时分复用阵列式光纤光栅地震波实时监测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种时分复用阵列式光纤光栅地震波实时监测系统，系统使用超辐射宽普脉冲调制光源，利用基于光纤光栅的传感头阵列采集地震波信息，采用波导式非平衡M-Z解调系统对地震波信息进行实时解调，用光电探测器系统接收解调信号兵进行处理，得到地震波分量信息，并用OTDR系统对地震源进行定位。本发明专利技术具有精度高、动态范围大等优点，利用本方案可以实现对地震波的实时监测和高精度定位。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及基于光纤光栅振动传感器
，包括光纤光栅传感器波长解调
及光纤定位系统
，具体涉及一种时分复用阵列式光纤光栅地震波实时监测系统。
技术介绍
地震时一种突发性、破坏性极大的自然灾害，一次强烈的地震会在数秒或几分钟内造成建筑倒塌、设施损毁、交通堵塞、堤坝决口坍塌，强烈的地震不仅直接造成巨大破坏，同时还导致多种次生灾害，诸如火灾、水灾、山崩、海嘯等，造成人员伤亡，给人类带来巨大的生命财产与经济损失，影响社会稳定发展。地震的预报是十分困难的，地震预测方法与技术涉及到许多科技领域。目前所开展的地震前兆观测对象与方法有地震活动性、地壳形变、地下水、地电、地磁、地应力应变、气象、诱发因子、生物与宏观异常等十几类近百种。地震波监测就属于地震活动性观测的重要内容之一，通过地震波监测可以确定地震源方位，离地深度，地震强度，地震波频率、相位及发生时间，进而反演地层结构以及掌握地震活动规律等。它不仅可以为地震预报提供决策依据，同时，通过对地震波的监测，为地震灾害预警提供几秒乃至几十秒的时间差，让受灾者能得到及时疏散，重大生命线工程可及时关闭。因此，对地震波的监测对于地震观测、地震预报及地震预警具有特别重要的意义。光纤地震波监测是众多地震波监测方法之一，是近年发展起来的一项先进的光纤传感技术。比较于传统的变磁通式、变磁阻式、压电式和涡流式等加速度地震检波器乃至最近比较热门的基于MEMS的地震检波器以及其它光电地震波检波器(光栅数字地震波检波器，激光多普勒地震波检波器)来，光纤地震波传感器具有(I)灵敏度高；(2)抗强电磁干扰、耐腐蚀、在易燃、易爆环境下安全可靠；(3)工作频带宽、动态范围大；(4)传感部分体积小，形状适应性强；(5)特别适于远距离测量与传感信息的通信组网等特点。理论上，光纤振动传感器的灵敏度高于常规传感器两个以上数量级(如光纤水听器)，频率响应范围OHz 数十KHz，而经过解调后的动态范围可达到140dB以上，远优于传统检波器。用于振动与加速度测量的光纤传感器的研究自70年代起就早已开始，但专门针对地震波监测的光纤传感器的研究还是近20年的事情。目前，所研究的光纤地震波传感器主要有迈克尔逊干涉型、马赫一曾德尔干涉型光纤加速度地震检波器、萨克勒克(Sagnac)地震旋转波传感器，多普勒光纤速度地震传感器、光纤光栅地震检波器等。2005年波兰Jaroszewicz等报导了一种Sagnac光纤地震旋转波传感器,其灵敏度在振动频率为20Hz时达到4. 27xl0-8rad/s。同年,美国Zang. Yan等报导了应用光纤Bragg光栅对地震波的测量。2007意大利Laudati等报导一种一维的Bragg光纤光栅地震传感器,低频响应达到O.1Hz0 2007年马超等报导了光纤Bragg光栅地震检波器的初步研究，其波长解调采用了边缘滤波的方法。2010年乔学光等报道了基于光源滤波的高精度光纤光栅地震检波解调系统。目前，国内外应用光纤技术对于地震波监测的研究还未有大的突破，国内外所进行的研究大多还处于早期单元器件阶段，主要解决传感器的结构设计，进行实时、多点测量，如何提高灵敏度、选择适合的频响范围、拓宽动态范围。
技术实现思路
本专利技术提出了一套基于光纤光栅的时分复用阵列式地震波实时监测系统，该系统具有精度高、动态范围大、分布式及实时性的特点，能够对地震波进行实时监测，实现地震预警。针对现有地震波检测系统技术的不足，包括精度不高、动态范围不大、不能定位及不具备实时性等。本专利技术为了实现上述目的采用以下技术方案一种时分复用阵列式光纤光栅地震波实时监测系统，其特征在于包括脉冲调制光源、用于采集地震波信息的光纤光栅传感器阵列、采用波导式非平衡M-Z解调系统对地震波信息进行实时解调的解调系统、对解调系统的解调信号进行接收并进行处理得到地震波分量信息的光电探测器、对地震源进行定位的OTDR系统、光纤环形器，所述光纤环形器的I端口连接脉冲调制光源，2端口连接光纤光栅的传感器阵列，3端口连接解调系统，所述解调系统连、光电探测器、OTDR系统、脉冲调制光源顺序连接。上述方案中，脉冲调制光源采用超辐射宽普脉冲光源，包括分布式传感头部分，脉冲在整个系统中来回一次的时间约为O. 1ms，连续发射的脉冲在系统中不发生重叠，将脉冲光源的脉冲周期设置为O. 1ms，系统工作时，只有一个脉冲波在系统中传播，保证信号间无干扰，系统中所用光纤光栅传感器阵列的光纤光栅光谱范围为1525nnTl565nm,脉冲调制光源的中心波长为1550nm，谱宽大于20nm，脉冲峰值功率大于10mw。