一种光纤光栅地声传感探头及传感系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及传感器技术领域，具体而言涉及一种光纤光栅地声传感探头及传感系 统。
【背景技术】
[0002] 泥石流地声是指泥石流在流动过程中，夹杂的颗粒物会与沿途山体发生碰撞，产 生具有特定频率的振动，这种振动沿沟岸岩石传播便产生泥石流地声。通过监测泥石流地 声可以对泥石流的发生进行早期预警，最大限度地争取防灾减灾时间，有效降低灾害损失 的程度。然而，相比较地震波的监测，泥石流产生的地声强度低，且在浅层地表的传播过程 中衰落快，最大传播距离约100米，显著频率在IOOHz左右。传统的电子振动传感器已经在 泥石流地声监测中获得应用，但在布设和维护方面存在较大困难。光纤传感技术具有高灵 敏度、易于多点复用、抗电磁干扰、无源远程监测等特性，在复杂环境的振动监测中倍受青 睐。为了可靠监测泥石流地声信号，要求光纤传感器具有很高的灵敏度（可探测加速度小 于〇. Ig)，固有频率高于250HZ左右。此外，由于大多数泥石流的源发地具有不确定性，为了 准确预报和研究泥石流的爆发及演进规律，需要在可能爆发的区域大量布设传感器，这对 传感器的复用数量、灵敏度、监测距离和实时性都提出了很高的要求。现有的"点式"光纤 光栅传感器是将光纤光栅固定在机械结构上（如悬臂梁），通过机械结构传导实现振动传 感，其灵敏度可基本满足泥石流地声监测的要求，但很难进行大规模复用，不易在广域范围 内进行布设；分布式光纤传感技术（如光纤布里渊传感器（BOTDA)、光纤拉曼传感器（DTS)) 能较好地满足大范围监测的要求，但检测的传感信号弱，需要通过大容量的数据处理提取 信号，实时性不佳。
[0003] 为了提升光纤振动传感器的灵敏度和复用能力，实现对泥石流地声的大范围、高 可靠性监测，一些研究人员引入光纤水听计的传感方案（见"刘育梁，何俊等.光纤地震 波探测的研究进展[J].激光与光电子学进展.2009, 11:21~28. "），采用DFB光纤激光 技术将振动变化转换成波长的变化，再通过非平衡迈克尔逊干涉仪解调并放大这种波长变 化，实现高灵敏度的地声传感，但该方案需要在有源光纤上刻写高反射率光栅，制备工艺复 杂，可复用传感器的数量有限，且系统构建成本高，鲜有在民用领域应用的相关报道。其它 光纤传感技术，诸如光纤光栅法布里-珀罗（FFP)干涉仪等，很难在光域内对传感信号进行 放大，灵敏度改善十分有限，且系统复杂，实用性不强。因此，开发高灵敏度、强复用能力的 新型地声传感器具有重要应用价值。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种光纤光栅地声传感探头及系统，该装置结 构简单、制作方便、灵敏度高、配置灵活等优点。
[0005] 本发明采取的技术方案为：
[0006] -种光纤光栅地声传感探头，包括光纤、弹簧、质量块、筒体，筒体内设有弹簧、质 量块，弹簧一端与质量块连接，弹簧另一端与筒体连接；光纤一端与质量块胶结，光纤另一 端与筒体胶结。
[0007] 所述光纤上刻写有第一啁嗽光栅、第二啁嗽光栅，所述第一啁嗽光栅、第二啁嗽光 栅位于光纤胶结点附近，应变传感工作区外。
[0008] 所述第一啁嗽光栅、第二啁嗽光栅具有相同的反射光谱特性，且反射率低于1%。
[0009] 质量块顶部到筒体内部顶面之间的距离为L，改变所述质量块与所述筒体之间的 距离L，可以改变传感探头的灵敏度。
[0010] 一种光纤光栅地声传感系统，包括激光光源、电光调制器、光环行器、传输光纤、以 及一种地声传感探头，所述光环行器的第一端口连接激光光源；光环行器的第二端口连接 传输光纤；所述传输光纤上串接多个所述地声传感探头；光环行器的第三端口连接所述光 电探测器；光电探测器与带A/D转换的数据采集卡连接；所述延时模块的第一端口连接电 光调制器；延时模块的第二端口连接所述数据采集卡的外触发端口；所述计算机与延时模 块的控制端口连接；计算机与数据采集卡的输出端口连接。
[0011] 所述激光光源的工作波长位于所述地声传感探头内的啁嗽光栅的反射谱范围内。
[0012] 一种光纤光栅地声传感系统的传感方法，光源的连续光经过电光调制器调制后， 形成光脉冲，光脉冲进入光环行器，再进入所述地声传感探头，在各个探头位置形成反射的 干涉脉冲信号，再经过光环行器进入光电探测器，将光信号的变化转换为电信号的变化。延 时模块触发数据采集卡进行采集，将含有相位变化信息的数字信号传送给计算机，计算机 调用相位解调算法，识别数字信号的相位变化，解调出振动参量。
[0013] 所述地声传感探头通过光纤进行串接，所述延时模块产生两路时延可控的脉冲， 驱动所述电光调制器和所述数据采集卡，基于单光纤上不同位置上地声传感探头反射相干 脉冲光信号的时延不同进行分别采集和处理，实现多点时分复用。
[0014] 一种光纤光栅地声传感系统的传感方法，应用于泥石流监测。
[0015] 光纤光栅地声传感系统的工作及复用原理如下：
[0016] 激光光源发出的光经过环形器注入到单光纤迈克尔逊干涉传感器，假定啁嗽光栅 (2)和啁嗽光栅（6)反射系数为R。，激光的光强为I。，则啁嗽光栅（2)反射光为I。*!?。，透射 光为10(1-10。透射光入射到啁嗽光栅（6)上时，反射信号的强度为1。*(1_1〇吨。，反射信 号通过啁嗽光栅（2)后的强度为：1。*(1-1〇2*1?。。则啁嗽光栅（2)和啁嗽光栅（6)两束返 回光的强度之比为(I-Rd)2.
