CN108489640B - 一种基于白光干涉的分布式动态应力频率测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于白光干涉的分布式动态应力频率测量方法，利用基于白光干涉的分布式偏振耦合测试***实现，包括如下的步骤：利用压电陶瓷对保偏光纤施加动态应力；利用分布式偏振耦合***对动态应力下的白光干涉图进行测量，得到干涉图样；截取光电探测器接收的干涉图中动态耦合点干涉条纹部分的数据；对动态耦合点数据进行Hilbert变换得到耦合点包络曲线；对动态耦合点包络曲线进行小波时频分析得到时频分布图，时频分布图中包含了动态应力的频率信息。

Description

一种基于白光干涉的分布式动态应力频率测量方法
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，特别涉及一种动态应力的频率测量方法。
背景技术
近年来，分布式光纤振动传感技术的研究受到了广泛的关注，由于具有灵敏度高、动态 范围大、抗电磁干扰、体积小和易组网等优点，在居民小区、学校、飞机场等重要区域的入 侵监测；大型建筑、地下传输***等基础设施的健康监测等领域。具有广泛的应用前景。
目前分布式光纤振动传感技术根据原理可划分为基于干涉原理的分布式光纤振动传感 和基于后向散射原理的分布式光纤振动传感。干涉型光纤传感器有萨格纳克干涉仪，迈克尔 逊干涉仪，马赫曾德尔干涉仪，以及基于以上三种结构的复合型干涉结构。如申请公布号为 CN102313141A的发明专利“一种管道泄露检测用光纤振动传感***”中，在基于Sagnac干 涉原理的传感***中采用了3×3耦合器引入固定相位偏置，并利用2×2耦合器来增强返回 探测器的光功率，从而对管道进行长距离的振动传感。基于后向散射原理的分布式光纤振动 传感技术有：相位敏感型光时域反射计(j-OTDR)、偏振敏感型光时域反射计(P-OTDR)、 布里渊光时域分析技术(B-OTDA)等。如申请公布号为CN104596634A的发明专利“一种 振动频率测量方法”通过偏振光时域反射光纤链路，将链路返回的背向散射瑞利光功率信号 和菲涅尔反射光功率信号转化成随时间变化的光强信号，并对光强信号进行傅里叶变换获得 各个反射点的频域图谱，获得振动频率。申请公布号为CN106768277A的发明专利“一种基 于相干相位检测的分布式光纤振动传感装置”中利用光源模块产生两路连续窄线宽激光，一 路输入相干光接收模块，另一路被光调制模块调制成短脉冲序列后进入传感光纤，由弱反射 布拉格光栅阵列反射光子序列后在相干光接收模块与第一路光发生干涉，从干涉信号的多个 拍频子序列中可以解调出振动信号的位置和波形。然而，基于后向散射原理的分布式光纤振 动传感器通常具有很弱的后向散射光功率，且平均探测时间较长，极大的限制了***的探测 灵敏度和频率响应范围。
基于白光干涉的分布式偏振耦合***具有结构简单、成本低、对电磁干扰不敏感等诸多 优点，能够实现对应力、色散、位移、温度、光纤拍长、双折射等一系列物理参数的测量。 如申请公布号为CN104006948A的发明专利“基于多峰***周期解调保偏光纤偏振耦合点位 置的方法”中，利用多峰***现象实现了光纤中耦合点位置的解调，但仅适用于静态应力情 况。
发明内容
本发明提出了一种能够实现动态应力频率测量的方法，技术方案如下：
1.一种基于白光干涉的分布式动态应力频率测量方法，利用基于白光干涉的分布式偏 振耦合测试***实现，包括如下的步骤：
1)利用压电陶瓷对保偏光纤施加动态应力；
2)利用分布式偏振耦合***对动态应力下的白光干涉图进行测量，得到干涉图样；
3)截取光电探测器接收的干涉图中动态耦合点干涉条纹部分的数据；
4)对动态耦合点数据进行Hilbert变换得到耦合点包络曲线；
5)对动态耦合点包络曲线进行小波时频分析得到时频分布图，时频分布图中包含了动 态应力的频率信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中，由光源发出的高斯光经起偏 器成为线偏振光耦合至保偏光纤的慢轴，在经过压电陶瓷产生的动态应力时，一部分光耦合 至光纤快轴，在光纤出射端，光经过扩束镜后成为空间平行光；可旋转半波片将快慢轴的光 与检偏器透光轴之间的夹角调整为45°，检偏器将快慢轴的光投影至同一方向上；然后光进 入迈克尔逊干涉仪，通过迈克尔逊干涉仪一臂移动，可对保偏光纤中产生的光程差进行扫描； 在迈克尔逊干涉仪出射端，由光电探测器接收扫描得到的干涉图，接收信号经数据采集卡传 输至计算机。
本发明使用白光干涉偏振耦合测试***对保偏光纤受动态应力时的干涉图进行测量，并 从测量的干涉图中截取动态耦合点干涉条纹，对其进行Hilbert变换获得耦合点包络，并对 耦合点包络做时频分析解调出动态应力的频率。该测量方法能够测量的动态应力的频率范围 为几赫兹至几百赫兹。
附图说明
图1为白光干涉法测量动态应力频率的流程图；
图2为测量***装置示意图；
图3为单个动态应力测量结果；
图4为单个动态耦合点包络提取结果；
图5为单个动态耦合点包络的小波时频分布图；
图6为包络调制频率与动态应力频率关系示意图；
图7为两个动态应力测量结果；
图8为两个动态耦合点包络提取结果；
图9为两个动态耦合点包络的小波时频分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方案进行详细描述：
图2为基于白光干涉的保偏光纤动态应力测量***示意图，超发光二极管(SLD)发出中心波长为1310nm，半高宽度为18.7nm，相干长度为42μm，经过起偏器变为线 偏振光耦合至保偏光纤慢轴。在距离光纤出射端47.3cm位置处，由一个自由行程为8 mm，外形尺寸为3.4x 4.8x 9.0mm，驱动电压范围为0-75V的压电陶瓷对保偏光纤施加 动态应力，动态应力大小由驱动压电陶瓷的信号发生器的输出电压大小决定。在受力点， 一部分光耦合至光纤快轴，由于光纤快慢轴之间存在双折射，在光纤出射端两偏振模式 产生了一定的光程差。随后，光经扩束镜调整为空间光，由可旋转半波片得到最大可见 度，检偏器将两偏振态的光调整至同一方向上。在MI中，移动反射镜对两偏振态的光 程差进行扫描，干涉光强经汇聚透镜后被光电探测器接收，经数据采集卡传输至计算机。
图3为保偏光纤单个正弦动态应力下的干涉图，信号发生器输出电压峰峰值为1.5V， 50Hz的正弦信号。图4为截取的干涉图中的动态耦合点的干涉条纹，并对数据做Hilbert 变换得到耦合点的包络。图5为对耦合点包络曲线进行小波变换得到的时频分布图，采 用的小波基函数为cmor3-3小波，尺度序列长度为4096，在时频分布图中有一个49.77Hz 的频率成分。图6为在不同驱动电压下，包络调制频率与动态应力频率之间的关系的模 拟与实验结果，包络调制频率与动态应力频率呈线性关系，且包络调制频率与压电陶瓷 驱动电压幅值大小无关。
图7为保偏光纤同时受两个动态应力时的干涉图，两个动态应力(A、B)的频率分别为30Hz，信号发生器输出电压幅值大小分别为2V和500mV，干涉图中存在两个动 态耦合点。图8为截取的两个动态耦合点的干涉条纹及其Hilbert变换提取的包络曲线。 图9为对包络曲线做小波变换的时频分布图，图中有30.05Hz和29.11Hz两个频率成分， 分别对应动态应力A和B。

