CN102607523B - 基于激光拍频传感技术的高精度倾斜仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于地壳倾斜变化测量的基于激光拍频传感技术的高精度倾斜仪及测量方法。该高精度倾斜仪包括两个连通的水槽，浮子，光纤，传感光纤光栅，参考光纤光栅，固定侧板，传感信号发生与解调装置。其倾斜测量的实现原理是基于双环腔单纵模光纤激光器的激光拍频传感解调技术，针对水管倾斜仪不同的基线长度，提供了两种倾斜测量的实施方案。与现有技术相比，本发明通过巧妙的结构设计将激光拍频传感技术应用到地倾斜信号的测量，同时设计出相应的光纤水管倾斜仪装置，使得***具有解调精度高，可靠性好，结构简单，成本较低，稳定性高，温度自动补偿机制等优点。

Description

基于激光拍频传感技术的高精度倾斜仪及测量方法

技术领域

本发明涉及一种地学观测技术领域，尤其是适用于地壳倾斜变化测量的光纤水管倾斜仪。

背景技术

目前，高精度倾斜仪是固体潮汐形变观测的主要仪器之一，同时也是地壳形变观测仪器的重要组成部分，可广泛应用于固体潮汐的观测、大型陆基科学仪器(如激光干涉引力波天线)地面倾斜运动的测量以及地质灾害的监测与预警等方面。作为高精度倾斜仪的一种重要实现方案的水管倾斜仪是一种利用自由水面作为基准测量相隔一定距离的两个观测点之间相对高程变化的长基线倾斜仪。其基本结构是用一根水管的两端连接两个钵体，当连通管两端地基有相对垂直位移时，倾斜仪钵体中的液体会从相对抬高的一端流向相对降低的一端，于是两端液面与钵体的相对位置发生变化，用位移传感器检测这种位置变化就可得到沿水管方向的地倾斜信号。

传统水管倾斜仪的液位传感器采用磁式、压力式、电容式等测量方式，如聂磊等人在文章“FSQ型浮子水管倾斜仪的设计与研制”，地壳形变与地震，vol.4，No.1，p.91-102中介绍的水管倾斜仪采用磁液位传感器，具有零漂小，成本低等特点，但是由于磁传感器本身固有的抗干扰能力较弱，精度较低，组网能力差，动态性能不好等缺点，使得在应用中具有一定的局限性；近些年基于FSQ改进而成的DSQ型水管倾斜仪具有更强的智能型和自动化，动态性能和测量精度有所提高，但是核心的液位传感器依旧采用基于差动变压器的电学传感器，使得在使用中对环境条件要求相当苛刻，易受电磁干扰和温度影响，不利于在深部地质的恶劣环境中工作。

由于光学传感的一些固有优势，近些年出现了一些基于光学的倾斜仪结构及测量方案，如Masahiro Nakamura申请的美国发明专利“Inclination angle metering apparatus(专利号US5392112)”，该专利所设计的倾斜仪利用仪器固定表面和液面各自反射由一条光束所分割而成的两束光后在一个检测器上聚焦，从两条分光束的空间点的相对位置计算仪器的倾角；又如库尔特·埃内等人申请的专利“光学倾斜仪(专利号CN1659420A)”，该专利设计的倾斜仪由辐射源发射辐射，通过容纳元件后聚焦在照相机上，根据液位相对于倾斜仪或者照相机的位置，可推断出倾斜仪的倾斜度：这些方案原理上都有所创新，精度上达到了很高的要求，但是结构相对复杂，同时***的稳定性与可靠性受到辐射源与光源的局限，实际应用中受到了一定的限制。

近年来，光纤激光传感器特别是光纤光栅激光传感器得到了广泛的应用，它是在普通无源光纤光栅传感器的基础上，将光纤光栅写到有源光纤上，形成有效的、具有增益性质的激光谐振腔。当外界受监测物理量发生变化时，出射的激光波长、偏振或者模式等发生变化，通过检测这些激光参量的变化就可以得到被测物理量的变化情况。激光传感器由于它高的输出能量、优越的信噪比并具有超窄线宽的激光带宽使得它得到了广泛的研究和重视。在所有光纤激光传感器中，基于拍频解调技术的光纤激光传感器能够发展成解调结构较简单、低值、高精度的传感技术。拍频解调技术具有简单、全电子化的优点，在现有的激光传感解调技术中，拍频解调技术是非常简单、成本很低且性能稳定的一种解调方案。这个技术提供了一个简单的信号处理方法，根据这种技术，大量的拍频激光传感器被应用到水声、超声、荷载等物理信息的测量。

