[发明专利]基于脉冲编码和边沿滤波法的光纤光栅振动测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感器技术领域，特别涉及一种基于脉冲编码和边沿滤波法的光纤光栅振动测量系统。

背景技术

振动是反映物体正常状态的重要参数，如桥梁的振动，大型仪器工作时的振动等，当振动超出一定范围，可能会带来严重的后果，所以振动的测量对于大型结构体的健康监测很重要。光纤光栅传感器因为具有抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、体积小、灵敏度高等特点从而得到了广泛的关注和应用，例如用于建筑物健康监测，飞行器结构安全监测，地面沉降和地震实时监测等。应用光纤光栅进行振动监测时是把传感器嵌入被测的结构体中或紧密附着在被测体的表面上，当被测体结构发生变化或受到超出一定限度的振动时，光纤光栅反射回来的光波波长将发生变化，通过反射光波波长的变化来监测物体的振动及安全情况，从而及时做出应对措施，避免情况恶化甚至灾难发生，具有能够实时主动监测等优点。

在进行探测时，如监测地震、火山等高危领域，常见的光纤光栅振动传感器反馈信号衰减严重及信噪比较低，测量距离容易受到限制，测量结果精确度不够高。因此，有必要研发一种高精度、长距离、低成本的振动主动监测系统。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种基于脉冲编码和边沿滤波法的光纤光栅振动测量系统，以提高探测信号的信噪比，从而实现高精度和距离可调振动探测。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：基于脉冲编码和边沿滤波法的光纤光栅振动测量系统，包括窄线宽激光器、脉冲信号发生器、电光调制器、环形器、单模光纤、光纤光栅、光电探测器和数字信号处理单元；所述窄线宽激光器的输出端连接电光调制器的光输入端，其输出的连续光通过所述电光调制器的光输入端注入电光调制器中；所述脉冲信号发生器的输出端连接电光调制器的射频输入端，其输出的编码电脉冲信号通过所述电光调制器的射频输入端注入电光调制器中，所述电光调制器在编码电脉冲信号的作用下把窄线宽激光器输出的连续光调制成编码脉冲光，所述编码脉冲光的编码位数和脉冲宽度由脉冲信号发生器设置；所述电光调制器的输出端连接环形器的第一端口以将编码脉冲光注入环形器，所述环形器的第二端口依次连接单模光纤、光纤光栅以将编码脉冲光输入单模光纤并在单模光纤中向光纤光栅传播；所述光电探测器连接环形器的第三端口，以接收从所述单模光纤返回的背向散射光和光纤光栅反射回来的反射光、并输出单模光纤返回的背向散射光和光纤光栅反射回来的反射光混合得到的电信号；所述数字信号处理单元连接光电探测器以通过所述电信号得到单模光纤链路的光时域反射仪曲线(OTDR曲线)和光纤光栅所处环境的振动信息。

进一步地，所述光纤光栅振动测量系统发出的编码脉冲光的周期为T，所述周期T满足以下条件：

其中，L为单模光纤长度，c为真空中的光速，n为单模光纤纤芯有效折射率。

进一步地，所述窄线宽激光器输出的连续光的中心波长等于光纤光栅反射谱上升沿或下降沿一半处的波长。

进一步地，所述电光调制器为振幅调制型电光调制器。

进一步地，所述数字信号处理单元由脉冲信号发生器向其发出的同步触发信号触发运行。

进一步地，所述光纤光栅为布拉格光栅。

进一步地，本发明还提供了一种基于脉冲编码和边沿滤波法的光纤光栅振动测量方法，其基于权利要求1所述的基于脉冲编码和边沿滤波法的光纤光栅振动测量系统进行，所述光纤光栅振动测量方法包括OTDR曲线的获取，其中，所述OTDR曲线的获取包括如下步骤：

1)调整所述脉冲信号发生器输出的编码电脉冲信号的周期、编码位数和码元宽度；

2)所述窄线宽激光器将连续光、所述脉冲信号发生器将编码电脉冲信号注入电光调制器，所述电光调制器输出的编码脉冲光至所述环形器中，所述数字信号处理单元记录编码脉冲光发出至光电探测器接收到光信号的时间间隔t，同时所述数字信号处理单元记录时间间隔t内每一时刻的光功率；

3)所述数字信号处理单元依据所测量得到的时间间隔t和每一时刻的光功率，并根据公式经过解码得到OTDR曲线；其中，所述公式中，L为单模光纤长度，c为真空中的光速，n为单模光纤纤芯有效折射率。

进一步地，所述光纤光栅振动测量方法还包括光纤光栅反射谱光功率的时域曲线和频域曲线的获取，其中，所述光纤光栅反射谱光功率的时域曲线和频域曲线的获取基于OTDR曲线的获取得到的，具体步骤如下：