本實(shí)用新型涉及一種傳感裝置,更確切的說(shuō)是一種高性能光纖動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感裝置。

背景技術(shù)：

由動(dòng)態(tài)應(yīng)變引起的設(shè)備和建筑物受損越來(lái)越多，尤其在地震高發(fā)區(qū)，振動(dòng)和沖擊波等對(duì)大壩、橋梁以及房屋等的破壞非常嚴(yán)重，因此迫切需要具有快速響應(yīng)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)。由于光纖具有損耗小、耐高溫、耐腐蝕、絕緣、抗電磁干擾等顯著優(yōu)勢(shì)，且對(duì)研究結(jié)構(gòu)的健康狀況、安全性、穩(wěn)定性和完整性影響較小，因此本質(zhì)上光纖傳感技術(shù)成為構(gòu)建分布式動(dòng)態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)的最優(yōu)選擇。

目前，實(shí)現(xiàn)分布式光纖動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感技術(shù)的研究主要有如下幾類(lèi)：一是基于光纖光柵動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感技術(shù)(詳見(jiàn)A.Cusano,et al.,Sens.Actuator A-Phys.110,276(2004))，外界動(dòng)態(tài)應(yīng)變或振動(dòng)引起光纖光柵反射波長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)漂移，但構(gòu)建超大規(guī)模光纖光柵動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)難度和成本很高；二是基于光纖干涉結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感技術(shù)(詳見(jiàn)Tapanes Edward E.,US Patent,20030198425,(2003))，利用干涉結(jié)構(gòu)將光纖受外界動(dòng)態(tài)應(yīng)變或振動(dòng)擾動(dòng)的相位調(diào)制轉(zhuǎn)化為光功率或者其他參量的變化，但干涉結(jié)構(gòu)需要相移器和閉環(huán)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)穩(wěn)定最佳工作點(diǎn)，系統(tǒng)穩(wěn)定性和定位精度較差；三是基于瑞利散射的分布式動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感技術(shù)，其中較為成功的技術(shù)是相位敏感型光時(shí)域反射計(jì)(Φ-OTDR)(詳見(jiàn)Z.Pan,et al.,Proc.of SPIE 8421,842129(2012)；Z.Qin, et al.,Opt.Express 20,20459(2012))，通過(guò)測(cè)量光脈沖覆蓋區(qū)域內(nèi)瑞利散射光的干涉疊加效果來(lái)解調(diào)動(dòng)態(tài)擾動(dòng)，但此方案對(duì)緩變擾動(dòng)感知困難，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)應(yīng)變幅度的定量測(cè)量。

對(duì)于連續(xù)分布式傳感，布里淵型分布式光纖傳感技術(shù)可對(duì)光纖沿線上任意位置處的應(yīng)力變形和溫度進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，經(jīng)過(guò)二十幾年的發(fā)展，基于布里淵非線性效應(yīng)的分布式光纖傳感技術(shù)優(yōu)勢(shì)得到了充分展示并取得到了廣泛應(yīng)用。但是，這種常規(guī)基于重構(gòu)布里淵增益譜分布的方案，本質(zhì)上在響應(yīng)速度方面還無(wú)法滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)傳感的迫切需求。國(guó)際上一些研究小組在常規(guī)布里淵分布式光纖傳感技術(shù)基礎(chǔ)上，有針對(duì)性的探索相關(guān)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感。相關(guān)探索主要集中在以下兩個(gè)方面：

一方面是提高響應(yīng)速度。2009年，A.Minardo等人提出了一種頻差斜邊偏置探測(cè)的方案(詳見(jiàn)R.Bernini,et al.,Opt.Lett.34,2613(2009))，實(shí)現(xiàn)將布里淵增益譜的漂移轉(zhuǎn)化為探測(cè)光功率的波動(dòng)，從而大大提高系統(tǒng)響應(yīng)速度到98Hz，但此方案動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量的范圍小于±350με(形變范圍±0.035％)。2011年，A.Voskoboinik等人提出一種無(wú)掃頻重構(gòu)布里淵增益譜的方案(詳見(jiàn)A.Voskoboinik,et al.,US Patent,US20130025374 A1,(2013))，實(shí)現(xiàn)無(wú)需掃描即可覆蓋傳感頻譜，因此響應(yīng)速度也可達(dá)到幾十Hz量級(jí)，但此方案技術(shù)方案動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量范圍也只能達(dá)到±900με。2012年，A.Loayssa等人提出一種基于布里淵相移分析型的分布式動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量方案(詳見(jiàn)J.Urricelqui,etal.,Opt.Express 20,26942(2012))，通過(guò)解調(diào)應(yīng)變導(dǎo)致布里淵增益的相位變化來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感，此方案中應(yīng)變傳感范圍也僅達(dá)到±1280με。這些技術(shù)方案盡管有效提高了系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)變的響應(yīng)速度到100Hz左右，但是應(yīng)變傳感范圍小于±1000με，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用對(duì)大測(cè)量范圍的需求(±4000με以上)。