发明内容

本发明为解决上述现有水管倾斜仪测量技术存在的问题，提出一种基于激光拍频传感技术的光纤水管倾斜仪及测量方法，利用光纤光栅直接作为传感元件，采用激光拍频解调技术，不引入其他弹性元件，具有自动温度补偿机制，其测量精度高，抗干扰能力强，使用寿命长，稳定性好。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

本发明提供一种适用于长基线的基于激光拍频传感技术的高精度倾斜仪，其特征在于，包括相互连通的两个水槽，传感信号发生与解调模块，每个所述水槽包括水，浮子，传感光纤光栅，参考光纤光栅，所述传感光纤光栅(5)的上端连接所述浮子并通过引出光纤连接水槽外的所述传感信号发生与解调模块(8)，另一端固定所述水槽下底部后的引出光纤连接所述传感信号发生与解调模块(8)，所述参考光纤光栅(6)安装在所述水槽内的固定侧板(7)上并完全浸入水中，所述参考光纤光栅(6)的两端分别通过引出光纤连接所述传感信号发生与解调模块(8)。

进一步的，所述传感信号发生与解调装置包括泵浦源，波分复用器，一段掺铒光纤，偏振控制器I，偏振控制器II，可调谐衰减器I，可调谐衰减器II，环形器，光纤光栅，光纤耦合器I，光纤耦合器II，光纤耦合器III，光纤耦合器IV，掺铒光纤放大器，光电探测器，频谱分析仪，光谱分析仪，所述传感光纤光栅，参考光纤光栅的两端分别连接所述光纤耦合器I和光纤耦合器II，所述光纤耦合器I与光纤耦合器II之间由光纤分别顺序连接、偏振控制器II、波分复用器、掺铒光纤、偏振控制器I、光纤耦合器IV和环形器，形成所述传感光纤光栅，参考光纤光栅并行连接的环腔，光纤光栅连接所述环形器；所述的泵浦源产生的泵浦光通过波分复用器注入所述环腔内，经过一段掺铒光纤产生受激辐射，激射的激光经由环形器后通过光纤光栅实现粗滤波，再通过光纤耦合器II分别进入所述传感光纤光栅和参考光纤光栅中，所述传感光纤光栅和参考光纤光栅分别接入可调谐衰减器I、可调谐衰减器II，环腔中产生的双波长窄带激光通过光纤耦合器IV输出，经过光纤耦合器III、掺铒光纤放大器将光信号放大后输入至光电探测器，利用光电探测器将光信号转变为电信号，将产生的电信号输入到频谱分析仪可以观测到两个波长的拍频信号，通过检测这种频谱漂移量可以推算出作用于传感光纤光栅的参量大小。

优选的，还包括底部固定装置，所述底部固定装置连接水槽底部，所述传感光纤光栅下端固定于底部固定装置的上。

进一步的，所述的底部固定装置为中空倒漏斗形状的结构块。

本发明提出了一种适用于长基线的基于激光拍频传感技术的高精度倾斜仪的测量方法，其特征在于包括以下步骤：启动传感信号发生与解调模块，观测所述频谱分析仪；当外界基面发生倾斜时，在光谱分析仪中观测到传感光纤光栅与参考光纤光栅的波长差发生变化，传感光纤光栅与参考光纤光栅的波长差导致频谱分析仪中的拍频频谱发生漂移，通过频谱分析仪记录频谱漂移量的大小推算出单侧水槽的液位高度的变化量；测量出基线长度后计算出外界基面倾斜量的大小。上述发明的原理是：当外界基面发生倾斜时，单侧的水槽内液位发生变化，由于浮子本身被固定而不发生上下移动，从而浮子所受的浮力发生变化，导致传感光纤光栅上承受的应力增加，工作波长发生漂移，而此时参考光纤光栅由于被固定，不受外界的应力变化，波长不发生漂移，因此传感光纤光栅与参考光纤光栅的波长差发生变化，将光纤激光器环腔内的激光输出经过探测器输入到频谱分析仪中，可以观测到对应的拍频频谱发生漂移，通过频谱分析仪记录频谱漂移量的大小可以反推传感光纤光栅与参考光纤光栅的波长差，进而可以得出传感光纤光栅上承受的应力变化量，最终可以得出单侧水槽内的液位变化量，通过两侧水槽内液位变化量以及基线的长度可以得出外界基面倾斜量的大小。

