[发明专利]基于光纤偏振光时域反射传感的振动监测结构及方法

说明书

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、抗电磁干扰、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OTDR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(POTDR)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POTDR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，