CN212674758U - 一种远距离非接触式监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于激光测量技术领域，具体公开了一种远距离非接触式监测装置，包括激光器、光耦合器和平衡探测器，所述光耦合器通过本振光处理单元与平衡探测器的本振光输入端连接，所述本振光处理单元包括依次连接的移频器、粗相位补偿模块和精相位补偿模块。对本振光采用粗、精两级相位补偿，可保证不小于1km的监测距离，特别适用于人力无法到达或则辐射、有害环境下的监测需要，可提高监测距离和探测灵敏度。同时，本装置还包括中央控制器，所述平衡探测器的输出端与所述中央控制器连接，所述中央控制器与所述精相位补偿模块控制连接，可驱动控制精相位补偿模块进行高精度、连续的相位补偿。

Description

一种远距离非接触式监测装置

技术领域

本实用新型涉及激光测量技术领域，特别是涉及一种远距离非接触式监测装置。

背景技术

随着工程技术的不断革新和新型建筑材料的出现，土木工程的工程量呈现指数增长，如何对大型土木工程机构进行有效全局监测提是急需解决的问题。目前对土木工程结构的监测主要采用的方式一种是在工程施工阶段预埋测试传感器，例如水库大坝的监测，在坝体内预埋光纤借助光纤传感特性对坝体的健康状进行监测，这种技术可有效监测土木工程结构的健康状况，但在监测的可靠性方面具有很大的局限性，当传感器老化或则损坏时，无法及时快速的进行校准和替换；另外一种技术手段是采用成像技术对工程扫描成像以判断其健康状况，例如利用激光三维扫描成像技术对建筑物三维成像，监测建筑物的变形情况以对建筑物的健康状况做出评估，但受限扫描深度，仅仅对形变比较明情况做出判断，这种监测手段的有效性大大降低。

采用无线激光探测方式可以进行远距离的非接触式监测。与采用直接探测方式方式相比，采用外差探测方式可获得高的探测灵敏度。但是外差接收中探测光与本振光传输光程不同引入的相位差是影响探测灵敏度的主要原因。

实用新型内容

本实用新型主要提供一种监测装置，能够解决现有外差探测方式中接收的探测光与本振光传输光程不同引入相位差而影响探测灵敏度的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供的一个技术方案是：提供一种远距离非接触式监测装置，包括依次连接的激光器1、光耦合器2和平衡探测器5，所述光耦合器2包括激光输入端、本振光输出端和探测光输出端，激光输入端与激光器1连接；所述装置还包括本振光处理单元3和探测单元4，所述本振光输出端与本振光处理单元3的输入端连接，本振光处理单元3的输出端与平衡探测器5的本振光输入端连接，所述探测光输出端与探测单元4的输入端连接，探测单元4的输出端与平衡探测器5的探测反射光输入端连接；

所述本振光处理单元3包括依次连接的移频器31、粗相位补偿模块32和精相位补偿模块33，所述移频器31的输入端与光耦合器2的本振光输出端连接，所述精相位补偿模块33的输出端与所述平衡探测器5的本振光输入端连接。

优选地，所述装置还包括中央控制器7，所述平衡探测器5的输出端与所述中央控制器7连接，所述中央控制器7分别与所述精相位补偿模块33、探测单元4连接。

优选地，所述探测单元4包括偏振分光器41、天线42和电动转台43，所述电动转台43与天线42连接，所述本振光输出端与偏振分光器41的本振光输入端连接后与天线42的探测信号输入端连接，天线42的反射信号输出端与偏振分光器41的反射信号输入端连接，偏振分光器41的探测反射光输出端与所述平衡探测器5的探测反射光输入端连接。

优选地，所述中央控制器7与所述电动转台43连接。

优选地，所述精相位补偿模块33包括依次进行光连接的第一光耦合透镜331、第一平面反射镜332、第二平面反射镜333、第三平面反射镜334、第四平面反射镜335、第二光耦合透镜336，所述第一光耦合透镜331的输入端与粗相位补偿模块32的输出端连接，所述第二光耦合透镜336的输出端与所述平衡探测器5的本振光输入端连接；