另一方面的研究集中在擴(kuò)大動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量范圍。2011年，在前述的頻差斜邊偏置探測(cè)方案基礎(chǔ)上，Q.Cui等人采用6.5ns脈寬的脈沖光作為泵浦脈沖，使得布里淵增益譜譜寬展寬到160MHz，從而實(shí)現(xiàn)將應(yīng)變測(cè)量范圍擴(kuò)展到±1600με(詳見(jiàn)Q.Cui,et al.,IEEE Photon.Technol.Lett.23,1887(2011))，但此技術(shù)方案犧牲了系統(tǒng)響應(yīng)速度和信號(hào)信噪比。2012年，Y.Peled等人采用任意波形發(fā)生器驅(qū)動(dòng)電光調(diào)制器的方案，實(shí)現(xiàn)高速重構(gòu)布里淵增益譜的分布(詳見(jiàn)Y.Peled,et al.,Opt.Express 20,8584(2012))，但信號(hào)處理時(shí)卻需耗時(shí)提取應(yīng)變相關(guān)的布里淵頻移信息，因此此方案在獲得更大的應(yīng)變傳感范圍時(shí)犧牲系統(tǒng)的響應(yīng)速度，不利于動(dòng)態(tài)應(yīng)變的高速解調(diào)。這些技術(shù)方案盡管可有效擴(kuò)展動(dòng)態(tài)應(yīng)變的測(cè)量范圍到±2000με左右，但是犧牲了傳感系統(tǒng)信噪比，使得響應(yīng)速度只能達(dá)到10Hz左右，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用對(duì)高響應(yīng)速度的需求(100Hz)。上述所有的分布式光纖動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量技術(shù)方案，包括光纖光柵型、干涉結(jié)構(gòu)型以及瑞利散射型，都因?yàn)榫哂须y以構(gòu)建大型傳感網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)工作狀態(tài)不穩(wěn)定或者難以定量測(cè)量等缺點(diǎn)，而無(wú)法滿(mǎn)足或者受限于實(shí)際應(yīng)用的需求。而最有潛力的基于布里淵效應(yīng)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感方案中，也沒(méi)有發(fā)明一種能同時(shí)兼顧大測(cè)量范圍和高響應(yīng)速度的技術(shù)。

傳統(tǒng)的布里淵光時(shí)域分析儀(BOTDA)的基本結(jié)構(gòu)和原理是：處于傳感光纖兩端的激光器分別將泵浦脈沖光與探測(cè)連續(xù)光相向注入傳感光纖中，當(dāng)泵浦脈沖光與探測(cè)連續(xù)光的光頻差處于光纖局部區(qū)域布里淵增益譜范圍內(nèi)時(shí)，在該區(qū)域就會(huì)產(chǎn)生受激布里淵非線性放大效應(yīng)，泵浦脈沖光與探測(cè)連續(xù)光之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移(對(duì)于損耗型BOTDA，能量從連續(xù)光轉(zhuǎn)移到脈沖光)。根據(jù)泵浦脈沖光注入到光纖中的傳輸時(shí)間Δt，即可定位布里淵非線性效應(yīng)發(fā)生的具體位置(L＝c×Δt/n，其中c為光在真空中的傳播速度，n為光纖折射率)，據(jù)此實(shí)現(xiàn)傳感的定位分析。對(duì)連續(xù)光的頻率在一定范圍內(nèi)進(jìn)行高精度調(diào)諧，同時(shí)檢測(cè)從光纖另一端透射出來(lái)的探測(cè)連續(xù)光光功率，就可確定光纖各小段區(qū)域上能量轉(zhuǎn)移達(dá)到最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率差，由于光纖中的布里淵頻移與溫度、應(yīng)變存在線性關(guān)系，如下公式所示，根據(jù)布里淵增益譜即可得到各局部位置處的溫度、應(yīng)變信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的分布式測(cè)量：

其中，為光纖在應(yīng)變、溫度擾動(dòng)情況下的布里淵頻移量，為無(wú)擾動(dòng)情況下的初始布里淵頻移量，為應(yīng)變影響布里淵頻移的線性系數(shù)，為應(yīng)變施加量，為溫度影響布里淵頻移的線性系數(shù)，為溫度施加量。

這種傳統(tǒng)的BOTDA方案，是通過(guò)激光器的調(diào)諧來(lái)掃描重構(gòu)獲取光纖沿線布里淵增益譜的分布，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的分布式測(cè)量，一般所需頻率調(diào)諧掃描范圍約為200MHz，調(diào)諧精度約為1MHz，對(duì)激光器的調(diào)諧性能要求很高，受激光器調(diào)諧速度的限制以及信號(hào)處理時(shí)需要做多次累積平均以提高信噪比，實(shí)現(xiàn)一次長(zhǎng)距離分布式的完整解調(diào)和測(cè)量，一般至少需要幾分鐘的時(shí)間甚至更長(zhǎng)，而這種測(cè)量方式在速度上完全無(wú)法滿(mǎn)足100Hz量級(jí)動(dòng)態(tài)應(yīng)變的快速響應(yīng)需求。

