基于光频域反射计的振动检测装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种分布式光纤传感领域的技术，具体是一种基于光频域反射计的振动检测装置及其方法。
【背景技术】
[0002]近年来，光反射仪技术由于其能够实现分布式测量，吸引了越来越多的关注。其中基于光反射计的振动检测技术也得以推广。早期的振动检测技术多是基于时域光反射计(Optical Time - Domain Reflectometer, 0TDR)技术，而且振动检测多是基于强度提取来分辨振动信号。然而OTDR技术的空间分辨率只能达到米量级，从而限制了它在某些具有高空间分辨率需求领域的振动检测应用。基于强度的提取只能够解调出振动的频域和位置，振动强度并不能反映出来。相比之下光频域反射计(Optical Frequency - DomainReflectometer, 0FDR)技术能够达到厘米级别的空间分辨率，但是探测距离受限于激光器的相干长度，当测量距离超过相干长度时，由于激光器相位噪声的影响，空间分辨率和信噪比会急剧下降。
[0003]为了提高振动检测的强度灵敏度，提高检测空间分辨率和探测距离，国内外学者提出了几种基于OTDR和OFDR的改进方案。例如基于相关处理的OFDR技术(Z.Ding等，〃Long - range vibrat1n sensor based on correlat1n analysis of opticalfrequency - domain reflectometry signals"，Opt Express 20，28319 - 28329(2012))能够实现高空间分辨率的振动检测，但其检测距离不能超过激光器的相干长度；基于相位提取的 OTDR 技术(Z.Pan 等，"Phase-sensitive OTDR system based on digital coherentdetect1n，，，Asia Communicat1ns and Photonics Conference and Exhibit1n，2011)會^够获得较大的灵敏度，但是其检测距离受限于信噪比只能实现几公里的检测范围。
[0004]经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101650197A，公告日2010.2.17，公开了一种光频域反射光纤传感系统，主要结构包括激光器、第一光纤耦合器、光环形器、探测光纤、第二光纤耦合器、光电探测单元和频谱分析单元，激光器发出的激光被第一光纤耦合器分为探测光和参考光，探测光入射至光环形器的第一端口，并从第二端口出射进入探测光纤，探测光纤中产生的瑞利背向散射光入射至光环形器第二端口并从第三端口出射，出射的瑞利背向散射光与参考光入射至第二光纤耦合器中并被光电探测单元所探测，测得的信号输入至频谱分析单元。
[0005]中国专利文献号CN103528666A，公布日2014.1.22，公开了一种基于Sagnac干涉的长距离光纤振动检测装置和方法，包括光源、光电探测器、光环形器、2*2耦合器和光纤延时纤，所述光源发出的激光信号经过光环形器，进入2*2耦合器分为两路，一路光信号A，经过光纤延时纤进入待测光纤，末端返回的菲涅尔反射光信号，进入2*2耦合器；另一路光信号B，直接进入待测光纤，末端返回的菲涅尔反射光信号，经2*2耦合器，进入光纤延时纤，经光纤时纤一圈，回到2*2耦合器；光信号在2*2耦合器处发生干涉，干涉信号经过光环形器被光电探测器感测。但上述技术在光信号经过耦合器和光环形器时均会产生插损，且仅能检测到振动，无法检测振动强度。
【发明内容】
[0006]本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于光频域反射计的振动检测装置及其方法，通过掺饵光纤放大器的补偿和声光调制器的调制，采集振动信号，通过平衡光电探测器和数模转换器得到振动信号的全部信息，提高探测距离和空间分辨率。
[0007]本发明是通过以下技术方案实现的:
[0008]本发明涉及一种基于光频域反射计的振动检测装置，包括:调制模块、待测光纤、依次相连的窄线宽光纤激光器、两个光耦合器、解调和数据采集模块，其中:调制模块并联设置于两个光耦合器之间，待测光纤与调制模块相连。
[0009]所述的调制模块包括:信号发生器、依次相连的声光调制器、掺饵光纤放大器和光环形器，其中:信号发生器与声光调制器相连。
[0010]所述的解调和数据采集模块包括:光桥、数据采集卡、两个模数转换器和两个并联的平衡光电探测器，其中:两个并联的平衡光电探测器的输入端与光桥相连，输出端分别与两个模数转换器的输入端相连，两个模数转换器的输出端与数据采集卡相连。
[0011]本发明涉及上述装置的振动检测方法，包括以下步骤:
[0012]步骤1、将压电陶瓷(PZT)贴到待测光纤的一点，振动信号通过信号发生器加载到PZT上，同时在PZT上贴有加速度计以检测当前振动信号的加速度。
[0013]步骤2、窄线宽光纤激光器产生的光信号通过光耦合器分成两路，一路探测光B依次通过经信号发生器扫频的声光调制器、掺饵光纤放大器、光环形器输入待测光纤，待测光纤末端产生的瑞利背向散射光进入光环形器并输入另一个光耦合器；另一路参考光A直接进入该光耦合器与探测光B的瑞利背向散射光进行干涉；干涉后的两路光通过光桥后解调形成相位差。
[0014]步骤3、形成相位差的两路光信号依次通过平衡光电探测器转化为电信号，通过模数转换器变为数字信号后被数据采集卡采集，得到振动信号的信息。
技术效果
[0015]与现有技术相比，本发明在振动检测过程中补偿了一部分干涉时产生的插损，基于相位提取得到振动信号的距离-时间三维图和振动强度信息，检测距离达到40km。
【附图说明】
[0016]图1为本发明示意图；
[0017]图中:I为窄线宽光纤激光器，2a和2b为光親合器，3为掺t耳光纤放大器，4为声光调制器，5为光环形器，6为待测光纤，7为信号发生器，8为光桥，9为平衡光电探测器，10为数模转换器，11为数据采集卡，A为参考光，B为探测光；
[0018]图2为待测光纤30km处100组数据叠加的实验效果图；
[0019]图中:(a)为强度图，(b)为相位图，(C)为差分相位图，(d)为单个连接头反射峰；
[0020]图3为待测光纤40km处的实验效果图；
[0021]图中:(a)为基于相位检测的距离-时间三维图，(b)为振动区域F基于相位检测的时间-相位曲线，(c)为基于强度检测的距离-时间三维图，(d)为振动区域F基于强度检测的时间-相位曲线；
[0022]图4为待测光纤30km处基于相位检测的800Hz振动信号的实验效果图；
[0023]图中:(a)为基于相位检测的距离-时间三维图，(b)为振动区域的时间-相位曲线。
[0024]图5为振动强度分别为0.08g、0.12g、0.16g和0.2g的实验效果图；
[0025]图中:(a)为时间-相位曲线，(b)为相位图。
【具体实施方式】
[0026]下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
[0027]如图1所示，本实施例包括:调制模块、待测光纤6、依次相连的窄线宽光纤激光器1、两个光耦合器2a和2b、解调和数据采集模块，其中:调制模块并联设置于两个光耦