专利名称：基于光纤偏振光时域反射传感的振动监测结构及方法
技术领域：
本发明是一种用于振动频率和强度监测的传感设备及方法，尤其是一种基于光 纤偏振光时域反射传感的具有分布式测量的振动监测专用设备及振动监测方法。
背景技术：
在桥梁、管道的健康监测中，许多潜在的危险往往体现为某种机械振动形式。 比如桥梁的摇晃，管道周围施工机械的运动等。若能够对振动情况进行在线监测， 就可以实现对潜在危险的预警。
传统的振动传感器主要利用磁电效应和压电效应将振动信号转换为电信号进行 测量。这种测量方式主要存在以下几点不足
首先，该测量方式只能支持单点或多个点进行串联的准分布式测量，不能进行 真正的分布式测量，在长距离、大空间范围的测量应用场合，其空间分辨率和对微 小振动的检测灵敏度均会受到限制。
其次，该测量方式易受电磁干扰的影响，且传感器本身易受腐蚀、在恶劣应用 环境下寿命较短，使得该传感方式的应用场合受到较大的限制。
基于光纤的光时域反射计(OTDR)检测方式因为具有支持全分布式测量、抗电 磁千扰、耐腐蚀、耐久性好等优点，在当前的健康检测中，获得了广泛的应用。
但是普通的0TDR系统，在测量中关注的仅仅是光纤中背向散射光强度的变化， 对于机械振动不敏感，难以应用到需要对机械振动进行检测的场合中。但是光纤中 背向散射光的偏振态对光纤外部的机械振动十分敏感。通过偏振光时域反射传感 (P0TDR)检测光纤中背向散射光的偏振态变化，就有可能实现对沿光纤分布的机械 振动的分布式检测。
当前使用的P0TDR系统，在对偏振态的检测中采用单路检偏器检测偏振光在单 一方向上的投影值，当信号光偏振方向与投影方向的夹角接近90度时，其投影功率 将会变得很小，从而使得检测精度降低， 一般称这种情况为进入死区状态。同时当 前的POTDR系统对于散射光偏振态的检测主要依靠递推运算，其算法复杂，测量周 期长，响应速度慢
发明内容
技术问题本发明所要解决的技术问题在于提供一种灵敏度高，能够快速提 供检测结果的基于光纤偏振光时域反射传感的振动监测结构及方法。
技术方案本发明提供一种基于光纤偏振光时域反射传感的振动监测结构，在 结构上包括激光器，第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、第五耦 合器，声光调制器，起偏器，环形器，传感光纤，第一检偏器和第二检偏器，第一 探测器和第二探测器，第一低通滤波器和第二低通滤波器，第一模数转换器和第二 模数转换器，FPGA，微处理器MCU;
当激光器为内调制激光器时，
激光器的输出端接环形器的输入端，环形器的输出端接第三耦合器的输入端， 第三耦合器的输出端分两路，其中一路通过第一检偏器接第一平衡探测器的第二输 入端，另一路通过第二检偏器接第二探测器的第二输入端，传感光纤的一端接环形 器；
第一探测器、第二探测器为非平衡式探测器，第一探测器的输出端通过顺序串 联连接的第一低通滤波器、第一模数转换器接FPGA的第一输入端；第二探测器的输 出端通过顺序串联连接的第二低通滤波器、第二模数转换器接FPGA的第二输入端， FPGA的输出端接微处理器MCU。
当激光器为普通激光器时，第一探测器、第二探测器为平衡式探测器，
激光器的输出端接第一耦合器，第一耦合器的输出分两路，其中第一路通过第 二耦合器再分为两支路，第一支路通过第四耦合器接第一探测器的第一输入端，第 二支路通过第五耦合器接第二探测器的第一输入端；
第一耦合器输出的另一路通过顺序串联连接的声光调制器、起偏器、环形器接 第三耦合器的输入端，第三耦合器的输出端分两路，其中一路通过第一检偏器接第 一探测器的第二输入端，另一路通过第二检偏器接第二探测器的第二输入端，传感 光纤的一端接环形器；
