基于光頻域反射計的振動檢測裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種分布式光纖傳感領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種基于光頻域反射計的振動檢測裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，光反射儀技術(shù)由于其能夠?qū)崿F(xiàn)分布式測量，吸引了越來越多的關(guān)注。其中基于光反射計的振動檢測技術(shù)也得以推廣。早期的振動檢測技術(shù)多是基于時域光反射計(Optical Time - Domain Reflectometer, 0TDR)技術(shù)，而且振動檢測多是基于強度提取來分辨振動信號。然而OTDR技術(shù)的空間分辨率只能達到米量級，從而限制了它在某些具有高空間分辨率需求領(lǐng)域的振動檢測應(yīng)用?；趶姸鹊奶崛≈荒軌蚪庹{(diào)出振動的頻域和位置，振動強度并不能反映出來。相比之下光頻域反射計(Optical Frequency - DomainReflectometer, 0FDR)技術(shù)能夠達到厘米級別的空間分辨率，但是探測距離受限于激光器的相干長度，當(dāng)測量距離超過相干長度時，由于激光器相位噪聲的影響，空間分辨率和信噪比會急劇下降。
[0003]為了提高振動檢測的強度靈敏度，提高檢測空間分辨率和探測距離，國內(nèi)外學(xué)者提出了幾種基于OTDR和OFDR的改進方案。例如基于相關(guān)處理的OFDR技術(shù)(Z.Ding等，〃Long - range vibrat1n sensor based on correlat1n analysis of opticalfrequency - domain reflectometry signals"，Opt Express 20，28319 - 28329(2012))能夠?qū)崿F(xiàn)高空間分辨率的振動檢測，但其檢測距離不能超過激光器的相干長度；基于相位提取的 OTDR 技術(shù)(Z.Pan 等，"Phase-sensitive OTDR system based on digital coherentdetect1n，，，Asia Communicat1ns and Photonics Conference and Exhibit1n，2011)會^夠獲得較大的靈敏度，但是其檢測距離受限于信噪比只能實現(xiàn)幾公里的檢測范圍。
[0004]經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利文獻號CN101650197A，公告日2010.2.17，公開了一種光頻域反射光纖傳感系統(tǒng)，主要結(jié)構(gòu)包括激光器、第一光纖耦合器、光環(huán)形器、探測光纖、第二光纖耦合器、光電探測單元和頻譜分析單元，激光器發(fā)出的激光被第一光纖耦合器分為探測光和參考光，探測光入射至光環(huán)形器的第一端口，并從第二端口出射進入探測光纖，探測光纖中產(chǎn)生的瑞利背向散射光入射至光環(huán)形器第二端口并從第三端口出射，出射的瑞利背向散射光與參考光入射至第二光纖耦合器中并被光電探測單元所探測，測得的信號輸入至頻譜分析單元。
[0005]中國專利文獻號CN103528666A，公布日2014.1.22，公開了一種基于Sagnac干涉的長距離光纖振動檢測裝置和方法，包括光源、光電探測器、光環(huán)形器、2*2耦合器和光纖延時纖，所述光源發(fā)出的激光信號經(jīng)過光環(huán)形器，進入2*2耦合器分為兩路，一路光信號A，經(jīng)過光纖延時纖進入待測光纖，末端返回的菲涅爾反射光信號，進入2*2耦合器；另一路光信號B，直接進入待測光纖，末端返回的菲涅爾反射光信號，經(jīng)2*2耦合器，進入光纖延時纖，經(jīng)光纖時纖一圈，回到2*2耦合器；光信號在2*2耦合器處發(fā)生干涉，干涉信號經(jīng)過光環(huán)形器被光電探測器感測。但上述技術(shù)在光信號經(jīng)過耦合器和光環(huán)形器時均會產(chǎn)生插損，且僅能檢測到振動，無法檢測振動強度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種基于光頻域反射計的振動檢測裝置及其方法，通過摻餌光纖放大器的補償和聲光調(diào)制器的調(diào)制，采集振動信號，通過平衡光電探測器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器得到振動信號的全部信息，提高探測距離和空間分辨率。
