一種基于動態相位解調的botda分布式振動傳感系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于動態相位解調的BOTDA分布式振動傳感系統，屬于光纖傳感器【技術領域】，解決難以解調和計算光纖分布的動態應變、應力及壓力大小的問題。一種基于動態相位解調的BOTDA分布式振動傳感系統，包括布里淵信號輸出裝置、第四隔離器、窄帶光濾波器、相位解調檢測裝置和數據采集及信號處理系統；布里淵信號輸出裝置的信號經過第四隔離器，接入窄帶光濾波器濾除雜光，注入相位解調檢測裝置探測輸出的光強信號，再接入數據采集及信號處理系統進行信號解調。本發明通過相位解調系統快速解調和計算出沿光纖分布的動態應變、應力及壓力大小，以實現分布式振動傳感，提高了BOTDA系統信號檢測的動態特性，能夠實現振動點定位快、測量動態范圍大、測量距離長。
【專利說明】—種基于動態相位解調的BOTDA分布式振動傳感系統
【技術領域】
[0001]一種基于動態相位解調的BOTDA分布式振動傳感系統，計算出BOTDA系統因動態應變引起的波長漂移量，并相應計算出應變、應力或壓力的大小，從而實現分布式振動測量，屬于光纖傳感器【技術領域】。
【背景技術】
[0002]伴隨著光纖技術的發展，分布式光纖傳感研究已經成為最具代表性的新興技術之一，其最顯著的優點是可以準確地測出光纖沿線上任一點應力、溫度、振動和損傷等信息，卻無需構成回路。它根據光波在光纖中傳播時產生的后向散射光的頻譜與功率特征與外界環境相互關系，通過頻譜和功率分析光纖的散射光的分布來進行檢測。它把被測量作為光纖位置長度的函數，可以在整個光纖上對光纖沿線的外部物理參量進行連續的測量。從上世紀七十年代問世至今，取得了相當大的發展。特別是三個方面: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。
[0003]瑞利散射(Rayleigh scattering)是由比光波波長還要小的氣體分子質點引起的。散射能力與光波波長的四次方成反比，波長愈短的電磁波，散射愈強烈；如雨過天晴或秋高氣爽時，就因空中較粗微粒比較少，青藍色光散射顯得更為突出，天空一片蔚藍。瑞利散射的結果，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；使到達地表可見光的輻射波長峰值向波長較長的一側移動，當電磁波波長大于I微米時，瑞利散射可以忽略不計。
[0004]拉曼散射透明氣體、液體、固體介質的分子對入射光的一種特殊的散射現象，是印度物理學家拉曼首先發現的。如果入射光是單色光，則在散射光譜中，在原有譜線兩側的對稱位置上，將出現一些新的弱譜線，長波側的譜線較短波側的強些。前者稱斯托克斯線，后者稱反斯托克斯線。二者統稱為拉曼譜線。這些譜線特征將由散射物質的性質決定。產生拉曼散射的原因是散射分子的轉動能態和振動能態發生變化，結果使得散射光子頻率不同于入射光子。因此，這一效應常常用于分子結構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振動，但作為一種實用的研究手段，是在激光出現以后才發展起來的。布里淵散射也屬于喇曼效應，即光在介質中受到各種元激發的非彈性散射，其頻率變化表征了元激發的能量。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，如聲學聲子和磁振子等。
[0006]基于布里淵散射原理的布里淵光時域分析(BOTDA)是一門極具發展前景的應變和溫度監測技術，它利用脈沖光在光纖中的受激布里淵散射效應和光時域反射(OTDR)技術來實現溫度和應變的長距離全分布式測量，適用于大型結構體的健康狀況的檢測和監測。1989年，日本安騰公司的Horiguchi與英國學者Culverhouse等人分別獨立發現光纖布里淵頻移與其相應的應變和溫度成線性關系以來，基于布里淵散射的傳感技術在測試系統以及工程應用方面得到迅速發展，目前已經在石油天然氣、土木工程結構、地質災害調查及預防、航空航天測試等領域得到了廣泛應用，完全符合大型結構健康監測的需求。加拿大Ottawa大學的Xiaoyi Bao教授領導的小組多年來一直在該領域取得不斷的進展。他們開發的BOTDA系統不論在測量精度還是測量距離上都取得了出色的性能。早在1994年他們小組實現了 BOTDA系統IOm的空間分辯率和50km的長距離檢測。
[0007]但BOTDA系統較復雜，在應用上還存在許多不足:
一、由于BOTDA系統較復雜，不能測斷點(即分布式點)，應用條件受到限制；
二、目前的布里淵散射信號解調儀在實際工程應用中，系統頻率掃描很難保持線性度，對空間分辨率和測量靈敏度進行了限制；
三、測量精度與空間分辨率相互制約，檢測信號一般比較微弱，并且需要對大量信號進行繁瑣的運算處理等，都制約著布里淵傳感技術在實際工程中的應用。
【發明內容】
[0008]本發明針對現有技術的不足之處提供了一種基于動態相位解調的BOTDA分布式振動傳感系統，可以檢測動態應力、應變和壓力，提高了 BOTDA系統的動態特性，有利于實現傳感器全光纖化和信號的遠距離傳輸。
[0009]為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是:
一種基于動態相位解調的BOTDA分布式振動傳感系統,其特征在于:包括布里淵信號輸出裝置、第四隔離器、窄帶光濾波器、相位解調檢測裝置和數據采集及信號處理系統；布里淵信號輸出裝置的信號經過第四隔離器，接入窄帶光濾波器濾除雜光，注入相位解調檢測裝置探測輸出的光強信號，再接入數據采集及信號處理系統進行信號解調。
