[發(fā)明專利]光纖光柵振動及應(yīng)變同時測量的分布式傳感系統(tǒng)及方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011094053.6
• 申請日: 2020-10-14
• 公開（公告）號: CN112504309A
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳智深;孫安
• 申請（專利權(quán)）人: 南京東智安全科技有限公司
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353;G01H9/00;G01B11/16
• 代理公司: 北京德崇智捷知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11467
• 代理人: 王斌

本發(fā)明公開了一種光纖光柵振動及應(yīng)變同時測量的分布式傳感系統(tǒng)及方法，分布式傳感系統(tǒng)包括：低相干寬帶光源；光纖光柵傳感器；雙路時延光纖結(jié)構(gòu)，以所述低相干寬帶光源為輸入，輸出雙路低相干連續(xù)光到所述光纖光柵傳感器；并以經(jīng)光纖光柵傳感器反射后的分離光信號為輸入，輸出兩路低相干反射信號；光電探測器陣列，探測兩路低相干反射信號，通過分析干涉的相位以及強度變化，得到外界振動信號的對應(yīng)信息；波長解調(diào)單元，探測經(jīng)光纖光柵傳感器反射后的分離光信號的波長變化，實現(xiàn)應(yīng)變傳感。本發(fā)明優(yōu)點在于能夠直接利用或融合于已有的光纖光柵陣列系統(tǒng)，系統(tǒng)信噪比與靈敏度高、頻率探測范圍大、可實現(xiàn)振動與應(yīng)變的分布式同時測量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種高信噪比高靈敏度的低相干光纖光柵陣列振動傳感及應(yīng)變傳感系統(tǒng)與方法，用于對航空航天、土建交通結(jié)構(gòu)、巖土、測井、地震勘探中的分布式振動、聲波及應(yīng)變的傳感。

背景技術(shù)

土建交通結(jié)構(gòu)、巖土、測井、地震勘探工程中，對分布式振動、聲波及應(yīng)變的分布式監(jiān)測非常關(guān)鍵且具有廣泛需求。光纖傳感作為近年來新興分布式傳感技術(shù)，對于以上工程需求具有極大的應(yīng)用潛力，目前可用于結(jié)構(gòu)分布式應(yīng)變與振動傳感的技術(shù)主要有光纖光柵傳感、后向瑞利散射或弱光柵陣列技術(shù)方法。其中光纖光柵多用于溫度或應(yīng)變傳感，主要通過測量由于溫度或應(yīng)變引起波長變化實現(xiàn)傳感，可在一根光纖上刻寫多個不同波長的光柵實現(xiàn)分布式溫度或應(yīng)變傳感。光纖光柵難以直接用于振動傳感，大多利用彈性元件將振動轉(zhuǎn)化為應(yīng)變后測量，導(dǎo)致靈敏度較低；或采用特殊結(jié)構(gòu)的光纖光柵，技術(shù)較為復(fù)雜且難以分布式傳感。因而目前光纖分布式振動傳感大多采用后向瑞利散射或弱光柵陣列技術(shù)方法，通過探測微弱的光纖后向散射光或弱光柵陣列反射光的相干信號強度及相位變化實現(xiàn)對振動、聲波的探測，但其信噪比及靈敏度低，且無法同時測量應(yīng)變。

對于以上系統(tǒng)方案，光纖光柵為點式傳感，光柵僅能選擇進行應(yīng)變傳感或通過特殊設(shè)計實現(xiàn)振動傳感振動傳感器，而難以實現(xiàn)分布式振動應(yīng)變同時測量，因而其作為點式振動或應(yīng)變傳感的覆蓋范圍有限、靈敏度低、且功能單一。后向瑞利散射或弱光柵陣列相干方法僅能進行振動測量而無法實現(xiàn)應(yīng)變傳感，系統(tǒng)復(fù)雜，信噪比較低。因此，針對土建交通結(jié)構(gòu)、巖土、測井、地震勘探中的分布式應(yīng)變與振動或聲波同時探測的工程需求，往往需要對較大分布范圍內(nèi)的應(yīng)變與微振動或聲波的多參量、高靈敏度同時測量。而現(xiàn)有實用化的技術(shù)系統(tǒng)大多功能單一、系統(tǒng)復(fù)雜、成本較高，性能低下，難以滿足對待測目標多參量、低成本、高性能化的分布式監(jiān)測。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種光纖光柵振動及應(yīng)變同時測量的分布式傳感系統(tǒng)及方法，用于對土建交通結(jié)構(gòu)、巖土、測井、地震勘探中的分布式振動、聲波及應(yīng)變的傳感。能夠同時實現(xiàn)較長距離內(nèi)的分布式應(yīng)變與振動或聲波的同時測量。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種光纖光柵振動及應(yīng)變同時測量的分布式傳感系統(tǒng)，包括：

低相干寬帶光源；

光纖光柵傳感器；

雙路時延光纖結(jié)構(gòu)，以所述低相干寬帶光源為輸入，輸出雙路低相干連續(xù)光到所述光纖光柵傳感器；并以經(jīng)光纖光柵傳感器反射后的分離光信號為輸入，輸出兩路低相干反射信號；

光電探測器陣列，探測兩路低相干反射信號，通過分析干涉的相位以及強度變化，得到外界振動信號的對應(yīng)信息；

波長解調(diào)單元，探測經(jīng)光纖光柵傳感器反射后的分離光信號的波長變化，實現(xiàn)應(yīng)變傳感。

雙路時延光纖結(jié)構(gòu)包括第一光纖耦合器、時延光纖以及合束器；所述第一光纖耦合器第一輸出端連接時延光纖輸入端，所述第一光纖耦合器第二輸出端連接合束器的第二輸入端；所述時延光纖輸出端連接合束器的第一輸入端；所述第一光纖耦合器的第一輸入端連接所述寬帶自發(fā)輻射光源的輸出端；第一光纖耦合器的第三輸出端連接光電探測器陣列的輸入端。

在所述第一光纖耦合器的第三輸出端與光電探測器陣列的輸入端之間連接有濾波器陣列；所述濾波器陣列的各波長通道與光纖光柵陣列的波長一一對應(yīng)，將光柵應(yīng)變傳感器陣列的各光柵波長所產(chǎn)生的低相干光分離并通過光電探測器陣列分別進行探測。