CN102052930A - 光纤光栅分布式应变传感器及其应变监测方法 - Google Patents

Abstract

一种光纤光栅分布式应变传感器及其应变监测方法，特点是：在光纤衰荡腔中加入掺铒光纤放大器形成有源衰荡腔，得到光脉冲衰荡序列，可以实现亚毫米量级的空间长度测量定位精度；使用线性啁啾光纤光栅或者均匀光纤光栅作为传感器件，将可调谐激光器的波长与光纤光栅布拉格反射空间定位数据一一对应起来，根据定位局部的布拉格反射波长的变化量，解调出相应的局部应变量，实现分布式应变传感。本发明采用了直接时域测量的方法，将空间分辨率提高到亚毫米量级，且结构紧凑，算法简单，可实时在线监测，可组网使用，因此在光纤传感领域中将有很大的应用空间。

Description

光纤光栅分布式应变传感器及其应变监测方法

技术领域

本发明涉及光纤分布式传感器，特别是一种基于光纤衰荡腔技术的光纤光栅分布式应变传感器及其应变监测方法。

背景技术

光纤传感器由于具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、电绝缘性好、安全可靠、耐腐蚀、可构成光纤传感网等诸多优点，因而在工业、农业、生物医疗、国防等各领域均有广阔应用前景。

光纤应变传感器目前大致上有这样几种技术方案，包括光纤布拉格光栅(FiberBragg Grating，FBG)，长周期光栅(Long Period Grating，LPG)，马赫曾德干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer，MZ-I)，光纤Sagnac环等。基于光纤光栅的应变传感器具有灵敏度高的特点，且容易组网形成分布式传感***。目前基于光纤光栅波分复用技术、空分复用技术和时分复用技术的分布式传感网络得到了广泛的发展和应用，但在这些光纤光栅分布式应变传感网络中，所有的FBG均相当于独立的传感点，传感结果是整个栅区范围内的综合效果。因此，这种分布式传感***称为准分布式。基于布里渊散射的光纤分布式应变传感器具有传感距离长的优点，传感距离可达80km，应变精度可达20με，空间分辨率可达几米量级，且可同时测量温度分布，此种分布式应变传感器在大型结构如管道，近海石油平台，油井，大坝，堤坝，桥梁，建筑物，隧道，电缆等领域得到了广泛的应用。但以上几种应用最为广泛的光纤分布式应变传感器的空间分辨率均有限，布里渊分布式传感器空间分辨率为几米量级，FBG传感器的空间分辨率为几厘米量级，均不适用于高空间分辨率的场合，如建筑物的裂缝监测和定位、有机合成材料的断层监测以及局部应变突变等。

在高空间分辨率的光纤分布式应变传感领域，利用FBG作为传感元件，通过先进的光学***设计和解调方案，得到FBG栅区范围内应变的分布，从而将之前的研究中，FBG仅仅作为点式传感器发展成为分布式传感器，极大的提升了FBG应变传感器的性能。这一研究思路和潜在的广泛应用吸引了很多研究人员的兴趣和注意，为了实现在一根FBG上的分布式应变传感，人们已经提出和发展了若干技术方案。在先相关光纤光栅分布式应变传感技术有【Mark Volanthen，Harald Geiger，and John P.Dakin，“Distributed Grating Sensors Using Low-Coherence Reflectometry，”J.LightwaveTechnol.15，2076(1997).】，此技术利用低相干光源的迈克尔逊干涉仪结构，FBG固定在干涉仪一只臂上，另外一只臂的长度通过拉伸改变或者移动末端反射镜，通过此低相干干涉的技术，对干涉光谱进行建模分析，得到300μm的空间分辨效果。由于基于干涉技术，这种方案的***稳定性很差，且采用拉伸光纤的方式或者移动反射镜来进行定位，因此结构中存在机械移动装置，增大了***的不稳定性，同时也极大的限制了分布式传感测量的范围，难以实现组网。