其中為動(dòng)態(tài)應(yīng)變的幅度，為動(dòng)態(tài)應(yīng)變的頻率，如上公式所示，這種動(dòng)態(tài)重構(gòu)布里淵增益譜分布的方案，本質(zhì)上很難實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)應(yīng)變的測(cè)量。因此如前面背景技術(shù)中所述，有研究人員提出了一種頻差斜邊偏置探測(cè)的方案，將相對(duì)傳輸?shù)膬墒獾念l差固定在無(wú)擾動(dòng)時(shí)的布里淵增益譜左側(cè)斜邊線性區(qū)域中間，若光纖局部有溫度或者應(yīng)變的擾動(dòng)造成布里淵增益譜的漂移，這種方案就可以實(shí)現(xiàn)將布里淵增益譜的漂移轉(zhuǎn)化為探測(cè)光功率的波動(dòng)(，其中為動(dòng)態(tài)應(yīng)變?cè)斐傻墓夤β什▌?dòng)，為應(yīng)變?cè)斐晒夤β什▌?dòng)的線性系數(shù))，從而可以避免重構(gòu)布里淵增益譜，大大提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，使得長(zhǎng)距離分布式動(dòng)態(tài)應(yīng)變響應(yīng)速度可以達(dá)到150Hz量級(jí)以上。但考慮到布里淵增益譜譜寬有限(～35MHz)，此方案動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量的范圍小于±350με(形變范圍±0.035％)，這種測(cè)量范圍太小而無(wú)法滿(mǎn)足絕大部分的實(shí)際工程需求。還有其他的一些方案，一定程度上犧牲響應(yīng)速度，擴(kuò)大動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量的范圍，但暫時(shí)還沒(méi)有一種技術(shù)能同時(shí)兼顧高響應(yīng)速度和大測(cè)量范圍?，F(xiàn)有光纖動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感裝置的多頻率信號(hào)發(fā)生模塊在不使用時(shí)仍然連接電路，多頻信號(hào)會(huì)對(duì)電路的精度造成影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種高性能光纖動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感裝置，能夠充分利用基于布里淵效應(yīng)的長(zhǎng)距離連續(xù)分布式測(cè)量的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，又進(jìn)一步解決實(shí)現(xiàn)大測(cè)量范圍和高響應(yīng)速度的動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感，本發(fā)明提供一種高性能光纖動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感裝置。

本實(shí)用新型為實(shí)現(xiàn)上述目的，通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種高性能光纖動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感裝置，包括窄線寬激光器、光纖耦合器、強(qiáng)度調(diào)制器、鎖定放大器、微波開(kāi)關(guān)、電脈沖發(fā)生模塊、微波信號(hào)發(fā)生模塊、光纖環(huán)形器、光纖光柵、光纖環(huán)形器、相位調(diào)制器、多頻率信號(hào)發(fā)生模塊、傳感光纖、光電探測(cè)器、信號(hào)高速并行處理單元，窄線寬激光器的尾纖輸出和光纖耦合器的輸入端口相連，將激光分成兩路，其中一路經(jīng)光纖耦合器的輸出端口與強(qiáng)度調(diào)制器的輸入端口相連，強(qiáng)度調(diào)制器的DC電壓偏置端口與鎖定放大器連接，強(qiáng)度調(diào)制器的射頻輸入端口與微波開(kāi)關(guān)的輸出端相連，微波開(kāi)關(guān)的輸入端與微波信號(hào)發(fā)生模塊連接，微波開(kāi)關(guān)的輸入端與電脈沖發(fā)生模塊的輸出端口連接，強(qiáng)度調(diào)制器的輸出端口與光纖環(huán)形器的輸入端口連接，光纖環(huán)形器的端口與光纖光柵相連，光纖環(huán)形器的輸出端口與光纖環(huán)形器的輸入端口連接，光纖耦合器分光的另一路經(jīng)其輸出端口與相位調(diào)制器的輸入端口相連，相位調(diào)制器的射頻輸入端口與多頻率信號(hào)發(fā)生模塊的輸出端連接，相位調(diào)制器的輸出端口連接傳感光纖，傳感光纖的一端與光纖環(huán)形器的端口相連，光纖環(huán)形器的輸出端口連接光電探測(cè)器的輸入端口，光電探測(cè)器的輸出端口與信號(hào)高速并行處理單元連接。多頻率信號(hào)發(fā)生模塊與相位調(diào)制器之間安裝高頻低阻接通裝置，所述高頻低阻接通裝置包括殼體，殼體的內(nèi)部安裝伸縮桿、彈簧、控制裝置和第二導(dǎo)電板，伸縮桿的下端安裝第一導(dǎo)電板，第一導(dǎo)電板的上部安裝第一電磁鐵，彈簧的下端與第一電磁鐵連接，第一導(dǎo)電板的底部安裝第一銀鍍層,彈簧處于拉伸狀態(tài)，第一導(dǎo)電板的側(cè)部安裝彈簧板，彈簧板為導(dǎo)電板，彈簧板呈弧形，彈簧板的一側(cè)安裝石墨塊，第一導(dǎo)電板能與第二導(dǎo)電板配合，第二導(dǎo)電板的上部安裝第二銀鍍層和石墨板，石墨塊能與石墨板配合，第一銀鍍層能與第二銀鍍層配合，第二導(dǎo)電板上安裝導(dǎo)線，導(dǎo)線上安裝電阻傳感器，控制裝置的輸入端通過(guò)導(dǎo)線與電阻傳感器的輸出端連接,控制裝置的輸出端通過(guò)導(dǎo)線與第一電磁鐵和第二電磁鐵的輸入端連接，第一導(dǎo)電板通過(guò)導(dǎo)線與多頻率信號(hào)發(fā)生模塊的輸出端連接，導(dǎo)線與相位調(diào)制器的輸入端連接。

