一种可调标距长度的光纤分布式振动传感系统的制作方法

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种可调标距长度的光纤分布式振动传感系统。

背景技术：

光纤分布式振动传感系统(das)是一种以光纤为传感载体的探测系统，它具有检测距离长、安装简单、灵敏度高等优点，广泛应用于铁路交通、工程结构安全监测、油气管道运输的维护、地震监测、安防等领域。根据不同的结构和原理，光纤分布式振动传感系统可以分为不同种类，比如：基于幅度的相干瑞利散射das,干涉仪型das，双频das等等。其中，干涉仪型das是一种相位探测型的传感系统，和其他类型相比，干涉仪型das具有测量精度高、动态范围大、性价比高等优点，因此在行业内非常受重视。

目前的干涉仪型das存在一个不足之处：无法在线更改传感器的标距长度(gaugelength)，也即是一旦该传感器安装好后只能在一个标距长度下工作。然而，实际生产应用中，常常需要改变长度以适应不同的需要，比如同时监测不同尺寸的物体运动情况，或待测对象发生变化。

因此，现有技术还有待发展。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种可调标距长度的光纤分布式振动传感系统，旨在使得干涉仪型的光纤分布式振动传感系统能够在线更改标距长度，以适应现场不同的测量需求。

为实现上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种可调标距长度的光纤分布式振动传感系统，其中，包括：

激光源、aom调制器、第一光放大及滤波器单元、环路器、传感光纤、第二光放大及滤波器单元、可调标距光学干涉仪、信号采集和处理模块、脉冲发生模块和pc机单元；

所述aom调制器与激光源、脉冲发生器模块、第一光放大及滤波器单元连接，所述环路器与第一光放大及滤波器单元、传感光纤、第二光放大及滤波器单元连接，所述可调标距光学干涉仪与第二光放大及滤波器单元连接，所述信号采集和处理模块与可调标距光学干涉仪、脉冲发生模块、pc机单元连接；

所述激光源用于产生一定波长的光并输出至aom调制器单元；

所述aom调制器单元对激光源输入的光进行调制以产生合适宽带的光脉冲信号输出至第一光放大及滤波器单元；

所述第一光放大及滤波器单元对aom调制器输入的光脉冲信号进行功率放大并且过滤掉被放大的自发辐射，然后输出至环路器；

所述环路器将第一光放大及滤波器单元输入的激光传递至传感光纤中，并将传感光纤散射的光传递至第二光放大及滤波器单元；

所述第二光放大及滤波器单元对环路器传递的散射的微弱光进行放大同时过滤掉被放大的自发辐射，然后输出至可调标距光学干涉仪；

所述可调标距光学干涉仪内设置有多个延迟单元能根据配置在线设置不同的标距长度，并对第二光放大及滤波器单元输入的光信号进行相干后输出至信号采集和处理模块；

所述信号采集和处理模块用于控制和配置脉冲发生模块和可调标距光学干涉仪，并对可调标距光学干涉仪干涉后的光信号进行光电转换、采集、和信号处理并输出至pc机单元；

所述脉冲发生模块根据信号采集和处理模块的参数配置控制aom调制器输出不同脉宽的光信号；

所述pc机单元用于对信号采集和处理模块输出的数据进行算法处理，以及配置信号采集和处理模块。

其中，所述可调标距光学干涉仪可以为串型光学干涉仪，包括：

多个依次串接的串型延迟单元、第一耦合器、第二耦合器、开关控制单元，第一个串型延迟单元的输入端连接所述第一耦合器，最后一个串型延迟单元的输出端连接所述第二耦合器；

所述开关控制单元的输入端连接信号采集和处理模块，输出端分别连接多个所述串型延迟单元并控制所述串型延迟单元，所述第一耦合器的输入端连接第二光放大及滤波器单元并输出至串型延迟单元，所述第二耦合器的输出端连接至信号采集和处理模块；

