光纤振动检测系统及其方法技术方案

本申请提供一种光纤振动检测系统及其方法。光纤振动检测系统包括啁啾脉冲光源、双向耦合器、光纤部分反射点对、光电探测器及信号采集处理模块，啁啾脉冲光源用于产生啁啾脉冲光序列，啁啾脉冲光源的输出端连接双向耦合器的输入端，双向耦合器的第一输出端连接光纤部分反射点对的输入端，光纤部分反射点对中的两部分反射点用于对啁啾脉冲光分别进行反射以产生相互时延的两个反射光脉冲，双向耦合器的第二输出端连接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端连接信号采集处理模块，信号采集处理模块用于采集相互时延的两个反射光脉冲干涉产生的拍频干涉信号，求解拍频干涉信号的相位，并通过拍频干涉信号的相位来解调获得光纤振动信息。振动信息。振动信息。

【技术实现步骤摘要】
光纤振动检测系统及其方法


[0001]本申请涉及光纤传感检测
，尤其涉及一种光纤振动检测系统及其方法。

技术介绍

[0002]振动现象在自然界和人类生产活动中随处可见。在大型土木工程结构、航空航天、机械制造等领域，结构体在长期使用过程中可能产生不同程度的损伤，影响其使用寿命，甚至可能导致严重的人身事故和经济损失。在这些结构体中，振动情况通常可以反映其是否安全稳定运行，因此，振动的检测对保证系统的健康状态、实现快速及时的设备维护具有重要意义。除此之外，在地震勘探和管道运输等领域中，振动检测也有广泛应用，对人民生命安全和经济活动做出贡献。在航空发动机的运行过程中，其振动频率范围涵盖几赫兹到几千赫兹以上，因此需要实现高速、宽动态范围的振动测量。
[0003]光纤传感器具有固有体积小、重量轻、抗电磁干扰、传感距离长等特性，因此成为一些应用场景中不可替代的传感解决方案。光纤振动传感器作为光纤传感器的一类，已得到了广泛的研究和应用。根据工作原理的不同，光纤振动传感器主要可以分为强度解调、干涉解调以及波长解调几类。干涉型光纤振动传感器基于光的干涉原理，利用外界环境的振动引起光纤中传输光的相位变化实现振动传感，通过相位解调获取实际振动信息。干涉型光纤振动传感器一般采用迈克尔逊、马赫曾德、法布里玻罗或萨格纳克干涉仪结构，具有高灵敏度、高精度的优势，可以实现高速解调。但干涉型光纤振动传感器一般存在测量系统复杂，价格昂贵等问题。

