基于調(diào)制脈沖和多重散射的多參數(shù)分布式光纖傳感系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種分布式光纖傳感技術(shù)，尤其涉及一種基于調(diào)制脈沖和多重散射的多參數(shù)分布式光纖傳感系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在大型建筑結(jié)構(gòu)、航空航天、石油化工、電力系統(tǒng)等重大工程和基礎(chǔ)設(shè)施的健康監(jiān)測、診斷技術(shù)中，分布式光纖傳感技術(shù)因具備敏感元件小巧、高耐久、絕對測量及分布式監(jiān)測等特性，有逐步取代電類傳感器成為傳感健康監(jiān)測首選敏感元件的趨勢。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，應(yīng)用分布式光纖傳感技術(shù)進行振動、溫度和應(yīng)變?nèi)N信息的監(jiān)測時，需要采用相互獨立的三套系統(tǒng)來進行監(jiān)測，這不僅增加了系統(tǒng)成本，而且使得系統(tǒng)之間不同數(shù)據(jù)的共享和融合變得十分困難，不利于數(shù)據(jù)的綜合利用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對【背景技術(shù)】中的問題，本發(fā)明提出了一種基于調(diào)制脈沖和多重散射的多參數(shù)分布式光纖傳感系統(tǒng)，其創(chuàng)新在于:所述多參數(shù)分布式光纖傳感系統(tǒng)由單頻激光器、任意波形發(fā)生器、聲光調(diào)制器、擾偏器、偏振控制器、光開關(guān)、數(shù)據(jù)采集卡、信號處理單元、緊套傳感光纖、松套傳感光纖、布里淵散射光纖、兩個摻鉺光纖放大器、兩個環(huán)形器、兩個雙平衡探測器、三個隔離器和五個耦合器組成；其中，第一耦合器為I X 3耦合器，第二耦合器為I X 2耦合器，第三耦合器為2 X 2耦合器，第四耦合器為I X 2耦合器，第五耦合器為2 X 2耦合器；所述光開關(guān)為1X2光開關(guān)；
所述單頻激光器的輸出端與第一耦合器的輸入端連接，第一耦合器的第一輸出端與第三親合器的第一輸入端連接，第一親合器的第二輸出端與聲光調(diào)制器的輸入端連接，第一耦合器的第三輸出端與第二摻鉺光纖放大器的輸入端連接；
聲光調(diào)制器的輸出端與第一摻鉺光纖放大器的輸入端連接，第一摻鉺光纖放大器的輸出端與擾偏器的輸入端連接，擾偏器的輸出端與第一環(huán)形器的輸入端連接，第一環(huán)形器的收發(fā)復(fù)用端與光開關(guān)的集束端連接，第一環(huán)形器的輸出端與第二耦合器的輸入端連接；光開關(guān)的第一分叉端與緊套傳感光纖的一端連接，緊套傳感光纖的另一端與第一隔離器的輸入端連接，光開關(guān)的第二分叉端與松套傳感光纖的一端連接，松套傳感光纖的另一端與第二隔離器的輸入端連接；
第二親合器的第一輸出端與第三親合器的第二輸入端連接，第三親合器的兩個輸出端與第一雙平衡探測器的兩個輸入端連接；第二親合器的第二輸出端與第五親合器的第一輸入端連接；
第二摻鉺光纖放大器的輸出端與第二環(huán)形器的輸入端連接，第二環(huán)形器的收發(fā)復(fù)用端與偏振控制器的輸入端連接，第二環(huán)形器的輸出端與第三隔離器的輸入端連接，第三隔離器的輸出端與第四親合器的輸入端連接；偏振控制器的輸出端與布里淵散射光纖的一端連接，布里淵散射光纖的另一端與第四耦合器的第一輸出端連接；第四耦合器的第二輸出端與第五耦合器的第二輸入端連接；第五耦合器的兩個輸出端與第二雙平衡探測器的兩個輸入端連接；
第一雙平衡探測器的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的第一輸入端連接，第二雙平衡探測器的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的第二輸入端連接；數(shù)據(jù)采集卡的輸出端與信號處理單元的輸入端連接;
