[发明专利]高动态范围的双波长分布式光纤振动解调系统及方法

说明书

本发明公开了一种高动态范围的双波长分布式光纤振动解调系统，它包括第一窄带激光器、第二窄带激光器、密集波分复用器、脉冲光调制器、掺铒光纤放大器、光环形器、光纤光栅对阵列、三分三耦合器、第一法拉第旋转镜、第二法拉第旋转镜、第一密集波分解复用器、第二密集波分解复用器、第三密集波分解复用器和多通道数据采集卡，本发明基于分布式光纤光栅振动传感系统，采用双波长干涉和3×3耦合器数字相位解调技术，利用双波长回归分析相位解缠原理，从原理上克服了传统相位解缠中的π相位限制原则，从而实现了在分布式光纤振动传感系统中低采样率下精确跟踪实际强振动信号引起的相位大范围瞬时变化。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体地指一种高动态范围的双波长分布式光纤振动解调系统及方法。

背景技术

光纤传感技术自问世以来，就凭借诸多优势而被广泛关注并深入研究。光纤自身的电绝缘、本征安全、抗电磁干扰的特性使得其较传统的电类传感器在高温、高湿、强电磁干扰的恶劣环境中具有更优异的传感性能和更广阔的应用前景。光纤同时具有传感和传输的双重作用，且质量轻、线径细，利用各种复用技术可以大规模组网可以形成分布式传感网络。

振动是自然界最普遍的现象之一，通过振动的检测可以实现结构健康监测、灾害和异常事件的预警等。振动检测是分布式光纤传感技术中的一个重要研究方向和应用领域，在分布式光纤振动传感技术中，分布式干涉型光纤光栅振动传感技术是其中的优秀代表之一。它利用低损耗分布式大容量全同弱光纤光栅阵列结合光学干涉，形成的干涉信号强度要比传统的后向瑞利散射高3～4个数量级，能够获得较高信噪比的振动解调信号，在基础设施和大型结构，如油气管道、油气储备基地、光缆、铁轨、边海防线以及重要设施周界安防等方面有着广阔的应用前景。

目前，分布式干涉型光纤光栅振动传感器仍采用单波长干涉相位解调技术，它根据相位的连续性，通过比较相邻两点之间相位差来进行相位解缠。这种技术的局限性在于相邻两点的光程差变化不能超过波长值的一半，因此对于一定的动态测量范围需要足够高的采样率，这对数据采集系统的要求颇高，特别是在串有成千上万个光纤光栅传感器的长距离分布式光纤振动传感系统中，极大地增加了对相位解调系统的负荷。虽然已知有多种相位解缠的方法被提出，比如合成波长法(Gass J,Dakoff A,Kim M K.Phase imagingwithout 2π ambiguity by multiwavelength digital holography[J].Optics Letters,2003,28(13):1141-3.)和双波长法(张冰,王葵如,颜玢玢,et al.基于双波长和3×3光纤耦合器的干涉测量相位解卷绕方法[J].光学学报,2018,38(4):224-231.)，前者利用两种不同波长的激光获得两组干涉信号，求出相较于原双波长值更大的合成波长的相位信息，由于噪声正比于波长，由合成波长得到的相位噪声比较大。后者加以改进，利用合成波长的缠绕相位对单一波长的缠绕相位进行相位补偿，得到了较大范围、无差错的相位变化信息，也使得信噪比水平达到单波长的水平，但是其中合成波长的相位解缠依然受到传统π相位原则的限制。同时，分布式光纤光栅传感网络需要用到高功率掺铒光纤放大器，其主要工作在1.55μm波段，因此两种方法中的双波长都不适合于分布式光纤光栅振动传感，且分布式干涉型光纤光栅振动解调系统在铁轨、周界安防、光纤水听器等存在大幅度分布式振动信号测量需求的应用领域中仍面临很多困难和挑战。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种高动态范围的双波长分布式光纤振动解调系统及方法。本发明基于分布式光纤光栅振动传感系统，采用双波长干涉和3×3耦合器数字相位解调技术，利用双波长回归分析相位解缠原理，从原理上克服了传统相位解缠中的π相位限制原则，从而实现了在分布式光纤振动传感系统中低采样率下精确跟踪实际强振动信号引起的相位大范围瞬时变化，同时具有良好的和单波长干涉测量一致的信噪比水平。