每个所述串型延迟单元由多个光开关和一定长度的起延迟作用的延迟光纤串接组成。

其中，每一串型延迟单元包括第一至第四光开关和第一延迟光纤，每一光开关均包括输入端、输出端及控制端；

所述第一光开关的输入端连接上一串型延迟单元第一光开关的输出端，第一光开关的输出端连接下一串型延迟单元第一光开关的输入端，第一光开关的控制端连接开关控制单元；

所述第二光开关的输入端连接上一串型延迟单元的第四光开关的输出端，第二光开关的输出端连接第一延迟光纤的输入端，第二光开关的控制端连接开关控制单元；

所述第三光开关的输入端第一延迟光纤的输出端，第三光开关的输出端连接第四光开关的输出端，第三光开关的控制端连接开关控制单元；

所述第四光开关的输入端连接上一串型延迟单元第四光开关的输出端，第四光开关的输出端连接下一串型延迟单元第四光开关的输入端，第四光开关的控制端连接开关控制单元。

其中，所述可调标距光学干涉仪也可以为循环型光学干涉仪，包括：

第三耦合器、第四耦合器、第五耦合器、定时控制单元及并接在一起的至少第一循环型延迟单元和第二循环型延迟单元；

第三耦合器的输入端连接第二光放大及滤波器单元，第三耦合器的输出端连接第五耦合器、第一循环型延迟单元和第二循环型延迟单元的输入端；

第四耦合器的输入端连接第一循环型延迟单元和第二循环型延迟单元的输出端，第四耦合器的输出端连接第五耦合器的输入端；

第五耦合器的输出端连接信号采集和处理模块，定时控制单元的输入端连接信号采集和处理模块，定时控制单元的输出端连接多个所述循环型延迟单元并控制所述循环型延迟单元；

每个所述循环型延迟单元由多个光开关、耦合器和一定长度的起延迟作用的延迟光纤并接组成。

其中，第一循环型延迟单元包括第五至第七光开关、第六耦合器及第二延迟光纤，第二循环型延迟单元包括第八至第十光开关、第七耦合器及第三延迟光纤，每一光开关均包括输入端、输出端及控制端；

所述第五光开关的输入端连接第三耦合器的输出端，第五光开关的输出端连接第六耦合器的输入端，第五光开关的控制端连接定时控制单元；

所述第六耦合器的输入端连接第二延迟光纤的输出端，第六耦合器的输出端连接第六光开关、第七光开关的输入端；

所述第六光开关的输出端连接第二延迟光纤的输入端，第六光开关的控制端连接定时控制单元；

所述第七光开关的输出端连接第四耦合器的输入端，第七光开关的控制端连接定时控制单元；

所述第八光开关的输入端连接第三耦合器的输出端，第八光开关的输出端连接第七耦合器的输入端，第八光开关的控制端连接定时控制单元；

所述第七耦合器的输入端连接第三延迟光纤的输出端，第七耦合器的输出端连接第九光开关、第十光开关的输入端；

所述第九光开关的输出端连接第三延迟光纤的输入端，第九光开关的控制端连接定时控制单元；

所述第十光开关的输出端连接第四耦合器的输入端，第十光开关的控制端连接定时控制单元。

本发明的可调标距长度的光纤分布式振动传感系统，通过设置激光源、aom调制器、第一光放大及滤波器单元、环路器、传感光纤、第二光放大及滤波器单元、可调标距光学干涉仪、信号采集和处理模块、脉冲发生模块和pc机单元构成振动传感系统，其中可调标距光学干涉仪内串接多个串型延迟单元或者并接多个循环型延迟单元对光信号进行延迟，从而使得光纤分布式振动传感系统的标距长度可调，以适应现场待测物体尺寸改变等不同的测量需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明可调标距长度的光纤分布式振动传感系统第一实施例的组成示意图；

