CN107144339A - 一种基于调制脉冲技术的分布式光纤传感*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于调制脉冲技术的分布式光纤传感***，包括：光源、声光调制器、函数发生器、掺铒光纤放大器、光滤波器、三端口环形器、长距离传感光纤、光电探测器和数据采集卡。上述基于调制脉冲技术的***可以同时实现长距离范围内精确定位和宽频振动的测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种分布式光纤传感***，尤其涉及一种基于调制脉冲技术的分布式光纤宽频传感***。
背景技术
振动测量在工程领域具有潜在的运用价值，如结构健康监测、航空航天、石油化工、电力***等安全监测；传统的振动测量方法如机械式测量法、电测量法，存在灵敏度低，体积大、测量范围受放大器件限制等问题，并且传统的振动测量方法只能进行点式测量，在实际运用中受到限制，因此研制高性能的振动测量***势在必行。
分布式光纤传感技术是指沿光纤传输路径上的外部信号以一定的方式对光纤中的光波进行不断的调制，以实现对被测量场的连续空间进行实时测量，光纤既是导光介质，同时作为传感元件，感应外界振动信号。
现有技术中基于光纤技术的振动传感***研究已经非常广泛，但现有的测量手段都无法同时实现振动位置与宽频振动信号的精确测量，难以达到实际工程应用中的技术指标。若要实现现代大型基础设施结构健康监测，势必要同时实现对长距离范围内宽频振动信号的测量以及振动位置的精确判断，并且要在此基础上一定程度地控制***成本，推动***尽快走向实际工程应用的市场。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了一种分布式光纤传感***，本发明提出了一种分布式光纤传感***，它由光源、声光调制器、函数发生器、掺铒光纤放大器、光滤波器、三端口环形器、传感光纤、光电探测器和数据采集卡组成；光源与声光调制器的输入端光路连接，函数发生器的输出端1与声光调制器的驱动端连接；声光调制器对输入光进行调制处理后将光输出至掺铒光纤放大器，掺铒光纤放大器对输入光进行放大处理后将光输出至光滤波器进行消噪处理，经消噪处理后的光由光滤波器传输至三端口环形器的输入端，三端口环形器的输出端与传感光纤的一端连接，三端口环形器用以提取传感光纤中由调制光脉冲产生的后向瑞利散射光；三端口环形器的收发复用端与光电探测器的输入端连接，光电探测器的输出端连接至数据采集卡，函数发生器的输出端2与数据采集卡的采集触发端连接；传感光纤铺设于被测空间内。
基于上述结构，函数发生器的端口1连接声光调制器的驱动端产生重复频率为10kHz的调制电脉冲信号，窄脉冲脉宽为50ns、幅值为1V，背景光电平幅值为200mV；声光调制器在函数发生器输出的电脉冲信号调制下，输出调制光脉冲信号；函数发生器的输出端2连接数据采集卡的采集触发端产生与函数发生器输出端1相同的电脉冲信号。该函数发生器所述参数是本发明选取的一组较优参数，不能以此限定本发明的权利范围。
本发明的有益技术效果是：利用调制脉冲技术可以在一个***中同时实现振动信号精确定位和宽频振动的测量。
本发明的检测原理是：函数发生器产生调制的电脉冲信号作为声光调制器的驱动信号，光源输出的连续光被声光调制器调制为调制光脉冲信号，调制光脉冲信号由高强度窄脉冲信号和低强度准连续背景光组成，调制光脉冲进入掺铒光纤放大器进行光放大，光信号随后经过光滤波器滤除自发辐射噪声，滤除自发辐射噪声后的调制光脉冲信号通过三端口环形器注入传感光纤，并在传感光纤中激发出后向瑞利散射光，当外界振动作用在传感光纤上时，将会引起调制光脉冲范围内后向瑞利散射光的相位发生变化，返回的瑞利后向散射光由三端口环形器收集，光电探测器在函数发生器的输出电信号触发下从三端口环形器的输出端采集后向瑞利散射光；经过多个采样周期后可以采集到大量散射信号，在计算机中对由高强度窄脉冲光信号产生的瑞利散射信号做平均与差分处理,可以得出振动的位置信息；取出由低强度准连续背景光产生的后向瑞利干涉光信号，对其做傅里叶变换，可以得出振动的频率信息。基于上述工作过程，可以实现传感***中宽频振动的位置与频率测量。
附图说明
图1是本发明调制脉冲光信号的强度在时域上的示意图。调制脉冲光信号是周期性信号，在一个周期内，高强度窄脉冲光信号强度为，低强准连续度背景光强为。