本发明提出了一种适用于短基线的基于激光拍频传感技术的高精度倾斜仪，其特征在于，包括相互连通的两个水槽和一个传感信号发生与解调模块，每个所述水槽包括水，浮子，传感光纤光栅，所述传感光纤光栅(5)的上端连接所述浮子并通过引出光纤连接水槽外的所述传感信号发生与解调模块(8)，另一端固定所述水槽下底部后的引出光纤连接所述传感信号发生与解调模块(8)。

进一步的，上述适用于短基线的基于激光拍频传感技术的高精度倾斜仪所述传感信号发生与解调装置包括泵浦源，波分复用器，一段掺铒光纤，偏振控制器I，偏振控制器II，可调谐衰减器I，可调谐衰减器II，环形器，光纤光栅，光纤耦合器I，光纤耦合器II，光纤耦合器III，光纤耦合器IV，掺铒光纤放大器，光电探测器，频谱分析仪，光谱分析仪，所述传感光纤光栅，参考光纤光栅的两端分别连接所述光纤耦合器I和光纤耦合器II，所述光纤耦合器I与光纤耦合器II之间由光纤分别顺序连接、偏振控制器II、波分复用器、掺铒光纤、偏振控制器I、光纤耦合器IV和环形器，形成所述传感光纤光栅，参考光纤光栅并行连接的环腔，光纤光栅连接所述环形器；所述的泵浦源产生的泵浦光通过波分复用器注入所述环腔内，经过一段掺铒光纤产生受激辐射，激射的激光经由环形器后通过光纤光栅实现粗滤波，再通过光纤耦合器II分别进入所述传感光纤光栅和参考光纤光栅中，所述传感光纤光栅和参考光纤光栅分别接入可调谐衰减器I、可调谐衰减器II，环腔中产生的双波长窄带激光通过光纤耦合器IV输出，经过光纤耦合器III、掺铒光纤放大器将光信号放大后输入至光电探测器，利用光电探测器将光信号转变为电信号，将产生的电信号输入到频谱分析仪可以观测到两个波长的拍频信号，通过检测这种频谱漂移量可以推算出作用于传感光纤光栅的参量大小。

优选的，包括底部固定装置，所述底部固定装置连接水槽底部，所述传感光纤光栅下端固定于底部固定装置的上端，所述底部固定装置下端输出光纤连接水槽外的所述传感信号发生与解调模块。

更优的，所述的底部固定装置为中空倒漏斗形状的结构块。

本发明提出了一种适用于短基线的基于激光拍频传感技术的高精度倾斜仪的测量方法，其特征在于包括以下步骤：启动传感信号发生与解调模块，观测所述频谱分析仪；当外界基面发生倾斜时，两侧水槽内的传感光纤光栅的波长差发生变化，进而导致频谱分析仪中的拍频频谱发生漂移，通过频谱分析仪记录频谱漂移量的大小可以推算出两侧的传感光纤光栅的波长差，进而可以推算出两侧水槽的液位变化的高度差，测量出基线长度后可以计算出外界基面倾斜量的大小。上述发明的原理是：当外界基面发生倾斜时，两侧水槽的液位均发生变化，根据连通器液面保持水平的原理，两侧水槽液面分别上升和下降，且变化量相等，液位的改变致使浮子所受的浮力发生变化，导致一侧的传感光纤光栅上承受的应力增加，波长向长波长方向漂移，另一侧的传感光纤光栅上承受的应力减小，波长向短波长方向漂移，两侧的传感光纤光栅波长差发生变化，进而导致频谱分析仪中的拍频频谱发生漂移，通过频谱分析仪记录频谱漂移量的大小可以推算出两侧的传感光纤光栅的波长差，进而可以推算出两侧液位变化的高度差，通过基线的长度可以得出外界基面倾斜量的大小。