第一探测器的输出端通过顺序串联连接的第一低通滤波器、第一模数转换器接 FPGA的第一输入端；第二探测器的输出端通过顺序串联连接的第二低通滤波器、第 二模数转换器接FPGA的第二输入端，FPGA的输出端接微处理器MCU。
在声光调制器与环形器之间连接有起偏器。
基于光纤偏振光时域反射传感的振动监测方法包括步骤
步骤1:激光器发出功率恒定的连续光，通过耦合器分为两路，其中一路通过
耦合器分作两路本振光，另一路通过声光调制器的调制形成脉冲光，通过起偏器的 起偏送入环行器，探测光通过环行器注入传感光纤，
步骤2:传感光纤中产生的背向散射光信号通过环行器 入耦合器，耦合器的输出分为两路，分别经过第一检偏器和第二检偏器进行检偏，其中第一检偏器和第二检偏器互为正交的检偏器，其输出与本振光在第一探测器和第二探测器上做相干探测，
步骤3:探测结果通过第一低通滤波器和第二低通滤波器的滤波送入第一模数转换器和第二模数转换器做模数转换，
步骤4: FPGA对采集得到的数据进行预处理，提高信噪比，
步骤5:微处理器MCU对预处理的结果进行傅立叶变换，得到信号在不同偏振方向上强度的变化频率，
步骤6:对得到的频谱的主频频率和分布模式进行分析，得到振动源的变化特征。
所述步骤2采用互为正交关系的第一检偏器和第二检偏器共同作用，避免死区现象的发生。
所述步骤5，具体包括提取出光纤中各个区段在多次测量中的结果，得到在光
纤上各个区段的背向散射光在不同偏振方向上强度随时间的变化规律，对检偏器输出端起伏的强度数据进行频谱分析，得到振动的频谱。
所述步骤6,其中对频谱的主频频率进行分析具体包括对光纤进行实时的在线监测，得到光纤上每一区段振动频率的变化；将每一次测量得到的结果与历史记录进行对比，若测量结果与历史记录相比发生了变化则说明沿光纤分布的振动源频率发生了变化。
所述步骤6，其中对频谱的分布模式进行分析具体包括对光纤进行实时的在线监测，得到光纤上每一区段振动频率分布模式，主要是能量在基频和各次谐波上分布的变化，将每一次测量得到的结果与历史记录进行对比，若测量结果与历史记录相比发生变化则说明沿光纤分布的振动强度产生变化。
有益效果由于本发明采用光纤作为传感器，相较于传统的磁电/压电式振动传感器，具有支持分布式测量的特点，并且具有抗电磁干扰、耐腐蚀、耐久性好等优点。
本发明通过多次测量得到光纤各个区段偏振态随时间的变化情况，再结合傅里叶变换技术得到频谱信息，通过对频谱信息的分析得到振动的信息。该方法相较于此前的POTDR系统采用的对偏振态进行迭代运算的方法，具有算法简单、数据运算量
小的优点，大大减少了系统所需的检测时间和成本，使得利用光纤中背向散射光光偏振态检测沿光纤分布振动的方案具有了实际应用的可能。通过同时检测两个正交方向的偏振态光信号强度消除偏振态检测中的检测死区出现
图l是本发明的系统框图。其中有激光器l，第一耦合器2、第二耦合器7、
第三耦合器8、第四耦合器11、第五耦合器13，声光调制器3，起偏器4，环形器5，传感光纤6，第一检偏器9和第二检偏器10，第一探测器12和第二探测器14，第一低通滤波器15和第二低通滤波器16，第一模数转换器17和第二模数转换器18，FPGA 19，微处理器MCU20。
图2是正交检偏效果的示意图。
具体实施例方式
一种基于POTDR的振动频率和强度的检测结构，包括了光发送模块，光接受模块，检测光纤，控制单元，信号处理单元；所述光发送模块包括了用于发射恒定功率激光的激光器、用于对激光进行脉冲调制的声光调制器、用于对激光进行起偏的偏振控制器；所述光接受模块包括了用于检测激光偏振状态的检偏器、用于将光信号转换为电信号进行相干检测的平衡探测器、用于去除干扰的低通滤波器和用于将模拟电信号采样转换为数字信号的模数转换器；所述检测光纤包括了用于控制激光流向的环形器和用于进行振动监测传感的传感光纤；所述信号处理单元用于接受光接收模块输出的数字信号，并根据数字信号得到光偏振态随时间的变化规律；所述控制单元用于分析光偏振态的变化规律，得到随光纤分布的温度、振动或应力等外部参数的变化。