在先分布式应变传感技术还有【H.Murayama，H.Igawa，K.Kageyama，K.Ohta，I.Ohsawa，K.Uzawa，M Kanai，T.Kasai，and I.Yamaguchi，“Distributed StrainMeasurement with High Spatial Resolution Using Fiber Bragg Gratings and OpticalFrequency Domain Reflectometry，”18^th Intern.Conf.Opt.Fiber Sensors，ThE40(2006).】，这篇论文中利用扫描光源的迈克尔逊干涉仪结构，FBG固定在干涉仪一只臂上，另外一只臂也固定，通过调谐光源的波长，对干涉光谱进行建模分析，实现光频域反射结构下的高空间分辨率的分布式传感。较上一个技术相比，此技术方案的结构更为紧凑，无任何机械移动装置，因此抗干扰能力更强。但由于仍是基于干涉结构，所以***稳定性很差，且分布式测量的范围有限，难以实现组网。

在先分布式应变传感技术还有【Kazuo Hotate and Koji Kajiwara，“Proposal andexperimental verification of Bragg wavelength distribution measurement within along-length FBG by synthesis of optical coherence function”，Opt.Express 16，7881(2008)】，这篇论文中利用光学相干函数合成(synthesis of optical coherence function)技术测量FBG栅区内的局部反射光谱，获得FBG栅区的局部反射波长分布，实现分布式传感。此***结构复杂，并需要复杂的解调算法，难以实现组网。

发明内容

为了克服上述在先技术的缺点，更好的满足光纤光栅分布式应变传感的应用需求，提出一种基于光纤衰荡腔技术的光纤光栅分布式应变传感器及其应变监测方法，实现亚毫米量级高空间分辨率定位应变传感监测；提出光纤光栅分布式应变传感器的组网方法和组网***的优化方案；以实现较大范围的分布式应变传感监测。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于光纤衰荡腔的光纤光栅分布式应变传感器，其特点在于包括：

光源模块，该光源模块由可调谐激光器、声光调制器和射频调制器组成，所述的可调谐激光器的输出端接所述的声光调制器的输入端，所述的射频调制器的输出端接所述的声光调制器的调制端；

一个以上的光纤衰荡腔，所述的光纤衰荡腔由光纤环和光纤光栅传感单元组成，所述的光纤环至少包括由光纤连接的光纤耦合器、掺铒光纤放大器和光纤环形器，所述的光纤耦合器的第四端口通过光纤依次将所述的掺铒光纤放大器和光纤环形器的第一端口、光纤环形器的第三端口和光纤耦合器的第二端口连接成环，所述的光纤环形器的第二端口接所述的光纤光栅传感单元的一端；

连接件将所述的声光调制器的输出端和所述的光纤耦合器的第一端口相连；

所述的光纤耦合器的第三端口接光电探测器的输入端，该光电探测器的输出端经高速数据采集卡与信号处理及显示***相连，所述的高速数据采集卡的同步触发端口与所述的射频调制器的第二输出端口相连。

所述的连接件为一根光纤，或是一端输入多端输出的1xn光开关。

所述的光纤光栅传感单元为在一根光纤上分布有一个光纤光栅或分布有多个光纤光栅构成的级联光纤光栅序列，其中r为2以上的正整数，在同一级联光纤光栅序列中，所有的光纤光栅选用线性啁啾光纤光栅(以下简称为LCFBG)或者均匀光纤光栅(以下简称为FBG)作为传感器件，在所述的可调谐激光器的调谐范围内以适当的间隔依次选取不同反射波长的光纤光栅作为组网传感元件，且所有的光纤光栅的反射光谱都不重叠。

光纤光栅分布式应变传感器具有2个以上的衰荡腔，每个衰荡环中的光纤环形器的第二端口各接一个级联光纤光栅序列，所述的光源模块的声光调制器的输出端)通过1xn光开关的连接件与多个衰荡环的光纤耦合器的第一端口分别相连。

在所述的光纤环中的光纤环形器的第三端口和光纤耦合器的第二端口之间接入了第二光纤环形器，该第二光纤环形器的第二端口接滤波光纤光栅，该滤波光纤光栅固定在应力调谐或者温度调谐装置上，该滤波光纤光栅通过自动同步触发装置与所述的可调谐激光器连接，以保持光源输出的波长与滤波光纤光栅的中心反射波长保持一致，将所述的掺铒光纤放大器的自发辐射噪声滤除。

在所述的光纤环中的光纤环形器的第三端口和光纤耦合器的第二端口之间接入一个光纤FP滤波器，该光纤FP滤波器通过自动同步触发装置与所述的可调谐激光器连接，以保持光源输出的波长与该光纤FP滤波器的中心透射波长保持一致，将所述的掺铒光纤放大器的自发辐射噪声滤除。