為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的目的，還可以采用以下技術(shù)方案:所述窄線寬激光器的線寬小于0.98MHz。所述光電探測(cè)器響應(yīng)帶寬高于400MHz。所述信號(hào)高速并行處理單元采樣速率需達(dá)500MS/s以上。

本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于：本實(shí)用新型的高頻低阻接通裝置與多頻率信號(hào)發(fā)生模塊結(jié)合，能在不使用多頻率信號(hào)發(fā)生模塊時(shí)自動(dòng)將多頻率信號(hào)發(fā)生模塊與相位調(diào)制器之間的連接切斷，避免多頻率信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生的多頻信號(hào)對(duì)電路造成影響。同時(shí)高頻低阻接通裝置通過(guò)第一銀鍍層與第二銀鍍層配合可以有效降低接觸電路，避免多頻率信號(hào)接通電路后收到外接干擾。本實(shí)用新型的石墨塊與石墨板配合能在第一導(dǎo)電板與第二導(dǎo)電板對(duì)電路進(jìn)行預(yù)連接，優(yōu)先產(chǎn)生電火花，從而避免第一銀鍍層與第二銀鍍層產(chǎn)生電火花氧化，本實(shí)用新型的電阻傳感器能夠感應(yīng)電阻信號(hào)并且將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳遞給控制裝置，控制裝置根據(jù)電信號(hào)控制第一電磁鐵和第二電磁鐵的功率，從而將接觸電路降低到合理的范圍內(nèi)，使電路較好的運(yùn)行，避免了對(duì)信號(hào)的干擾。第一電磁鐵和第二電磁鐵能夠快速使第一導(dǎo)電板與第二導(dǎo)電板連接和分離，從而避免第一導(dǎo)電板與第二導(dǎo)電板接觸過(guò)程中對(duì)多頻率信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生信號(hào)的影響。

①與傳統(tǒng)方案如光纖光柵型、干涉結(jié)構(gòu)型以及瑞利散射型的光纖動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)相比，本發(fā)明是基于受激布里淵非線性效應(yīng)，不存在難以構(gòu)建大型傳感網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)工作狀態(tài)不穩(wěn)定或者難以定量測(cè)量等缺點(diǎn)，可以有效實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離分布式光纖應(yīng)變的定量實(shí)時(shí)在線高速測(cè)量。

②與目前已有的布里淵型光纖動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感技術(shù)相比，針對(duì)當(dāng)前布里淵分布式動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感技術(shù)中測(cè)量范圍和響應(yīng)速度無(wú)法相互兼顧的缺點(diǎn)，本發(fā)明采用布里淵增益拼接譜的技術(shù)，采取利用多重布里淵增益拼接譜同時(shí)實(shí)現(xiàn)大測(cè)量范圍和高響應(yīng)速度的研究思路，可有效實(shí)現(xiàn)將動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量范圍擴(kuò)展到±5000με以上，同時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)速度完全可保證達(dá)到同類(lèi)技術(shù)的最高層次。

④基于此技術(shù)，可以有效實(shí)現(xiàn)分布式光纖動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感監(jiān)測(cè)，其傳感范圍可達(dá)10km以上，空間分辨率1～10m，動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量范圍可達(dá)±5000με，動(dòng)態(tài)應(yīng)變響應(yīng)速率可達(dá)500Hz以上。

⑤本實(shí)用新型還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔緊湊、制造成本低廉和使用簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

附圖用來(lái)提供對(duì)本實(shí)用新型的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分，與本實(shí)用新型的實(shí)施例一起用于解釋本實(shí)用新型，并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的限制。在附圖中：