本发明还提供了一种分布式振动测试方法，应用于前述的监测系统，包括步骤
1) 激光器发出的恒定光功率的激光，经过脉冲调制和起偏注入到传感光纤中。
2) 所述脉冲调制的探测光在传感光纤中发生瑞利散射，其中的背向散射光通过环形器进入光接收模块。
3) 所述背向瑞利散射光分作两路，分别进入偏振方向相互垂直的两个检偏器，得到偏振光的同向分量光和正交分量光。
4) 所述同向分量光和正交分量光分别在两个平衡探测器与本振光进行相干检测，将光的强度转换为电信号强度。
5) 光接收模块的模数转换器将前述模拟电信号强度转换为数字信号。
6) 信号处理单元接受光接收模块输出的数字信号，并根据数字信号以及反射光信号到达的时间得到单次测量中光纤不同位置的背向散射光强度。
7) 重复以上1到6的测量步骤进行多次测量，提取出各个区段在多次测量中的结果，即可得到在光纤上各个区段的背向散射光强度随时间的变化规律。对于单个区段，取其在各次测量中得到的背向散射光强度为原始数据，进行傅里叶变换，得到其信号强度变化的频谱信息。具体的原理由下式给出-P(t〕 = PrCOS(:ciijt)
Pr为某一区段瑞利背向散射信号在各个偏振方向上的能量总和，co为外界机械振动的角频率，它对背向散射光能量在偏振态上的分布产生影响，使得其与检偏器的方向产生大小为COS (co t)的夹角。从而在检偏器的输出产生与机械振动频率相关的强度起伏P(t)。通过对起伏的强度数据进行频谱分析，就可以推测出振动的频率。
8) 通过对光纤进行实时的在线监测，可以得到光纤上每一区段振动频率的变化。将每一次测量得到的结果与历史记录进行对比，就可以推测沿光纤分布的振动源发生了变化。例如，历史数据显示某处地下管线平时的振动主要是路面汽车碾压造成的随机振动，某一时刻突然发现其振动变成了恒定的数十赫兹的单一振动，则可以推测其外部环境发生了变化，很有可能是周围存在违章施工，正在使用冲击钻挖掘地面。
9) 通过对光纤进行实时的在线监测，可以得到光纤上每一区段振动频率分布模式的变化。将每一次测量得到的结果与历史记录进行对比，就可以推测沿光纤分布的振动强度变化。这主要是由于当机械振动的强度增大，使得偏振态夹角的变化超过180度时，将在检测结果上产生一系列的高频谐波分量。例如，历史数据显示某桥梁平时的振动主要分布在赫兹量级的f，在高频分布的能量较少。某一时刻突然发现在2f、 3f、 4f等高频的谐波位置出现了较高的能量分布，则可以推测此时桥梁的振动幅度出现了剧烈变化，桥体很可能出现了谐振现象。
10)通过互为正交关系的两个检偏器x、 y共同作用，可以避免传统POTDR中死区现象的发生。参考图2 (1)，当背向散射光的偏振态与x、 y均为45度时，每一个检偏器的输出光强度均为原始信号的一半，无论使用哪一个检偏器单独进行测量均具有较好的信噪比。参考图2 (2)，当背向散射光的偏振态与x方向的夹角接近90度时，其在x轴上的投影很小，若只适用单个检偏器x进行检测，则此时的输出功率极弱，信噪比很差，系统几乎无法分辨信号的变化，进入了死区。然而由于与检偏器x正交的检偏器y的存在，此时信号光在检偏器y的输出端信号很强，仍能保持很好的信噪比。这样，无论信号光的偏振态如何分布，正交的检偏器中总有某一个的输出信噪比较好，保证了系统的性能。
请参阅图l，本发明的振动监测过程如下所述
