一種基于動(dòng)態(tài)相位解調(diào)的botda分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于動(dòng)態(tài)相位解調(diào)的BOTDA分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)，屬于光纖傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，解決難以解調(diào)和計(jì)算光纖分布的動(dòng)態(tài)應(yīng)變、應(yīng)力及壓力大小的問題。一種基于動(dòng)態(tài)相位解調(diào)的BOTDA分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)，包括布里淵信號(hào)輸出裝置、第四隔離器、窄帶光濾波器、相位解調(diào)檢測(cè)裝置和數(shù)據(jù)采集及信號(hào)處理系統(tǒng)；布里淵信號(hào)輸出裝置的信號(hào)經(jīng)過第四隔離器，接入窄帶光濾波器濾除雜光，注入相位解調(diào)檢測(cè)裝置探測(cè)輸出的光強(qiáng)信號(hào)，再接入數(shù)據(jù)采集及信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)解調(diào)。本發(fā)明通過相位解調(diào)系統(tǒng)快速解調(diào)和計(jì)算出沿光纖分布的動(dòng)態(tài)應(yīng)變、應(yīng)力及壓力大小，以實(shí)現(xiàn)分布式振動(dòng)傳感，提高了BOTDA系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)的動(dòng)態(tài)特性，能夠?qū)崿F(xiàn)振動(dòng)點(diǎn)定位快、測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大、測(cè)量距離長(zhǎng)。
【專利說明】—種基于動(dòng)態(tài)相位解調(diào)的BOTDA分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]一種基于動(dòng)態(tài)相位解調(diào)的BOTDA分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)，計(jì)算出BOTDA系統(tǒng)因動(dòng)態(tài)應(yīng)變引起的波長(zhǎng)漂移量，并相應(yīng)計(jì)算出應(yīng)變、應(yīng)力或壓力的大小，從而實(shí)現(xiàn)分布式振動(dòng)測(cè)量，屬于光纖傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]伴隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，分布式光纖傳感研究已經(jīng)成為最具代表性的新興技術(shù)之一，其最顯著的優(yōu)點(diǎn)是可以準(zhǔn)確地測(cè)出光纖沿線上任一點(diǎn)應(yīng)力、溫度、振動(dòng)和損傷等信息，卻無需構(gòu)成回路。它根據(jù)光波在光纖中傳播時(shí)產(chǎn)生的后向散射光的頻譜與功率特征與外界環(huán)境相互關(guān)系，通過頻譜和功率分析光纖的散射光的分布來進(jìn)行檢測(cè)。它把被測(cè)量作為光纖位置長(zhǎng)度的函數(shù)，可以在整個(gè)光纖上對(duì)光纖沿線的外部物理參量進(jìn)行連續(xù)的測(cè)量。從上世紀(jì)七十年代問世至今，取得了相當(dāng)大的發(fā)展。特別是三個(gè)方面:分別基于瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射的分布式傳感技術(shù)。
[0003]瑞利散射(Rayleigh scattering)是由比光波波長(zhǎng)還要小的氣體分子質(zhì)點(diǎn)引起的。散射能力與光波波長(zhǎng)的四次方成反比，波長(zhǎng)愈短的電磁波，散射愈強(qiáng)烈；如雨過天晴或秋高氣爽時(shí)，就因空中較粗微粒比較少，青藍(lán)色光散射顯得更為突出，天空一片蔚藍(lán)。瑞利散射的結(jié)果，減弱了太陽投射到地表的能量，使地面的紫外線極弱而不能作為遙感可用波段；使到達(dá)地表可見光的輻射波長(zhǎng)峰值向波長(zhǎng)較長(zhǎng)的一側(cè)移動(dòng)，當(dāng)電磁波波長(zhǎng)大于I微米時(shí)，瑞利散射可以忽略不計(jì)。
[0004]拉曼散射透明氣體、液體、固體介質(zhì)的分子對(duì)入射光的一種特殊的散射現(xiàn)象，是印度物理學(xué)家拉曼首先發(fā)現(xiàn)的。如果入射光是單色光，則在散射光譜中，在原有譜線兩側(cè)的對(duì)稱位置上，將出現(xiàn)一些新的弱譜線，長(zhǎng)波側(cè)的譜線較短波側(cè)的強(qiáng)些。前者稱斯托克斯線，后者稱反斯托克斯線。二者統(tǒng)稱為拉曼譜線。這些譜線特征將由散射物質(zhì)的性質(zhì)決定。產(chǎn)生拉曼散射的原因是散射分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能態(tài)和振動(dòng)能態(tài)發(fā)生變化，結(jié)果使得散射光子頻率不同于入射光子。因此，這一效應(yīng)常常用于分子結(jié)構(gòu)的研究和分子的定性、定量分析。
[0005]布里淵散射是布里淵于1922年提出的，可以研究氣體，液體和固體中的聲學(xué)振動(dòng)，但作為一種實(shí)用的研究手段，是在激光出現(xiàn)以后才發(fā)展起來的。布里淵散射也屬于喇曼效應(yīng)，即光在介質(zhì)中受到各種元激發(fā)的非彈性散射，其頻率變化表征了元激發(fā)的能量。與喇曼散射不同的是，在布里淵散射中是研究能量較小的元激發(fā)，如聲學(xué)聲子和磁振子等。
