[发明专利]一种基于光纤传感器的声学/振动监测系统

说明书

本发明提供了一种基于光纤传感器的声学/振动监测系统，由光纤环形器、宽带光源、信号分析处理单元和单模‑多模‑单模结构光纤传感单元组成；所述宽带光源、信号分析处理单元和单模‑多模‑单模结构光纤传感单元分别通过单模光纤与光纤环形器连接。所述单模‑多模‑单模结构光纤传感单元包含若干个单模‑多模‑单模结构光纤传感器，所述单模‑多模‑单模结构光纤传感器由光纤耦合器、空心管、多模光纤和光纤布拉格光栅组成，多模光纤缠绕在空心管上，多模光纤两端通过单模光纤分别与光纤耦合器和光纤布拉格光栅连接。本发明提供的监测系统可以实现对声学/振动等微弱信号的监测，且具有成本低、灵敏度高、抗干扰能力强及可靠性高等优点。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于光纤传感器的声学/振动监测系统。

背景技术

传统的电磁波和光波在水下传播时衰减很快，传播损耗很大，而声波作为一种机械波，在水中传播时损耗很小，与光波相比大约小了3个数量级。因此声波是目前深层海洋信息搜集、感知和处理最重要的形式之一。传统的压电陶瓷型水听器存在着电磁干扰、传输距离小、结构尺寸大等多方面的问题。基于光纤传感原理的光纤水听器作为一种新型水声探测器件，与传统的压电水听器相比，具有灵敏度高、频响特性好、频带宽、“湿端”全光、抗电磁干扰、传输距离远以及便于大规模复用等优点，是现代声纳的一个重要发展方向。

光纤声学/振动传感器是以光纤、光电子技术为基础的一种新型水听器，它依照传统水听器的原理，借助光纤技术实现了传统声学/振动传感和声呐数据传输的一体化设计。目前光纤声学/振动传感器在海洋天然气、石油等矿物资源的勘测，海洋渔业，医学检测等领域得到了广泛的关注，由光纤声学/振动传感器构成的声呐系统也已经在现代海洋军事领域得到了显著的发展。干涉型光纤水听器通过水下声波或振动对光纤的应力作用改变光纤纤芯的折射率或长度，从而引起在光纤中传播光束的光程改变，导致相位发生变化，并得到有关水声信息，但由于光纤灵敏度较差，难以用于微弱信号的探测，受到了一定的限制。

发明内容

其中，所述信号分析处理单元由光功率放大器、波长解复用器、光电探测器阵列和数据采集单元组成；所述光功率放大器一端通过单模光纤与所述光纤环形器连接，另一端与所述波长解复用器连接，所述波长解复用器通过多路单模光纤与所述光电探测器阵列连接，所述光电探测器阵列通过导线与所述数据采集单元连接。

其中，所述单模-多模-单模结构光纤传感单元包含若干个单模-多模-单模结构光纤传感器，所述单模-多模-单模结构光纤传感器由光纤耦合器、空心管、多模光纤和光纤布拉格光栅组成，所述多模光纤缠绕在所述空心管上，所述多模光纤两端通过单模光纤分别与所述光纤耦合器和所述光纤布拉格光栅连接。

其中，所述单模-多模-单模结构光纤传感单元是将各个单模-多模-单模结构光纤传感器中的光纤耦合器通过单模光纤相互串联连接而成。

其中，所述单模-多模-单模结构光纤传感单元中的单模-多模-单模结构光纤传感器的数量为2~9999个。

其中，所述单模-多模-单模结构光纤传感单元中多模光纤与单模光纤用熔接机将端面切平后再进行熔接。

其中，所述单模-多模-单模结构光纤传感单元包含的每一个单模-多模-单模结构光纤传感器中的光纤布拉格光栅具有不同的中心波长。

本发明提供的监测系统的具体监测方法为：

当单模-多模-单模结构光纤传感器接收到探测信号时，空心管发生形变，带动缠绕在所述空心管上的多模光纤发生形变，由于光从单模光纤耦合到多模光纤时，多模光纤的高阶本征模式被激发，并且当光沿着多模光纤传播时，不同模式间的干涉就会发生，所以当多模光纤发生形变时，光纤中会发生弹光效应并且折射率分布会发生变化，光谱的干涉峰和干涉谷会发生移动，从而使相应波长处的输出光强发生变化，经波长解复用器传输到光电探测器阵列，所述光电探测器阵列中相应的光电探测器根据波长对应相应的声学/振动传感器，最后将所有信号传输至信号采集单元进行处理，实现环境声学/振动信号的监测。