一种光声光纤原位污损检测系统及方法技术方案

技术编号：40059234 阅读：7 留言：0更新日期：2024-01-16 22:25

本申请属于海洋环境监测领域，具体涉及一种光声光纤原位污损检测系统及方法，在采用了光声信号激发板的基础上，本发明专利技术创造性的采用了新型的探测技术，集成了信号接收板，采用相位敏感型光时域反射计(Φ‑OTDR)技术对光声信号进行探测，从而改变了信息流。该系统可避免常规检测技术涉及的样品采集及前处理等过程，稳定性好、灵敏度高。

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【技术实现步骤摘要】

本申请属于海洋环境监测领域，具体涉及一种光声光纤原位污损检测系统及方法。

技术介绍

1、直接暴露在海水中的海洋监测仪器极易遭受海洋生物污损。受污损影响，海洋监测仪器普遍存在信号失真、转动机构失灵、可靠性降低等诸多考验其海上长期服役能力的工程实际问题，生物污损在线监测对及时去除海洋生物污损，进而保持海洋光学监测仪器的检测精度至关重要。

2、受限于光在水中的强散射、反射、折射作用，传统的光学探测设备难以实现水下仪器装备表面生物污损原位监测。而声学的监测探测只能获得声阻抗不同的结构信息，对于声阻抗相近结构的分辨能力也较差。此外，由于海洋环境特殊，声波容易受到海浪、海流等因素干扰，导致信号的衰减、延迟等，因此如果利用传统的声波传感设备，容易因为外界环境扰动造成信号标准不一致，导致评判结果出现偏差。

技术实现思路

1、鉴于水下原位检测中面临的上述问题，本专利技术采取光声成像原理，以不同材料光吸收系数为成像依据，超声波作为信息载体，增加信息丰富程度及信号传播能力。其技术方案为，

2、一种光声光纤原位污损检测系统，包括激光器、原位污损检测板、信号驱动器和探测器，所述激光器发射的激光通过分光器一分为二，其中一部分通过光纤进入光开关，由关开关进入原位污损检测板，另一束激光通过调制器依次进入光纤放大器、环形器，由环形器进入原位污损检测板，原位污损检测板激发出的光声信号通过探测器进入数据采集卡，信号驱动器分别作用于调制器和数据采集卡，数据采集卡将采集的数据发送至计算单元。

3、优选的，所述原位污损检测板分为两层，分别为信号激发板和与之固定连接的信号接收板，所述信号激发板上设有微光纤准直器阵列，且信号激发板设有微槽，信号激发光纤组排布在微槽内，所述微光纤准直器阵列与信号激发光纤组连接，信号激发光纤组另一端集束成光纤束，与光开关连接；所述信号接收板上设有微槽，所述微槽内设有检测板光纤，所述检测板光纤分别与环形器、探测器连接。

4、优选的，所述微光纤准直器阵列中的每个微光纤准直器均采用碗状结构，微光纤准直器为采用不同光折射率材料做成的微凸透镜，用于光纤聚焦准直，微光纤准直器阵列封装在信号激发板内，其碗状结构凸出的部分面向信号接收板。

5、优选的，所述信号接收板上微槽内的检测光纤采用声波传感光纤，微槽排布方式根据探测目标的形状及需求确定，包括但不限于s型、回形针型；信号激发板与信号接收板之间进行隔水密封。

6、一种光声光纤原位污损检测方法，激光器发射的激光通过分光器一分为二，形成激光路径一和激光路径二；

7、激光路径一为通过光开关，激光进入信号激发光纤组，激光通过微光纤准直器阵列中的各个微光纤准直器由内而外照射到检测板表面的生物污损上，激发光声信号；此时输入的激发激光调制为脉冲，脉宽为纳秒级；

8、激光路径二为通过调制器后调制波形后，激光进入光纤放大器，而后进入环形器；环形器的光纤与盘绕封装在原位污损检测板中的声波传感光纤相连接；声波传感光纤因为光声信号产生的振动引发形变，形变导致内部的后向瑞利散射发生改变，通过探测器接收光程改变量，被数据采集卡采集，输入计算单元进行数据处理，最终形成可视化图像。

9、优选的，信号驱动器为调制器、数据采集卡提供一个同步触发信号，保持调制器产生光信号和数据采集卡接收信号的起始点同步。

10、优选的，激光路径二所采集到的信号将进行如下处理：计算单元将第二路中采集到的光纤振动还原为光声信号，并通过光程的变化量解调相位变化，具体根据以下公式进行计算：

11、δs＝(n0+δn)(l+δl)-n0l

12、δn＝esζn0

13、δl＝esηl

14、

15、其中δs为光程变化量，n0为光纤折射率，l为信号接收板内光纤长度，δn为应变扰动对光纤折射率的该变量，δl为应变扰动对检测板光纤光纤长度的改变量，ζ为弹光系数，η为弹性系数，es为光纤的轴向应变，为后向瑞利散射光的相位改变量，λ为波长；通过对振动进行解算，进而推导出光声信号的强度，从而成像。

