[發明專利]高動態范圍的雙波長分布式光纖振動解調系統及方法

在審

• 申請號: 201910869729.5
• 申請日: 2019-09-16
• 公開（公告）號: CN110595604A
• 公開（公告）日: 2019-12-20
• 發明（設計）人: 李政穎;吳軍;傅雪蕾;王洪海;桂鑫
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00;G01D5/353
• 代理公司: 42104 武漢開元知識產權代理有限公司
• 代理人: 潘杰;李滿

本發明公開了一種高動態范圍的雙波長分布式光纖振動解調系統，它包括第一窄帶激光器、第二窄帶激光器、密集波分復用器、脈沖光調制器、摻鉺光纖放大器、光環形器、光纖光柵對陣列、三分三耦合器、第一法拉第旋轉鏡、第二法拉第旋轉鏡、第一密集波分解復用器、第二密集波分解復用器、第三密集波分解復用器和多通道數據采集卡，本發明基于分布式光纖光柵振動傳感系統，采用雙波長干涉和3×3耦合器數字相位解調技術，利用雙波長回歸分析相位解纏原理，從原理上克服了傳統相位解纏中的π相位限制原則，從而實現了在分布式光纖振動傳感系統中低采樣率下精確跟蹤實際強振動信號引起的相位大范圍瞬時變化。

技術領域

本發明涉及光纖傳感技術領域，具體地指一種高動態范圍的雙波長分布式光纖振動解調系統及方法。

背景技術

光纖傳感技術自問世以來，就憑借諸多優勢而被廣泛關注并深入研究。光纖自身的電絕緣、本征安全、抗電磁干擾的特性使得其較傳統的電類傳感器在高溫、高濕、強電磁干擾的惡劣環境中具有更優異的傳感性能和更廣闊的應用前景。光纖同時具有傳感和傳輸的雙重作用，且質量輕、線徑細，利用各種復用技術可以大規模組網可以形成分布式傳感網絡。

振動是自然界最普遍的現象之一，通過振動的檢測可以實現結構健康監測、災害和異常事件的預警等。振動檢測是分布式光纖傳感技術中的一個重要研究方向和應用領域，在分布式光纖振動傳感技術中，分布式干涉型光纖光柵振動傳感技術是其中的優秀代表之一。它利用低損耗分布式大容量全同弱光纖光柵陣列結合光學干涉，形成的干涉信號強度要比傳統的后向瑞利散射高3～4個數量級，能夠獲得較高信噪比的振動解調信號，在基礎設施和大型結構，如油氣管道、油氣儲備基地、光纜、鐵軌、邊海防線以及重要設施周界安防等方面有著廣闊的應用前景。

目前，分布式干涉型光纖光柵振動傳感器仍采用單波長干涉相位解調技術，它根據相位的連續性，通過比較相鄰兩點之間相位差來進行相位解纏。這種技術的局限性在于相鄰兩點的光程差變化不能超過波長值的一半，因此對于一定的動態測量范圍需要足夠高的采樣率，這對數據采集系統的要求頗高，特別是在串有成千上萬個光纖光柵傳感器的長距離分布式光纖振動傳感系統中，極大地增加了對相位解調系統的負荷。雖然已知有多種相位解纏的方法被提出，比如合成波長法(Gass J,Dakoff A,Kim M K.Phase imagingwithout 2π ambiguity by multiwavelength digital holography[J].Optics Letters,2003,28(13):1141-3.)和雙波長法(張冰,王葵如,顏玢玢,et al.基于雙波長和3×3光纖耦合器的干涉測量相位解卷繞方法[J].光學學報,2018,38(4):224-231.)，前者利用兩種不同波長的激光獲得兩組干涉信號，求出相較于原雙波長值更大的合成波長的相位信息，由于噪聲正比于波長，由合成波長得到的相位噪聲比較大。后者加以改進，利用合成波長的纏繞相位對單一波長的纏繞相位進行相位補償，得到了較大范圍、無差錯的相位變化信息，也使得信噪比水平達到單波長的水平，但是其中合成波長的相位解纏依然受到傳統π相位原則的限制。同時，分布式光纖光柵傳感網絡需要用到高功率摻鉺光纖放大器，其主要工作在1.55μm波段，因此兩種方法中的雙波長都不適合于分布式光纖光柵振動傳感，且分布式干涉型光纖光柵振動解調系統在鐵軌、周界安防、光纖水聽器等存在大幅度分布式振動信號測量需求的應用領域中仍面臨很多困難和挑戰。

發明內容

本發明的目的就是要提供一種高動態范圍的雙波長分布式光纖振動解調系統及方法。本發明基于分布式光纖光柵振動傳感系統，采用雙波長干涉和3×3耦合器數字相位解調技術，利用雙波長回歸分析相位解纏原理，從原理上克服了傳統相位解纏中的π相位限制原則，從而實現了在分布式光纖振動傳感系統中低采樣率下精確跟蹤實際強振動信號引起的相位大范圍瞬時變化，同時具有良好的和單波長干涉測量一致的信噪比水平。