Claims (1)

1.一种基于白光干涉的分布式动态应力频率测量方法，利用基于白光干涉的分布式偏振耦合测试***实现，包括如下的步骤：
1）利用压电陶瓷对保偏光纤施加动态应力，方法为：由光源发出的高斯光经起偏器成为线偏振光耦合至保偏光纤的慢轴，在经过压电陶瓷产生的动态应力时，一部分光耦合至光纤快轴，在光纤出射端，光经过扩束镜后成为空间平行光；可旋转半波片将快慢轴的光与检偏器透光轴之间的夹角调整为45°，检偏器将快慢轴的光投影至同一方向上；然后光进入迈克尔逊干涉仪，通过迈克尔逊干涉仪一臂移动，对保偏光纤中产生的光程差进行扫描；在迈克尔逊干涉仪出射端，由光电探测器接收扫描得到的干涉图，接收信号经数据采集卡传输至计算机，在距离光纤出射端47.3 cm位置处，由一个自由行程为8 mm，外形尺寸为3.4 x4.8 x 9.0 mm，驱动电压范围为0-75V的压电陶瓷对保偏光纤施加动态应力，动态应力大小由驱动压电陶瓷的信号发生器的输出电压大小决定；
2）利用分布式偏振耦合***对动态应力下的白光干涉图进行测量，得到干涉图样；
3）对干涉图中的动态耦合点进行截取，并对数据做Hilbert变换得到耦合点的包络，然后对耦合点包络曲线进行小波变换得到的时频分布图，采用的小波基函数为cmor3-3小波，尺度序列长度为4096，时频分布图中包含有动态应力的频率信息。
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