任意波形發(fā)生器的調(diào)制信號輸出端與聲光調(diào)制器的調(diào)制信號輸入端連接；任意波形發(fā)生器的第一控制信號輸出端與光開關(guān)的控制部連接，任意波形發(fā)生器的第二控制信號輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的控制部連接；
所述任意波形發(fā)生器能控制聲光調(diào)制器輸出兩種檢測光信號，兩種檢測光信號均為脈沖光，二者的頻率和占空比相同、但幅值大小不同，其中，幅值較大的檢測光信號記為第一檢測光，幅值較小的檢測光信號記為第二檢測光；
進行振動檢測時，任意波形發(fā)生器控制聲光調(diào)制器輸出第一檢測光，同時，任意波形發(fā)生器控制光開關(guān)選通緊套傳感光纖，同時，任意波形發(fā)生器控制數(shù)據(jù)采集卡的第一輸入端進行采樣操作；
進行溫度檢測時，任意波形發(fā)生器控制聲光調(diào)制器輸出第二檢測光，同時，任意波形發(fā)生器控制光開關(guān)選通松套傳感光纖，同時，任意波形發(fā)生器控制數(shù)據(jù)采集卡的第二輸入端進行采樣操作；
進行應(yīng)變檢測時，任意波形發(fā)生器控制聲光調(diào)制器輸出第二檢測光，同時，任意波形發(fā)生器控制光開關(guān)選通緊套傳感光纖，同時，任意波形發(fā)生器控制數(shù)據(jù)采集卡的第二輸入端進行采樣操作。
[0005]本發(fā)明的原理是:按本發(fā)明方案將系統(tǒng)搭建好后，通過任意波形發(fā)生器的控制作用，系統(tǒng)能選擇性地將兩種檢測光信號輸出至緊套傳感光纖或松套傳感光纖中并由數(shù)據(jù)采集卡上的對應(yīng)輸入端進行采樣；本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚，幅值較小的脈沖光所激發(fā)出的布里淵散射強度較弱，非線性噪聲較小，瑞利散射是其散射光的主要部分，采用現(xiàn)有的基于瑞利后向散射的振動傳感原理，就能檢測出振動的位置信息和頻率信息；幅值較大的脈沖光所激發(fā)出的布里淵散射強度較強，布里淵散射是其散射光的主要部分，采用現(xiàn)有的基于布里淵散射的溫度檢測原理以及應(yīng)變檢測原理，就能檢測出溫度變化信息和應(yīng)變變化信息;
采用本發(fā)明方案后，就讓單套分布式光纖傳感系統(tǒng)具備了振動檢測、溫度檢測和應(yīng)變檢測三種功能，不僅大大的降低了分布式光纖傳感系統(tǒng)的搭建成本，而且節(jié)省了空間，提高了系統(tǒng)的集成度，可以使不同數(shù)據(jù)之間實現(xiàn)實時互通，有利于系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的綜合利用，提高定位的準確性和時效性。
[0006]本發(fā)明的具體原理是:單頻激光器作為激光光源，向第一耦合器提供連續(xù)穩(wěn)定的激光束，第一耦合器將激光束分為三路光:
第一路光作為瑞利散射拍頻的參考光直接傳輸至第三耦合器處；
第二路光經(jīng)第二摻鉺光纖放大器放大后，通過第二環(huán)形器的收發(fā)復(fù)用端注入到偏振控制器中，經(jīng)偏振控制器調(diào)制后，光信號進入布里淵散射光纖中并激發(fā)出后向傳輸?shù)牟祭餃Y散射光(前向傳輸?shù)墓庑盘柾ㄟ^第四耦合器進入第三隔離器后就截止了)，在布里淵散射光纖中激發(fā)出的布里淵散射光反向通過偏振控制器后又從第二環(huán)形器的輸出端向外輸出，從第二環(huán)形器的輸出端輸出的布里淵散射光通過第三隔離器后來到第四耦合器中，第四耦合器將第三隔離器傳來的布里淵散射光分為兩路，其中一路布里淵散射光又傳輸至布里淵散射光纖中形成環(huán)路起到循環(huán)放大作用，另一路布里淵散射光作為布里淵散射拍頻的參考光輸出至第五親合器處；
