感器整体结构框图。由图1可见，本发明基于数字增强干涉的高灵敏度准分布式光纤光栅 振动传感器其构成包括窄线宽激光器1、第一光纤耦合器2、电光调制器3、声光调制器4、环 形器5、弱反射率光纤光栅阵列6(由弱反射率光栅1、光栅2···、光栅η级联而成）、第二光纤 耦合器7、双平衡探测器8、任意波形发生器9、电学放大器10、电学延时器1 11、电学延迟器 2 12···、电学延时器η 13、乘法器1 14、乘法器2 15···、乘法器η 16、相位解调器17,其特征 在于所述的窄线宽激光器1的输出端口与所述的第一光纤親合器2的输入端口相连，该第 一光纤親合器2的第一输出端口与所述的电光调制器3光信号输入端相连，所述的电光调 制器3输出端口与所述的声光调制器4的光信号输入端口相连，所述的声光调制器4的光 信号输出端口与所述的环形器5第一端口相连，该环形器5的第二端口与弱反射率光纤光 栅阵列6的输入端口相连，该环形器5的第三端口与所述的第二光纤親合器7的第一输入 端相连，第一光纤親合器2的第二输出端口与第二光纤親合器7的第二输入端口相连，第二 光纤耦合器7的两个输出端口与双平衡探测器8的两个输入端口相连，该双平衡探测器8 的输出端口同时与乘法器1 14、乘法器2 15···、乘法器η 16的第一输入端口相连，所述的 任意波形发生器9的第一输出端口与所述的电学放大器10的输入端口相连，所述的电学放 大器10的输出端口与电光调制器3的射频信号输入端口相连，任意波形发生器9的第二输 出端口同时与所述的电学延时器1 11、电学延迟器2 12···、电学延时器η 13的输入端口相 连，所述的电学延时器1 11、电学延迟器2 12···、电学延时器η 13的输出端口分别与乘法 器1 14、乘法器2 15···、乘法器η 16的第二输入端口相连，乘法器1 14、乘法器2 15···、乘 法器η 16的输出端口分别与相位解调器的多个输入端口相连。
[0034] 本发明装置的基本原理如下：
[0035] 第一、窄线宽激光器输出的光信号经第一光纤親合器分为探测光和本振光，探测 光经电光调制器，伪随机码驱动电光调制器对输入连续激光进行相位调制。伪码的〇对应 调制相位〇,伪码的1对应调制相位η。调制后的光经过声光调制器后，产生一定的频移。
[0036] 第二、产生频移后的光信号通过环形器注入弱反射率光纤光栅阵列，假设相邻两 个光纤光栅的位置分别为1:和1 2，则该两个光栅之间的传感光纤长度为A I = I2-I1。探测 光信号往返各个光纤光栅的时间分别为h= 2nl /(^t2= 2nl 2/c，式中c为光速，η为光纤 折射率。相邻光栅之间待测信号产生的光相位差信号为△ φ (t) = 4π η (t) Al(t)/c。
[0037] 第三、经过各个光纤光栅反射回来的光信号与本振光拍频后，进入双平衡探测器 进行外差接收，将光信号转化为电信号。
[0038] 第四、本地伪随机序列经过延时器分别延时h、t2…、1后，与探测器输出的信号进 行乘法（相关）运算。V t2···、1分别对应探测光信号往返FBG1、FBG2···、FBGn的时间。 由于伪随机序列的自相关系数为1，互相关系数为0。因此，特定延时后的本地伪随机序列 与反射回的信号相关运算后得到各个光纤光栅反射点FBG1、FBG2···、FBGn反射回的信号。
[0039] 第五、相关运算得到的模拟信号，经过模数转换器转换为数字信号之后，接入相位 解调模块，进行相位解调，例如采用正交相位解调的方式。解调出传感阵列中FBGl、FBG2…、 FBGn处光信号的相位信息为奶、φ2…、.φΗ，然后相邻两个光栅处的光相位进行差分，就可 以得到相邻两段光栅中传感光纤上的相位扰动信号、Δ?/> 2…、。
[0040] 第六、此外，如果各个光栅的反射率是相同的话，则随着传感距离的增加，反射回 的信号强度会逐渐减小。如果反射信号的强度的差异很大，会影响系统的信噪比。可以通过 实现光纤光栅的折射率差异化设计，使光纤光栅折射率逐渐增加，使各个光栅反射回的信 号的强度基本一致，进一步提高信噪比，图2为其它条件设置一致，只是传感光栅的折射率 不同的情况下信噪比与光栅个数的仿真的关系：一种情况为各个光纤光栅反射率都为1% (反射回的信号强度逐渐降低），另一种为各个光纤光栅折射率差异化设计（折射率逐渐增 加，各个光栅反射回的信号强度多约为入射光强的1% )。可见，光纤光栅的折射率进行差 异化设计后的信噪比比各个光栅折射率一致的情况下信噪比要高，且光栅个数越多，信噪 比差异越明显。
[0041] 以上技术方案可以实现一种基于数字增强干涉的高灵敏度准分布式光纤光栅振 动传感器。虽然参照上述具体实施例详细地描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于 所公开的实施方式和实施例，对于本专业领域技术人员来说，可对其形式和细节进行各种 改变。例如光纤激光器的形式可以替代为其它窄线宽单频激光器；激光器的工作波段可以 替换为其它波段；环形器可用耦合器替代；相位解调器件也可以为其他种类的数字信号处 理器，如计算机、单片机等。