[0010]作為優選，所述相位解調檢測裝置包括第一耦合器、延遲光纖、3*3耦合器和光電探測器(PD);第一耦合器的I端口連接布里淵信號的輸出端，第一耦合器的3端口通過延遲光纖與3*3稱合器的I端口相連構成信號臂，第一稱合器的4端口與3*3稱合器的3端口相連構成參考臂，3*3耦合器的4、5、6端口分別與光電探測器相連。
[0011]作為優選，所述3*3耦合器為2 31 /3的固定相位差。
[0012]作為優選，所述相位解調檢測裝置包括第一耦合器、延遲光纖、聲光調制器、第二耦合器和光電探測器(PD);第一耦合器的I端口連接布里淵信號的輸出端，第一耦合器的3端口通過延遲光纖與第二耦合器的I端口相連構成信號臂，第一耦合器的4端口通過聲光調制器與第二耦合器的2端口相連構成參考臂，第二耦合器的3、4端口分別與光電探測器相連。
[0013]作為優選，所述聲光調制器的移頻范圍為lkHz-lOMHz。
[0014]作為優選，所述相位解調檢測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器(PD);第一耦合器的I端口連接布里淵信號的輸出端，第一耦合器的3端口通過延遲光纖與第二耦合器的I端口相連構成信號臂，第一耦合器的4端口通過壓電陶瓷與第二耦合器的2端口相連構成參考臂，第二耦合器的3、4端口與光電探測器相連。
[0015]作為優選，所述壓電陶瓷附加了 π /2的相位。
[0016]作為優選，所述相位解調檢測裝置中的相位變化量滿足關系式為:
【權利要求】
1.一種基于動態相位解調的BOTDA分布式振動傳感系統，其特征在于:包括布里淵信號輸出裝置、第四隔離器(4)、窄帶光濾波器(10)、相位解調檢測裝置(11)和數據采集及信號處理系統(12)； 布里淵信號輸出裝置的信號經過第四隔離器(4)，接入窄帶光濾波器(10)濾除雜光，注入相位解調檢測裝置(11)探測輸出的光強信號，再接入數據采集及信號處理系統(12)進行信號解調。
2.根據權利要求1所述的一種基于動態相位解調的BOTDA分布式振動傳感系統,其特征在于:所述相位解調檢測裝置(11)包括第一耦合器(13)、延遲光纖(16)、3*3耦合器(17)和光電探測器(PD)； 第一耦合器(13)的I端口連接布里淵信號的輸出端，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端口相連構成信號臂,第一稱合器(13)的4端口與3*3耦合器(17)的3端口相連構成參考臂，3*3耦合器(17)的4、5、6端口分別與光電探測器相連。
3.根據權利要求2所述的一種基于動態相位解調的BOTDA分布式振動傳感系統，其特征在于:所述3*3耦合器(17)為2 π /3的固定相位差。
4.根據權利要求1所述的一種基于動態相位解調的BOTDA分布式振動傳感系統,其特征在于:所述相位解調檢測裝置(11)包括第一耦合器(13)、延遲光纖(16)、聲光調制器(14)、第二耦合器(15)和光電探測器(PD)； 第一稱合器(13)的I端口連接布里淵信號的輸出端，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端口相連構成信號臂,第一稱合器(13)的4端口通過聲光調制器(14)與第二耦合器(15)的2端口相連構成參考臂，第二耦合器(15)的3、4端口分別與光電探測器相連。
5.根據權利要求4所述的一種基于動態相位解調的BOTDA分布式振動傳感系統，其特征在于:所述聲光調制器(14)的移頻范圍為lkHz-10MHz。
6.根據權利要求1所述的一種基于動態相位解調的BOTDA分布式振動傳感系統,其特征在于:所述相位解調檢測裝置(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)和光電探測器(PD)； 第一稱合器(13)的I端口連接布里淵信號的輸出端，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端口相連構成信號臂,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端口相連構成參考臂，第二耦合器(15)的3、4端口與光電探測器相連。
7.根據權利要求6所述的一種基于動態相位解調的BOTDA分布式振動傳感系統，其特征在于:所述壓電陶瓷(18)附加了 π/2的相位。
8.根據權利要求1所述的一種基于動態相位解調的BOTDA分布式振動傳感系統，其特征在于，所述相位解調檢測裝置(11)中的相位變化量滿足關系式為:
9.根據權利要求1所述的一種基于動態相位解調的BOTDA分布式振動傳感系統，其特征在于:所述布里淵信號輸出裝置包括泵浦激光器(5)、第二隔離器(2)、傳感光纖(6)、環形器(8)、第三隔離器(3)、脈沖調制器(7)、第一隔離器(I)和探測激光器(9)； 所述探測激光器(9)發出的連續光依次經過第一隔離器(I)、脈沖調制器(7)、第三隔離器(3)和環形器(8)與泵浦激光器(5)發出的脈沖光經過第二隔離器(2)進入傳感光纖(6)進行耦合，在傳感光纖(6)處發生布里淵效應。
【文檔編號】G01H9/00GK103940501SQ201410143090
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月11日 優先權日:2014年4月11日
【發明者】歐中華, 盧磊, 朱曉非, 鄭廣浩, 劉永, 岳慧敏 申請人:電子科技大學