首先，实施步骤一，激光器1发出的激光通过50: 50耦合器2分作两路，其中一路作为本振光输出到50: 50耦合器7，另一路作为探测光进入声光调制器3进行调制，得到探测用的激光脉冲。该脉冲经过偏振控制器4起偏之后，通过光环行器5注入传感光纤6。步骤二，传感光纤6中的瑞利背向散射光通过光环行器5注入50: 50耦合器8。50: 50耦合器8的输出分作两路，分别进入同向检偏器9和正交检偏器10，得到偏振光的同向分量I和正交分量Q。来自50: 50耦合器7的两路本振光与I分量及Q分量进入50: 50耦合器11和50: 50耦合器13进行耦合，分别进入平衡探测器12和平衡探测器(14)做相干检测，将光的强度转换为电信号强度。
步骤三，由于瑞利散射信号的波长与注入的探测光相同，上述相干检测的结果为缓慢变化的包络信号，使用低通滤波器LPF进行滤波，去除高频干扰。滤波后的结果分别通过模数转换器做模数转换，得到表示光偏振态的同向分量I和正交分量Q的数据。
步骤四，IQ两路的数据进入现场可编程门阵列FPGA做数据处理，根据数字信号以及反射光信号到达的时间得到单次测量中光纤不同位置的偏振态特性。对处于同一空间分辨率范围内的相邻样点的偏振态信息进行平均处理，提高光纤各个区段内的偏振态信息的信噪比
步骤五，重复上述步骤的测量，在现场可编程门阵列FPGA中提取出不同区段在多次测量中的结果，即可得到在光纤上各个区段的光偏振态随时间的变化规律。
步骤六，使用微处理器MCU分析光偏振态的变化规律。对上述经过处理的光偏振态的时域变化信息在微处理器MCU中进行傅里叶变换，得到其频谱分布的信息。
权利要求
1.一种基于光纤偏振光时域反射传感的振动监测结构，其特征在于，在结构上包括激光器(1)，第一耦合器(2)、第二耦合器(7)、第三耦合器(8)、第四耦合器(11)、第五耦合器(13)，声光调制器(3)，起偏器(4)，环形器(5)，传感光纤(6)，第一检偏器(9)和第二检偏器(10)，第一探测器(12)和第二探测器(14)，第一低通滤波器(15)和第二低通滤波器(16)，第一模数转换器(17)和第二模数转换器(18)，FPGA(19)，微处理器MCU(20)；当激光器(1)为内调制激光器时，激光器(1)的输出端接环形器(5)的输入端，环形器(5)的输出端接第三耦合器(8)的输入端，第三耦合器(8)的输出端分两路，其中一路通过第一检偏器(9)接第一平衡探测器(12)的第二输入端，另一路通过第二检偏器(10)接第二探测器(14)的第二输入端，传感光纤(6)的一端接环形器(5)；第一探测器(12)、第二探测器(14)为非平衡式探测器，第一探测器(12)的输出端通过顺序串联连接的第一低通滤波器(15)、第一模数转换器(17)接FPGA(19)的第一输入端；第二探测器(14)的输出端通过顺序串联连接的第二低通滤波器(16)、第二模数转换器(18)接FPGA(19)的第二输入端，FPGA(19)的输出端接微处理器MCU(20)。
2. 根据权利要求1所述的基于光纤偏振光时域反射传感的振动监测结构，其特征在于所述激光器(1)为普通激光器时，第一探测器(12)、第二探测器(14)为平衡式探测器，激光器(1)的输出端接第一耦合器(2)，第一耦合器(2)的输出分两路，其中第一路通过第二耦合器(7)再分为两支路，第一支路通过第四耦合器(11)接第一探测器(12)的第一输入端，第二支路通过第五耦合器(13)接第二探测器(14)的第一输入端；第一耦合器(2)输出的另一路通过顺序串联连接的声光调制器(3)、起偏器(4)、环形器(5)接第三耦合器(8)的输入端，第三耦合器(8)的输出端分两路，其中一路通过第一检偏器(9)接第一探测器(12)的第二输入端，另一路通过第二检偏器(10)接第二探测器(14)的第二输入端，传感光纤(6)，的一端接环形器(5);第一探测器(12)的输出端通过顺序串联连接的第一低通滤波器(15)、第一模数转换器(17)接FPGA (19)的第一输入端；第二探测器(14)的输出端通过顺序串联连接的第二低通滤波器(16)、第二模数转换器(18)接FPGA (19)的第二输入端，FPGA (19)的输出端接微处理器MCU (20)。