[0007]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0008]本發(fā)明涉及一種基于光頻域反射計的振動檢測裝置，包括:調(diào)制模塊、待測光纖、依次相連的窄線寬光纖激光器、兩個光耦合器、解調(diào)和數(shù)據(jù)采集模塊，其中:調(diào)制模塊并聯(lián)設(shè)置于兩個光耦合器之間，待測光纖與調(diào)制模塊相連。
[0009]所述的調(diào)制模塊包括:信號發(fā)生器、依次相連的聲光調(diào)制器、摻餌光纖放大器和光環(huán)形器，其中:信號發(fā)生器與聲光調(diào)制器相連。
[0010]所述的解調(diào)和數(shù)據(jù)采集模塊包括:光橋、數(shù)據(jù)采集卡、兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換器和兩個并聯(lián)的平衡光電探測器，其中:兩個并聯(lián)的平衡光電探測器的輸入端與光橋相連，輸出端分別與兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端相連，兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡相連。
[0011]本發(fā)明涉及上述裝置的振動檢測方法，包括以下步驟:
[0012]步驟1、將壓電陶瓷(PZT)貼到待測光纖的一點，振動信號通過信號發(fā)生器加載到PZT上，同時在PZT上貼有加速度計以檢測當(dāng)前振動信號的加速度。
[0013]步驟2、窄線寬光纖激光器產(chǎn)生的光信號通過光耦合器分成兩路，一路探測光B依次通過經(jīng)信號發(fā)生器掃頻的聲光調(diào)制器、摻餌光纖放大器、光環(huán)形器輸入待測光纖，待測光纖末端產(chǎn)生的瑞利背向散射光進入光環(huán)形器并輸入另一個光耦合器；另一路參考光A直接進入該光耦合器與探測光B的瑞利背向散射光進行干涉；干涉后的兩路光通過光橋后解調(diào)形成相位差。
[0014]步驟3、形成相位差的兩路光信號依次通過平衡光電探測器轉(zhuǎn)化為電信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號后被數(shù)據(jù)采集卡采集，得到振動信號的信息。
技術(shù)效果
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在振動檢測過程中補償了一部分干涉時產(chǎn)生的插損，基于相位提取得到振動信號的距離-時間三維圖和振動強度信息，檢測距離達到40km。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明示意圖；
[0017]圖中:I為窄線寬光纖激光器，2a和2b為光親合器，3為摻t耳光纖放大器，4為聲光調(diào)制器，5為光環(huán)形器，6為待測光纖，7為信號發(fā)生器，8為光橋，9為平衡光電探測器，10為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，11為數(shù)據(jù)采集卡，A為參考光，B為探測光；
[0018]圖2為待測光纖30km處100組數(shù)據(jù)疊加的實驗效果圖；
[0019]圖中:(a)為強度圖，(b)為相位圖，(C)為差分相位圖，(d)為單個連接頭反射峰；
[0020]圖3為待測光纖40km處的實驗效果圖；
[0021]圖中:(a)為基于相位檢測的距離-時間三維圖，(b)為振動區(qū)域F基于相位檢測的時間-相位曲線，(c)為基于強度檢測的距離-時間三維圖，(d)為振動區(qū)域F基于強度檢測的時間-相位曲線；
[0022]圖4為待測光纖30km處基于相位檢測的800Hz振動信號的實驗效果圖；
[0023]圖中:(a)為基于相位檢測的距離-時間三維圖，(b)為振動區(qū)域的時間-相位曲線。
[0024]圖5為振動強度分別為0.08g、0.12g、0.16g和0.2g的實驗效果圖；
[0025]圖中:(a)為時間-相位曲線，(b)為相位圖。
【具體實施方式】
[0026]下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
實施例1
[0027]如圖1所示，本實施例包括:調(diào)制模塊、待測光纖6、依次相連的窄線寬光纖激光器1、兩個光耦合器2a和2b、解調(diào)和數(shù)據(jù)采集模塊，其中:調(diào)制模塊并聯(lián)設(shè)置于兩個光耦