一种基于波长可调谐激光器的高空间分辨率光纤传感系统

摘要

本发明公开了一种基于波长可调谐激光器的高空间分辨率光纤传感系统，包括波长可调谐激光器、压电陶瓷、锯齿波电压驱动、第一耦合器、光纤干涉仪、光电探测器、偏振控制器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、光纤传感器、光电探测器、数据采集卡、信号分析及处理系统以及电脑显示，其中：波长可调谐激光器的控制端口连接压电陶瓷的输出端口，压电陶瓷的控制端口连接锯齿波电压驱动的输出端口；光电探测器的输出端口连接数据采集卡的采集端口，数据采集卡的输出接入信号分析及处理系统，信号分析及处理系统的输出端口连接至电脑显示。具有高空间分辨率，分布式应变高精度在线监测，稳定性和重复性好，灵敏度高等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于波长可调谐单纵模窄线宽DFB激光器的高空间分辨率频域反射分布式光纤传感技术，可以实现对结构的应变监测及高精度定位。

背景技术

结构安全评估是通过各种传感方法获得并分析结构内部信息，并根据分析结果作出安全性判断与预警。目前用于结构健康监测的传感器主要包括应变片，光纤布拉格光栅(FBG)传感器，布里渊散射的分布式光纤传感器（BOTDR，BOTDA）及传统的光纤频域反射技术OFDR等。实验及工程实际表明，应变片及光纤FBG传感器进行空间上离散点的应变分布测量，而无法对结构总体进行分析。而BOTDR/BOTDA及传统OFDA光纤传感器的空间分辨率最多只能达到几十厘米，且应变测量精度不高，不能实现准确监测结构应变分布信息及有效评估健康状态。在许多工程结构中，往往要求能够在很长的测量距离中，在保证应变测量精度的同时，能实现高空间分辨率的分布式应变，以同时满足对结构整体和局部监测评估。这对大型结构的安全评估具有重要意义。

发明内容

    本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于波长可调谐激光器的高空间分辨率光纤传感系统，在几公里甚至更长的传感光纤上，能够实现2mm空间分辨率，且同时应变测量精度可达到5με。该高性能光纤传感系统可用于结构分布应变的高精度检测，测量距离长，空间分辨率及应变传感精度高。

本发明的技术方案如下：

    一种基于波长可调谐激光器的高空间分辨率光纤传感系统，包括波长可调谐激光器、压电陶瓷、锯齿波电压驱动、第一耦合器、光纤干涉仪、光电探测器、偏振控制器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、光纤传感器、光电探测器、数据采集卡、信号分析及处理系统以及电脑显示，其中：波长可调谐激光器的控制端口连接压电陶瓷的输出端口，压电陶瓷的控制端口连接锯齿波电压驱动的输出端口；波长可调谐激光器的输出连接第一耦合器的输入端口，第一耦合器其中一个输出端口连接光纤干涉仪的输入，光纤干涉仪的输出连接光电探测器的输入端口；光电探测器输出端口连接数据采集卡的触发采集端口；第一耦合器的另外一个输出端口连接偏振控制器的输入，偏振控制器的输出连接第二耦合器的输入；第二耦合器的两个输出端口分别连接第三耦合器和第四耦合器的一个输入端口；第三耦合器输出连接光纤传感器，第三耦合器的第二个输入端口与第四耦合器的第二个输入端口连接，第四耦合器的输出端口连接光电探测器的输入端口；光电探测器的输出端口连接数据采集卡的采集端口，数据采集卡的输出接入信号分析及处理系统，信号分析及处理系统的输出端口连接至电脑显示。

所述的波长可调谐激光器为单纵模窄线宽光纤DFB激光器或基于半导体技术或微机电系统技术的窄带激光器。

当可调谐激光器波长以一定速度开始扫描，光纤中各点均会有散射光出现，当激光器发出的参考光与光纤的散射光拍频，会出现拍频信号，通过高速探测采集并分析拍频信号幅度、频率、相位及相关性，可实现高空间分辨率的传感。

与现有技术相比，本发明具有具有高空间分辨率，分布式应变高精度在线监测，稳定性和重复性好，灵敏度高等特点。   

附图说明

图1是本发明一种具体结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明传感器系统所用波长可调谐激光器1为单纵模窄线宽光纤DFB激光器，该单纵模窄线宽光纤DFB激光器是针对该传感系统而进行特殊设计制作。该单纵模窄线宽光纤DFB激光器通过相位掩模法，利用准分子激光器，在高浓度掺铒光纤上，先写入一段长光纤布拉格光栅，然后在光栅中间一段进行二次写入，使其产生λ/4相移，从而形成掺铒λ/4相移分布反馈DFB光栅。最后结合980nm泵浦光，形成单纵模窄线宽光纤DFB激光器。该激光器线宽仅有几百赫兹，具有很长的相干长度，因此能够满足长距离高分辨率的频域反射分布式光纤传感系统要求。通过选择合适相位掩模板，使激光器的初始波长在1520nm左右。

将单纵模窄线宽光纤DFB激光器中的分布反馈DFB光栅部分粘贴于压电陶瓷2上，通过锯齿波电压驱动3使压电陶瓷2产生伸缩，形成周期性应变，实现光纤DFB激光器的波长在一定波长范围内的重复扫描。单纵模窄线宽光纤DFB激光器发出波长随时间变化的窄线宽激光入第一耦合器4后分为两路，一路进入光纤干涉仪5，当DFB激光波长变化时，干涉仪输出一系列干涉峰，光干涉峰经光电探测器6探测后转化为脉冲电压，光电探测器6的输出连接数据采集卡13的触发端口，实现数据采集系统的被动触发采集。另一路激光经过偏振控制器7消除偏振噪声后，进入第二耦合器8后再次分为两路，其中一路作为传感光经过第三耦合器9进入传感光纤11，另一路光则作为参考光进入第四耦合器10，与传感光纤的后向散射光进行干涉。干涉光经光电探测器12检测后通过数据采集卡13采集，最后利用信号分析及处理系统14进行信号解析并最终通过电脑显示15。单纵模窄线宽光纤DFB激光器也可用基于半导体技术或微机电系统(MEMS, Micro-Electro-Mechanical Systems)技术的波长可调谐窄带激光器代替。

波长可调谐单纵模窄线宽光纤DFB激光器发出的两路光由于分别进入传感光纤11和第四耦合器10，造成参考光和传感光纤的反射光光程不同，因此在第四耦合器10处发生干涉。由于激光器波长可调谐，导致干涉条纹发生变化，通过付利叶频谱分析及数字信号处理，可得到干涉条纹的频域特性。当外界应变发生变化，干涉条纹的频域特性也会相应变化，空间分辨率也包含在干涉条纹的频域信息内。由于干系统所采用的光源为单纵模窄线宽光纤DFB激光器，其空间相干性非常高，因此通过信号分析及处理系统14，便能够实现高应变测量精度及其高空间分辨率的光纤频域传感技术。