本發(fā)明涉及一種分布式光纖傳感系統(tǒng)，尤其涉及一種基于調(diào)制脈沖技術(shù)的分布式光纖寬頻傳感系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

振動(dòng)測(cè)量在工程領(lǐng)域具有潛在的運(yùn)用價(jià)值，如結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、航空航天、石油化工、電力系統(tǒng)等安全監(jiān)測(cè)；傳統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)量方法如機(jī)械式測(cè)量法、電測(cè)量法，存在靈敏度低，體積大、測(cè)量范圍受放大器件限制等問(wèn)題，并且傳統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)量方法只能進(jìn)行點(diǎn)式測(cè)量，在實(shí)際運(yùn)用中受到限制，因此研制高性能的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)勢(shì)在必行。

分布式光纖傳感技術(shù)是指沿光纖傳輸路徑上的外部信號(hào)以一定的方式對(duì)光纖中的光波進(jìn)行不斷的調(diào)制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量場(chǎng)的連續(xù)空間進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，光纖既是導(dǎo)光介質(zhì)，同時(shí)作為傳感元件，感應(yīng)外界振動(dòng)信號(hào)。

現(xiàn)有技術(shù)中基于光纖技術(shù)的振動(dòng)傳感系統(tǒng)研究已經(jīng)非常廣泛，但現(xiàn)有的測(cè)量手段都無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)位置與寬頻振動(dòng)信號(hào)的精確測(cè)量，難以達(dá)到實(shí)際工程應(yīng)用中的技術(shù)指標(biāo)。若要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代大型基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，勢(shì)必要同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)距離范圍內(nèi)寬頻振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量以及振動(dòng)位置的精確判斷，并且要在此基礎(chǔ)上一定程度地控制系統(tǒng)成本，推動(dòng)系統(tǒng)盡快走向?qū)嶋H工程應(yīng)用的市場(chǎng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)背景技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種分布式光纖傳感系統(tǒng)，本發(fā)明提出了一種分布式光纖傳感系統(tǒng)，它由光源、聲光調(diào)制器、函數(shù)發(fā)生器、摻鉺光纖放大器、光濾波器、三端口環(huán)形器、傳感光纖、光電探測(cè)器和數(shù)據(jù)采集卡組成；光源與聲光調(diào)制器的輸入端光路連接，函數(shù)發(fā)生器的輸出端1與聲光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)端連接；聲光調(diào)制器對(duì)輸入光進(jìn)行調(diào)制處理后將光輸出至摻鉺光纖放大器，摻鉺光纖放大器對(duì)輸入光進(jìn)行放大處理后將光輸出至光濾波器進(jìn)行消噪處理，經(jīng)消噪處理后的光由光濾波器傳輸至三端口環(huán)形器的輸入端，三端口環(huán)形器的輸出端與傳感光纖的一端連接，三端口環(huán)形器用以提取傳感光纖中由調(diào)制光脈沖產(chǎn)生的后向瑞利散射光；三端口環(huán)形器的收發(fā)復(fù)用端與光電探測(cè)器的輸入端連接，光電探測(cè)器的輸出端連接至數(shù)據(jù)采集卡，函數(shù)發(fā)生器的輸出端2與數(shù)據(jù)采集卡的采集觸發(fā)端連接；傳感光纖鋪設(shè)于被測(cè)空間內(nèi)。

基于上述結(jié)構(gòu)，函數(shù)發(fā)生器的端口1連接聲光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)端產(chǎn)生重復(fù)頻率為10khz的調(diào)制電脈沖信號(hào)，窄脈沖脈寬為50ns、幅值為1v，背景光電平幅值為200mv；聲光調(diào)制器在函數(shù)發(fā)生器輸出的電脈沖信號(hào)調(diào)制下，輸出調(diào)制光脈沖信號(hào)；函數(shù)發(fā)生器的輸出端2連接數(shù)據(jù)采集卡的采集觸發(fā)端產(chǎn)生與函數(shù)發(fā)生器輸出端1相同的電脈沖信號(hào)。該函數(shù)發(fā)生器所述參數(shù)是本發(fā)明選取的一組較優(yōu)參數(shù)，不能以此限定本發(fā)明的權(quán)利范圍。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果是：利用調(diào)制脈沖技術(shù)可以在一個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)精確定位和寬頻振動(dòng)的測(cè)量。

本發(fā)明的檢測(cè)原理是：函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生調(diào)制的電脈沖信號(hào)作為聲光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，光源輸出的連續(xù)光被聲光調(diào)制器調(diào)制為調(diào)制光脈沖信號(hào)，調(diào)制光脈沖信號(hào)由高強(qiáng)度窄脈沖信號(hào)和低強(qiáng)度準(zhǔn)連續(xù)背景光組成，調(diào)制光脈沖進(jìn)入摻鉺光纖放大器進(jìn)行光放大，光信號(hào)隨后經(jīng)過(guò)光濾波器濾除自發(fā)輻射噪聲，濾除自發(fā)輻射噪聲后的調(diào)制光脈沖信號(hào)通過(guò)三端口環(huán)形器注入傳感光纖，并在傳感光纖中激發(fā)出后向瑞利散射光，當(dāng)外界振動(dòng)作用在傳感光纖上時(shí)，將會(huì)引起調(diào)制光脈沖范圍內(nèi)后向瑞利散射光的相位發(fā)生變化，返回的瑞利后向散射光由三端口環(huán)形器收集，光電探測(cè)器在函數(shù)發(fā)生器的輸出電信號(hào)觸發(fā)下從三端口環(huán)形器的輸出端采集后向瑞利散射光；經(jīng)過(guò)多個(gè)采樣周期后可以采集到大量散射信號(hào)，在計(jì)算機(jī)中對(duì)由高強(qiáng)度窄脈沖光信號(hào)產(chǎn)生的瑞利散射信號(hào)做平均與差分處理,可以得出振動(dòng)的位置信息；取出由低強(qiáng)度準(zhǔn)連續(xù)背景光產(chǎn)生的后向瑞利干涉光信號(hào)，對(duì)其做傅里葉變換，可以得出振動(dòng)的頻率信息?；谏鲜龉ぷ鬟^(guò)程，可以實(shí)現(xiàn)傳感系統(tǒng)中寬頻振動(dòng)的位置與頻率測(cè)量。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明調(diào)制脈沖光信號(hào)的強(qiáng)度在時(shí)域上的示意圖。調(diào)制脈沖光信號(hào)是周期性信號(hào)，在一個(gè)周期內(nèi)，高強(qiáng)度窄脈沖光信號(hào)強(qiáng)度為，低強(qiáng)準(zhǔn)連續(xù)度背景光強(qiáng)為。