圖1本發(fā)明的泵浦脈沖光與探測(cè)連續(xù)光的頻率設(shè)計(jì)的示意圖；

圖2本發(fā)明的光纖布里淵增益拼接譜的原理示意圖；

圖3本發(fā)明的基于布里淵增益拼接譜的長(zhǎng)距離分布式大測(cè)量范圍高響應(yīng)速度光纖動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖4為高頻低阻接通裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí)施例僅用于說(shuō)明和解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。

一種高性能光纖動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感裝置，如圖1、圖2、圖3和圖4所示，窄線寬激光器1、光纖耦合器2、強(qiáng)度調(diào)制器3、鎖定放大器4、微波開(kāi)關(guān)5、電脈沖發(fā)生模塊6、微波信號(hào)發(fā)生模塊7、光纖環(huán)形器8、光纖光柵9、光纖環(huán)形器10、相位調(diào)制器11、多頻率信號(hào)發(fā)生模塊12、傳感光纖13、光電探測(cè)器14、信號(hào)高速并行處理單元15。其構(gòu)成特點(diǎn)是：窄線寬激光器1的尾纖輸出和光纖耦合器2的輸入端口2-1相連，實(shí)現(xiàn)將激光分成兩路，其中一路經(jīng)光纖耦合器2的輸出端口2-2與強(qiáng)度調(diào)制器3的輸入端口3-1相連，強(qiáng)度調(diào)制器3的DC電壓偏置端口3-2與鎖定放大器4連接，實(shí)現(xiàn)最佳工作點(diǎn)的自動(dòng)反饋穩(wěn)定控制，強(qiáng)度調(diào)制器3的射頻輸入端口3-3與微波開(kāi)關(guān)5的輸出端5-3相連，微波開(kāi)關(guān)5的輸入端5-1與微波信號(hào)發(fā)生模塊7連接，微波開(kāi)關(guān)5的輸入端5-2與電脈沖發(fā)生模塊6連接。強(qiáng)度調(diào)制器3調(diào)制得到的高消光比寬帶移頻泵浦脈沖光由輸出端口3-4輸出，并連接到光纖環(huán)形器8的輸入端口8-1，光纖環(huán)形器8的端口8-2與實(shí)現(xiàn)濾波的光纖光柵9相連，光纖環(huán)形器8的輸出端口8-3與光纖環(huán)形器10的輸入端口10-1相連，實(shí)現(xiàn)將泵浦脈沖光注入到傳感光纖13中。光纖耦合器2分光的另一路經(jīng)其輸出端口2-3與相位調(diào)制器11的輸入端口11-1相連，相位調(diào)制器11的射頻輸入端口11-2與多頻率信號(hào)發(fā)生模塊12連接，相位調(diào)制器11的輸出端口11-3輸出包含多頻率成份的探測(cè)連續(xù)光并注入到傳感光纖13中。探測(cè)連續(xù)光與泵浦脈沖光在傳感光纖13中相向傳輸后與光纖環(huán)形器10的端口10-2相連，光纖環(huán)形器10的輸出端口10-3連接光電探測(cè)器14的輸入端口14-1，光電探測(cè)器14的輸出端口14-2與信號(hào)高速并行處理單元15相連，實(shí)現(xiàn)傳感信號(hào)的解調(diào)。它可以實(shí)現(xiàn)分布式光纖動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感監(jiān)測(cè)，其傳感范圍可達(dá)10km以上，空間分辨率1～10m，動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量范圍可達(dá)±5000με，動(dòng)態(tài)應(yīng)變響應(yīng)速率可達(dá)100Hz以上。多頻率信號(hào)發(fā)生模塊12與相位調(diào)制器11之間安裝高頻低阻接通裝置31，所述高頻低阻接通裝置包括殼體16，殼體16的內(nèi)部安裝伸縮桿17、彈簧18、控制裝置29和第二導(dǎo)電板25，伸縮桿17的下端安裝第一導(dǎo)電板20，第一導(dǎo)電板20的上部安裝第一電磁鐵19，彈簧18的下端與第一電磁鐵19連接，第一導(dǎo)電板20的底部安裝第一銀鍍層21,彈簧18處于拉伸狀態(tài)，第一導(dǎo)電板20的側(cè)部安裝彈簧板22，彈簧板22為導(dǎo)電板，彈簧板22呈弧形，彈簧板22的一側(cè)安裝石墨塊23，第一導(dǎo)電板20能與第二導(dǎo)電板25配合，第二導(dǎo)電板25的上部安裝第二銀鍍層26和石墨板24，石墨塊23能與石墨板24配合，第一銀鍍層21能與第二銀鍍層26配合，第二導(dǎo)電板25上安裝導(dǎo)線28，導(dǎo)線28上安裝電阻傳感器30，控制裝置29的輸入端通過(guò)導(dǎo)線與電阻傳感器30的輸出端連接,控制裝置29的輸出端通過(guò)導(dǎo)線與第一電磁鐵19和第二電磁鐵27的輸入端連接，第一導(dǎo)電板20通過(guò)導(dǎo)線與多頻率信號(hào)發(fā)生模塊12的輸出端連接，導(dǎo)線28與相位調(diào)制器11的輸入端連接。

