一种多通道光栅阵列光纤振动传感系统及方法

本发明涉及光纤光栅传感，具体地指一种多通道光栅阵列光纤振动传感系统及方法。

背景技术：

1、光栅阵列相位解调技术具有探测距离长、灵敏度高、信号处理简单等优势，能够很好地适应深海、地下长距离分布式振动监测需求，因而得到国内外研究单位和企业的广泛关注。当前光栅阵列相位解调方法主要包括主动相位补偿法、外差法、耦合器多项解调法等，其中基于3×3耦合器的耦合器多项解调法利用耦合器输出端相位差构建解调的干涉信号，具有动态范围大、无需有源器件等优势，是一种简单有效的解调方法。现有解调技术一般将基于3×3耦合器的迈克尔逊干涉仪置于光栅阵列光纤传感网络的反射信号端，利用干涉仪的臂长差实现前后两个光栅反射信号的干涉，进而利用3×3耦合器输出端两两之间120°相位差实现三路干涉信号的相位解调。

2、由于大容量光栅阵列传感网络中光栅的反射率＜-45db，传感网络的反射信号较弱，而基于3×3耦合器的迈克尔逊干涉仪损耗约为-10db，如此大的损耗对于本身就很弱的反射信号而言，严重影响了反射信号的信噪比，从而导致系统的解调精度变差。为了解决这一问题，现有解决方案往往采用光纤放大器提高反射信号的功率，而反射信号放大后往往引入较强的直流污染，限制了光电探测器的输入动态范围。

3、另一方面，为了共享昂贵的光器件以及系统复杂度的考虑，多通道光栅阵列光纤振动传感系统一般将探测光信号均分为多路，每路信号配备一套基于3×3耦合器多相检测方法的信号处理系统探测一条光栅阵列光纤。随着传感通道数的增加，基于3×3耦合器多相检测方法的信号处理系统也随之增多，而信号处理系统内部需要对3×3耦合器的三路输出信号进行高速采集、同步处理，系统成本及整体复杂度高，不利于光栅阵列相位解调技术的大批量产业化应用，发明一种简单实用的紧凑型多通道光栅阵列光纤振动传感系统迫在眉睫。

技术实现思路

1、本发明的目的就是要提供一种多通道光栅阵列光纤振动传感系统及方法，本发明通过基于3×3耦合器的光路结构设计实现多相位探测脉冲序列的产生，利用多相位探测脉冲序列探测光栅阵列光纤，通过不同相位探测脉冲的组合实现光栅阵列光纤中相邻光栅反射信号的干涉及解调，避免了反射信号经过基于3×3耦合器的迈克尔逊干涉仪的损耗，从而在不对反射信号进行放大的同时提高系统的信噪比，此外，每条光栅阵列光纤的解调仅需要采集单路信号，降低了系统成本及复杂度。

2、为实现此目的，本发明所设计的多通道光栅阵列光纤振动传感系统，其特征在于：它包括脉冲光源模块、相位调制单元、多路光纤分路器、多路光栅阵列传感光纤、信号处理模块和多路光电转换模块；

3、所述脉冲光源模块用于输出一个周期内延时为ts的脉冲光信号p1和脉冲光信号p2；

4、脉冲光信号p1在相位调制单元中形成反射光信号p11、反射光信号p12、反射光信号p13和反射光信号p14，脉冲光信号p2在相位调制单元中形成反射光信号p21、反射光信号p22、反射光信号p23和反射光信号p24，反射光信号p11、反射光信号p12、反射光信号p13和反射光信号p14、反射光信号p21、反射光信号p22、反射光信号p23和反射光信号p24形成脉冲光序列信号；

5、多路光纤分路器用于将所述脉冲光序列信号均分为多路功率相等的子脉冲光序列信号，每个子脉冲光序列信号分别进入对应的光栅阵列传感光纤；

6、每个子脉冲光序列信号中的各个脉冲信号在对应的光栅阵列传感光纤中遇到每个光栅都会发生反射，光栅阵列传感光纤中相邻光栅反射的第一个脉冲信号时延为tg；

7、每路光栅阵列传感光纤反射回来的脉冲信号经过多路光纤分路器输出至对应的多路光电转换模块进行光电信号的转换得到对应的传感电信号；其中，每路光栅阵列传感光纤的相邻两个光栅中的前一个光栅反射的反射光信号p22、反射光信号p23和反射光信号p24分别与相邻两个光栅的后一个光栅反射的反射光信号p11、反射光信号p12和反射光信号p13发生干涉，产生对应的传感电信号；

