[發(fā)明專利]基于脈沖編碼和邊沿濾波法的光纖光柵振動測量系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711212634.3
• 申請日: 2017-11-28
• 公開（公告）號: CN107782438A
• 公開（公告）日: 2018-03-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡君輝;陸杭林;杜婧;吳天銀;邵來鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 廣西師范大學(xué)
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 南寧新途專利代理事務(wù)所(普通合伙)45119
• 代理人: 但玉梅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光纖光柵傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于脈沖編碼和邊沿濾波法的光纖光柵振動測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)

振動是反映物體正常狀態(tài)的重要參數(shù)，如橋梁的振動，大型儀器工作時的振動等，當(dāng)振動超出一定范圍，可能會帶來嚴(yán)重的后果，所以振動的測量對于大型結(jié)構(gòu)體的健康監(jiān)測很重要。光纖光柵傳感器因為具有抗電磁干擾能力強、耐腐蝕、體積小、靈敏度高等特點從而得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，例如用于建筑物健康監(jiān)測，飛行器結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測，地面沉降和地震實時監(jiān)測等。應(yīng)用光纖光柵進(jìn)行振動監(jiān)測時是把傳感器嵌入被測的結(jié)構(gòu)體中或緊密附著在被測體的表面上，當(dāng)被測體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化或受到超出一定限度的振動時，光纖光柵反射回來的光波波長將發(fā)生變化，通過反射光波波長的變化來監(jiān)測物體的振動及安全情況，從而及時做出應(yīng)對措施，避免情況惡化甚至災(zāi)難發(fā)生，具有能夠?qū)崟r主動監(jiān)測等優(yōu)點。

在進(jìn)行探測時，如監(jiān)測地震、火山等高危領(lǐng)域，常見的光纖光柵振動傳感器反饋信號衰減嚴(yán)重及信噪比較低，測量距離容易受到限制，測量結(jié)果精確度不夠高。因此，有必要研發(fā)一種高精度、長距離、低成本的振動主動監(jiān)測系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于以上內(nèi)容，有必要提供一種基于脈沖編碼和邊沿濾波法的光纖光柵振動測量系統(tǒng)，以提高探測信號的信噪比，從而實現(xiàn)高精度和距離可調(diào)振動探測。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：基于脈沖編碼和邊沿濾波法的光纖光柵振動測量系統(tǒng)，包括窄線寬激光器、脈沖信號發(fā)生器、電光調(diào)制器、環(huán)形器、單模光纖、光纖光柵、光電探測器和數(shù)字信號處理單元；所述窄線寬激光器的輸出端連接電光調(diào)制器的光輸入端，其輸出的連續(xù)光通過所述電光調(diào)制器的光輸入端注入電光調(diào)制器中；所述脈沖信號發(fā)生器的輸出端連接電光調(diào)制器的射頻輸入端，其輸出的編碼電脈沖信號通過所述電光調(diào)制器的射頻輸入端注入電光調(diào)制器中，所述電光調(diào)制器在編碼電脈沖信號的作用下把窄線寬激光器輸出的連續(xù)光調(diào)制成編碼脈沖光，所述編碼脈沖光的編碼位數(shù)和脈沖寬度由脈沖信號發(fā)生器設(shè)置；所述電光調(diào)制器的輸出端連接環(huán)形器的第一端口以將編碼脈沖光注入環(huán)形器，所述環(huán)形器的第二端口依次連接單模光纖、光纖光柵以將編碼脈沖光輸入單模光纖并在單模光纖中向光纖光柵傳播；所述光電探測器連接環(huán)形器的第三端口，以接收從所述單模光纖返回的背向散射光和光纖光柵反射回來的反射光、并輸出單模光纖返回的背向散射光和光纖光柵反射回來的反射光混合得到的電信號；所述數(shù)字信號處理單元連接光電探測器以通過所述電信號得到單模光纖鏈路的光時域反射儀曲線(OTDR曲線)和光纖光柵所處環(huán)境的振動信息。

進(jìn)一步地，所述光纖光柵振動測量系統(tǒng)發(fā)出的編碼脈沖光的周期為T，所述周期T滿足以下條件：

其中，L為單模光纖長度，c為真空中的光速，n為單模光纖纖芯有效折射率。

進(jìn)一步地，所述窄線寬激光器輸出的連續(xù)光的中心波長等于光纖光柵反射譜上升沿或下降沿一半處的波長。

進(jìn)一步地，所述電光調(diào)制器為振幅調(diào)制型電光調(diào)制器。

進(jìn)一步地，所述數(shù)字信號處理單元由脈沖信號發(fā)生器向其發(fā)出的同步觸發(fā)信號觸發(fā)運行。

進(jìn)一步地，所述光纖光柵為布拉格光柵。

進(jìn)一步地，本發(fā)明還提供了一種基于脈沖編碼和邊沿濾波法的光纖光柵振動測量方法，其基于權(quán)利要求1所述的基于脈沖編碼和邊沿濾波法的光纖光柵振動測量系統(tǒng)進(jìn)行，所述光纖光柵振動測量方法包括OTDR曲線的獲取，其中，所述OTDR曲線的獲取包括如下步驟：

1)調(diào)整所述脈沖信號發(fā)生器輸出的編碼電脈沖信號的周期、編碼位數(shù)和碼元寬度；

2)所述窄線寬激光器將連續(xù)光、所述脈沖信號發(fā)生器將編碼電脈沖信號注入電光調(diào)制器，所述電光調(diào)制器輸出的編碼脈沖光至所述環(huán)形器中，所述數(shù)字信號處理單元記錄編碼脈沖光發(fā)出至光電探測器接收到光信號的時間間隔t，同時所述數(shù)字信號處理單元記錄時間間隔t內(nèi)每一時刻的光功率；

3)所述數(shù)字信號處理單元依據(jù)所測量得到的時間間隔t和每一時刻的光功率，并根據(jù)公式經(jīng)過解碼得到OTDR曲線；其中，所述公式中，L為單模光纖長度，c為真空中的光速，n為單模光纖纖芯有效折射率。

進(jìn)一步地，所述光纖光柵振動測量方法還包括光纖光柵反射譜光功率的時域曲線和頻域曲線的獲取，其中，所述光纖光柵反射譜光功率的時域曲線和頻域曲線的獲取基于OTDR曲線的獲取得到的，具體步驟如下：