所述第二平面反射镜333连接在移动平台337上，所述中央控制器7与所述移动平台337连接，所述第二平面反射镜333与第三平面反射镜334相对设置。

优选地，所述第二平面反射镜333与第三平面反射镜334相互平行。

优选地，所述移频器31包括至少两个移频方向相反的声光移频器。

优选地，所述激光器1为窄线宽保偏光纤激光器。

优选地，所述光耦合器2是分光比为95:5的光耦合器。

优选地，所述平衡探测器5的输出端与所述中央控制器7之间设置有信号处理模块8，所述信号处理模块8的输入端与平衡探测器5的输出端连接，所述信号处理模块8与所述中央控制器7连接。

本实用新型的有益效果是：（1）区别于现有技术的情况，本实用新型本振光处理单元3包括依次连接的移频器31、粗相位补偿模块32和精相位补偿模块33，通过粗、精两级的补偿方式，对探测光与本振光传输光程不同引入的相位差进行补偿，可实现不同距离上的有效监测，提高探测灵敏度，可保证不小于1km的监测距离，特别适用于人力无法到达或则辐射、有害环境下的监测需要；（2）所述平衡探测器5与所述中央控制器7连接，所述中央控制器7分别与所述精相位补偿模块33、探测单元4控制连接，中央控制器以实际监测距离与粗补偿距离的差值作为输入，驱动控制精相位补偿模块33中的移动平台337进行高精度、连续的相位补偿；（3）中央控制器7与电动转台43控制连接，通过改变光学天线的指向，扩大探测光扫描的范围，既可以实现多个测量点的定点测量，又可以通过信号光的扫描实现连续、全面测量；（4）移频器31包括至少两个移频方向相反的声光移频器，本振光先后通过多级移频器后有效抑制光移频器内未移频本振杂散光串扰，提高了探测灵敏度，同时两级正反方向的移频处理降低中频信号的频率从而减小了移频后信号的非线性。

附图说明

图1是本实用新型一种远距离非接触式监测装置的结构示意图；

图2是本实用新型带有中央控制器的监测装置的结构示意图；

图3是本实用新型中精相位补偿模块的结构示意图；

图4是本实用新型中探测单元的结构示意图；

图5是本实用新型中移频器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案和有益效果更加清楚和完整，以下实施例结合附图对本实用新型作进一步地阐述。

实施例1

如图1所示，提供一种远距离非接触式监测装置，包括依次连接的激光器1、光耦合器2和平衡探测器5，所述光耦合器2包括激光输入端、本振光输出端和探测光输出端，激光输入端与激光器1连接；所述装置还包括本振光处理单元3和探测单元4，所述本振光输出端与本振光处理单元3的输入端连接，本振光处理单元3的输出端与平衡探测器5的本振光输入端连接，所述探测光输出端与探测单元4的输入端连接，探测单元4的输出端与平衡探测器5的探测反射光输入端连接；

所述本振光处理单元3包括依次连接的移频器31、粗相位补偿模块32和精相位补偿模块33，所述移频器31的输入端与光耦合器2的本振光输出端连接，所述精相位补偿模块33的输出端与所述平衡探测器5的本振光输入端连接。

该装置的原理是：所述激光器1发出的激光经光耦合器2按一定比例分成两路输出，一路输出探测光，经过探测光输出端到达探测单元4后发射给监测目标6，探测光到达监测目标6后获取目标发射回来的振动信息，发射回来的振动信息回到探测单元4后进过分光等处理后进入平衡探测器5；

另一路输出本振光，所述光耦合器2输出的本振光经过移频器31移频后先后进入粗相位补偿模块32、精相位补偿模块33，以高精度补偿与探测光之间由传输光程差引入的相位差，补偿后本振光进入平衡探测器5，实现本振光与探测光的光程匹配以降低相位噪声的影响，提高探测灵敏度和探测距离。

所述的粗相位补偿模块32采用定长光纤进行固定长度的相位补偿，定长光纤长度精度m级；所述精相位补偿模块33位于粗相位补偿模块32的上方，对粗相位补偿模块32补偿精度的残差进行连续可调补偿，补偿精度为mm级。

进一步地，所述激光器1为窄线宽保偏光纤激光器，线宽小于3kHz。

进一步地，所述光耦合器2是分光比为95:5的光耦合器。95%的光作为探测光，5%的光作为本振光。

采用粗、精两级相位补偿技术的情况下，可保证不小于1km的监测距离，特别适用于人力无法到达或则辐射、有害环境下的监测需要。

实施例2

在实施例1的基础上，提供带有控制器的监测装置，如图2所示，所述装置还包括中央控制器7，所述平衡探测器5的输出端与所述中央控制器7连接，所述中央控制器7分别与所述精相位补偿模块33、探测单元4控制连接。