[0006]基于布里淵散射原理的布里淵光時(shí)域分析(BOTDA)是一門極具發(fā)展前景的應(yīng)變和溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)，它利用脈沖光在光纖中的受激布里淵散射效應(yīng)和光時(shí)域反射(OTDR)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的長(zhǎng)距離全分布式測(cè)量，適用于大型結(jié)構(gòu)體的健康狀況的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)。1989年，日本安騰公司的Horiguchi與英國學(xué)者Culverhouse等人分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)光纖布里淵頻移與其相應(yīng)的應(yīng)變和溫度成線性關(guān)系以來，基于布里淵散射的傳感技術(shù)在測(cè)試系統(tǒng)以及工程應(yīng)用方面得到迅速發(fā)展，目前已經(jīng)在石油天然氣、土木工程結(jié)構(gòu)、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查及預(yù)防、航空航天測(cè)試等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，完全符合大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的需求。加拿大Ottawa大學(xué)的Xiaoyi Bao教授領(lǐng)導(dǎo)的小組多年來一直在該領(lǐng)域取得不斷的進(jìn)展。他們開發(fā)的BOTDA系統(tǒng)不論在測(cè)量精度還是測(cè)量距離上都取得了出色的性能。早在1994年他們小組實(shí)現(xiàn)了 BOTDA系統(tǒng)IOm的空間分辯率和50km的長(zhǎng)距離檢測(cè)。
[0007]但BOTDA系統(tǒng)較復(fù)雜，在應(yīng)用上還存在許多不足:
一、由于BOTDA系統(tǒng)較復(fù)雜，不能測(cè)斷點(diǎn)(即分布式點(diǎn))，應(yīng)用條件受到限制；
二、目前的布里淵散射信號(hào)解調(diào)儀在實(shí)際工程應(yīng)用中，系統(tǒng)頻率掃描很難保持線性度，對(duì)空間分辨率和測(cè)量靈敏度進(jìn)行了限制；
三、測(cè)量精度與空間分辨率相互制約，檢測(cè)信號(hào)一般比較微弱，并且需要對(duì)大量信號(hào)進(jìn)行繁瑣的運(yùn)算處理等，都制約著布里淵傳感技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足之處提供了一種基于動(dòng)態(tài)相位解調(diào)的BOTDA分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)，可以檢測(cè)動(dòng)態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變和壓力，提高了 BOTDA系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，有利于實(shí)現(xiàn)傳感器全光纖化和信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸。
[0009]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
一種基于動(dòng)態(tài)相位解調(diào)的BOTDA分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng),其特征在于:包括布里淵信號(hào)輸出裝置、第四隔離器、窄帶光濾波器、相位解調(diào)檢測(cè)裝置和數(shù)據(jù)采集及信號(hào)處理系統(tǒng)；布里淵信號(hào)輸出裝置的信號(hào)經(jīng)過第四隔離器，接入窄帶光濾波器濾除雜光，注入相位解調(diào)檢測(cè)裝置探測(cè)輸出的光強(qiáng)信號(hào)，再接入數(shù)據(jù)采集及信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)解調(diào)。
[0010]作為優(yōu)選，所述相位解調(diào)檢測(cè)裝置包括第一耦合器、延遲光纖、3*3耦合器和光電探測(cè)器(PD);第一耦合器的I端口連接布里淵信號(hào)的輸出端，第一耦合器的3端口通過延遲光纖與3*3稱合器的I端口相連構(gòu)成信號(hào)臂，第一稱合器的4端口與3*3稱合器的3端口相連構(gòu)成參考臂，3*3耦合器的4、5、6端口分別與光電探測(cè)器相連。
[0011]作為優(yōu)選，所述3*3耦合器為2 31 /3的固定相位差。
[0012]作為優(yōu)選，所述相位解調(diào)檢測(cè)裝置包括第一耦合器、延遲光纖、聲光調(diào)制器、第二耦合器和光電探測(cè)器(PD);第一耦合器的I端口連接布里淵信號(hào)的輸出端，第一耦合器的3端口通過延遲光纖與第二耦合器的I端口相連構(gòu)成信號(hào)臂，第一耦合器的4端口通過聲光調(diào)制器與第二耦合器的2端口相連構(gòu)成參考臂，第二耦合器的3、4端口分別與光電探測(cè)器相連。
[0013]作為優(yōu)選，所述聲光調(diào)制器的移頻范圍為lkHz-lOMHz。
[0014]作為優(yōu)選，所述相位解調(diào)檢測(cè)裝置包括第一耦合器、延遲光纖、壓電陶瓷、第二耦合器和光電探測(cè)器(PD);第一耦合器的I端口連接布里淵信號(hào)的輸出端，第一耦合器的3端口通過延遲光纖與第二耦合器的I端口相連構(gòu)成信號(hào)臂，第一耦合器的4端口通過壓電陶瓷與第二耦合器的2端口相連構(gòu)成參考臂，第二耦合器的3、4端口與光電探測(cè)器相連。
[0015]作為優(yōu)選，所述壓電陶瓷附加了 π /2的相位。