本實(shí)用新型的高頻低阻接通裝置31與多頻率信號(hào)發(fā)生模塊12結(jié)合，能在不使用多頻率信號(hào)發(fā)生模塊12時(shí)自動(dòng)將多頻率信號(hào)發(fā)生模塊12與相位調(diào)制器11之間的連接切斷，避免多頻率信號(hào)發(fā)生模塊12產(chǎn)生的多頻信號(hào)對(duì)電路造成影響。同時(shí)高頻低阻接通裝置31通過(guò)第一銀鍍層21與第二銀鍍層26配合可以有效降低接觸電路，避免多頻率信號(hào)接通電路后收到外接干擾。本實(shí)用新型的石墨塊23與石墨板24配合能在第一導(dǎo)電板20與第二導(dǎo)電板25對(duì)電路進(jìn)行預(yù)連接，優(yōu)先產(chǎn)生電火花，從而避免第一銀鍍層21與第二銀鍍層26產(chǎn)生電火花氧化，本實(shí)用新型的電阻傳感器30能夠感應(yīng)電阻信號(hào)并且將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳遞給控制裝置29，控制裝置29根據(jù)電信號(hào)控制第一電磁鐵19和第二電磁鐵27的功率，從而將接觸電路降低到合理的范圍內(nèi)，使電路較好的運(yùn)行。第一電磁鐵19和第二電磁鐵27能夠快速使第一導(dǎo)電板20與第二導(dǎo)電板25連接和分離，從而避免第一導(dǎo)電板20與第二導(dǎo)電板25接觸過(guò)程中對(duì)多頻率信號(hào)發(fā)生模塊12產(chǎn)生信號(hào)的影響。

利用相位調(diào)制器11和多頻率信號(hào)發(fā)生模塊12構(gòu)建出一種布里淵增益拼接譜的光學(xué)結(jié)構(gòu)，使用包含多頻率成分的多頻率信號(hào)發(fā)生模塊12作用相位調(diào)制器11上，實(shí)現(xiàn)調(diào)制探測(cè)連續(xù)光的相位，使得探測(cè)連續(xù)光中產(chǎn)生多光頻成分，通過(guò)控制探測(cè)連續(xù)光各光頻的幅度來(lái)調(diào)節(jié)各自對(duì)應(yīng)的布里淵增益譜幅度，拼接出所需譜寬和譜型的布里淵增益譜，在無(wú)損系統(tǒng)信噪比和響應(yīng)速度的情況下，實(shí)現(xiàn)極大擴(kuò)展動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量范圍。

利用強(qiáng)度調(diào)制器3、鎖定放大器4、微波開(kāi)關(guān)5、電脈沖發(fā)生模塊6、微波信號(hào)發(fā)生模塊7、光纖環(huán)形器8、光纖光柵9和光纖環(huán)形器10構(gòu)建泵浦脈沖光產(chǎn)生的光學(xué)結(jié)構(gòu)，獲取高消光比微波移頻泵浦脈沖光，進(jìn)而將產(chǎn)生布里淵放大效應(yīng)兩束光的頻差固定在布里淵增益拼接譜斜邊線性區(qū)域中間，把應(yīng)變導(dǎo)致的布里淵增益拼接譜的漂移轉(zhuǎn)化為探測(cè)光功率的波動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)分布式動(dòng)態(tài)、靜態(tài)應(yīng)變的定量測(cè)量。

所述窄線寬激光器1的線寬小于0.98MHz。

所述光纖光柵9，布拉格短周期光纖光柵，其反射中心波長(zhǎng)選擇定制在泵浦光脈沖的微波寬帶移頻下頻帶范圍內(nèi)；另外可通過(guò)溫度或應(yīng)變施加在光纖光柵上，進(jìn)行一定范圍內(nèi)的反射中心波長(zhǎng)的調(diào)諧。此處光纖光柵也可由窄帶濾波器替代。

所述光電探測(cè)器14響應(yīng)帶寬高于400MHz。

所述信號(hào)高速并行處理單元15采樣速率需達(dá)500MS/s以上。

與傳統(tǒng)方案如光纖光柵型、干涉結(jié)構(gòu)型以及瑞利散射型的光纖動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)相比，本發(fā)明是基于受激布里淵非線性效應(yīng)，不存在難以構(gòu)建大型傳感網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)工作狀態(tài)不穩(wěn)定或者難以定量測(cè)量等缺點(diǎn)，可以有效實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離分布式光纖應(yīng)變的定量實(shí)時(shí)在線高速測(cè)量。

