信号之间存在固定的相位延迟作为可能的一些实现方式，所述隔离器的输出光送给光纤耦合器的第一端口，用于隔离激光器与后面光纤链路，防止光纤耦合器第一端口的反射光影响激光器的稳定性。作为可能的一些实现方式，所述相位控制器为压电陶瓷光纤拉伸器，敏感部分光纤放置在压电陶瓷光纤拉伸器内部，所述驱动器为压电陶瓷驱动器。本公开第二方面提供了一种相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置。一种相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置，包括包括信号发生器、激光器、隔离器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、盘片式振动探头、相位控制器、光电探测器、相位解调模块、滤波器和处理器；所述信号发生器输出三路信号，分别为调频信号、一倍频信号和二倍频信号，调频信号传输给激光器，所述激光器产生带有波长调制的窄线宽连续光通过隔离器后传输到第一光纤耦合器的第一端口；第一光纤耦合器的第三端口和第四端口分别连接传感臂光纤和参考臂光纤，传感臂光纤分为不敏感部分和敏感部分，不敏感部分光纤作为光信号的传输介质，敏感部分光纤缠绕在盘片式振动探头上，感知环境振动，并将光信号传输给第二光纤耦合器；参考臂光纤分为不敏感部分和敏感部分，不敏感部分光纤仅作为光信号的传输介质，敏感部分光纤缠绕在相位控制器上，实现参考臂光纤轴向长度变化的检测，并将光信号传输给第二光纤耦合器；第二光纤耦合器的第一端口和第二端口接收传感臂和参考臂返回的光信号，并在第四端口形成干涉光，输出给光电探测器；光电探测器将干涉光信号转化为干涉电信号，输出给相位解调模块，相位解调模块利用输入的一倍频信号、二倍频信号和干涉电信号，解调得到能够反映环境振动的相位信号，并通过滤波器滤波后传输给处理器；处理器根据输入的相位信号以及相位信号相对于环境振动的响应特性，计算得到环境振动的速度、加速度和位移测量数据。作为可能的一些实现方式，还包括反馈控制模块、相位延迟补偿模块和驱动器；光电探测器将干涉光信号转化为干涉电信号并输出给反馈控制模块，反馈控制模块根据环境振动的测量需求输出反馈信号给相位延迟补偿模块；相位延迟补偿模块用来补偿相位解调模块和反馈控制模块引起的相位延本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置，其特征在于，包括信号发生器、激光器、隔离器、光纤耦合器、芯轴式振动探头、相位控制器、光电探测器、相位解调模块、滤波器和处理器；/n所述信号发生器输出三路信号，分别为调频信号、一倍频信号和二倍频信号，调频信号传输给激光器，所述激光器产生的连续光通过隔离器后传输到光纤耦合器的第一端口；/n光纤耦合器的第三端口和第四端口分别连接传感臂光纤和参考臂光纤，传感臂光纤分为不敏感部分和敏感部分，不敏感部分光纤作为光信号的传输介质，敏感部分光纤缠绕在芯轴式振动探头上用于感知环境振动；参考臂光纤分为不敏感部分和敏感部分，不敏感部分光纤仅作为光信号的传输介质，敏感部分光纤缠绕在相位控制器上，实现参考臂光纤轴向长度变化的检测；/n光纤耦合器的第三端口和第四端口接收传感臂和参考臂返回的光信号，并在第二端口形成干涉光，输出给光电探测器；光电探测器将干涉光信号转化为干涉电信号，输出给相位解调模块，相位解调模块利用输入的一倍频信号、二倍频信号和干涉电信号，解调得到能够反映环境振动的相位信号，并通过滤波器滤波后传输给处理器；/n处理器根据输入的相位信号以及相位信号相对于环境振动的响应特性，计算得到环境振动的速度、加速度和位移测量数据。/n...