本发明与现有技术相比，具有以下主要的优点：

其一，将激光拍频传感技术引入到水管倾斜仪中，倾斜测量方案具有解调精度高，可靠性好的优点；

其二，采用了液位转化为浮力的方法，将光纤光栅作为传感元件，与浮子通过法兰盘相连并固定于容器底部，结构简单，成本较低，稳定性高，同时避免了如波纹管、弹簧等弹性元件的引入，有效的防止了应变传递过程中的迟滞现象与蠕变效应；

其三，提供针对两种基线长度的水管倾斜仪结构及测量方法，长基线的测量方案中具有温度自动补偿机制，通过将传感光纤光栅和参考光纤光栅同时放入单侧的水槽内，水槽内的温度变化同时引起传感光纤光栅和参考光纤光栅的工作波长的漂移，但是其波长差保持不变，因此频谱分析仪显示的拍频频谱不会发生漂移，进而有效的避免了温度变化对***的影响；短基线的测量方案中只使用一套信号解调装置，且不使用额外的参考光纤光栅，结构简单，成本较低，适合于做小型化监测设备，便携性好。

附图说明

图1是本发明的适用于长基线的基于双环腔单纵模光纤激光器的激光拍频传感解调技术的光纤光栅水管倾斜仪结构图。图中：1，水槽；2，浮子；3，连通管；4，底部固定装置；5，传感光纤光栅；6，参考光纤光栅；7，固定侧板；8，传感信号发生与解调装置；9，单模标准光纤；10，法兰盘；11，盖板。

图2是本发明的适用于短基线的基于双环腔单纵模光纤激光器的激光拍频传感解调技术的光纤光栅水管倾斜仪结构图。图中：1，水槽；2，浮子；3，连通管；4，底部固定装置；5，传感光纤光栅；7，固定侧板；8，传感信号发生与解调装置；9，单模标准光纤；10，法兰盘；11，盖板。

图3是水槽底部固定转置平面示意图。

图4是本发明的包括虚线框所示的传感信号发生与解调模块的双环腔单纵模光纤激光器结构原理图。图4中：5，传感相移光纤光栅；6，参考相移光纤光栅；8，传感信号发生与解调装置；9，单模标准光纤；12，泵浦源；13，波分复用器；14，一段掺铒光纤；15，偏振控制器I；16，偏振控制器II；17，可调谐衰减器I；18，可调谐衰减器II；19，环形器；20，光纤光栅；23，光纤耦合器I；24，光纤耦合器II；25，光纤耦合器III；26，光纤耦合器IV；27，掺铒光纤放大器；28，光电探测器；29，频谱分析仪；30，光谱分析仪。

图5是基于连通器原理的倾斜量测量原理示意图。

具体实施方式

下一步结合具体实施方式，进一步阐述本发明：

本发明提供一种长基线光纤水管倾斜仪结构，如图1所示，水管倾斜仪结构包含水槽1，浮子2，连通管3，底部固定装置4，传感光纤光栅5，参考光纤光栅6，固定侧板7，传感信号发生与解调装置8，光纤9，法兰盘10，盖板11，所述的浮子底部中央固定一个法兰盘，所述的传感光纤光栅上端通过法兰盘与浮子底端相连，下端固定于底部固定装置的上端，所述的底部的固定装置采用倒漏斗形的自动导引装置，如图3所示，将传感光纤光栅下端连接法兰盘的一段光纤从侧面开口引入固定装置，再向上端提拉，由于倒漏斗形状的导引转置引导法兰盘保持在底部中央，同时设置与法兰盘匹配的上端开口进行双重固定，使传感光纤光栅固定于底部中央。固定装置采用不锈钢材料，一方面防止水中长期操作的腐蚀影响，另一方面提供了较大的比重防止移动。底部固定装置下端输出的光纤直接连接到固定侧板上，从其上部引出输出，参考光纤光栅直接固定于固定侧板上，形成一个马蹄形结构，从固定侧板的上端引出输出，传感光纤光栅和参考光纤光栅连接到外部的传感信号发生与解调模块。