圖2是本發(fā)明基于調(diào)制脈沖技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)實(shí)施方式的系統(tǒng)各設(shè)備連接結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)描述。

參見(jiàn)附圖2，本發(fā)明系統(tǒng)由：光源1、聲光調(diào)制器2、函數(shù)發(fā)生器3、摻餌光纖放大器4、光濾波器5、三端口環(huán)形器6、傳感光纖7、光電探測(cè)器8和數(shù)據(jù)采集卡9組成。光源1與聲光調(diào)制器2的輸入端光路連接，函數(shù)發(fā)生器3的輸出端1與聲光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)端連接，聲光調(diào)制器2對(duì)輸入光進(jìn)行處理后輸入到摻餌光纖放大器4，摻餌光纖放大器4對(duì)輸入光信號(hào)放大處理后，將光信號(hào)輸入到光濾波器5，光濾波器5對(duì)光信號(hào)進(jìn)行消噪處理，光濾波器5的輸出端與三端口環(huán)形器6的輸入端光路連接，光濾波器5濾波后的光信號(hào)輸入到三端口環(huán)形器6的輸入端，三端口環(huán)形器6的收發(fā)復(fù)用端與傳感光纖7連接，三端口環(huán)形器6的輸出端口與光電探測(cè)器8的輸入端口連接，光電探測(cè)器8的輸出端口與數(shù)據(jù)采集卡9的輸入端口連接，數(shù)據(jù)采集卡9的觸發(fā)采集端與函數(shù)發(fā)生器3的輸出端口2連接；傳感光纖7鋪設(shè)于被測(cè)空間內(nèi)。

前述裝置的工作過(guò)程為：函數(shù)發(fā)生器3向聲光調(diào)制器2輸出調(diào)制電脈沖信號(hào)，聲光調(diào)制器2根據(jù)調(diào)制電脈沖信號(hào)將光源1輸出的光調(diào)制為調(diào)制脈沖光信號(hào)，每個(gè)周期內(nèi)的光信號(hào)由高強(qiáng)度窄脈沖光和低強(qiáng)度背景光組成，調(diào)制的光信號(hào)如附圖1所示，將調(diào)制光脈沖信號(hào)輸入到摻餌光纖放大器4進(jìn)行放大處理，因摻餌光纖放大器4會(huì)產(chǎn)生自發(fā)輻射噪聲，放大處理后的調(diào)制光脈沖信號(hào)輸入到光濾波器5，進(jìn)行消噪處理，消噪處理后的光信號(hào)輸出到三端口環(huán)形器6，調(diào)制光脈沖信號(hào)通過(guò)三端口環(huán)形器6后進(jìn)入傳感光纖7，調(diào)制光脈沖信號(hào)在傳感光纖7中激發(fā)后向瑞利散射光，外界振動(dòng)作用于傳感光纖7時(shí)，引起后向瑞利散射光的相位變化，后向瑞利散射光進(jìn)入三端口環(huán)形器6的收發(fā)復(fù)用端口，由三端口環(huán)形器6的輸出端口輸出到光電探測(cè)器8，光電探測(cè)器8將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)輸出到數(shù)據(jù)采集卡9，數(shù)據(jù)采集卡9在函數(shù)發(fā)生器3輸出端口2的觸發(fā)信號(hào)下采集光電探測(cè)器8輸出的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)多個(gè)采樣周期后，數(shù)據(jù)采集卡9采集到大量后向瑞利散射信號(hào)數(shù)據(jù)。

函數(shù)發(fā)生器3產(chǎn)生重復(fù)頻率為10khz的調(diào)制電脈沖信號(hào)，窄脈沖脈寬為50ns、幅值為2v，背景光電平幅值為200mv。在本發(fā)明中，此參數(shù)為較優(yōu)一組參數(shù)，可使窄光脈沖信號(hào)激發(fā)的信噪比在合適范圍內(nèi)。窄光脈沖時(shí)域?qū)挾日?，光?qiáng)高，攜帶振動(dòng)位置信息；背景光信號(hào)為準(zhǔn)連續(xù)光，光強(qiáng)低，攜帶振動(dòng)頻率信息。

將采集到的數(shù)據(jù)載入計(jì)算機(jī)中，取出攜帶窄光脈沖信號(hào)產(chǎn)生的后向瑞利散射信號(hào)做平均和差分處理，得到振動(dòng)信號(hào)的位置信息；取出低強(qiáng)度準(zhǔn)連續(xù)背景光信號(hào)產(chǎn)生的后向瑞利散射干涉光信號(hào)，對(duì)其做快速傅里葉變換，得到振動(dòng)信號(hào)的頻率信息。