[发明专利]一种多功能型结构健康和边界安防光纤监测系统

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种多功能型结构健康和边界安防光纤监测系统。

背景技术

光波在光纤中传播使表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)因外界因素(温度、应力、振动、位移、电磁场等)的作用而发生变化，从而可以将光纤用作传感原件来探测各种物理量。

光时域技术(Opticaltime-domainreflectometer，OTDR)通常被用于定位光纤线网络中的断点及其它异常。其原理为：光脉冲在光纤中传播时，由于瑞利散射而发生能量损耗，通过监测后向散射光强度，就可以获得散射系数或衰减程度沿光纤分布的状况。

利用光纤中拉曼(Raman)散射、布里渊(Brillouin)散射、瑞利(Rayligh)散射等散射光随温度等参量的变化关系以及OTDR就可以构成分布式光纤温度和应力/应变等不同参量的分布式光纤传感器，主要包括：基于拉曼散射的ROTDR，基于布里渊散射的BOTDR，和基于瑞利散射相位敏感的φ-OTDR。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多功能型结构健康和边界安防光纤监测系统，能将结构健康监测和边界安防监测融为一体，对于确保结构健康和边界安全、减小安全隐患、降低维护成本的具有重要意义。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种多功能型结构健康和边界安防光纤监测系统，包括超窄带激光器，所述窄带激光器的输出光依次经第一光纤分束器的第一端臂、第一偏振控制器、声光调制器和第一光纤放大器，进入第一光纤环行器，并经第一光纤光栅滤波后，再经第二光纤环行器进入传感光纤；光纤的后向散射光经第二光纤环形器和第二光纤放大器后被第二光纤分束器分为两束信号光，其中，第一束信号光经第三光纤环行器和第二光纤光栅滤波后，经第一扰偏器后进入合束器；同时第一光纤分束器的第二端臂的输出光依次经第二偏振控制器、电光调制器、第二扰偏器后而进入合束器，进入合束器的两束光发生干涉后其输出光依次进入第一光电探测器、微波混频器、微波下变频器和数据采集卡；所述第二光纤分束器输出的第二束信号光经第四光纤环行器和第三光纤光栅滤波后，依次进入第二光电探测器和数据采集卡，由计算机实现两路信号的处理和显示。

所述的第一光纤分束器和第二光纤分束器均为可调分光比光纤分束器。

所述的第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅均为利用负热膨胀系数材料封装的温度补偿布拉格光纤光栅。

所述的第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅均为具有极窄3dB带宽的布拉格光纤光栅，其中，第一布拉格光纤光栅和第三布拉格光纤光栅的中心反射波长均等于所述超窄带激光器光源的波长，而第二布拉格光纤光栅的波长比第一布拉格光纤光栅的波长大。

所述电光调制器还与微波扫频源相连，所述微波扫频源为输出功率可调、频率可调的低相位噪声信号源，功率输出范围为3dBm～10dBm，频率输出范围为10.5～11.5GHz，最小调节步进值应小于50KHz。

经第二光纤光栅提取的信号光为携带待测结构温度和应变信息的光纤后向布理渊散射光，经第三光纤光栅提取的信号光为携带待测边界入侵信息的光纤后向瑞利散射光，两者分别用于结构健康和边界安防信息的分析、处理和显示；根据前者的频率和功率，推算结构的温度和应变分布，根据后者光的功率分布曲线推算边界异常入侵信息，两者结合可对温度、应变、边界的异常情况进行监测和定位。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本发明可同时实现结构健康状态参量(温度和应变)监测、结构所在区域的边界安全预警，能补足现有结构健康和安防预警领域、尤其是多功能监测预警领域中，监测系统不能互相兼容、且互相干扰的欠缺之处，避免了传统结构健康监测领域以点式探测为主的不足之处；同时也避免了传统的结构健康状态关键参量(应变和温度)的监测系统存在的复用测量点数少、性价比低、难以实现远程监控、重复性差等许多缺点和以红外探头等为主的传统安防监测领域中存在的照射距离短、使用寿命短、高费用投入、高损坏率、外露光器件易老化、夜视监控漏报率高等许多缺点。本发明所述的多功能光纤监测系统不仅具有抗电磁干扰、抗腐蚀、灵敏度高等特点，而且具有隐蔽性好、报警定位精确、数据处理相对简单等优点，在大范围、长距离、需实时监测的安防领域有着重要的应用前景。