16、信号接收板上的信号采集系统能够探测到的最大频率可以通过下面公式进行计算：

17、

18、其中fmax为最大频率，c为光速，n为截止折射率。

19、优选的，成像步骤为：

20、s1.通过将成像区域划分成多个有限元网格，每个有限元网格灰度取单一值，从而获取整个板上生物污损分布的马赛克图像；

21、s2.按照振动的强弱，给各微光纤准直器出光口所在的有限元网格进行赋值，并将图片各网格像素的亮度值进行归一化；

22、s3.重复上述步骤r次，将各次获得图片相加，最终将多个超声换能器得到的图像进行复合，获取最终探测结果。

23、优选的，步骤s1中，网格的划分依据各微光纤准直器所处位置确定，确保每个光纤准直器均位于网格正中。

24、优选的，根据原位污损检测板尺寸及形状，设置激光进入信号激发光纤组的顺序及组合方式。

25、与现有技术相比，本申请有益效果如下：

26、在采用了光声信号激发板的基础上，本专利技术创造性的采用了新型的探测技术，集成了信号接收板，采用相位敏感型光时域反射计(φ-otdr)技术对光声信号进行探测，从而改变了信息流。从传统光声探测的光声信号——压电传感器电容间距变化——电位信号的信息流，转变为光声信号——介质震动——传感光纤形变——背向瑞利散射相位变化——光程差——电位信号的信息流。本申请稳定性好、灵敏度高。

本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种光声光纤原位污损检测系统，其特征在于，包括激光器、原位污损检测板、信号驱动器和探测器，所述激光器发射的激光通过分光器一分为二，其中一部分通过光纤进入光开关，由关开关进入原位污损检测板，另一束激光通过调制器依次进入光纤放大器、环形器，由环形器进入原位污损检测板，原位污损检测板激发出的光声信号通过探测器进入数据采集卡，信号驱动器分别作用于调制器和数据采集卡，数据采集卡将采集的数据发送至计算单元。

2.根据权利要求1所述的一种光声光纤原位污损检测系统，其特征在于，所述原位污损检测板分为两层，分别为信号激发板和与之固定连接的信号接收板，所述信号激发板上设有微光纤准直器阵列，且信号激发板设有微槽，信号激发光纤组排布在微槽内，所述微光纤准直器阵列与信号激发光纤组连接，信号激发光纤组另一端集束成光纤束，与光开关连接；所述信号接收板上设有微槽，所述微槽内设有检测板光纤，所述检测板光纤分别与环形器、探测器连接。

3.根据权利要求2所述的一种光声光纤原位污损检测系统，其特征在于，所述微光纤准直器阵列中的每个微光纤准直器均采用碗状结构，微光纤准直器为采用不同光折射率材料

4.根据权利要求2所述的一种光声光纤原位污损检测系统，其特征在于，所述信号接收板上微槽内的检测光纤采用声波传感光纤，微槽排布方式根据探测目标的形状及需求确定，包括但不限于S型、回形针型；信号激发板与信号接收板之间进行隔水密封。

5.一种光声光纤原位污损检测方法，其特征在于，激光器发射的激光通过分光器一分为二，形成激光路径一和激光路径二；

6.根据权利要求5所述的一种光声光纤原位污损检测方法，其特征在于，信号驱动器为调制器、数据采集卡提供一个同步触发信号，保持调制器产生光信号和数据采集卡接收信号的起始点同步。

7.根据权利要求5所述的一种光声光纤原位污损检测方法，其特征在于，激光路径二所采集到的信号将进行如下处理：计算单元将第二路中采集到的光纤振动还原为光声信号，并通过光程的变化量解调相位变化，具体根据以下公式进行计算：

8.根据权利要求7所述的一种光声光纤原位污损检测方法，其特征在于，成像步骤为：

9.根据权利要求8所述的一种光声光纤原位污损检测方法，其特征在于，步骤S1中，网格的划分依据各微光纤准直器所处位置确定，确保每个光纤准直器均位于网格正中。

10.根据权利要求5所述的一种光声光纤原位污损检测方法，其特征在于，根据原位污损检测板尺寸及形状，设置激光进入信号激发光纤组的顺序及组合方式。

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【技术特征摘要】

3.根据权利要求2所述的一种光声光纤原位污损检测系统，其特征在于，所述微光纤准直器阵列中的每个微光纤准直器均采用碗状结构，微光纤准直器为采用不同光折射率材料做成的微凸透镜，用于光纤聚焦准直，微光纤准直器阵列封装在信号激发板内，其碗状结构凸出的部分面向信号接收板。

4.根据权利要求2所述的一种光声光...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔庆霖，郑良，闫星魁，郑珊珊，
申请(专利权)人：山东省科学院海洋仪器仪表研究所，
类型：发明
国别省市：

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