[0017] 对于反射率低于1%的弱光栅，两个光栅之间的多次反射对干涉条纹的影响非常 有限，可以近似为等功率两束光。两束光是同一激光光源的反射光，具有相同的传播方向和 稳定的相位差，因此会产生双光束干涉，符合迈克尔逊干涉的条件，因此有：
[0018] ID~2R0*I0*{l+cos[4 π neffL/λ+ φΓ]} (I)
[0019] 式中，Id为双光束干涉的光强，L为两光栅之间的距离，（^为两光栅之间的相位 差。当两个光栅之间的光纤受到外界扰动时，干涉信号的相位差变化Λ Φ :
[0021] 由公式（2)可知，当光源的波长确定后，两束干涉光的干涉相位变化系数与光栅 间距L直接相关。光栅距离越长，相位变化的灵敏度越高。研究表明，普通光栅的相位变化 为：
[0023] 式中，d为光栅的长度。大多数光栅的长度在几个毫米，而迈克尔逊干涉传感器两 个光栅之间的距离理论上由激光光源的相干长度确定。比较式（2)和（3)可知，在同样的 应变参数下，单光纤迈克尔逊干涉传感器的灵敏度比单光栅高L/d倍。例如，假定光栅的长 度为6_，迈克尔逊干涉传感器的臂长L为180_，则系统的灵敏度可提高30倍！
[0024] 在实际的地声传感探头制作时，为了保证光栅本身不受应力的影响，从而引起相 位变化误差，将光栅分别封装在光纤的应力工作区以外。此外，根据不同泥石流地声的要 求，可以改进传感探头机械结构的长度，灵活调节光栅之间应力区间长度L来改变探头的 灵敏度。
[0025] 对于多探头复用，可以采用弱光栅时分复用技术，即选用同波长的啁嗽弱光栅制 作探头，对多个探头进行依次串接。在振动监测时，延时模块产生两路时延可编程调节的脉 冲，分别驱动所述电光调制器和所述数据采集卡，由于不同位置上的地声传感探头反射回 来的相干脉冲光信号时延不同，通过调节延时模块的时延值，使采集卡在目标探头反射信 号到达时被触发，采集卡采集当前信号并处理，而其他位置探头反射的信号将被隔离。基于 该方法，通过预置不同的时延值，可依次检测各探头的振动信号，实现多探头的时分复用。 而预置时延值的提取，可以在系统上电时，通过对整个光纤线路的扫描，结合光栅反射信号 的强度定位获取并保存，无需人工配置。系统的复用能力与选用光栅的反射率直接相关，例 如，选用反射率1 %的光栅制作探头，其复用数量即可与传统高反射率光栅的波分复用方案 (WDM)相当。当光栅反射率下降到0.01%，单工作窗口可复用500个传感探头。因此，该发 明的传感系统既可以实现高灵敏传感，又可以根据具体监测对象或应用场景的要求，调整 光栅的反射率、时延等参数，实现传感探头的大规模复用，具有极佳的适应性。
[0026] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0027] 1、干涉结构简单，灵敏度高。采用典型的活塞式振动传感结构，在一根光纤中实现 双光栅干涉，无需对光栅进行特殊封转处理，物理结构简单；利用弱啁嗽光栅反射光的迈克 尔逊干涉，灵敏度比单光栅高L/d倍。
[0028] 2、弱光栅制