图2为本发明系统中串型光学干涉仪的组成示意图；

图3为本发明串型光学干涉仪中串型延迟单元的组成示意图；

图4为本发明延迟单元内光开关的组成示意图；

图5为本发明系统中循环型光学干涉仪的组成示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

请参考图1至图5，本发明提出一种可调标距长度的光纤分布式振动传感系统，包括：

激光源、aom调制器、第一光放大及滤波器单元、环路器、传感光纤、第二光放大及滤波器单元、可调标距光学干涉仪、信号采集和处理模块、脉冲发生模块和pc机单元。

所述aom调制器与激光源、脉冲发生器模块、第一光放大及滤波器单元连接，所述环路器与第一光放大及滤波器单元、传感光纤、第二光放大及滤波器单元连接，所述可调标距光学干涉仪与第二光放大及滤波器单元连接，所述信号采集和处理模块与可调标距光学干涉仪、脉冲发生模块、pc机单元连接。

该系统各部分作用如下：

所述激光源用于产生一定波长的光并输出至aom调制器单元。

所述aom调制器单元对激光源输入的光进行调制以产生合适宽带的光脉冲信号输出至第一光放大及滤波器单元。

所述第一光放大及滤波器单元对aom调制器输入的光脉冲信号进行功率放大并且过滤掉被放大的自发辐射，然后输出至环路器。

所述环路器将第一光放大及滤波器单元输入的激光传递至传感光纤中，并将传感光纤散射的光传递至第二光放大及滤波器单元。

所述第二光放大及滤波器单元对环路器传递的散射的微弱光进行放大同时过滤掉被放大的自发辐射，然后输出至可调标距光学干涉仪。

所述可调标距光学干涉仪内设置有多个延迟单元能根据配置在线设置不同的标距长度，并对第二光放大及滤波器单元输入的光信号进行相干后输出至信号采集和处理模块。可调标距光学干涉仪内的多个延迟单元能根据不同的延迟组合来延迟光信号从而起到调整标距长度的作用。

所述信号采集和处理模块用于控制和配置脉冲发生模块和可调标距光学干涉仪，并对可调标距光学干涉仪干涉后的光信号进行光电转换、采集和信号处理并输出至pc机单元。信号采集和处理模块用于配置脉冲发生模块和可调标距光学干涉仪的参数，并对可调标距光学干涉仪干涉后光信号进行处理。

所述脉冲发生模块根据信号采集和处理模块的参数配置控制aom调制器输出不同脉宽的光信号。

所述pc机单元用于对信号采集和处理模块输出的数据进行算法处理，以及配置信号采集和处理模块。pc机单元对信号采集和处理模块输入的数据进行处理以得到最终的振动传感测量结果。

作为一种实施方式，如图2所示，本发明振动传感系统的可调标距光学干涉仪为串型光学干涉仪，包括：

多个依次串接的串型延迟单元、第一耦合器、第二耦合器、开关控制单元，第一个串型延迟单元的输入端连接所述第一耦合器，最后一个串型延迟单元的输出端连接所述第二耦合器。

所述开关控制单元的输入端连接信号采集和处理模块，输出端分别连接多个所述串型延迟单元并控制所述串型延迟单元，所述第一耦合器的输入端连接第二光放大及滤波器单元并输出至串型延迟单元，所述第二耦合器的输出端连接至信号采集和处理模块。