双环腔单纵模光纤激光器的原理实现如图4所示，该光纤激光器包含传感光纤光栅5，参考光纤光栅6，传感信号发生与解调装置8，单模标准光纤9，泵浦源12，波分复用器13，一段掺铒光纤14，偏振控制器I15，偏振控制器II16，可调谐衰减器I17，可调谐衰减器II18，环形器19，光纤光栅20，光纤耦合器I23，光纤耦合器II24，光纤耦合器III25，光纤耦合器IV26，掺铒光纤放大器27，光电探测器28，频谱分析仪29，光谱分析仪30，泵浦源12产生的泵浦光通过波分复用器13注入环腔内，使用一段5米的掺铒光纤14作为增益介质，使用偏振控制器15，16和可调谐光衰减器17，18来平衡增益和偏振态来抑制跳模现象，激射的激光由1端口进入环形器，2端口输出后经过光纤光栅20以实现粗滤波，0.2纳米带宽的激光被反射至2端口，再由3端口输出，由耦合器24分成等功率的两路光分别进入传感相移光纤光栅5和参考相移光纤光栅6中，分别决定双环腔的两路单纵模激射激光，并保持一定的波长差，使用光纤耦合器IV26做激光输出，用频谱分析仪29来检测输出的频谱，在频谱仪中可以得到稳定的拍频频谱，当其中的传感相移光栅受到外界参量的变化而导致其波长漂移时，两个相移光纤光栅的波长差也发生改变，进而导致频谱仪上的拍频频谱发生漂移，通过检测这种频谱漂移量可以推算出外界参量作用影响的大小，进而建立一种基于双环腔单纵模光纤激光器的激光拍频传感技术。

由图4可知，两个相移光栅的窄带透射谱对应双波长激光输出的两个波长，利用光电探测器将光信号转变为电信号再利用频谱仪可以观测到两个波长的拍频信号，拍频的原理如下所述：

利用上述的双波长激光器结构，两个激光谐振腔共用一个光纤光栅作为谐振腔端镜，输出的两个波长具有良好的相干性，当两个波长的激光叠加在一起时，将产生干涉现象。双波长激光器两个波长相差很小，相应的频率相差也很小。设激光的瞬时频率分别为v₁(t)及v₂(t)，则其光场分别表示为：

E₁(t)＝A₁cos(2πv₁t+φ₁)

E₁(t)＝A₁cos(2πv₁t+φ₁)

上述两式中A₁，A₂分别表示两束光的振幅，

分别为对应的初始相位。将这两束激光垂直地入射到光电探测器上时，总的电磁场为：

E(t)＝A₁cos(2πv₁t+φ₁)+A₂cos(2πv₂t+φ₂)

此时，光电探测器输出的振电信号强度与光强(光场的平方)成正比例关系，即输出的光电流正比于E²(t)：

$E^2\left(t\right)={[A_1\cos (2\mathrm{\π}{v}_{1}t+{\mathrm{\φ}}_1)+A_2\cos (2\mathrm{\π}{v}_{2}t+{\mathrm{\φ}}_2)]}^2$

$=A_2^2{\cos }^2(2\mathrm{\π}{v}_{1}t+{\mathrm{\φ}}_1)+A_2^2{\cos }^2(2\mathrm{\π}{v}_{2}t+{\mathrm{\φ}}_2)+A_1{A}_2\cos [2\mathrm{\π}(v_1+v_2)t+({\mathrm{\φ}}_1+{\mathrm{\φ}}_2)]$

$A_1{A}_2\cos [2\mathrm{\π}(v_1-v_2)t+({\mathrm{\φ}}_1-{\mathrm{\φ}}_2)]$

由式中，第一、二项均为余弦函数平方，平均值均为1/2；第三项是“和频”项，有很高的频率，现有的光电探测器根本无法响应，平均值是零；第四项为“差频”项，相对于光频而言要慢的多，当差频信号的频率小于光电探测器的截止频率时，将会有光电流输出。经过隔直后，光电探测器输出电流为：

I≈A₁A₂cos[2π(v₁-v₂)t+(φ₁-φ₂)]