與目前已有的布里淵型光纖動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感技術(shù)相比，針對(duì)當(dāng)前布里淵分布式動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感技術(shù)中測(cè)量范圍和響應(yīng)速度無(wú)法相互兼顧的缺點(diǎn)，本發(fā)明采用布里淵增益拼接譜的技術(shù)，采取利用多重布里淵增益拼接譜同時(shí)實(shí)現(xiàn)大測(cè)量范圍和高響應(yīng)速度的研究思路，可有效實(shí)現(xiàn)將動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量范圍擴(kuò)展到±5000με以上，同時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)速度完全可保證達(dá)到同類(lèi)技術(shù)的最高層次。

基于此技術(shù)，可以有效實(shí)現(xiàn)分布式光纖動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感監(jiān)測(cè)，其傳感范圍可達(dá)10km以上，空間分辨率1～10m，動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量范圍可達(dá)±5000με，動(dòng)態(tài)應(yīng)變響應(yīng)速率可達(dá)100Hz以上。

本發(fā)明的基于布里淵增益拼接譜的分布式光纖動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，窄線寬激光器1通過(guò)耦合器2分光成兩路，其中一路經(jīng)過(guò)強(qiáng)度調(diào)制器3調(diào)制成高消光比、寬帶移頻泵浦脈沖光，其后經(jīng)光纖光柵9濾波保留下移頻光頻成分，經(jīng)環(huán)行器10進(jìn)入到傳感光纖13中；另一路作為探測(cè)連續(xù)光進(jìn)入相位調(diào)制器11，使用多頻率成分合成信號(hào)發(fā)生模塊12驅(qū)動(dòng)相位調(diào)制器11，探測(cè)連續(xù)光被調(diào)制成包含多移頻光頻成分，利用其下頻移頻帶中多光頻對(duì)應(yīng)的多布里淵增益譜拼接裁剪出更寬更線性的布里淵增益譜。將泵浦脈沖光和探測(cè)連續(xù)光的頻率差固定在傳感光纖13的布里淵增益拼接譜左側(cè)線型譜斜邊中間，當(dāng)傳感光纖13局部受到動(dòng)態(tài)應(yīng)變擾動(dòng)時(shí)，光纖局部布里淵增益拼接譜也會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)漂移，使用高速光電探測(cè)器14探測(cè)光功率的波動(dòng)即能解調(diào)出動(dòng)態(tài)應(yīng)變，無(wú)需重構(gòu)光纖沿線的布里淵增益譜，利用信號(hào)高速并行處理單元15實(shí)現(xiàn)大測(cè)量范圍高響應(yīng)速度的分布式動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)的解調(diào)。

窄線寬激光器1的尾纖輸出和光纖耦合器2的輸入端口2-1相連，將種子激光分成兩路，其中一路經(jīng)光纖耦合器2的輸出端口2-2與強(qiáng)度調(diào)制器3的輸入端口3-1相連，強(qiáng)度調(diào)制器3的DC電壓偏置端口3-2與鎖定放大器4連接，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制器3最佳工作點(diǎn)的自動(dòng)反饋穩(wěn)定控制；強(qiáng)度調(diào)制器3的射頻輸入端口3-3與微波開(kāi)關(guān)5的輸出端口5-3相連，微波開(kāi)關(guān)5的輸入端5-1與微波信號(hào)發(fā)生模塊7相連，微波開(kāi)關(guān)5的輸入端5-2與電脈沖發(fā)生模塊6相連。經(jīng)強(qiáng)度調(diào)制器3調(diào)制得到的高消光比寬帶移頻泵浦脈沖光由輸出端口3-4輸出并連接到光纖環(huán)形器8的輸入端口8-1，光纖環(huán)形器8的端口8-2與實(shí)現(xiàn)濾波作用的光纖光柵9相連，光纖環(huán)形器8的輸出端口8-3與光纖環(huán)形器10的輸入端口10-1相連，實(shí)現(xiàn)將泵浦脈沖光注入到傳感光纖13中。光纖耦合器2分光的另一路經(jīng)其輸出端口2-3與相位調(diào)制器11的輸入端口11-1相連，相位調(diào)制器11的射頻輸入端口11-2與多頻率信號(hào)發(fā)生模塊12連接，包含多頻率成份的探測(cè)連續(xù)光經(jīng)相位調(diào)制器11的輸出端口11-3注入到傳感光纖13中。探測(cè)連續(xù)光與泵浦脈沖光在傳感光纖13中相向傳輸，探測(cè)連續(xù)光傳輸經(jīng)過(guò)傳感光纖13后與光纖環(huán)形器10的端口10-2相連，并通過(guò)光纖環(huán)形器10的輸出端口10-3連接到高速光電探測(cè)器14的輸入端口14-1，高速光電探測(cè)器14的輸出端口14-2與信號(hào)高速并行處理單元15相連，實(shí)現(xiàn)傳感信號(hào)的解調(diào)。

各器件模塊的說(shuō)明如下：

窄線寬激光器1，是基于布里淵增益拼接譜的高性能光纖動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感系統(tǒng)的種子光源。由于單模光纖布里淵增益譜譜寬為35MHz左右，因此需要泵浦種子光源的線寬較窄。本發(fā)明中采用的光源為商用窄線寬激光器，要求線寬小于1MHz。