每个所述串型延迟单元由多个光开关和一定长度的起延迟作用的延迟光纤串接组成，每七个所述串型延迟单元组成一个延迟量级。延迟光纤能延迟光信号的传递。

该串型光学干涉仪实施例中，标距长度按照如下公式进行计算：

lg＝(x1*l11+x2*l12+x3*l13+x4*l14+x5*l15+x6*l16+x7*l17+

x8*l21+x9*l22+x10*l23+x11*l24+x12*l25+x13*l26+x14*l27+

……+

xn-6*lm1+xn-5*lm2+xn-4*lm3+xn-3*lm4+xn-2*lm5+xn-1*lm6+xn*lm7)/2；

其中，lg为标距长度；

xi＝1或0，i＝1、2、……n,xi表示是否启用该串型延迟单元；

ljk表示各个串型延迟单元的延迟长度,j＝1、2、…m，表示延迟量级数目，k＝1、2、…7表示该延迟量级中的第k个串型延迟单元。

本实施例中，通过控制不同的光开关，而启用或断开不同数量的串型延迟单元，从而实现不同数量、长度的串型延迟单元的组合，从而起到调整标距长度的作用。

本实施例中，每一个延迟量级的7个延迟单元按照1、2、4、8、16、32、36的比例进行延迟光纤的配置。

具体地，如图3和图4所示，每一串型延迟单元包括第一至第四光开关和第一延迟光纤，每一光开关均包括输入端、输出端及控制端。

所述第一光开关的输入端连接上一串型延迟单元第一光开关的输出端，第一光开关的输出端连接下一串型延迟单元第一光开关的输入端，第一光开关的控制端连接开关控制单元。

所述第二光开关的输入端连接上一串型延迟单元的第四光开关的输出端，第二光开关的输出端连接第一延迟光纤的输入端，第二光开关的控制端连接开关控制单元。

所述第三光开关的输入端第一延迟光纤的输出端，第三光开关的输出端连接第四光开关的输出端，第三光开关的控制端连接开关控制单元。

所述第四光开关的输入端连接上一串型延迟单元第四光开关的输出端，第四光开关的输出端连接下一串型延迟单元第四光开关的输入端，第四光开关的控制端连接开关控制单元。

本实施例中，第一延迟光纤与第二光开关、第三光开关串接，光信号进入串型延迟单元后分成两路，一路是经过延迟的，一路是不经过延迟的。其中：一路光信号直接经过第一光开关进入下一串型延迟单元而不经过延迟，而另一路光信号经过第二光开关、第一延迟光纤、第三光开关延迟后再与第四光开关不经延迟的光信号相互作用后输出至下一串型延迟单元。开关控制单元控制第二光开关、第三光开关的通断而控制是否启用该串型延迟单元的延迟作用，而实现不同数量和长度的串型延迟单元的组合，从而调整标距长度。

作为另一种实施方式，如图5所示，本发明振动传感系统的可调标距光学干涉仪为循环型光学干涉仪，包括：

第三耦合器、第四耦合器、第五耦合器、定时控制单元及并接在一起的至少第一循环型延迟单元和第二循环型延迟单元。

第三耦合器的输入端连接第二光放大及滤波器单元，第三耦合器的输出端连接第五耦合器、第一循环型延迟单元和第二循环型延迟单元的输入端。

第四耦合器的输入端连接第一循环型延迟单元和第二循环型延迟单元的输出端，第四耦合器的输出端连接第五耦合器的输入端。

第五耦合器的输出端连接信号采集和处理模块，定时控制单元的输入端连接信号采集和处理模块，定时控制单元的输出端连接多个所述循环型延迟单元并控制所述循环型延迟单元。

每个所述循环型延迟单元由多个光开关、耦合器和一定长度的起延迟作用的延迟光纤并接组成。延迟光纤在延迟单元中延迟光信号的传递。

该循环型光学干涉仪实施例中，标距长度按照如下公式进行计算：

lg＝[(t2-t1)*l+(t3-t2)*l+……+(tn+1-tn)*l]/2

＝(tn+1-t1)*l/2

其中：lg为标距长度；

tn是光开关通断的控制时刻，n＝1,2,……,n是循环型延迟单元的个数，l是单位时间内各循环型延迟单元的延迟长度。

本实施例中，通过控制不同的光开关组合，而启用或断开不同数量的循环型延迟单元，从而实现不同数量的循环型延迟单元的组合，从而起到调整标距长度的作用。

具体地，请继续参加图5，本实施例的第一循环型延迟单元包括第五至第七光开关、第六耦合器及第二延迟光纤，第二循环型延迟单元包括第八至第十光开关、第七耦合器及第三延迟光纤，每一光开关均包括输入端、输出端及控制端。