因此，当两个光场同时垂直入射到光电探测器上时，输出的光电流由直流项和差频(v₁-v₂)的交流项构成，用频谱仪检测时，能探测到(v₁-v₂)的“拍频”信号。

当其中一个相移光纤光栅受到外界作用时(温度或应力)，会导致其透射带波长发生漂移，进而导致两个激射波长的波长间隔发生变化，从而使得拍频信号发生漂移，利用频谱仪检测这种漂移量进而就可以解调液位的变化，提供了一种有效且高精度的液位传感方案。

应变作用于双波长激光器时，使激光器自身的光纤光栅周期发生变化，以致激光输出的两个波长均会发生漂移。理论上应变对激光器的波长改变：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_M}{{\mathrm{\λ}}_M}=(1-P_e)\mathrm{\ϵ}$ M＝1，2

式中λ_M(M＝1，2)分别表示激光器的两个波长，Δλ_M是由于应力带来的波长漂移，P_e为光纤有效弹光系数，P_e＝0.22。从上式可以看到波长的变化和应力成线性关系。

当激光器的两个波长发生变化时，两者产生的拍频信号也将发生相应的变化，拍频信号和应力的关系如下：

$\mathrm{\δf}=\frac{c}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{c}{{\mathrm{\λ}}_2}=\mathrm{\δ}{f}_0\frac{1}{1+(1-p_e)\mathrm{\ϵ}}\≈\mathrm{\δ}{f}_0[1-(1-p_e)\mathrm{\ϵ}]$

式中δf₀表示激光器的原始拍频频率，即没有应力作用于激光传感器上时，双波长激光传感器的拍频频率，c为真空光速。从上式可以看出，拍频频率和应力基本成线性关系。通过测量拍频信号的偏移量就可以计算施加在激光传感器上的应变大小。

作用在浮子上的浮力为：

F_浮＝mg+F_B

其中m为浮子的质量，F_B为光纤光栅FBG上所受到得拉力，其与应变的关系可以用下式表示：

σ＝F_B/S＝E×ε

其中σ为FBG上所受应力，S为光纤截面积，E为光纤杨氏模量，ε为光纤光栅轴向应变。光纤光栅应变与波长漂移量的关系可以有下式得到：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=(1-P_e)\mathrm{\ϵ}$

其中λ_B为光纤光栅布拉格波长，Δλ_B为中心波长漂移量，P_e为有效弹光系数(≈0.22)。

由上述的理论公式可知，当液面高度改变时，F相应变化，使得FBG上的应力发生变化，从而使其应变改变，致使Bragg波长以相应的比例漂移，而漂移的大小可以由光谱仪(OSA)中显示读出，从而得到了液位变化与光谱波长漂移量Δλ的关系，由于光谱仪可以显示波长微小的漂移，因此可以实现微小液位变化的测量。

浮力由公式可得：

F_浮＝ρg(h-H₀)S₀

其中H₀为浮子底端至容器底的距离，S₀为浮子的底面积，h为液面高度，ρ为水槽内液体密度。

由上述公式可以推得波长漂移与液位变化的关系：

$h=H_0+(\mathrm{mg}+\mathrm{ES}\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{0.78{\mathrm{\λ}}_B})/\mathrm{\ρg}{S}_0$

由上式可得波长漂移量Δλ与液位变化的理论关系式，实验精度主要取决于Δλ前的系数，因此可以通过对材料的选择以及悬浮物的设计来提高液位测量的灵敏度。

由以上分别求得两边水槽内液位的变化h，根据连通器的原理，如图5所示，两边的液位变化的绝对值为2h，利用公式即可以求得基面的倾斜量，从而实现倾斜信号的测量。

对于短基线的光纤水管倾斜仪测量方案，由于不使用参考光纤光栅，将组成双环腔单纵模光纤激光器的两路光纤光栅分别连接到两侧水槽，均作为传感光纤光栅使用，如图2所示。

当外界基面发生倾斜时，两侧水槽的液位均发生变化，根据连通器液面保持水平的原理，两侧水槽液面分别上升和下降，且变化量相等，液位的改变致使浮子所受的浮力发生变化，导致一侧的传感光纤光栅上承受的应力增加，波长向一侧漂移，另一侧的传感光纤光栅上承受的应力减小，波长向一侧漂移，两侧的传感光纤光栅波长差发生变化，进而导致频谱分析仪中的拍频频谱发生漂移，通过频谱分析仪记录频谱漂移量的大小可以推算出两侧的传感光纤光栅的波长差，进而可以推算出两侧液位变化的高度差，通过基线的长度可以得出外界基面倾斜量的大小。