【技术特征摘要】
1.一种相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置，其特征在于，包括信号发生器、激光器、隔离器、光纤耦合器、芯轴式振动探头、相位控制器、光电探测器、相位解调模块、滤波器和处理器；
所述信号发生器输出三路信号，分别为调频信号、一倍频信号和二倍频信号，调频信号传输给激光器，所述激光器产生的连续光通过隔离器后传输到光纤耦合器的第一端口；
光纤耦合器的第三端口和第四端口分别连接传感臂光纤和参考臂光纤，传感臂光纤分为不敏感部分和敏感部分，不敏感部分光纤作为光信号的传输介质，敏感部分光纤缠绕在芯轴式振动探头上用于感知环境振动；参考臂光纤分为不敏感部分和敏感部分，不敏感部分光纤仅作为光信号的传输介质，敏感部分光纤缠绕在相位控制器上，实现参考臂光纤轴向长度变化的检测；
光纤耦合器的第三端口和第四端口接收传感臂和参考臂返回的光信号，并在第二端口形成干涉光，输出给光电探测器；光电探测器将干涉光信号转化为干涉电信号，输出给相位解调模块，相位解调模块利用输入的一倍频信号、二倍频信号和干涉电信号，解调得到能够反映环境振动的相位信号，并通过滤波器滤波后传输给处理器；
处理器根据输入的相位信号以及相位信号相对于环境振动的响应特性，计算得到环境振动的速度、加速度和位移测量数据。


2.如权利要求1所述的相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置，其特征在于，还包括反馈控制模块、相位延迟补偿模块和驱动器；
光电探测器将干涉光信号转化为干涉电信号并输出给反馈控制模块，反馈控制模块根据环境振动的测量需求输出反馈信号给相位延迟补偿模块；
相位延迟补偿模块用来补偿相位解调模块和反馈控制模块引起的相位延迟，使反馈信号和相位信号同步，输出延迟补偿后的反馈信号给驱动器；
驱动器针对参考臂的相位控制器特性，产生合适的驱动信号给相位控制器，使相位控制器引起的参考臂光纤轴向长度变化与延迟补偿后的反馈信号在工作频带内呈现幅度和相位平坦响应特征。


3.如权利要求2所述的相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置，其特征在于，所述芯轴式振动探头、光纤耦合器、光电探测器、相位解调模块、反馈控制模块、相位延迟补偿模块、驱动器、相位控制器和法拉第旋镜组成以环境振动为输入、以相位信号为输出的闭环控制系统；
所述反馈控制模块、相位延迟补偿模块、驱动器、相位控制器组成上述闭环控制系统的反馈回路。


4.如权利要求1所述的相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置，其特征在于，所述滤波器用于对相位信号进行进一步滤波处理，滤除非工作频带的噪声，改善工作频带内的平坦度；
或者，
所述调频信号的角频率为ωc，一倍频信号和二倍频信号相位同步，角频率分别为ωc和2ωc，且与调频信号之间存在固定的相位延迟
或者，
所述隔离器的输出光送给光纤耦合器的第一端口，用于隔离激光器与后面光纤链路，防止光纤耦合器第一端口的反射光影响激光器的稳定性；
或者，
所述相位控制器为压电陶瓷光纤拉伸器，敏感部分光纤放置在压电陶瓷光纤拉伸器内部，所述驱动器为压电陶瓷驱动器；
或者，
所述芯轴式振动探头缠绕有传感光纤，将环境振动转化为传感光纤的轴向长度变化，所述芯轴式振动探头内置法拉第旋镜，连接在传感光纤的末端，用于使传感臂光信号反射回光纤耦合器；
或者，
所述压电陶瓷光纤拉伸器连接有法拉第旋镜，用于使参考臂光信号反射回光纤耦合器。


5.一种相位反馈控制的光纤干涉超低频振动测量装置，其特征在于，包括包括信号发生器、激光器、隔离器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、盘片式振动探头、相位控制器、光电探测器、相位解调模块、滤波器和处理器；
所述信号发生器输出三路信号，分别为调频信号、一倍频信号和二倍频信号，调频信号传输给激光器，所述激光器产生带有波长调制的窄线宽连续光通过隔离器后传输到第一光纤耦合器的第一端口...

【专利技术属性】
技术研发人员：常天英，王忠民，崔洪亮，于淼，杨悦，
申请(专利权)人：珠海任驰光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44