平衡探测器5输出的携带有目标振动信息的中频电信号经相位解调后获得目标的调相信息，信号处理后转换为振动信息送入中央控制器7以对目标的健康状况进行监测；同时中央控制器7以实际监测距离与粗补偿距离的差值作为输入，驱动控制精相位补偿模块33进行高精度、连续的相位补偿。

进一步地，如图4所示，所述探测单元4包括偏振分光器41、天线42和电动转台43，所述电动转台43与天线42连接，所述本振光输出端与偏振分光器41的本振光输入端连接后与天线42的探测信号输入端连接，天线42的反射信号输出端与偏振分光器41的反射信号输入端连接，偏振分光器41的探测反射光输出端与所述平衡探测器5的探测反射光输入端连接。

所述光耦合器2输出的探测光经过偏振分光器41后经天线42发射，探测光到达监测目标6后被目标的振动信息调相后反射，返回到达天线42后被接收，进入天线42的探测光经偏振分光器41分光后进入平衡探测器5。所述偏振分光器41的透射参数|Tp-Ts|>99%，反射参数|Rs-Rp|>99%。

进一步地，所述中央控制器7与所述电动转台43控制连接。中央控制器7驱动电动转台43以调整天线42的指向，扩大探测光扫描的范围，既可以实现多个测量点的定点测量，又可以通过信号光的扫描实现连续、全面测量。所述的电动转台43的转动范围在水平方向0~180°，俯仰方向-60~+60°。

进一步地，如图3所示，所述精相位补偿模块33包括依次进行光连接的第一光耦合透镜331、第一平面反射镜332、第二平面反射镜333、第三平面反射镜334、第四平面反射镜335、第二光耦合透镜336，所述第一光耦合透镜331的输入端与粗相位补偿模块32的输出端连接，所述第二光耦合透镜336的输出端与所述平衡探测器5的本振光输入端连接；

所述第二平面反射镜333连接在移动平台337上，所述中央控制器7与所述移动平台337控制连接，所述第二平面反射镜333与第三平面反射镜334相对设置，且保证第二平面反射镜333与第三平面反射镜334之间可以进行多次反射。

多次反射实现本振光与探测光相位差的连续补偿，即补偿本振光与探测光的光程差，使得本振光和探测光传输距离相同。

进一步地，所述第二平面反射镜333与第三平面反射镜334相互平行。

粗相位补偿模块32输出的粗相位补偿的本振光进入第一光耦合透镜331，第一光耦合透镜331将本振光转变成空间平行光，该平行光经过第一平面反射镜332反射后进入由第二平面反射镜333和第三平面反射镜334构成的精相位补偿单元。第二平面反射镜333和第三平面反射镜334相互平行，第二平面反射镜333固定，第三平面反射镜334安装于可二维移动的移动平台337上。光束在第二平面反射镜333和第三平面反射镜334构成的精相位补偿单元内经过多次反射后到达第四平面反射镜335，经过第四平面反射镜335反射后进入第二光耦合透镜336，将空间光转换为光纤光束后传输至平衡探测器5。

同时，中央控制器7与所述移动平台337控制连接，移动平台337上被来至于中央控制器7的控制信号驱动，移动平台337与水平面保持固定角度斜设在一个斜面上，移动平台337可沿着斜面上下或者左右移动，带动第二平面反射镜333进行移动，中央控制7实际监测距离与粗补偿距离的差值作为输入，驱动控制二维平动台进行高精度、连续的相位补偿。通过连续可调精相位噪声补偿模块，可将实现mm量级的相位补偿，可以大大降低激光相位噪声带来的影响，提高探测的灵敏度，可实现对nm级微小振动量的测量，保证了监测的可靠性。

进一步地，所述平衡探测器5的输出端与所述中央控制器7之间设置有信号处理模块8，所述信号处理模块8的输入端与平衡探测器5的输出端连接，所述信号处理模块8与所述中央控制器7之间信号连接。

本振光与探测光相干后经平衡探测器5输出的携带调相信息的中频电信号，进入信号处理模块8进行解调，解调后的相位变化信号继续在信号处理模块8中转换为振动频率信息输入到中央控制器7，进行振动情况实时监测。以便后续的控制精相位补偿单元作为基础。