上述实施方式仅限于对本发明的进一步说明，并不构成对本发明技术方案的限定。

Claims (10)

1.一种基于激光拍频传感技术的高精度倾斜仪，其特征在于，包括相互连通的两个水槽（1），传感信号发生与解调模块（8），每个所述水槽（1）包括水，浮子（2），传感光纤光栅（5），参考光纤光栅（6），所述传感光纤光栅（5）的上端连接所述浮子并通过引出光纤连接水槽外的所述传感信号发生与解调模块（8），另一端固定所述水槽下底部后的引出光纤连接所述传感信号发生与解调模块（8），所述参考光纤光栅（6）安装在所述水槽内的固定侧板（7）上并完全浸入水中，所述参考光纤光栅（6）的两端分别通过引出光纤连接所述传感信号发生与解调模块（8）。

2.根据权利要求1所述的基于激光拍频传感技术的高精度倾斜仪，其特征在于，所述传感信号发生与解调装置（8）包括泵浦源（12），波分复用器（13），一段掺铒光纤（14），偏振控制器Ⅰ（15），偏振控制器Ⅱ（16），可调谐衰减器Ⅰ（17），可调谐衰减器Ⅱ（18），环形器（19），光纤光栅（20），光纤耦合器Ⅰ（23），光纤耦合器Ⅱ（24），光纤耦合器Ⅲ（25），光纤耦合器Ⅳ（26），掺铒光纤放大器（27），光电探测器（28），频谱分析仪（29），光谱分析仪（30），所述传感光纤光栅（5），参考光纤光栅（6）的两端分别连接所述光纤耦合器Ⅰ（23）和光纤耦合器Ⅱ（24），所述光纤耦合器Ⅰ（23）与光纤耦合器Ⅱ（24）之间由光纤分别顺序连接偏振控制器Ⅱ（16）、波分复用器（13）、掺铒光纤（14）、偏振控制器Ⅰ（15）、光纤耦合器Ⅳ（26）和环形器（19），形成所述传感光纤光栅（5）与参考光纤光栅（6）并行连接的环腔，光纤光栅（20）连接所述环形器（19）；所述的泵浦源（12）产生的泵浦光通过波分复用器（13）注入所述环腔内，经过一段掺铒光纤（14）产生受激辐射，激射的激光经由环形器（19）后通过光纤光栅（20）实现粗滤波，再通过光纤耦合器Ⅱ（24）分别进入所述传感光纤光栅（5）和参考光纤光栅（6）中，所述传感光纤光栅（5）和参考光纤光栅（6）分别接入可调谐衰减器Ⅰ、Ⅱ（17,18），环腔中产生的双波长窄带激光通过光纤耦合器Ⅳ（26）输出，经过光纤耦合器Ⅲ（25）、掺铒光纤放大器（27）将光信号放大后输入至光电探测器（28），利用光电探测器（28）将光信号转变为电信号，将产生的电信号输入到频谱分析仪（29）可以观测到两个波长的拍频信号，通过检测这种频谱漂移量可以推算出作用于传感光纤光栅的参量大小。

3.根据权利要求2所述的基于激光拍频传感技术的高精度倾斜仪，其特征在于，还包括底部固定装置（4），所述底部固定装置（4）连接水槽（1）底部，所述传感光纤光栅（5）下端固定于底部固定装置（4）上。