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实例而已，并不用于 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于数字增强干涉的高灵敏度准分布式光纤光栅振动传感器，其特征在于包括 窄线宽激光器（1)、第一光纤耦合器（2)、电光调制器（3)、声光调制器（4)、环形器（5)、弱反 射率光纤光栅阵列（6)、弱反射率光纤光栅阵列由弱反射率光栅1、光栅2…、光栅m级联而 成、第二光纤耦合器（7)、双平衡探测器（8)、任意波形发生器（9)、电学放大器（10)、n个电 学延时器：电学延时器I (11)、电学延迟器2 (12)…、电学延时器n (13)、n个乘法器：乘法器 1(14)、乘法器2(15)…、乘法器n(16)、相位解调器（17)，所述的窄线宽激光器⑴的输出 端口与所述的第一光纤親合器（2)的输入端口相连，第一光纤親合器（2)的第一输出端口 与所述的电光调制器（3)的光信号输入端相连，所述的电光调制器（3)输出端口与所述的 声光调制器（4)的光信号输入端口相连，所述的声光调制器（4)的光信号输出端口与所述 的环形器（5)第一端口相连，所述环形器（5)的第二端口与弱反射率光纤光栅阵列（6)的 输入端口相连，所述环形器（5)的第三端口与所述的第二光纤耦合器（7)的第一输入端相 连，第一光纤親合器（2)的第二输出端口与第二光纤親合器（7)的第二输入端口相连，第二 光纤耦合器（7)的两个输出端口与双平衡探测器（8)的两个输入端口相连，所述双平衡探 测器⑶的输出端口同时与乘法器1(14)、乘法器2(15)…、乘法器n(16)的第一输入端口 相连，所述的任意波形发生器（9)的第一输出端口与所述的电学放大器（10)的输入端口相 连，所述的电学放大器（10)的输出端口与电光调制器（3)的射频信号输入端口相连，任意 波形发生器（9)的第二输出端口同时与所述的n个电学延时器输入端口并联相连，所述的 n个电学延时器的输出端口分别与对应的n个乘法器的第二输入端口相连，n个乘法器的输 出端口分别与相位解调器（17)的多个输入端口相连。2. 根据权利要求1所述传感器进行传感的方法，利用任意波形发生器产生伪随机序 列，伪随机序列经过放大器之后，用来驱动电光调制器，电光调制器对窄线宽激光器的激光 进行相位调制，伪随机码调制后光信号经过弱反射率光纤光栅阵列，不同弱反射率光纤光 栅反射点处反射回来的光信号到达接收端的时间不同，利用伪随机码自相关系数为1，互相 关系数约为0的特点，将接收到的信号与经过特定延迟即与信号光到达欲测量点的往返时 间一致的本地伪随机码进行相关运算，就得到感兴趣的某点的反射信号，而其它点的信号 (包括噪声）被抑制，相关运算之后的信号再经过相位解调，得到各个反射点的相位信息， 相邻的两个反射点处的相位信息进行差分，就能得到两个反射点之间的传感光纤上的振 动、声音传感信号。3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于采用由弱反射率光栅1、光栅2…、光栅m级 联而成的弱反射率光纤光栅阵列，由所述光栅阵列反射回来的信号作为传感信号。4. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于弱反射率光纤光栅阵列中的各个弱反射率 光栅的折射率经过设计：各个弱反射率光栅的折射率随距离逐渐增大，保证反射回来的光 信号幅度基本一致，提高信噪比。5. 根据权利要求2所述的方法，所述的窄线宽激光器是窄线宽光纤激光器，中心波长 是1550nm，线宽为2. 5kHz，也可以采用其它种类的窄线宽的激光器；所述的第一光纤耦合 器是普通单模光纤，1550nm波段，分光比是9:1 ;所述的第二光纤耦合器是普通单模光纤， 1550nm波段分光比是1:1。6. 根据权利要求2所述的方法，所述的电光调制器，是具有较高带宽的相位调制器，通 过伪随机码对光信号进行0或相位调制。7. 根据权利要求2所述的方法，所述的声光调制器是使本振光与探测光产生几十MHz 的频率差，输出光仍为连续光。8. 根据权利要求2所述的方法，所述的所述的任意波形发生器由可编程逻辑器件制 备，实现伪随机序列的产生，以及对数字信号处理，实现数字信号的相位解调；所述的双平 衡探测器，是将光信号转换为电信号的高速探测器；所述的乘法器，是实现电信号与伪随机 序列的乘法（相关）运算。9. 根据权利要求2所述的方法，所述的电学延时器，是为了使本地伪随机序列进行延 迟，与反射点反射回来的信号的伪随机序列相位一致。所述的放大器，主要是实现对伪随机 序列的放大，使伪随机序列能够驱动电光调制器实现O或JT相位调制。10. 根据权利要求2所述的方法，所述的相位解调器是能够实现信号的相位解调的硬 件模块，或是经过模数转换器+计算机上位机后的软件解调。
【专利摘要】基于数字增强干涉的高灵敏度准分布式光纤光栅振动传感器，包括窄线宽激光器、第一光纤耦合器、电光调制器、声光调制器、环形器、弱反射率光纤光栅阵列、第二光纤耦合器、双平衡探测器、任意波形发生器、电学放大器、n个电学延时器、n个乘法器、相位解调器；所述的窄线宽激光器的输出端口与所述的第一光纤耦合器的输入端口相连，第一光纤耦合器的第一输出端口与所述的电光调制器的光信号输入端相连，所述的电光调制器输出端口与所述的声光调制器的光信号输入端口相连，所述的声光调制器的光信号输出端口与所述的环形器第一端口相连，所述环形器的第二端口与弱反射率光纤光栅阵列的输入端口相连。
【IPC分类】G01H9/00
【公开号】CN105157812
【申请号】CN201510601605
【发明人】卢斌, 叶青, 魏韦
【申请人】南京派光信息技术有限公司
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年9月18日