光纤多频振动检测与补偿系统及方法与流程

文档序号:11101121阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种光纤多频振动检测与补偿系统,其特征在于,包括:

高稳频激光发生模块,用于产生稳定的单频激光,从而给光纤多频振动检测与补偿系统提供稳定的光源;

振动信号引入与波分复用模块,用于将被补偿系统的光信号和光纤多频振动检测与补偿系统的光信号一起复用到被补偿光纤上,通过被补偿光纤后将两个频率的光信号分色并分别送回到被补偿系统和光纤多频振动检测与补偿系统中;

外差干涉信号与振动信号探测模块,用于将光纤内引入的振动信号通过激光干涉测量的方法检测出来,外差干涉信号由高速光电探测器探测;

多普勒信号采集处理与补偿模块,用于读取并处理高速光电探测器探测到的振动信号,选取信号中由振动引起的多个有效的多普勒频移,并对多普勒频移进行跟踪,同时在整个测量周期内监控新的振动信号的产生和旧的振动信号的消失,换算出振动的实时位移,通过通信接口对被补偿系统进行振动补偿。

2.根据权利要求1所述光纤多频振动检测与补偿系统,其特征在于,

所述高稳频激光发生模块为连续波激光器(1),用于给光纤振动检测与补偿系统提供光信号,所述的连续波激光器的出射光频率要与被补偿系统的光频率不同;

所述振动信号引入与波分复用模块包括两个2×1双波长波分复用器和被检测的光纤(17),所述2×1双波长波分复用器有三个引脚,分别为两个单频引脚和一个双频引脚;2×1双波长波分复用器所支持的两个光频率分别为被补偿系统的光频率和所述连续波激光器(1)的光频率;两个2×1双波长波分复用器包括第一2×1双波长波分复用器(5)和第二2×1双波长波分复用器(6),所述第一2×1双波长波分复用器(5)将检测振动信号所用的单频激光与被补偿系统的激光复用到一根光纤里,输出端连接到被补偿的光纤(17)中,所述第二2×1双波长波分复用器(6)反接使用,将被补偿光纤中的双频输出信号分色成两路单频信号分别接入到光纤振动检测与补偿系统和被补偿系统中;

所述外差干涉光路与振动信号探测模块包含一个固定调制频率的光调制器(4)、一个2×1光纤耦合器(2)、两个光纤准直器(3、7)、两个反射镜(8、10)、一个分光棱镜(9)、一个聚焦透镜(11)和一个高速光电探测器(12);上述的2×1光纤耦合器(2)、光纤准直器(3、7)、反射镜(8、10)、分光棱镜(9)、聚焦透镜(11)和高速光电探测器(12)的工作频段包含连续波激光器(1)的发射光频;所述高速光电探测器(12)的探测上限高于光调制器(4)的调制频率;所述2×1光纤耦合器(2)将连续波激光器(1)的出射光分为两路:其中一路通过光调制器(4)调频后经一光纤准直器(7)发出变为空间光;另外一路直接由另一光纤准直器(3)发出为空间光,然后再利用一反射镜(8)和分光棱镜(9)搭建一个马赫增德尔干涉光路;上述两路光在分光棱镜(9)上发生干涉,干涉信号经另一个反射镜(10)配合聚焦透镜(11)将光投射到高速光电探测器(12)的光敏面上,至此完成了振动信号探测;

所述多普勒信号采集处理与补偿模块包含一个高速模拟数字信号转换器(13)、一个主控芯片(14)和一个通信接口(15),所述高速模拟数字信号转换器(13)的位数不低于12位,采样率不小于上述光调制器(4)调制频率的2倍;所述主控芯片(14)是单片机或是现场可编程逻辑阵列,所述主控芯片(14)的时钟频率高于上述高速模拟数字信号转换器(13)采样率的四倍;所述通信接口(15)与被补偿系统的控制单元(16)相配合;所述高速模拟数字信号转换器(13)与上述外差干涉光路与振动信号探测模块中的高速光电探测器(12)相连,振动信号被高速模拟数字信号转换器(13)采集后送入所述主控芯片(14),在主控芯片(14)中做分时傅里叶变换,采集变换后的多个脉冲,用频谱强度和频率间隔筛选法确定有效多普勒频移,用阈值内相关频率跟踪法跟踪振动信号的多普勒频移变化,同时,在整个测量周期内监控新的振动信号的产生和旧的振动信号的消失,得出时间——频率特性,进而还原出振动信号;提取出有效的多普勒频移,并将有效的多普勒频移换算成振动的瞬时速度再进一步转换出多频振动的位移,所有频率振动的位移累加为光纤内振动的实际位移;转换得到的振动信号经通信接口(15)传输给被补偿系统的控制单元(16)做数据补偿。

3.一种光纤多频振动检测与补偿方法,其特征在于,利用如权利要求2所述光纤多频振动检测与补偿系统,所述多普勒信号采集处理与补偿模块使用分时傅里叶算法进行分时傅里叶变换,每次取相同长度的数据做傅里叶变换,分别找出每次傅里叶变换后的多普勒频移,根据多普勒频移代入公式,

vnm=c×fdnm/f0

式中,vnm为振动速度,c为光的运行速度(3×108m/s2),fdnm为多普勒频移,f0为所用的高稳频连续波激光器出射的光的频率,利用上式求出振动速度,对于每次取出的数据循环上述过程做傅里叶变换,直到数据用完。

4.根据权利要求书3所述光纤多频振动检测与补偿方法,其特征在于,所述多普勒信号采集处理与补偿模块用频谱强度和频率间隔筛选法确定有效多普勒频移,即:傅里叶变换后压缩脉宽到限定值,凡是两个脉冲相隔频率小于限定值的取峰值最高的脉冲,将傅里叶变换后的频谱中所有高于频谱最高点一定比例的脉冲记为有效脉冲,有效脉冲波峰所对应的横坐标减去光调制器的调制频率即为振动信号对应的多普勒频移;

所述多普勒信号采集处理与补偿模块用阈值内相关频率跟踪法跟踪振动信号的有效多普勒频移的变化,即:在频谱强度和频率间隔筛选法确定的有效脉冲波峰所对应的横坐标周围设定阈值,下一次傅里叶变换后新的有效脉冲的波峰对应的横坐标落在该阈值内,该新的有效脉冲视为上次傅里叶变换该阈值内脉冲的相关脉冲,相关脉冲的波峰对应的横坐标频率记为上次傅里叶变换该阈值内脉冲波峰对应横坐标频率的相关频率,相关频率对应的振动速度之间积分重构计算出一个振动信号,所有振动信号的位移累加为光纤内振动的实际位移。

5.根据权利要求书4所述光纤多频振动检测与补偿方法,其特征在于,下一次傅里叶变换后新的脉冲的波峰对应的横坐标落在上次傅里叶变换后横坐标设定的阈值外,经频谱强度和频率间隔筛选法判定为有效脉冲的,记为新的振动信号产生。

6.根据权利要求书4所述光纤多频振动检测与补偿方法,其特征在于,下一次傅里叶变换后没有新的脉冲的波峰对应的横坐标落在上次傅里叶变换后横坐标设定的阈值内,记为旧的振动信号消失。

7.根据权利要求书4所述光纤多频振动检测与补偿方法,其特征在于,下一次傅里叶变换后有多个新的脉冲的波峰对应的横坐标落在上次傅里叶变换后横坐标设定的阈值内,只取波峰对应的强度最高的脉冲记为相关脉冲。

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