利用上述光纤光栅分布式应变传感器进行分布式应变监测的方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

①调谐可调谐激光器的激光输出波长为λ₀的窄线宽的连续激光，该波长λ₀和所述的光纤光栅传感单元的中心反射波长一致；

②所述的声光调制器将可调谐激光器注入的连续光调制为脉冲光序列；

③调节所述的掺铒光纤放大器的增益，使所述的光电探测器探测到的衰荡脉冲光序列的脉冲数目超过100；

④通过射频调制器的外触发功能，同步触发所述的声光调制器和高速数据采集卡，使所述的声光调制器输出一个脉冲光注入所述的衰荡环的同时，高速数据采集卡同步采集衰荡脉冲序列，采集多组脉冲序列做平均获得平均脉冲序列，以降噪处理；

⑤获取脉冲序列的峰值时间，取出第(m+1)个脉冲和第1个脉冲的时间，相减再除以m，得到衰荡脉冲周期T；

⑥通过公式L＝c/nT计算衰荡腔的腔长L，其中c为光速，n为光纤的折射率，该腔长L由所述的光纤光栅传感单元的与入射波长λ₀一一对应的反射点的位置D₀确定；

⑦调谐所述的可调谐激光器的输出光的波长λ₁、λ₂、…、λ_i、…、λ_q，分别重复上述第①至第⑥步，依次得到光纤光栅传感单元带宽范围内的各个波长反射的位置D₁、D₂、…、D_i、…、D_q，完成位置-反射波长之间的关系定标λ_i(D_i)，称为定标数据，写为更普遍的形式λ(z)；

⑧将光纤光栅传感单元固定在传感区域，用于应变传感监测，重复上述第①至第⑥步，获得传感区域的位置-反射波长关系的传感数据λ’(z)；

⑨将所述的传感数据与所述的定标数据进行比较，得到所述的光纤光栅传感单元所在的传感区域的波长变化量Δλ(z)，

λ’(z)-λ(z)＝Δλ(z)

式中：z为沿所述的光纤光栅传感单元所在的传感区域的测量点的位置坐标，利用下列公式计算出所有传感区域的应变量ε(z)，实现光纤光栅传感单元栅区范围内的分布式应变测量：ε(z)＝Δλ(z)/(0.78×λ(z))。

与传统的光纤光栅应变传感器相比，本发明的特点和优点是：

(1)本发明基于光纤衰荡腔技术的光纤光栅分布式应变传感器，在光纤衰荡腔中加入掺铒光纤放大器形成有源衰荡腔，补偿腔内的绝大部分损耗，使得脉冲在衰荡腔内衰减得很慢，得到光脉冲衰荡序列，利用衰荡脉冲序列中的第(n+1)个脉冲和第1个脉冲之间时间差取平均的方法得到平均脉冲间隔，可大幅提高衰荡脉冲周期的测量精度，从而得到精确的衰荡腔的腔长，即所述的光纤光栅传感单元所在的传感区域的衰荡波反射点的位置坐标的精度，实现亚毫米量级的空间长度测量定位精度。使用线性啁啾光纤光栅(LCFBG)或者均匀光纤光栅(FBG)作为传感器件，将可调谐激光器的波长与获得的空间定位数据一一对应起来，即可得到局部布拉格反射波长的信息，根据局部布拉格反射波长的变化量，即可解调出相应的局部应变量，从而实现分布式应变传感。能够在一根光纤光栅的栅区范围内，实现分布式测量，克服了传统的使用光纤光栅作为点式传感器的缺陷，可以应用在很多需要高空间分辨的传感场合，如建筑物的细小裂缝监测和有机复合材料的断层监测等。

(2)本发明利用光纤衰荡腔的技术，实现亚毫米量级高空间分辨率定位，进而利用LCFBG或者FBG作为传感元件，实现分布式应变传感。本发明采用直接时域测量的方法，原理简单，无需复杂的转换算法，且***采用全光纤结构，相比在前技术的干涉光谱的方法，结构非常稳定。

(3)本发明基于衰荡腔技术的分布式传感，可以很方便的级联光纤光栅进行组网，每一根光纤光栅均可在光栅的栅区范围内实现分布式传感，极大的扩展了***的实用性，降低了整套***的成本。