技术实现思路

[0004]本申请的目的在于提供一种光纤振动检测系统及其方法，能够实现高频、宽动态范围的振动测量。
[0005]本申请的一个方面提供一种光纤振动检测系统。所述光纤振动检测系统包括啁啾脉冲光源、双向耦合器、光纤部分反射点对、光电探测器及信号采集处理模块，所述双向耦合器具有输入端、第一输出端和第二输出端，其中，所述啁啾脉冲光源用于产生啁啾脉冲光序列，所述啁啾脉冲光源的输出端连接所述双向耦合器的输入端，所述双向耦合器的第一输出端连接所述光纤部分反射点对的输入端，所述光纤部分反射点对中的两部分反射点用于对啁啾脉冲光分别进行反射以产生相互时延的两个反射光脉冲，所述双向耦合器的第二输出端连接所述光电探测器的输入端，所述光电探测器的输出端连接所述信号采集处理模块，所述信号采集处理模块用于采集相互时延的所述两个反射光脉冲干涉产生的拍频干涉信号，求解所述拍频干涉信号的相位，并通过所述拍频干涉信号的相位来解调获得光纤振动信息。
[0006]本申请实施例的光纤振动检测系统成本低、结构简单，具有宽动态频率响应范围和高灵敏度，是实现高频、宽动态范围振动测量的理想方案。
[0007]本申请的另一个方面提供一种光纤振动检测方法。所述光纤振动检测方法包括：
产生啁啾脉冲光序列；通过光纤部分反射点对中的两部分反射点对啁啾脉冲光分别进行反射，以产生相互时延的两个反射光脉冲；相互时延的所述两个反射光脉冲干涉产生拍频干涉信号；求解所述拍频干涉信号的相位；以及通过所述拍频干涉信号的相位来解调获得光纤振动信息。
[0008]本申请实施例的光纤振动检测方法具有宽动态频率响应范围和高灵敏度，能够实现高频、宽动态范围的振动测量。
附图说明
[0009]图1为本申请一个实施例的光纤振动检测系统的结构示意图。
[0010]图2为图1中的双向耦合器的三种实施结构示意图。
[0011]图3为图1中的光纤部分反射点对的两种实施结构示意图。
[0012]图4为本申请一个实施例的光纤部分反射点对反射的两啁啾脉冲及其拍频干涉信号示意图。
[0013]图5为本申请一个实施例的光纤振动检测方法的流程图。
[0014]图6为本申请一个实施例的光纤振动检测方法中的相位解调过程流程图。
[0015]图7为本申请一个实施例的相位解调过程中的两种相位计算方法示意图。
[0016]图8为本申请一个实施例的使用多组数据点的相位解调光纤振动信息过程中的相位补偿过程示意图及其系统信噪比提升效果的仿真结果。
[0017]图9为本申请一个实施例的使用一组数据和四十一组数据平均得到的1kHz振动下相位解调得到的时域和频域振动信息的仿真结果。
具体实施方式
[0018]这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施例并不代表与本申请相一致的所有实施例。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置的例子。
[0019]在本申请实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请的说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示两个及两个以上。除非另行指出，“前”、“后”、“左”、“右”、“远”、“近”、“顶部”和/或“底部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。在本申请的说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何
或所有可能组合。
[0020]本申请实施例提供了一种光纤振动检测系统100。图1揭示了本申请一个实施例的光纤振动检测系统100的结构示意图。如图1所示，本申请一个实施例的光纤振动检测系统100包括啁啾脉冲光源1、双向耦合器2、光纤部分反射点对3、光电探测器4及信号采集处理模块5，其中，双向耦合器2具有输入端T11、第一输出端T12和第二输出端T13。啁啾脉冲光源1的输出端连接双向耦合器2的输入端T11，双向耦合器2的第一输出端T12连接光纤部分反射点对3的输入端，双向耦合器2的第二输出端T13连接光电探测器4的输入端，光电探测器4的输出端连接信号采集处理模块5。
[0021]啁啾脉冲光源1可以用来产生啁啾脉冲光序列。啁啾脉冲光源1的输出端用于输出该啁啾脉冲光序列。每个啁啾脉冲内光的频率随时间变化。啁啾脉冲光序列中各啁啾脉冲相同。啁啾脉冲光序列的脉冲重复频率为待测最大振动频率的两倍以上。