所述第五光开关的输入端连接第三耦合器的输出端，第五光开关的输出端连接第六耦合器的输入端，第五光开关的控制端连接定时控制单元。

所述第六耦合器的输入端连接第二延迟光纤的输出端，第六耦合器的输出端连接第六光开关、第七光开关的输入端。

所述第六光开关的输出端连接第二延迟光纤的输入端，第六光开关的控制端连接定时控制单元。

所述第七光开关的输出端连接第四耦合器的输入端，第七光开关的控制端连接定时控制单元。

所述第八光开关的输入端连接第三耦合器的输出端，第八光开关的输出端连接第七耦合器的输入端，第八光开关的控制端连接定时控制单元。

所述第七耦合器的输入端连接第三延迟光纤的输出端，第七耦合器的输出端连接第九光开关、第十光开关的输入端。

所述第九光开关的输出端连接第三延迟光纤的输入端，第九光开关的控制端连接定时控制单元。

所述第十光开关的输出端连接第四耦合器的输入端，第十光开关的控制端连接定时控制单元。

本实施例中，第二延迟光纤与第五光开关、第六耦合器、第六光开关、第七光开关并接，第三延迟光纤与第八光开关、第七耦合器、第九光开关、第十光开关并接。其具体作用过程如下：

光信号经过第三耦合器进入第一循环型延迟单元，定时控制单元产生控制信号使第五光开关和第六光开关闭合同时使第七光开关和第八光开关断开(t1时刻)，信号进入第六耦合器然后进入第二延迟光纤，然后再次循环进入第六耦合器，直到到达定时时刻(t2时刻)后第五光开关和第六光开关断开，同时第七光开关闭合，这样循环延迟后的信号依次经过第四耦合器和第五耦合器，在第五耦合器处与不经延迟的信号进行作用。在第五光开关和第六光开关断开的同时第七光开关闭合的时刻(t2时刻)，通过定时控制单元让第八光开关和第九光开关闭合第十光开关断开，这样光信号经过第三耦合器进入第二循环型延迟单元进行循环延迟，同样到达定时时刻后(t3时刻)，延迟后的信号依次经过第四耦合器和第五耦合器，最终与不经延迟的信号进行作用后输出。

定时控制单元控制第五光开关、第六光开关、第七光开关的通断而控制第一循环型延迟单元的延迟作用，控制第八光开关、第九光开关、第十光开关的通断而控制第二循环型延迟单元的延迟作用，不同数量循环型延迟单元的组合控制实现标距长度的调整。

本实施例中，根据需要可以增加多个循环型延迟单元而实现调节大范围的标距长度。

本发明的基于相位检测的可调标距长度的光纤分布式振动传感系统，其实现可调标距及工作的具体过程如下：

步骤1、根据需要，信号采集和处理模块根据上位pc机的命令先配置脉冲发生模块控制aom单元，通过外部调制方式调制激光源产生的激光。

步骤2、根据需要，信号采集和处理模块配置可调标距光学干涉仪，通过干涉仪内的开关控制单元或定时控制单元控制干涉仪内不同的延迟单元，各个延迟单元组合产生合适的标距长度。

步骤3、通过信号采集和处理模块控制脉冲发生模块使其产生合适的控制脉冲，其设置宽度与步骤2中延迟长度成线性关系。

步骤4、完成步骤1、2、3后，可调标距光学干涉仪输出的信号在信号采集和处理模块经过光电转换后把携带相位信息的光信号转换为电信号，经过合适的电信号调理(放大和滤波)后进行数据信号采集。

步骤5、结合振动传感系统中测量的振动源，将采集后的数据在线进行相位解调，并进行标距长度验证。

步骤6、在正常工作模式下，通过信号采集和处理模块的通信接口将进行相位解调后的数据传输至上位机，通过分析算法获取传感光纤上各个点上的振动信息。

本发明实施例提出的可调标距长度的光纤分布式振动传感系统，通过设置激光源、aom调制器、第一光放大及滤波器单元、环路器、传感光纤、第二光放大及滤波器单元、可调标距光学干涉仪、信号采集和处理模块、脉冲发生模块和pc机单元构成振动传感系统，其中可调标距光学干涉仪内串接多个串型延迟单元或者并接多个循环型延迟单元对光信号进行延迟，从而使得光纤分布式振动传感系统的标距长度可在线调整，以适应待测物体尺寸变化等需求。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。