(4)本发明采用的所有器件均是标准器件，可以编程实现自动触发采集和数据处理，实现实时在线自动测量，实现动态应变的分布式测量。

附图说明

图1是本发明光纤光栅分布式应变传感器结构示意图；

图2是基于本发明实现的衰荡腔多脉冲序列实验结果图；

图3是本发明中利用光纤衰荡腔技术进行高空间分辨定位的原理图；

图4是基于波分复用组网使用方案；

图5是基于波分复用加时分复用组网使用方案；

图6是组网***结构的性能优化方案之一；

图7是组网***结构的性能优化方案之二。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明基于光纤衰荡腔的光纤光栅分布式应变传感器结构示意图，也是本发明实施例1的结构示意图，由图可见，本发明基于光纤衰荡腔的光纤光栅分布式应变传感器，包括：

光源模块1，该光源模块1由可调谐激光器11、声光调制器12和射频调制器13组成，所述的可调谐激光器11的输出端接所述的声光调制器12的输入端1201，所述的射频调制器13的输出端接所述的声光调制器12的调制端1202；

一个以上的光纤衰荡腔，每个光纤衰荡腔由光纤环3和光纤光栅传感单元4组成，所述的光纤环3至少包括由光纤连接的光纤耦合器31、掺铒光纤放大器32和光纤环形器33构成，所述的光纤耦合器31的第四端口3104通过光纤依次将所述的掺铒光纤放大器32和光纤环形器33的第一端口3301、光纤环形器33的第三端口3303和光纤耦合器31的第二端口3102连接成环，所述的光纤环形器33的第二端口3302接所述的光纤光栅传感单元4的一端；

连接件2将所述的声光调制器12的输出端1203和所述的光纤耦合器31的第一端口3101相连；

所述的光纤耦合器31的第三端口3103接光电探测器5的输入端，该光电探测器5的输出端经高速数据采集卡6与信号处理及显示***7相连，所述的高速数据采集卡6的同步触发端口602与所述的射频调制器13的第二输出端口1302相连。

本发明的实施例中各器件模块的说明如下：

可调谐激光器11，是基于光纤衰荡腔技术的光纤光栅分布式应变传感器***光信号的发射源，需采用可调谐激光器，本发明实例中采用的光源为Photonetics公司的一款型号为TUNICS-Plus的半导体外腔可调谐激光器，调谐范围为1510nm～1590nm，激光线宽小于1pm，也可以采用其他类型的可调谐激光器。

声光调制器12，是用于将可调谐激光器的连续输出光调制成脉冲光序列，本发明实例中采用的声光调制器为AA公司的一款型号为MT160-IIR10-FIO的调制器，也可以用其他型号的声光调制器或者电光调制器。

射频调制器13，是用于在声光调制器驱动上施加射频调制信号，可以使用信号发生器仪器或者信号发生电路。

光纤耦合器31，是普通单模光纤构成的，1550nm波段，端口2×2，分光比为50∶50。

EDFA 32，采用商用的光电一体EDFA模块或自己搭建的EDFA均可。

光纤环行器33，是一个三端口光纤环行器，也可采用接入光纤耦合器和隔离器的办法，起到等同于光纤环行器效果的方案。

光纤光栅传感单元4，是***的传感单元，可以采用LCFBG或者FBG。

光电探测器5，是将光信号转换为电信号的高速探测器，本发明实例中采用的光电探测器是Newport公司的一款型号为1617-AC-FC的探测器，此探测器的带宽为800MHz，可以实现高速光脉冲信号探测，也可以使用其他型号的高速光电探测器。

数据采集卡6，主要是进行数据触发采集。为了获得高时间分辨率，需要采用高速数据采集卡。本发明中采用的数据采集卡是Gage公司的一款型号为CS82G的数字化仪，采样速率为2GS/s。也可以采用NI公司的PCI-5152数字化仪或者其他公司的高速采集卡。

信号处理及显示***7，主要是对数据采集卡6采集到的数据进行实时处理和显示。本发明实例中编写的***处理软件是基于数据采集卡和LabVIEW进行编程，也可以基于其他的平台如Matlab或者C语言进行编程实现。

本发明的基本原理如下：

一束脉冲光注入到衰荡腔中，一部分光通过耦合器输出，另一部分光继续在衰荡腔中循环传输，腔内脉冲光峰值功率满足衰减规律：

$\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}=-\frac{\mathrm{IAc}}{\mathrm{nL}}$