上述方案中，所述传感器阵列采用光纤光栅传感器整列，所述传感器整列中光纤光栅的中心波长为1525 ηπΓ 565 nm，系统中所用光纤光栅的谱宽小于O. 8nm，峰值反射率大于80%。`上述方案中，所述解调系统采用波导式非平衡M-Z解调系统，系统的脉冲周期为O.1ms，脉冲周期等间隔分割为50个时隙，每个时隙为O. 002ms，每个时隙对应一个布拉格反射谱峰，解调系统的解调速率大于O. 5MHZ，光纤光栅传感器整列反射回来的信号经过解调系统，使得每个独立的布拉格谱的中心波长与解调系统的相位差线性相关，表现为解调后输出的信号强度的强弱。上述方案中，光纤光栅传感器阵列反射回的光信号经过波导式非平衡M-Z解调系统后将波长解调为光强的强度信息，光电探测系统将解调出的光强度信息转变为电信号，当受到光纤光栅传感阵列收到地震动应力的影响，对应收到应力影响的光栅的反射谱便会发生漂移，表现为光纤光栅传感器反射谱中心波长的变化，经过解调系统，得到在应力下传感阵列的反射谱，通过解调系统和光电探测系统即可以得到每个光纤光栅传感器阵列的传感头在地震动应力作用下对应的波长漂移量，并将解调后检测到的信号作为探测信号，经光电转换后转化为电信号。上述方案中，所述光电探测器系统将检测到的光强信号经光电转换后变为电信号，输入到信号处理系统进行处理，根据光电探测器检测到的波长漂移量信息，经过信号处理得到地震波信号的应力信息，应力信息包括地震波的振动幅度和振动频率等信息，脉冲调制光源的每次脉冲实现对地震波信息的一次采样，所述系统的解调系统对采样信息解调一次，得到地震波信息分量，经信号处理得到恢复的地震波信息，反射谱经解调后的强度信息叠加在了 OTDR系统所采集到的信号中，通过解调后反射谱的强度变化的位置点，OTDR得到地震动产生应力导致轻度变化的位置信息，从而实现对地震波的定位。因为本专利技术采用以上技术方案，所以具备以下有益效果本专利技术实现了将时分复用技术、分布式技术及光时域反射仪定位技术和非平衡M-Z波导解调技术，使得该系统具有动态范围大、精度高的优点，并且可以实现分布式测量和易于集成，而且具有实时性的特点。附图说明图1是时分复用阵列式光纤光栅地震波实时监测系统图2是系统中的传感头设计方案图3是分布式传感头铺设方式图4是波导式非平衡M-Z解调系统图5是阵列式光纤光栅反射谱图6是解调出的应力下光纤光栅反射谱图7是信号处理系统的地震波采集曲线示意图附图标示图1中，SLD为超辐射宽普光源，R为光纤环形器，1、2、3为光纤环形器的三个端口，DM为波长解调系统,F1D为光电探测系统；4为质量块,5为光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种时分复用阵列式光纤光栅地震波实时监测系统，其特征在于：包括脉冲调制光源、用于采集地震波信息的光纤光栅传感器阵列、采用波导式非平衡M?Z解调系统对地震波信息进行实时解调的解调系统、对解调系统的解调信号进行接收并进行处理得到地震波分量信息的光电探测器、对地震源进行定位的OTDR系统、光纤环形器，所述光纤环形器的1端口连接脉冲调制光源，2端口连接光纤光栅的传感器阵列，3端口连接解调系统，所述解调系统连、光电探测器、OTDR系统、脉冲调制光源顺序连接。

【技术特征摘要】
1.一种时分复用阵列式光纤光栅地震波实时监测系统，其特征在于包括脉冲调制光源、用于采集地震波信息的光纤光栅传感器阵列、采用波导式非平衡M-Z解调系统对地震波信息进行实时解调的解调系统、对解调系统的解调信号进行接收并进行处理得到地震波分量信息的光电探测器、对地震源进行定位的OTDR系统、光纤环形器，所述光纤环形器的I端口连接脉冲调制光源，2端口连接光纤光栅的传感器阵列，3端口连接解调系统，所述解调系统连、光电探测器、OTDR系统、脉冲调制光源顺序连接。2.根据权利要求1所述的时分复用阵列式光纤光栅地震波实时监测系统，其特征在于脉冲调制光源采用超辐射宽普脉冲光源，包括分布式传感头部分，脉冲在整个系统中来回一次的时间约为O. 1ms，连续发射的脉冲在系统中不发生重叠，将脉冲光源的脉冲周期设置为O.1ms,系统工作时，只有一个脉冲波在系统中传播，保证信号间无干扰，系统中所用光纤光栅传感器阵列的光纤光栅光谱范围为1525nnTl565nm,脉冲调制光源的中心波长为1550nm，谱宽大于20nm，脉冲峰值功率大于10mw。3.根据权利要求1所述的时分复用阵列式光纤光栅地震波实时监测系统，其特征在于所述传感器阵列采用光纤光栅传感器整列，所述传感器整列中光纤光栅的中心波长为1525 ηπΓ 565 nm,系统中所用光纤光栅的谱宽小于O. 8nm,峰值反射率大于80%。4.根据权利要求1所述的时分复用阵列式光纤光栅地震波实时监测系统，其特征在于所述解调系统采用波导式非平衡M-Z解调系统，系统的脉冲周期为O.1ms,脉冲周期等间隔分割为50个时隙，每个时隙为O. 0...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳慧敏，胡泽雄，刘永智，胡云，李剑锋，欧中华，刘永，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：