图2是本发明基于调制脉冲技术的分布式光纤传感***实施方式的***各设备连接结构图。
具体实施方式
现结合附图对本发明的技术方案进行详细描述。
参见附图2，本发明***由：光源1、声光调制器2、函数发生器3、掺饵光纤放大器4、光滤波器5、三端口环形器6、传感光纤7、光电探测器8和数据采集卡9组成。光源1与声光调制器2的输入端光路连接，函数发生器3的输出端1与声光调制器的驱动端连接，声光调制器2对输入光进行处理后输入到掺饵光纤放大器4，掺饵光纤放大器4对输入光信号放大处理后，将光信号输入到光滤波器5，光滤波器5对光信号进行消噪处理，光滤波器5的输出端与三端口环形器6的输入端光路连接，光滤波器5滤波后的光信号输入到三端口环形器6的输入端，三端口环形器6的收发复用端与传感光纤7连接，三端口环形器6的输出端口与光电探测器8的输入端口连接，光电探测器8的输出端口与数据采集卡9的输入端口连接，数据采集卡9的触发采集端与函数发生器3的输出端口2连接；传感光纤7铺设于被测空间内。
前述装置的工作过程为：函数发生器3向声光调制器2输出调制电脉冲信号，声光调制器2根据调制电脉冲信号将光源1输出的光调制为调制脉冲光信号，每个周期内的光信号由高强度窄脉冲光和低强度背景光组成，调制的光信号如附图1所示，将调制光脉冲信号输入到掺饵光纤放大器4进行放大处理，因掺饵光纤放大器4会产生自发辐射噪声，放大处理后的调制光脉冲信号输入到光滤波器5，进行消噪处理，消噪处理后的光信号输出到三端口环形器6，调制光脉冲信号通过三端口环形器6后进入传感光纤7，调制光脉冲信号在传感光纤7中激发后向瑞利散射光，外界振动作用于传感光纤7时，引起后向瑞利散射光的相位变化，后向瑞利散射光进入三端口环形器6的收发复用端口，由三端口环形器6的输出端口输出到光电探测器8，光电探测器8将接收到的光信号转为电信号输出到数据采集卡9，数据采集卡9在函数发生器3输出端口2的触发信号下采集光电探测器8输出的电信号，经过多个采样周期后，数据采集卡9采集到大量后向瑞利散射信号数据。
函数发生器3产生重复频率为10kHz的调制电脉冲信号，窄脉冲脉宽为50ns、幅值为2V，背景光电平幅值为200mV。在本发明中，此参数为较优一组参数，可使窄光脉冲信号激发的信噪比在合适范围内。窄光脉冲时域宽度窄，光强高，携带振动位置信息；背景光信号为准连续光，光强低，携带振动频率信息。
将采集到的数据载入计算机中，取出携带窄光脉冲信号产生的后向瑞利散射信号做平均和差分处理，得到振动信号的位置信息；取出低强度准连续背景光信号产生的后向瑞利散射干涉光信号，对其做快速傅里叶变换，得到振动信号的频率信息。
Claims (2)
1.本发明提出了一种分布式光纤传感***，它由光源（1）、声光调制器（2）、函数发生器（3）、掺铒光纤放大器（4）、光滤波器（5）、三端口环形器（6）、传感光纤（7）、光电探测器（8）和数据采集卡（9）组成；光源（1）与声光调制器（2）的输入端光路连接，函数发生器（3）的输出端1与声光调制器（2）的驱动端连接；声光调制器（2）对输入光进行调制处理后将调制光脉冲信号输出至掺铒光纤放大器（4），掺铒光纤放大器（4）对输入光进行放大处理后将光输出至光滤波器（5）进行消噪处理，经消噪处理后的光由光滤波器（5）传输至三端口环形器（6）的输入端，三端口环形器（6）的输出端与传感光纤（7）的一端连接，三端口环形器（6）用以提取传感光纤（7）中由高强度窄脉冲光信号产生的后向瑞利散射光以及由低强度准连续光产生的后向瑞利散射干涉光；三端口环形器（6）的收发复用端与光电探测器（8）的输入端连接，光电探测器（8）的输出端连接至数据采集卡（9），函数发生器（3）的输出端2与数据采集卡（9）的采集触发端连接；传感光纤（7）铺设于被测空间内。
2.根据权利要求1所述的分布式光纤传感***，其特征在于：函数发生器的优选参数设置为：函数发生器的端口1连接声光调制器的驱动端产生重复频率为10kHz的调制电脉冲信号，高强度窄脉冲脉宽为50ns、幅值为2V，低强度准连续背景光电平幅值为200mV；声光调制器在函数发生器输出的电脉冲信号调制下，输出调制光脉冲信号；函数发生器的输出端2连接数据采集卡的采集触发端产生与函数发生器输出端1相同的电脉冲信号。
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