其中，I为随时间t变化的腔内脉冲光峰值功率，A为损耗，c为光速，n为折射率，L为光纤衰荡腔腔长。

因此脉冲功率的衰减符合指数规律

其中损耗A＝αL+δ-G，α为光纤的损耗系数，1550nm单模光纤约为0.2dB/km，δ为腔内的连接损耗、器件损耗以及FBG透射引入的损耗，G为腔内光放大器引入的光损耗补偿。

定义τ₀为光脉冲功率衰减为初始入射功率的1/e所需的时间，称为衰荡时间常数：

τ₀＝nL/c(αL+δ-G)

通过脉冲腔衰荡光谱(以下简称为CRDS)提取衰荡时间常数τ₀来反演腔内损耗。显然，腔内损耗越大，脉冲功率下降地越快，衰荡时间常数τ₀越小。由于CRDS直接测量的是功率衰减速率，而功率衰减速率与光源功率无关，所以这种技术可以自动消除光源功率波动的影响，同时由于目前时间测量可以达到很高的精度，所以这种方法的分辨率很高。CRDS的问题在于只有很小的一部分光功率能够穿过谐振腔，对于光电探测的要求较高。同时CRDS中功率衰减的速率比较快，对于探测的时间分辨率要求较高，增加了***的成本。

在本发明中，采用有源衰荡腔，即在衰荡腔中接入EDFA补偿腔内的损耗，使得光脉冲可以在腔内衰荡很多次，如实验结果图2所示，可以得到衰荡脉冲序列，脉冲的衰减速率很慢，一个光脉冲进入到衰荡腔中，可以得到上百个甚至几百个衰荡脉冲。设脉冲在腔内循环传输一圈的时间，即衰荡脉冲的周期T，获取脉冲序列中第1个脉冲和第(m+1)个脉冲的峰值时间，再求相邻脉冲间隔的平均时间，从而可以得到更为准确的衰荡脉冲周期T，也即对应着更为精确的衰荡腔腔长，因此用此方法可以实现高精度的腔长测量。运用此原理来进行高空间分辨率分布式应变传感，LCFBG作为传感元件，LCFBG器件的特点是：沿着栅区轴向，不同的波长在不同的位置处反射。运用LCFBG进行高空间分辨率应变传感的原理图如图3所示：假设在LCFBG上，A、B两点均处于栅区，距离间隔为2cm。A、B两点的反射波长分别为λ_A和λ_B。分别输入λ_A和λ_B波长的脉宽25ns光脉冲到衰荡腔中，波长为λ_A和λ_B的光在衰荡腔中衰荡脉冲周期分别为T(A)和T(B)，由于A和B两点对应着不同的衰荡腔腔长，因此λ_A和λ_B的衰荡脉冲周期差为ΔT＝T(A)-T(B)＝0.2ns，而目前的测量仪器很难实现0.2ns的时间分辨效果，假设时间测量不准确度为0.5ns，则无法根据脉冲时间间隔来区分栅区的A和B两点；假设λ_A和λ_B波长下的光脉冲在衰荡腔中衰荡p圈，时间累积效应使得间隔为ΔT＝p×0.2ns，时间测量不确定度仍为0.5ns，如果p＞25，则ΔT＞5ns，那么已经可以很好的从时域上定位出λ_A和λ_B的相对位置，选取p＞100，即可实现亚毫米量级的高空间分辨率。

依据本发明的原理，利用本发明基于光纤衰荡腔的光纤光栅分布式应变传感器进行分布式应变传感的基本流程如下：

①可调谐激光器11，调谐出波长为λ₀的窄线宽的连续激光，该波长λ₀和所述的光纤光栅传感单元传感单元4的中心反射波长一致；

②声光调制器12，将可调谐激光器11注入的连续光调制为脉冲光序列；

③调节EDFA 32的增益，使所述的光电探测器5探测到的衰荡脉冲序列光的脉冲数目超过100；

④利用射频调制器13的外触发功能，同步触发所述的声光调制器12和高速数据采集卡6，使所述的声光调制器12输出一个脉冲光注入所述的衰荡环的同时，高速数据采集卡6同步触发采集衰荡脉冲序列，采集多组脉冲序列做平均获得平均脉冲序列，以降噪处理；