[0022]双向耦合器2通过其输入端T11接收入射的啁啾脉冲光序列，通过第一输出端T12将啁啾脉冲光序列传输至光纤部分反射点对3，通过第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光纤振动检测系统，其特征在于：包括啁啾脉冲光源、双向耦合器、光纤部分反射点对、光电探测器及信号采集处理模块，所述双向耦合器具有输入端、第一输出端和第二输出端，其中，所述啁啾脉冲光源用于产生啁啾脉冲光序列，所述啁啾脉冲光源的输出端连接所述双向耦合器的输入端，所述双向耦合器的第一输出端连接所述光纤部分反射点对的输入端，所述光纤部分反射点对中的两部分反射点用于对啁啾脉冲光分别进行反射以产生相互时延的两个反射光脉冲，所述双向耦合器的第二输出端连接所述光电探测器的输入端，所述光电探测器的输出端连接所述信号采集处理模块，所述信号采集处理模块用于采集相互时延的所述两个反射光脉冲干涉产生的拍频干涉信号，求解所述拍频干涉信号的相位，并通过所述拍频干涉信号的相位来解调获得光纤振动信息。2.如权利要求1所述的光纤振动检测系统，其特征在于：所述啁啾脉冲光源由通信用半导体激光器经电流或温度调制器内调制直接产生。3.如权利要求1所述的光纤振动检测系统，其特征在于：所述啁啾脉冲光源由通信用半导体激光器发射出的连续光通过外部频率调制产生。4.如权利要求1所述的光纤振动检测系统，其特征在于：所述双向耦合器包括光环形器，所述光环形器具有第一端口、第二端口和第三端口，其中，所述光环形器的所述第一端口为所述双向耦合器的输入端，所述光环形器的第二端口为所述双向耦合器的第一输出端，所述光环形器的第三端口为所述双向耦合器的第二输出端。5.如权利要求1所述的光纤振动检测系统，其特征在于：所述双向耦合器包括光隔离器和光耦合器，所述光隔离器具有输入端和输出端，所述光耦合器具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述光隔离器的输入端为所述双向耦合器的输入端，所述光隔离器的输出端连接所述光耦合器的第一输入端，所述光耦合器的输出端为所述双向耦合器的第一输出端，所述光耦合器的第二输入端为所述双向耦合器的第二输出端。6.如权利要求1至5中任一项所述的光纤振动检测系统，其特征在于：所述光纤部分反射点对中的两光纤部分反射点为一根光纤上的两个部分反射光纤光栅，两个所述光纤光栅之间的光纤粘贴至连接振动源的结构件上，所述光纤的入射端连接所述双向耦合器的第一输出端。7.如权利要求6所述的光纤振动检测系统，其特征在于：两个所述光纤光栅的参数相同。8.如权利要求1至3中任一项所述的光纤振动检测系统，其特征在于：所述光纤部分反射点对中的两光纤部分反射点为两根紧密贴合的具有不同长度的光纤的两个尾部端面，两根所述光纤中较长光纤多出的部分粘贴至连接振动源的结构件上。9.如权利要求8所述的光纤振动检测系统，其特征在于：所述双向耦合器包括光隔离器和光耦合器，所述光隔离器具有输入端和输出端，所述光耦合器具有第一输入端、第二输入端和两个输出端，所述光隔离器的输入端为所述双向耦合器的输入端，所述光隔离器的输出端连接所述光耦合器的第一输入端，所述光耦合器的两个输出端为所述双向耦合器的第一输出端，所述光耦合器的第二输入端为所述双向耦合器的第二输出端，所述光耦合器的两个输出端直接连接两根所述光纤。10.如权利要求1所述的光纤振动检测系统，其特征在于：所述光纤部分反射点对中的部分反射点的反射谱宽涵盖所述啁啾脉冲光源的波长调节范围。
11.如权利要求1所述的光纤振动检测系统，其特征在于：所述啁啾脉冲光序列中各啁啾脉冲相同，所述啁啾脉冲光序列的脉冲重复频率为待测最大振动频率的两倍以上。12.如权利要求1所述的光纤振动检测系统，其特征在于：所述拍频干涉信号的频率由所述啁啾脉冲光序列的啁啾量和所述光纤部分反射点对中的两个部分反射点的间距决定，所述拍频干涉信号的频率在所述光电探测器的带宽之内。13.一种光纤振动检测方法，其特征在于：包括：产生啁啾脉冲光序列；通过光纤部分反射点对中的两部分反射点对啁啾脉冲光分别进行反射，以产生相互时延的两个反射光脉冲；相互时延的所述两个反射光脉冲干涉产生拍频干涉信号；求解所述拍频干涉信号的相位；以及通过所述拍频干涉信号的相位来解调获得光纤振动信息。14.如权利要求13所述的光纤振动检测方法，其特征在于：还包括：对所述拍频干涉信号进行预处理，以得到预处理后的拍频干涉信号，其中，所述求解所述拍频干涉信号的相位包括：求...

【专利技术属性】
技术研发人员：介瑞敏，马玲梅，刘波，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：