[发明专利]一种振动波形与位置同时测量的光纤传感装置和方法

说明书

本发明提供了一种振动波形与位置同时测量的光纤传感装置和方法，其目的是通过级联型双马赫‑曾德尔干涉仪实现对振动波形的探测以及振动点位置的测量。在传感部分，搭建级联型双马赫‑曾德尔干涉仪，实现对振动波形的感知；在解调部分，采用基频混频的反正切‑微分自相乘算法，正确解调振动信号波形，通过波形的偏移量计算出振动位置。本发明的优点是：可以较为准确的测量振动波形及其振动位置。在光路部分，在两个马赫‑曾德尔干涉仪之间加入传感光纤，并通过把调制和传感分开，使其易于适用各种复杂环境下的传感。在解调算法部分，基于基频混频技术，降低采样频率，根据反正切‑微分自相乘算法，利于光纤传感的阵列化，使解调效果更加优越。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别是一种振动波形与位置同时测量的光纤传感装置和方法。

背景技术

振动广泛的存在于工业活动和人们的生活当中,如地震的发生,机械工业中机床的运转,铁路和桥梁等的晃动等等。为了能够对地震实现早期的预测,及时了解部件的工作状态,铁路和桥梁的安全监测，以及对长距离输油、输电线路安全的保证，具有非常重要的现实意义。

光纤传感传送频带宽、信息容量大、传输损耗低,适合遥测遥控；对外界环境变化敏感,对多种物理量具有优良的传感性能；可通过阵列式或分布式结构实现大规模、长距离传感等。

针对干涉型光纤传感系统可用于定位监测的重大前景,国内外提出了很多不同结构的干涉型光纤传感技术。如在光纤陀螺仪的基础上,提出的基于Sagnac干涉原理的分布式光纤检测方法；基于双波长Sagnac干涉原理的定位技术；利用时间差的方法实现振动定位的双M-Z分布式光纤振动传感器等技术。

相位生成载波调制解调是通过在干涉仪中引入检测信号带宽外的某一频率的大幅度相位调制信号,使所检测信号成为这些大幅度载波的边带,用相关方法分离光纤干涉仪的交流传感信号和随机相位漂移,使相位的随机漂移表现为传感信号直流基线的变化,从而得到稳定的传感信号输出。

相位生成载波的调制技术分为内调制和外调制。1999年11月，曹家年在光学学报(第1536～1540页)中分析了内调制存在伴生调幅的现象。1998年5月，周效东在中国激光(第411～414页)中报道了外调制的调制方式，但是在实际应用中，调制会受到很多环境因素的限制。

为了实现信号波形的正确解调，很多解调算法相继被提出。2002年3月，王照霞在声学与电子工程(第111～117页)中报到了交叉微分相乘(DCM)算法，该算法容易受到调制深度、光强、光路损耗、耦合器分光比、偏振态等诸多因素的影响。2008年10月，宫铭举在压电与声光(第538～540页)中提出了三倍频混频的DCM算法，该算法需要较高的采样频率，增加了解调系统的负担。2012年5月，李阳在光电子激光中(第933～938页)提出了基于基频混频的DCM算法，该算法只能解调小信号。2012年10月，王凯在光电子激光(第1856～1862页)中报道了反正切算法，该算法有可能来了严重的总谐波失真。

发明内容

本发明的目的是通过级联型双马赫-曾德尔干涉仪实现对振动波形的探测以及振动点位置的测量。在传感部分，搭建级联型双马赫-曾德尔干涉仪，实现对振动波形的感知；在解调部分，采用基频混频的反正切-微分自相乘算法，正确解调振动信号波形，通过波形的偏移量计算出振动位置。

本发明的技术方案：

一种振动波形与位置同时测量的光纤传感装置，由光源，两个级联型的马赫-曾德尔干涉仪，传感光纤，光电探测器及解调电路组成。光源与第一个马赫-曾德尔干涉仪相连，第一个马赫-曾德尔干涉仪的另一端与传感光纤相连，传感光纤的另一端与第二个马赫-曾德尔干涉仪相连，第二个马赫-曾德尔干涉仪的另一端与光电探测器相连，光电探测器的输出的电信号输出到解调电路。

所述的光源是指宽带光源或者分布式反馈激光器。两种光源皆可用于本装置，但是实际中很难做到两路光程差为零，选用相干长度较长的分布式反馈激光器为佳。