[發明專利]一種多功能型結構健康和邊界安防光纖監測系統

在審

• 申請號: 201410261363.0
• 申請日: 2014-06-12
• 公開（公告）號: CN104006900A
• 公開（公告）日: 2014-08-27
• 發明（設計）人: 詹亞歌;楊馥;吳華;王坤
• 申請（專利權）人: 東華大學
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32;G01B11/16;G01D5/26
• 代理公司: 上海泰能知識產權代理事務所 31233
• 代理人: 宋纓;孫健

技術領域

本發明涉及光纖傳感技術領域，特別是涉及一種多功能型結構健康和邊界安防光纖監測系統。

背景技術

光波在光纖中傳播使表征光波的特征參量(振幅、相位、偏振態、波長等)因外界因素(溫度、應力、振動、位移、電磁場等)的作用而發生變化，從而可以將光纖用作傳感原件來探測各種物理量。

光時域技術(Opticaltime-domainreflectometer，OTDR)通常被用于定位光纖線網絡中的斷點及其它異常。其原理為：光脈沖在光纖中傳播時，由于瑞利散射而發生能量損耗，通過監測后向散射光強度，就可以獲得散射系數或衰減程度沿光纖分布的狀況。

利用光纖中拉曼(Raman)散射、布里淵(Brillouin)散射、瑞利(Rayligh)散射等散射光隨溫度等參量的變化關系以及OTDR就可以構成分布式光纖溫度和應力/應變等不同參量的分布式光纖傳感器，主要包括：基于拉曼散射的ROTDR，基于布里淵散射的BOTDR，和基于瑞利散射相位敏感的φ-OTDR。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種多功能型結構健康和邊界安防光纖監測系統，能將結構健康監測和邊界安防監測融為一體，對于確保結構健康和邊界安全、減小安全隱患、降低維護成本的具有重要意義。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：提供一種多功能型結構健康和邊界安防光纖監測系統，包括超窄帶激光器，所述窄帶激光器的輸出光依次經第一光纖分束器的第一端臂、第一偏振控制器、聲光調制器和第一光纖放大器，進入第一光纖環行器，并經第一光纖光柵濾波后，再經第二光纖環行器進入傳感光纖；光纖的后向散射光經第二光纖環形器和第二光纖放大器后被第二光纖分束器分為兩束信號光，其中，第一束信號光經第三光纖環行器和第二光纖光柵濾波后，經第一擾偏器后進入合束器；同時第一光纖分束器的第二端臂的輸出光依次經第二偏振控制器、電光調制器、第二擾偏器后而進入合束器，進入合束器的兩束光發生干涉后其輸出光依次進入第一光電探測器、微波混頻器、微波下變頻器和數據采集卡；所述第二光纖分束器輸出的第二束信號光經第四光纖環行器和第三光纖光柵濾波后，依次進入第二光電探測器和數據采集卡，由計算機實現兩路信號的處理和顯示。

所述的第一光纖分束器和第二光纖分束器均為可調分光比光纖分束器。

所述的第一光纖光柵、第二光纖光柵和第三光纖光柵均為利用負熱膨脹系數材料封裝的溫度補償布拉格光纖光柵。

所述的第一光纖光柵、第二光纖光柵和第三光纖光柵均為具有極窄3dB帶寬的布拉格光纖光柵，其中，第一布拉格光纖光柵和第三布拉格光纖光柵的中心反射波長均等于所述超窄帶激光器光源的波長，而第二布拉格光纖光柵的波長比第一布拉格光纖光柵的波長大。

所述電光調制器還與微波掃頻源相連，所述微波掃頻源為輸出功率可調、頻率可調的低相位噪聲信號源，功率輸出范圍為3dBm～10dBm，頻率輸出范圍為10.5～11.5GHz，最小調節步進值應小于50KHz。

經第二光纖光柵提取的信號光為攜帶待測結構溫度和應變信息的光纖后向布理淵散射光，經第三光纖光柵提取的信號光為攜帶待測邊界入侵信息的光纖后向瑞利散射光，兩者分別用于結構健康和邊界安防信息的分析、處理和顯示；根據前者的頻率和功率，推算結構的溫度和應變分布，根據后者光的功率分布曲線推算邊界異常入侵信息，兩者結合可對溫度、應變、邊界的異常情況進行監測和定位。

有益效果

由于采用了上述的技術方案，本發明與現有技術相比，具有以下的優點和積極效果：

本發明可同時實現結構健康狀態參量(溫度和應變)監測、結構所在區域的邊界安全預警，能補足現有結構健康和安防預警領域、尤其是多功能監測預警領域中，監測系統不能互相兼容、且互相干擾的欠缺之處，避免了傳統結構健康監測領域以點式探測為主的不足之處；同時也避免了傳統的結構健康狀態關鍵參量(應變和溫度)的監測系統存在的復用測量點數少、性價比低、難以實現遠程監控、重復性差等許多缺點和以紅外探頭等為主的傳統安防監測領域中存在的照射距離短、使用壽命短、高費用投入、高損壞率、外露光器件易老化、夜視監控漏報率高等許多缺點。本發明所述的多功能光纖監測系統不僅具有抗電磁干擾、抗腐蝕、靈敏度高等特點，而且具有隱蔽性好、報警定位精確、數據處理相對簡單等優點，在大范圍、長距離、需實時監測的安防領域有著重要的應用前景。