光纖耦合器2，普通單模光纖1550nm波段，1×2三端口，分光比需要根據(jù)實(shí)際實(shí)施時(shí)的光功率設(shè)定。

強(qiáng)度調(diào)制器3，在系統(tǒng)中是實(shí)現(xiàn)獲取高消光比、寬帶移頻泵浦脈沖光的調(diào)制器件，工作在1550nm波段，可采用20GHz帶寬鈮酸鋰電光強(qiáng)度調(diào)制器。

鎖定放大器4，為電光調(diào)制器的偏置電壓反饋控制單元，使其運(yùn)轉(zhuǎn)在最佳工作點(diǎn)處，可采用商用kHz量級(jí)響應(yīng)速率的鎖定放大器。

微波開(kāi)關(guān)5，在系統(tǒng)中是用于控制微波信號(hào)通道的開(kāi)啟和關(guān)閉，要求響應(yīng)速度小于1ns，隔離度達(dá)到-45dB以上，可選擇符合參數(shù)要求的商用微波開(kāi)關(guān)。

電脈沖發(fā)生模塊6，在系統(tǒng)中是用于產(chǎn)生高對(duì)比度、窄脈寬的電脈沖，觸發(fā)控制微波開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟和關(guān)閉，要求產(chǎn)生的電脈沖脈寬達(dá)到10ns量級(jí)，脈沖重復(fù)頻率10kHz量級(jí)，可選擇符合參數(shù)要求的商用脈沖信號(hào)發(fā)生器。

微波信號(hào)發(fā)生模塊7，在系統(tǒng)中用于產(chǎn)生微波信號(hào)輸出并作用到電光強(qiáng)度調(diào)制器上，使得被調(diào)制的激光頻率獲得寬帶移頻，由于單模光纖布里淵頻移約為11GHz，因此微波信號(hào)發(fā)生模塊可以采用頻率范圍10～13GHz的商用微波信號(hào)發(fā)生器，其微波輸出功率需要與所使用的強(qiáng)度調(diào)制器驅(qū)動(dòng)相匹配。

光纖環(huán)行器8和10，是一個(gè)三端口光纖環(huán)行器，單向?qū)ǎ部刹捎媒尤牍饫w耦合器和隔離器的辦法，起到光纖環(huán)行器的作用。

光纖光柵9，布拉格短周期光纖光柵，其反射中心波長(zhǎng)選擇定制在泵浦光脈沖的微波寬帶移頻下頻帶范圍內(nèi)；另外可通過(guò)溫度或應(yīng)變施加在光纖光柵上，進(jìn)行一定范圍內(nèi)的反射中心波長(zhǎng)的調(diào)諧。此處光纖光柵也可由窄帶濾波器替代。

相位調(diào)制器11，在系統(tǒng)中是實(shí)現(xiàn)獲取包含多頻率成份的探測(cè)連續(xù)光的調(diào)制器件，工作在1550nm波段，可采用2.5GHz帶寬鈮酸鋰電光相位調(diào)制器。

多頻率信號(hào)發(fā)生模塊12，在系統(tǒng)中是用于產(chǎn)生包含多頻率成份的高頻調(diào)制正弦波電信號(hào)，其工作頻段在750～1250MHz，多頻率成分之間的間隔約為1MHz以及多頻率成分的數(shù)量可達(dá)500以上，該信號(hào)發(fā)生模塊作用到電光相位調(diào)制器上，使得被調(diào)制的激光頻率移頻后獲得多頻率成分，可以選擇符合參數(shù)要求的商用編程函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。

傳感光纖13，是整個(gè)分布式光纖動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感系統(tǒng)的基本傳感單元，外界的動(dòng)態(tài)應(yīng)變作用到傳感光纖上，影響此段光纖的布里淵增益譜，通過(guò)在終端解調(diào)即可獲取相關(guān)的應(yīng)變及位置信息。在此系統(tǒng)中，可以采用商用G652型號(hào)的通信單模光纖作為傳感光纖。

光電探測(cè)器14，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，可以選用響應(yīng)帶寬高于100MHz的高速光電探測(cè)器。

信號(hào)高速并行處理單元15，是整個(gè)分布式光纖動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感系統(tǒng)的信息獲取及處理部分，包括信號(hào)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)高速處理和傳感結(jié)果顯示及保存多個(gè)部分，其中，為了獲得高時(shí)間分辨率，需要采用高速數(shù)據(jù)采集卡，采樣速率需達(dá)到100MS/s以上，數(shù)據(jù)處理可以采取高速并行處理架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸與處理。

所述的強(qiáng)度調(diào)制器，為電光強(qiáng)度調(diào)制器，工作在1550nm波段，要求調(diào)制帶寬大于10GHz。

最后應(yīng)說(shuō)明的是：以上所述僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。