[发明专利]基于弱光栅阵列和空间分辨率可调的分布式振动传感系统

说明书

本发明公开了一种基于弱光栅阵列和空间分辨率可调的分布式振动传感系统，脉冲光首先经过声光调制器调制，经过掺铒光纤放大器放大的脉冲探测光通过第一环形器之后进入光纤弱光栅阵列中，光纤弱光栅反射光反馈通过第一环形器，输出至第二环形器；第二环形器输出的光通过3x3耦合器之后到达两个臂长差为d的法拉第旋镜，两个法拉第旋镜将每个光栅的反射光分出一束光程差延迟为d的反射光用于与下一个光栅反射光耦合形成干涉，干涉光由3x3耦合器输出到3个不同的光电探测仪，还包括下位机模块，经过下位机模块处理过的信号传递给上位机PC端，用于解决现有的弱光栅振动解调技术中无法高效解调高低频信号及光栅空间分辨率调节困难的缺陷。

技术领域

本发明属于光纤光栅传感技术领域，尤其涉及一种基于弱光栅阵列和空间分辨率可调的分布式振动传感系统。

背景技术

弱光栅阵列技术相比于传统光纤具有更高的反射光信噪比，同时相对于普通光栅光纤来说其反射率通常可以低至-40dB以下，无焊点、不需熔接，单次复用数量可以超过上万个。基于弱光栅阵列的振动传感技术具有复用距离长，灵敏度高，信噪比强，解调速度快等特点，可应用于周界安防，油气勘探，管道泄漏等领域。

制约弱光栅阵列振动传感技术主要有两个因素，一是解调带宽受限，对于低于1Hz以下的低频信号和高于1kHz的高频信号解调困难。为了兼容采集高频或低频信号，将会产生一系列的数据冗余及噪声干扰，高采样率会导致低频信号数据量过多、高频毛刺噪声的产生，低采样率则会导致高频信号欠采样，进而导致信号失真；二是空间分辨率受限，空间分辨率与探测光脉冲的脉宽相关，窄脉冲能够提高空间分辨率，因此需要对解调系统提出更高的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于弱光栅阵列和空间分辨率可调的分布式振动传感系统，解决现有的弱光栅振动解调技术中无法高效解调高低频信号及光栅空间分辨率调节困难的缺陷。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于弱光栅阵列和空间分辨率可调的分布式振动传感系统，包括声光调制器、掺铒光纤放大器、至少2个环形器，脉冲光首先经过声光调制器调制，经过掺铒光纤放大器放大的脉冲探测光通过第一环形器之后进入光纤弱光栅阵列中，光纤弱光栅反射光反馈通过第一环形器，输出至第二环形器；第二环形器输出的光通过3x3耦合器之后到达两个臂长差为d的法拉第旋镜，两个法拉第旋镜将每个光栅的反射光分出一束光程差延迟为d的反射光用于与下一个光栅反射光耦合形成干涉，干涉光由3x3耦合器输出到3个不同的光电探测仪，还包括下位机模块，经过下位机模块处理过的信号传递给上位机PC端。

按上述技术方案，下位机模块包括FPGA高速采集卡、脉冲调制模块，FPGA高速采集卡用于采集三个光电探测仪接收的光信号、触发脉冲光信号、加速解调算法。

按上述技术方案，上位机PC端主要用于后端数据重排，同时上位机还负责控制FPGA高速采集卡设置。

按上述技术方案，脉冲调制模块包括分频模块、按键控制模块、脉冲产生模块，脉冲调制模块依据用户键入的不同指令输出不同频率、宽度触发脉冲。脉冲的频率影响系统的响应带宽上限和数据处理工作量，脉宽的宽度影响系统的空间分辨率。

按上述技术方案，分频模块中，通过定时器降低ADC时钟的速率，方便后续形成脉冲。

按上述技术方案，按键控制模块中通过定时采样消除按键抖动产生，避免一次按键多次触发有效信号。

按上述技术方案，脉冲产生模块中，通过分频模块输入的时钟与按键控制模块输入的用户指令，自动调整计数器的触发阈值，进而输出指定频率和脉宽的脉冲。

脉冲的频率影响解调带宽上限，脉冲宽度将影响系统空间分辨率；在FPGA中使用3x3耦合器的反正切算法。上位机模块通过控制上传数据量进行数据重排，调整单次解调的波形长度控制解调带宽下限。