3. 根据权利要求2所述的基于光纤偏振光时域反射传感的振动监测结构，其特征在于所述声光调制器(3)与环形器(5)之间连接有起偏器(4)。
4. 一种如权利要求1所述的基于光纤偏振光时域反射传感的振动监测结构的振动监测方法，其特征在于，包括步骤步骤l:激光器(1)发出功率恒定的连续光，通过耦合器(2)分为两路，其中一路通过耦合器(7)分作两路本振光，另一路通过声光调制器(3)的调制形成脉冲光，通过起偏器(4)的起偏送入环行器(5)，探测光通过环行器(5)注入传感光纤(6)，步骤2:传感光纤(6)中产生的背向散射光信号通过环行器(5)送入耦合器(8)，耦合器(8)的输出分为两路，分别经过第一检偏器(9)和第二检偏器(10)进行检偏，其中第一检偏器(9)和第二检偏器(10)互为正交的检偏器，其输出与本振光在第一探测器(12)和第二探测器(14)上做相干探测，步骤3:探测结果通过第一低通滤波器(15)和第二低通滤波器(16)的滤波送入第一模数转换器(17)和第二模数转换器(18)做模数转换，步骤4: FPGA (19)对釆集得到的数据进行预处理，提高信噪比，步骤5:微处理器MCU (20)对预处理的结果进行傅立叶变换，得到信号强度的变化频率，步骤6:对得到的频谱的主频频率和分布模式进行分析，得到振动源的变化特征。
5.根据权利要求4所述的基于光纤偏振光时域反射传感的振动监测方法，其特征在于所述步骤2采用互为正交关系的第一检偏器(9)和第二检偏器(10)共同作用，避免死区现象的发生。
6. 根据权利要求4所述的基于光纤偏振光时域反射传感的振动监测方法，其特征在于所述步骤5，具体包括提取出光纤中各个区段在多次测量中的结果，得到在光纤上各个区段的背向散射光强度随时间的变化规律，对检偏器输出端起伏的强度数据进行频谱分析，得到振动的频谱。
7. 根据权利要求4所述的基于光纤偏振光时域反射传感的振动监测方法，其特征在于所述步骤6，其中对频谱的主频频率进行分析具体包括对光纤进行实时的在线监测，得到光纤上每一区段振动频率的变化；将每一次测量得到的结果与历史记录进行对比，若测量结果与历史记录相比发生了变化则说明沿光纤分布的振动源频率发生了变化。
8. 根据权利要求4所述的基于光纤偏振光时域反射传感的振动监测方法，其特征在于所述步骤6，其中对频谱的分布模式进行分析具体包括对光纤进行实时的在线监测，得到光纤上每一区段振动频率分布模式，主要是能量在基频和各次谐波上分布的变化，将每一次测量得到的结果与历史记录进行对比，若测量结果与历史记录相比发生变化则说明沿光纤分布的振动强度产生变化。
全文摘要
基于光纤偏振光时域反射传感的振动监测结构包括激光器(1)，第一耦合器(2)、第二耦合器(7)、第三耦合器(8)、第四耦合器(11)、第五耦合器(13)，声光调制器(3)，起偏器(4)，环形器(5)，传感光纤(6)，第一检偏器(9)和第二检偏器(10)，第一探测器(12)和第二探测器(14)，第一低通滤波器(15)和第二低通滤波器(16)，第一模数转换器(17)和第二模数转换器(18)，FPGA(19)，微处理器MCU(20)；通过多次测量得到光纤各个区段偏振态随时间的变化情况，再结合傅里叶变换技术得到频谱信息，通过对频谱信息的分析得到振动的信息。该方法相较于此前的POTDR系统采用的对偏振态进行迭代运算的方法，具有算法简单、数据运算量小的优点，大大减少了系统所需的检测时间和成本。
文档编号G01H9/00GK101639379SQ20091003422
公开日2010年2月3日 申请日期2009年8月26日 优先权日2009年8月26日
发明者张旭苹, 张益昕, 顺 王, 飞 谢 申请人:南京大学