实施例3

进一步地，如图5所示，所述移频器31包括至少两个移频方向相反的声光移频器。为减小本振光移频引入的本振杂散光串扰对探测精度和探测距离的影响，移频器31中设置一个正向移频器311和一个负向移频器312，先用正向移频器311对本振光进行正向的移频，再用负向移频器312进行负向的移频，可将光移频率从MHz量级减小到kHz量级，减小因移频频率过高引入的非线性。

激光通过声光介质被超声光栅衍射时，其传播方向和频率都将发生变化衍射光的频率在原输入激光频率上叠加了一个超声频率，这就是声光移频。光频的改变量等于外加射频功率信号的频率。正向移频是指，输出光取正一级衍射光时，输出光的频率为原激光频率加电信号频率，负向移频是指，当输出光取负一级衍射光时，输出光的频率为原激光频率减电信号频率。改变输入电信号的频率，就可以控制输出光的移频量。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种远距离非接触式监测装置，包括依次连接的激光器（1）、光耦合器（2）和平衡探测器（5），其特征在于：

所述光耦合器（2）包括激光输入端、本振光输出端和探测光输出端，激光输入端与激光器（1）连接；所述装置还包括本振光处理单元（3）和探测单元（4），所述本振光输出端与本振光处理单元（3）的输入端连接，本振光处理单元（3）的输出端与平衡探测器（5）的本振光输入端连接，所述探测光输出端与探测单元（4）的输入端连接，探测单元（4）的输出端与平衡探测器（5）的探测反射光输入端连接；

所述本振光处理单元（3）包括依次连接的移频器（31）、粗相位补偿模块（32）和精相位补偿模块（33），所述移频器（31）的输入端与光耦合器（2）的本振光输出端连接，所述精相位补偿模块（33）的输出端与所述平衡探测器（5）的本振光输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种远距离非接触式监测装置，其特征在于：

所述装置还包括中央控制器（7），所述平衡探测器（5）的输出端与所述中央控制器（7）连接，所述中央控制器（7）分别与所述精相位补偿模块（33）、探测单元（4）连接。

3.根据权利要求2所述的一种远距离非接触式监测装置，其特征在于：

所述探测单元（4）包括偏振分光器（41）、天线（42）和电动转台（43），所述电动转台（43）与天线（42）连接，所述本振光输出端与偏振分光器（41）的本振光输入端连接后与天线（42）的探测信号输入端连接，天线（42）的反射信号输出端与偏振分光器（41）的反射信号输入端连接，偏振分光器（41）的探测反射光输出端与所述平衡探测器（5）的探测反射光输入端连接。

4.根据权利要求3所述的一种远距离非接触式监测装置，其特征在于：

所述中央控制器（7）与所述电动转台（43）连接。

5.根据权利要求2所述的一种远距离非接触式监测装置，其特征在于：

所述精相位补偿模块（33）包括依次进行光连接的第一光耦合透镜（331）、第一平面反射镜（332）、第二平面反射镜（333）、第三平面反射镜（334）、第四平面反射镜（335）、第二光耦合透镜（336），所述第一光耦合透镜（331）的输入端与粗相位补偿模块（32）的输出端连接，所述第二光耦合透镜（336）的输出端与所述平衡探测器（5）的本振光输入端连接；

所述第二平面反射镜（333）连接在移动平台（337）上，所述中央控制器（7）与所述移动平台（337）连接，所述第二平面反射镜（333）与第三平面反射镜（334）相对设置。

6.根据权利要求5所述的一种远距离非接触式监测装置，其特征在于：

所述第二平面反射镜（333）与第三平面反射镜（334）相互平行。

7.根据权利要求5所述的一种远距离非接触式监测装置，其特征在于：

所述移频器（31）包括至少两个移频方向相反的声光移频器。

8.根据权利要求1所述的一种远距离非接触式监测装置，其特征在于：

所述激光器（1）为窄线宽保偏光纤激光器。

9.根据权利要求1所述的一种远距离非接触式监测装置，其特征在于：

所述光耦合器（2）是分光比为95:5的光耦合器。

10.根据权利要求2所述的一种远距离非接触式监测装置，其特征在于：

所述平衡探测器（5）的输出端与所述中央控制器（7）之间设置有信号处理模块（8），所述信号处理模块（8）的输入端与平衡探测器（5）的输出端连接，所述信号处理模块（8）与所述中央控制器（7）连接。

Images