8、信号处理模块用于对传感电信号进行相位解调处理。

9、本发明相比于传统的利用多个干涉仪的多通道光栅阵列光纤振动传感系统，在保留了光栅阵列传感技术探测距离长、复用容量大、灵敏度高的优势的同时，大大简化了传统相位解调系统的光路及结构设计，避免了反射信号经过基于3×3耦合器的迈克尔逊干涉仪的损耗，从而在不对反射信号进行放大的同时提高系统的信噪比，此外，每条光栅阵列光纤的解调仅需要采集单路信号，降低了系统成本及复杂度，为光栅阵列光纤振动传感技术的大范围工程应用提供了帮助。

技术特征：

1.一种多通道光栅阵列光纤振动传感系统，其特征在于：它包括脉冲光源模块、相位调制单元、多路光纤分路器、多路光栅阵列传感光纤、信号处理模块和多路光电转换模块；

2.根据权利要求1所述的多通道光栅阵列光纤振动传感系统，其特征在于：相位调制单元中的第一耦合器用于将脉冲光信号p1分成相位差为a的第一级子脉冲光信号p100和第一级子脉冲光信号p101，第一级子脉冲光信号p100通过延时光纤l11输送至相位调制单元中的第二耦合器，第一级子脉冲光信号p101通过延时光纤l21输送至相位调制单元中的第三耦合器，相位调制单元中的第二耦合器用于将第一级子脉冲光信号p100分成相位差为b的第二级子脉冲光信号p1001和第二级子脉冲光信号p1002，相位调制单元中的第三耦合器用于将第一级子脉冲光信号p101分成相位差为b的第二级子脉冲光信号p1011和第二级子脉冲光信号p1012；

3.根据权利要求2所述的多通道光栅阵列光纤振动传感系统，其特征在于：反射光信号p11与反射光信号p12的时间延迟为t1，反射光信号p21与反射光信号p22之间的时间延迟为t1，反射光信号p11与反射光信号p13之间的时间延迟为t2，反射光信号p21与反射光信号p23之间的时间延迟为t2，反射光信号p11与反射光信号p14之间的时间延迟为t3，反射光信号p21和p24之间的时间延迟为t3。

4.根据权利要求2或3所述的多通道光栅阵列光纤振动传感系统，其特征在于：所述反射光信号p11与反射光信号p21延时等于脉冲光信号p1与脉冲光信号p2的延时ts，反射光信号p11与反射光信号p22延时等于光栅间距对应的延时。

5.根据权利要求2或3所述的多通道光栅阵列光纤振动传感系统，其特征在于：所述脉冲光源模块用于在每个脉冲光信号p1和脉冲光信号p2输出周期向信号处理模块输出同步触发电信号，使信号处理模块开始采集光电转换模块转换的电信号。

6.根据权利要求1所述的多通道光栅阵列光纤振动传感系统，其特征在于：它还包括环形器和脉冲信号放大器，脉冲光信号p1和脉冲光信号p2通过环形器输送至相位调制单元；

7.根据权利要求3所述的多通道光栅阵列光纤振动传感系统，其特征在于：所述延时ts、时延tg、延迟t1、延迟t2和延迟t3分别满足如下公式：

8.根据权利要求1所述的多通道光栅阵列光纤振动传感系统，其特征在于：所述前一个光栅反射的反射光信号p22与后一个光栅反射的反射光信号p11发生干涉的干涉信号幅值为i1，前一个光栅反射的反射光信号p23与后一个光栅反射的反射光信号p12发生干涉的干涉信号幅值为i2，前一个光栅反射的反射光信号p24与后一个光栅反射的反射光信号p13发生干涉的干涉信号幅值为i3；

9.根据权利要求8所述的多通道光栅阵列光纤振动传感系统，其特征在于：将干涉信号幅值i1、干涉信号幅值i2和干涉信号幅值i3两两联立作为椭圆的参数方程，通过椭圆拟合算法实现a1、a2、a3、b1、b2、b3、θ1、θ2、θ3的求解。

10.一种基于权利要求1所述系统的多通道光栅阵列光纤振动传感方法，其特征在于，它包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种多通道光栅阵列光纤振动传感系统，它的脉冲光源模块输出延时为ts的脉冲光信号p1和p2；脉冲光信号p1和p2在相位调制单元中形成脉冲光序列信号；多路光纤分路器将脉冲光序列信号均分为多路功率相等的子脉冲光序列信号；每个子脉冲光序列信号中的各个脉冲信号在对应的光栅阵列传感光纤中遇到每个光栅都会发生反射；每路光栅阵列传感光纤反射回来的脉冲信号经过多路光纤分路器输出至对应的多路光电转换模块进行光电信号的转换得到对应的传感电信号；信号处理模块对传感电信号进行相位解调处理。本发明在不对反射信号进行放大的同时提高系统的信噪比，每条光栅阵列光纤的解调仅需要采集单路信号，降低了系统成本及复杂度。

技术研发人员：王加琪,宋珂,李政颖,江山,王立新
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15