4.根据权利要求3的基于激光拍频传感技术的高精度倾斜仪，其特征在于所述的底部固定装置（4）为中空倒漏斗形状的结构块。

5.一种权利要求2至4之一所述的基于激光拍频传感技术的高精度倾斜仪的测量方法，其特征在于包括以下步骤：启动传感信号发生与解调模块（8），观测所述频谱分析仪；当外界基面发生倾斜时，在光谱分析仪（30）中观测到传感光纤光栅与参考光纤光栅的波长差发生变化，传感光纤光栅与参考光纤光栅的波长差导致频谱分析仪中的拍频频谱发生漂移，通过频谱分析仪记录频谱漂移量的大小推算出单侧水槽的液位高度的变化量；测量出基线长度后计算出外界基面倾斜量的大小。

6.一种基于激光拍频传感技术的高精度倾斜仪，其特征在于，包括相互连通的两个水槽（1）和一个传感信号发生与解调模块（8），每个所述水槽（1）包括水，浮子（2），传感光纤光栅（5），所述传感光纤光栅（5）的上端连接所述浮子并通过引出光纤连接水槽外的所述传感信号发生与解调模块（8），另一端固定所述水槽下底部后的引出光纤连接所述传感信号发生与解调模块（8）。

7.根据权利要求6所述的基于激光拍频传感技术的高精度倾斜仪，其特征在于，所述传感信号发生与解调装置（8）包括泵浦源（12），波分复用器（13），一段掺铒光纤（14），偏振控制器Ⅰ（15），偏振控制器Ⅱ（16），可调谐衰减器Ⅰ（17），可调谐衰减器Ⅱ（18），环形器（19），光纤光栅（20），光纤耦合器Ⅰ（23），光纤耦合器Ⅱ（24），光纤耦合器Ⅲ（25），光纤耦合器Ⅳ（26），掺铒光纤放大器（27），光电探测器（28），频谱分析仪（29），光谱分析仪（30），所述传感光纤光栅（5），参考光纤光栅（6）的两端分别连接所述光纤耦合器Ⅰ（23）和光纤耦合器Ⅱ（24），所述光纤耦合器Ⅰ（23）与光纤耦合器Ⅱ（24）之间由光纤分别顺序连接偏振控制器Ⅱ（16）、波分复用器（13）、掺铒光纤（14）、偏振控制器Ⅰ（15）、光纤耦合器Ⅳ（26）和环形器（19），形成所述传感光纤光栅（5）与参考光纤光栅（6）并行连接的环腔，光纤光栅（20）连接所述环形器（19）；所述的泵浦源（12）产生的泵浦光通过波分复用器（13）注入所述环腔内，经过一段掺铒光纤（14）产生受激辐射，激射的激光经由环形器（19）后通过光纤光栅（20）实现粗滤波，再通过光纤耦合器Ⅱ（24）分别进入所述传感光纤光栅（5）和参考光纤光栅（6）中，所述传感光纤光栅（5）和参考光纤光栅（6）分别接入可调谐衰减器Ⅰ、Ⅱ（17,18），环腔中产生的双波长窄带激光通过光纤耦合器Ⅳ（26）输出，经过光纤耦合器Ⅲ（25）、掺铒光纤放大器（27）将光信号放大后输入至光电探测器（28），利用光电探测器（28）将光信号转变为电信号，将产生的电信号输入到频谱分析仪（29）可以观测到两个波长的拍频信号，通过检测这种频谱漂移量可以推算出作用于传感光纤光栅的参量大小。

8.根据权利要求7所述的基于激光拍频传感技术的高精度倾斜仪，其特征在于，还包括底部固定装置（4），所述底部固定装置（4）连接水槽（1）底部，所述传感光纤光栅（5）下端固定于底部固定装置（4）上。

9.根据权利要求8的基于激光拍频传感技术的高精度倾斜仪，其特征在于所述的底部固定装置（4）为中空倒漏斗形状的结构块。

10.一种权利要求7至9之一所述的基于激光拍频传感技术的高精度倾斜仪的测量方法，其特征在于包括以下步骤：启动传感信号发生与解调模块（8），观测所述频谱分析仪；当外界基面发生倾斜时，两侧水槽内的传感光纤光栅（5）的波长差发生变化，进而导致频谱分析仪（29）中的拍频频谱发生漂移，通过频谱分析仪记录频谱漂移量的大小可以推算出两侧的传感光纤光栅的波长差，进而可以推算出两侧水槽的液位变化的高度差，测量出基线长度后可以计算出外界基面倾斜量的大小。

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