⑤获取脉冲序列的峰值时间，取出第(m+1)个脉冲和第1个脉冲的时间，相减再除以m，得到衰荡脉冲周期T；

⑥通过公式L＝c/nT计算衰荡腔的腔长L，其中c为光速，n为光纤的折射率，该腔长L由所述的光纤光栅传感单元4的与入射波长λ₀相关的对应反射点的位置D₀确定；

⑦调谐所述的可调谐激光器11的输出光的波长λ₁、λ₂、…、λ_i、…、λ_q，分别重复上述第①至第⑥步，依次得到光纤光栅传感单元4带宽范围内的各个波长反射的位置D₁、D₂、…、D_i、…、D_q，完成位置-反射波长之间的关系定标λ_i(D_i)，称为定标数据，写为更普遍的形式λ(z)；

⑧将光纤光栅传感单元4固定在传感区域，用于应变传感监测，重复上述第①至第⑥步，获得传感区域的位置-反射波长关系的传感数据λ’(z)；

⑨将所述的传感数据与所述的定标数据进行比较，得到所述的光纤光栅传感单元4所在的传感区域的波长变化量Δλ(z)，

λ’(z)-λ(z)＝Δλ(z)

式中：z为沿所述的光纤光栅传感单元4所在的传感区域的测量点的位置坐标，利用下列公式计算出所有传感区域的应变量ε(z)，实现光纤光栅传感单元4栅区范围内的分布式应变测量：ε(z)＝Δλ(z)/(0.78×λ(z))。该公式的来源请参见文献【Philippe Giaccari，Gabriel R Dunkel，Laurent Humbert，John Botsis，Hans GLimberger and Ren′e P Salath′e，“On a direct determination of non-uniform internalstrain fields using fibre Bragg gratings”，Smart Mater.Struct.14(2005)127-136】

得到所有位置处的应变量，从而实现光纤光栅传感单元4栅区范围内的分布式应变测量。

运用本发明技术方案可以实现光纤光栅的栅区范围内的分布式应变传感，使得在之前其他研究人员的研究中，使用光纤光栅仅仅作为点式传感器的应用功能得到进一步提高和拓展。同时，本发明技术方案具备光纤光栅组网传感的功能。

实施例2，基于波分复用的组网***方案如图4所示：其中1为光源模块，采用如图1结构中所使用的可调谐激光器11连接声光调制器12和射频调制器13构成，输出光脉冲序列。2为光连接件。3为图1结构中的光纤环。411、412、413、414……41r为通过环形器33接入衰荡腔中的级联光纤光栅序列，411接入方式与图1结构中的光纤光栅传感单元4一致，其他的光纤光栅依次级联熔接在411光纤光栅之后。通过此结构，可以实现多个光纤光栅的栅区范围内的分布式应变传感，每一根光纤光栅栅区内的分布式应变解调方法与上述实验原理中的流程完全一样，从而实现组网，大幅降低传感器的成本。在此结构中，需要注意的两点是：

一、所有级联的光纤光栅可以选用LCFBG或者FBG，但所有光纤光栅的反射光谱不能重叠，可在可调谐激光器11的调谐范围内以合适的间隔依次选取不同反射波长的光纤光栅作为组网传感元件；

二、所有光纤光栅的反射率应尽量一致，这样就无需为每一根光纤光栅传感单元单元单独去调节腔内EDFA的增益补偿，从而使得测量速度快，实现自动实时测量。在实际的使用中，可以将所有级联的光纤光栅均制作为反射率＞99％的光纤光栅，而这一点在制作的过程中很容易实现。

实施例3，基于波分复用加时分复用的组网***方案如图5所示：其中1为光源模块，与图4结构中所使用的光源一样。31、32、……、3j为如图1结构中所构成的光纤环。411、412、……41r；421、422、…42r；……；4j1、4j2、……、4jr分别为接入光纤环31、32……3j中的级联光纤光栅序列组，每一个级联光纤光栅序列的构建方式均与图4波分复用结构中的构建方式一样。每一个光纤环和相应的级联光纤光栅序列构成一个测量通道，2为s路光开光，光开光路数可达16路甚至32路，利用光开光，每次选通一个通道，需要测量哪一个级联光纤光栅序列的应变分布，就将相应的通道接通。同理，在此结构中，每一个通道的级联光纤光栅序列构建规则所需要注意的问题与图4所示的波分复用的组网***方案一样，但不同通道之间的光纤光栅光谱是可以重叠的。通过此方案组网，可以更多的增加光纤光栅的接入数量，使得传感范围进一步扩展，传感器的成本进一步降低。