第三路光傳輸至聲光調(diào)制器中，聲光調(diào)制器根據(jù)任意波形發(fā)生器輸出的調(diào)制信號對輸入光進行調(diào)制，從而形成相應(yīng)的檢測光信號，然后，聲光調(diào)制器將調(diào)制好的檢測光信號傳輸至第一摻鉺光纖放大器中進行放大處理，放大后的檢測光信號又被注入擾偏器中進行處理(擾偏器用于降低檢測光信號的偏振度，以減少后續(xù)散射光中的偏振噪聲)，然后，檢測光信號通過第一環(huán)形器的收發(fā)復(fù)用端來到光開關(guān)中，光開關(guān)在任意波形發(fā)生器的控制下，就將檢測光信號導(dǎo)入至相應(yīng)的傳感光纖中(即緊套傳感光纖或松套傳感光纖)，隨后，檢測光信號就在傳感光纖中激發(fā)出相應(yīng)的后向散射光，前向傳輸?shù)臋z測光信號通過隔離器(即第一隔離器或第二隔離器)向外透射并散失了 ；后向散射光，通過光開關(guān)又回到第一環(huán)形器中并從第一環(huán)形器的輸出端傳輸至第二親合器，第二親合器將后向散射光分為兩路，其中一路后向散射光傳輸至第三耦合器處并與瑞利散射拍頻的參考光發(fā)生拍頻干涉，另一路后向散射光傳輸至第五耦合器處并與布里淵散射拍頻的參考光發(fā)生拍頻干涉，針對振動檢測、溫度檢測和應(yīng)變檢測中的某一者進行檢測時，在第三耦合器和第五耦合器中發(fā)生的兩處拍頻干涉中，僅有一者具有檢測意義，故，針對振動、溫度和應(yīng)變中的某一具體項目進行檢測時，任意波形發(fā)生器僅控制數(shù)據(jù)采集卡上的兩個輸入端中的一者進行采樣操作，獲取到采樣信號后，數(shù)據(jù)采集卡就將采樣信號輸出至信號處理單元進行處理，從而獲取到相應(yīng)的振動信息、溫度信息或應(yīng)變信息；
具體的檢測原理是:
振動檢測時，任意波形發(fā)生器控制聲光調(diào)制器輸出第一檢測光，同時，任意波形發(fā)生器控制光開關(guān)選通緊套傳感光纖，同時，任意波形發(fā)生器控制數(shù)據(jù)采集卡的第一輸入端進行采樣操作；當外界振動作用到緊套傳感光纖上時，將會引起脈沖光寬度范圍內(nèi)的后向瑞利散射光的相位發(fā)生變化，進而導(dǎo)致后向瑞利散射光與相應(yīng)參考光在第三耦合器處拍頻干涉的光強也發(fā)生變化，對多個采樣周期采樣的得到的信號進行移動平均和移動差分處理，就可以得到振動的位置信息；取出振動位置對應(yīng)點在不同采樣周期中的相應(yīng)位置的信息排成一行，得到振動位置的時域信息，再對振動位置的時域信息做非均勻傅里葉變換，就可以的得到振動點的振動頻率信息。
[0007]溫度檢測時，任意波形發(fā)生器控制聲光調(diào)制器輸出第二檢測光，同時，任意波形發(fā)生器控制光開關(guān)選通松套傳感光纖，同時，任意波形發(fā)生器控制數(shù)據(jù)采集卡的第二輸入端進行采樣操作；由于布里淵散射的光頻率與溫度變化成線性關(guān)系，當外界溫度變化作用到松套傳感光纖上時，將會引起脈沖光寬度范圍內(nèi)后向布里淵散射光的光頻移發(fā)生變化，布里淵散射光在第五耦合器處與相應(yīng)參考光拍頻干涉后的光頻率也會隨著溫度的變化而呈現(xiàn)出線性變化，按照一定空間分辨率分段對一個采樣周期中采集到的布里淵拍頻信號進行傅里葉變換，對傅里葉變換的譜線進行洛倫茲擬合，取出頻率中心值，再對不同采樣周期得到的頻率中心進行平均和差分處理，就能得到松套傳感光纖的溫度變化信息。
[0008]應(yīng)變檢測時，任意波形發(fā)生器控制聲光調(diào)制器輸出第二檢測光，同時，任意波形發(fā)生器控制光開關(guān)選通緊套傳感光纖，同時，任意波形發(fā)生器控制數(shù)據(jù)采集卡的第二輸入端進行采樣操作；由于后向自發(fā)布里淵散射的光頻率與應(yīng)變成線性關(guān)系，當外界應(yīng)變作用到緊套傳感光纖上時，將會引起脈沖光寬度范圍內(nèi)后向布里淵散射光的光頻移發(fā)生變化，布里淵散射光在第五耦合器處與相應(yīng)參考光拍頻干涉后的光頻率就會隨著應(yīng)變的變化而線性變化，按照一定空間分辨率分段對一個采樣周期中采集到的布里淵拍頻信號進行傅里葉變換，對傅里葉變換的譜線進行洛倫茲擬合，取出頻率中心值，再對不同采樣周期得到的頻率中心只進行平均和差分處理，就能得到了長距離傳感光纖的應(yīng)變的變化信息。
[0009]前述的三種檢測原理均為現(xiàn)有技術(shù)，為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員實施，故將其贅述如前；由于檢測原理并非本發(fā)明的重點，因此本發(fā)明僅作了簡要介紹，如有不盡之處，請參考現(xiàn)有理論。
[0010]本發(fā)明的有益技術(shù)效果是:提供了一種新的分布式