[0016]作為優(yōu)選，所述相位解調(diào)檢測(cè)裝置中的相位變化量滿足關(guān)系式為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于動(dòng)態(tài)相位解調(diào)的BOTDA分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)，其特征在于:包括布里淵信號(hào)輸出裝置、第四隔離器(4)、窄帶光濾波器(10)、相位解調(diào)檢測(cè)裝置(11)和數(shù)據(jù)采集及信號(hào)處理系統(tǒng)(12)； 布里淵信號(hào)輸出裝置的信號(hào)經(jīng)過第四隔離器(4)，接入窄帶光濾波器(10)濾除雜光，注入相位解調(diào)檢測(cè)裝置(11)探測(cè)輸出的光強(qiáng)信號(hào)，再接入數(shù)據(jù)采集及信號(hào)處理系統(tǒng)(12)進(jìn)行信號(hào)解調(diào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動(dòng)態(tài)相位解調(diào)的BOTDA分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng),其特征在于:所述相位解調(diào)檢測(cè)裝置(11)包括第一耦合器(13)、延遲光纖(16)、3*3耦合器(17)和光電探測(cè)器(PD)； 第一耦合器(13)的I端口連接布里淵信號(hào)的輸出端，第一耦合器(13)的3端口通過延遲光纖(16)與3*3稱合器(17)的I端口相連構(gòu)成信號(hào)臂,第一稱合器(13)的4端口與3*3耦合器(17)的3端口相連構(gòu)成參考臂，3*3耦合器(17)的4、5、6端口分別與光電探測(cè)器相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于動(dòng)態(tài)相位解調(diào)的BOTDA分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)，其特征在于:所述3*3耦合器(17)為2 π /3的固定相位差。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動(dòng)態(tài)相位解調(diào)的BOTDA分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng),其特征在于:所述相位解調(diào)檢測(cè)裝置(11)包括第一耦合器(13)、延遲光纖(16)、聲光調(diào)制器(14)、第二耦合器(15)和光電探測(cè)器(PD)； 第一稱合器(13)的I端口連接布里淵信號(hào)的輸出端，第一稱合器(13)的3端口通過延遲光纖(16)與第二稱合器(15)的I端口相連構(gòu)成信號(hào)臂,第一稱合器(13)的4端口通過聲光調(diào)制器(14)與第二耦合器(15)的2端口相連構(gòu)成參考臂，第二耦合器(15)的3、4端口分別與光電探測(cè)器相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于動(dòng)態(tài)相位解調(diào)的BOTDA分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)，其特征在于:所述聲光調(diào)制器(14)的移頻范圍為lkHz-10MHz。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動(dòng)態(tài)相位解調(diào)的BOTDA分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng),其特征在于:所述相位解調(diào)檢測(cè)裝置(11)包括第一耦合器(13)、延遲光纖(16)、壓電陶瓷(18)、第二耦合器(15)和光電探測(cè)器(PD)； 第一稱合器(13)的I端口連接布里淵信號(hào)的輸出端，第一稱合器(13)的3端口通過延遲光纖(16)與第二稱合器(15)的I端口相連構(gòu)成信號(hào)臂,第一稱合器(13)的4端口通過壓電陶瓷(18)與第二耦合器(15)的2端口相連構(gòu)成參考臂，第二耦合器(15)的3、4端口與光電探測(cè)器相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于動(dòng)態(tài)相位解調(diào)的BOTDA分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)，其特征在于:所述壓電陶瓷(18)附加了 π/2的相位。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動(dòng)態(tài)相位解調(diào)的BOTDA分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述相位解調(diào)檢測(cè)裝置(11)中的相位變化量滿足關(guān)系式為:

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動(dòng)態(tài)相位解調(diào)的BOTDA分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)，其特征在于:所述布里淵信號(hào)輸出裝置包括泵浦激光器(5)、第二隔離器(2)、傳感光纖(6)、環(huán)形器(8)、第三隔離器(3)、脈沖調(diào)制器(7)、第一隔離器(I)和探測(cè)激光器(9)； 所述探測(cè)激光器(9)發(fā)出的連續(xù)光依次經(jīng)過第一隔離器(I)、脈沖調(diào)制器(7)、第三隔離器(3)和環(huán)形器(8)與泵浦激光器(5)發(fā)出的脈沖光經(jīng)過第二隔離器(2)進(jìn)入傳感光纖(6)進(jìn)行耦合，在傳感光纖(6)處發(fā)生布里淵效應(yīng)。
【文檔編號(hào)】G01H9/00GK103940501SQ201410143090
【公開日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年4月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月11日
【發(fā)明者】歐中華, 盧磊, 朱曉非, 鄭廣浩, 劉永, 岳慧敏 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)