由于组网中，需要用到多个光纤光栅传感单元，且在每一个通道中，所有的光纤光栅传感单元的反射光谱不能重叠，因此，所有传感单元的叠加光谱宽度就随着传感单元数量的增加而增加，衰荡腔内的EDFA噪声也随之增加，当腔内光噪声增大时，腔内循环传播的光脉冲的质量就下降，就很难获得数目很多的高质量腔衰荡脉冲序列。因此，在组网***中，噪声管理是必须考虑的一个问题。

实施例4，图6是组网***结构的性能优化方案之一，在分布式传感基本结构图1和组网结构图4的基础上添加一种滤波去噪功能模块，主要画出滤波去噪功能模块的接入方案，其他未画出部分与前述方案一致。在衰荡腔内通过第二光学环形器34接入一个滤波光纤光栅8。沿着光脉冲在衰荡腔腔内的传输方向，此第二光学环形器34接在第一光纤环形器33之后。滤波光纤光栅8固定在应力调谐或者温度调谐装置上，且通过自动同步触发装置9与可调谐激光器11连接，保持光源输出的波长与滤波光纤光栅8的中心反射波长保持一致，将EDFA自发辐射噪声滤除。通过此噪声管理方案，可以使得组网***中，每一根传感单元FBG的分布式传感效果均达到最佳。

实施例5，图7是组网***结构的性能优化方案之二，在分布式传感基本结构图1和组网结构图4的基础上添加了另一种滤波去噪功能模块，主要画出滤波去噪功能模块的接入方案，其他未画出部分与前述方案一致。在衰荡腔内接入一个光纤FP滤波器10，可以采用微光公司的光纤FP滤波器。沿着光脉冲在腔内的传输方向，此光纤FP滤波器模块10接在第一光纤环形器33之后。此光纤FP滤波器10通过自动同步触发装置9与可调谐激光器11连接，保持光源输出的波长与光纤FP滤波器10的中心透射波长保持一致，将EDFA自发辐射噪声滤除。通过此噪声管理方案，可以使得组网***中，每一根传感单元FBG的分布式传感效果均达到最佳。

本发明采用了直接时域测量的方法，将空间分辨率提高到亚毫米量级，且结构紧凑，算法简单，可实时在线监测，可组网使用，因此在光纤传感领域中将有很大的应用空间。

Claims (7)

1.一种光纤光栅分布式应变传感器，其特征在于包括：

光源模块(1)，该光源模块(1)由可调谐激光器(11)、声光调制器(12)和射频调制器(13)组成，所述的可调谐激光器(11)的输出端接所述的声光调制器(12)的输入端(1201)，所述的射频调制器(13)的输出端(1301接所述的声光调制器(12)的调制端(1202)；

一个以上的光纤衰荡腔，所述的光纤衰荡腔由光纤环(3)和光纤光栅传感单元(4)组成，所述的光纤环(3)至少包括由光纤连接的光纤耦合器(31)、掺铒光纤放大器(32)和光纤环形器(33)，所述的光纤耦合器(31)的第四端口(3104)通过光纤依次将所述的掺铒光纤放大器(32)和光纤环形器(33)的第一端口(3301)、光纤环形器(33)的第三端口(3303)和光纤耦合器(31)的第二端口(3102)连接成环，所述的光纤环形器(33)的第二端口(3302)接所述的光纤光栅传感单元(4)的一端；

连接件(2)将所述的声光调制器(12)的输出端(1203)和所述的光纤耦合器(31)的第一端口(3101)相连；

所述的光纤耦合器(31)的第三端口(3103)接光电探测器(5)的输入端，该光电探测器(5)的输出端经高速数据采集卡(6)与信号处理及显示***(7)相连，所述的高速数据采集卡(6)的同步触发端口(602)与所述的射频调制器(13)的第二输出端口(1302)相连。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅分布式应变传感器，其特征在于所述的连接件(2)为一根光纤，或是一端输入多端输出的1xn光开关。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅分布式应变传感器，其特征在于所述的光纤光栅传感单元(4)为在一根光纤上分布有一个光纤光栅或分布有多个光纤光栅(411、412、413、…、41r)构成的级联光纤光栅序列，其中r为2以上的正整数，在同一级联光纤光栅序列中，所有的光纤光栅选用LCFBG或者FBG，在所述的可调谐激光器(11)的调谐范围内以适当的间隔依次选取不同反射波长的光纤光栅作为组网传感元件，且所有的光纤光栅的反射光谱都不重叠。

4.根据权利要求2所述的光纤光栅分布式应变传感器，其特征在于具有多个衰荡腔，每个衰荡环(3j)中的光纤环形器(33)的第二端口(3302)各接一个级联光纤光栅序列(4j1、4j2、…、4jr)，其中j为2以上的正整数，所述的光源模块(1)的声光调制器(12)的输出端(123)通过一个1xn光开关的连接件(2)与多个衰荡环(3j)的光纤耦合器(31)的第一端口(3101)分别相连。

5.根据权利要求1或2或3或4任一项所述的光纤光栅分布式应变传感器，其特征在于在所述的光纤环(3)中的光纤环形器(33)的第三端口(3303)和光纤耦合器(31)的第二端口(3102)之间接入了第二光纤环形器(34)，该第二光纤环形器(34)的第二端口接滤波光纤光栅(8)，该滤波光纤光栅(8)固定在应力调谐或者温度调谐装置上，该滤波光纤光栅(8)通过自动同步触发装置(9)与所述的可调谐激光器(11)连接，以保持光源输出的波长与滤波光纤光栅(8)的中心反射波长保持一致，将所述的掺铒光纤放大器(32)的自发辐射噪声滤除。

6.根据权利要求1或2或3或4任一项所述的光纤光栅分布式应变传感器，其特征在于在所述的光纤环(3)中的光纤环形器(33)的第三端口(3303)和光纤耦合器(31)的第二端口(3102)之间接入一个光纤FP滤波器(10)，该光纤FP滤波器(10)通过自动同步触发装置(9)与所述的可调谐激光器(11)连接，以保持光源输出的波长与该光纤FP滤波器(10)的中心透射波长保持一致，将所述的掺铒光纤放大器(32)的自发辐射噪声滤除。

7.利用权利要求1所述的光纤光栅分布式应变传感器进行分布式应变监测的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①调谐可调谐激光器(11)的激光输出波长为λ₀的窄线宽的连续激光，该波长λ₀和所述的光纤光栅传感单元(4)的中心反射波长一致；

②所述的声光调制器(12)将可调谐激光器(11)注入的连续光调制为脉冲光序列；

③调节所述的掺铒光纤放大器(32)的增益，使所述的光电探测器(5)探测到的衰荡脉冲光序列的脉冲数目超过100；

④通过射频调制器(13)的外触发功能，同步触发所述的声光调制器(12)和高速数据采集卡(6)，使所述的声光调制器(12)输出一个脉冲光注入所述的衰荡环的同时，高速数据采集卡6同步采集衰荡脉冲序列，采集多组脉冲序列做平均获得平均脉冲序列，以降噪处理；

⑤获取脉冲序列的峰值时间，取出第(m+1)个脉冲和第1个脉冲的时间，相减再除以m，得到衰荡脉冲周期T；

⑥通过公式L＝c/nT计算衰荡腔的腔长L，其中c为光速，n为光纤的折射率，该腔长L由所述的光纤光栅传感单元(4)的与入射波长λ₀相关的对应反射点的位置D₀确定；

⑦调谐所述的可调谐激光器(11)的输出光的波长λ₁、λ₂、…、λ_i、…、λ_q，分别重复上述第①至第⑥步，依次得到光纤光栅传感单元(4)带宽范围内的各个波长反射的位置D₁、D₂、…、D_i、…、D_q，完成位置-反射波长之间的关系定标λ_i(D_i)，称为定标数据，写为更普遍的形式λ(z)；

⑧将光纤光栅传感单元(4)固定在传感区域，用于应变传感监测，重复上述第①至第⑥步，获得传感区域的位置-反射波长关系的传感数据λ’(z)；

⑨将所述的传感数据与所述的定标数据进行比较，得到所述的光纤光栅传感单元(4)所在的传感区域的波长变化量Δλ(z)，

λ’(z)-λ(z)＝Δλ(z)

式中：z为沿所述的光纤光栅传感单元(4)所在的传感区域的测量点的位置坐标，利用下列公式计算出所有传感区域的应变量ε(z)，实现光纤光栅传感单元(4)栅区范围内的分布式应变测量：ε(z)＝Δλ(z)/(0.78×λ(z))。

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