CN104155619B - 基于磁致伸缩分布式光频域反射磁场传感装置和解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁致伸缩分布式光频域反射磁场传感装置和解调方法，涉及分布式光纤传感仪器技术领域，该装置包括得到传感信号的主干涉仪以及为采集装置提供时钟触发信号的辅助干涉仪，被测传感光纤封装在磁致伸缩材料上。方法包括通过线性调谐的光源在主干涉得到不同拍频信号，利用快速傅里叶变换将波长域信息转换到对应传感光纤中各个位置的距离域信息。通过移动窗在距离域选取传感光纤上信号通过复数快速傅里叶反变换再转换到波长域，即瑞利散射光谱。本发明提高了测试距离，且具有较高的空间分辨率，可对多点磁场同时进行精确定位，磁场强度最小可测为5.3mT，测试距离可达300m以上，磁场定位精度可达14cm。

Description

基于磁致伸缩分布式光频域反射磁场传感装置和解调方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感仪器技术领域，尤其涉及一种基于磁致伸缩分布式光频域反射磁场传感装置和解调方法。

背景技术

随着社会的不断发展，医疗、电力、核工业等重要区域的磁场对其安全的影响显得尤为重要。分布式光纤磁场传感系统可以实现磁场检测及定位，具有长距离监控、高精度定位、低能源依赖性、高环境耐受性、抗腐蚀等特性。

目前，分布式光纤磁场传感主要有两种，第一种方案是基于偏振效应测量磁场的方法，该方法优点是灵敏度高，响应快，但这种方法缺点有：磁场强度分辨能力较低，仅能分辨大小为100mT以上的磁场，另外该方法受法拉第效应的影响严重，测试距离也较短，仅为15m左右。另一种方案是基于磁致伸缩材料的光时域反射方法。该方法特点对磁场的灵敏度高，但该方法缺点是空间分辨率低，大概在1m以上。

发明内容

本发明提供了一种基于磁致伸缩分布式光频域反射磁场传感装置和解调方法，本发明提高了测试距离，且具有较高的空间分辨率，详见下文描述：

一种基于磁致伸缩分布式光频域反射磁场传感装置，所述装置包括：

可调谐激光器：用于为光频域反射系统提供光源；

1：99光分束器：可调谐激光器的出射光由光分束器的a端口进入，并以1：99的比例分别从b、c端口分配到基于辅助干涉仪的时钟触发系统和主干涉仪；

基于辅助干涉仪的时钟触发系统包括：隔离器、第一50：50耦合器、第一法拉第转镜、第二法拉第转镜、延迟光纤、探测器和时钟倍频电路模块；

主干涉仪包括：环行器、一个50：50分束器，第二50：50耦合器、参考臂、测试臂、偏振控制器、传感光纤、第一偏振分束器和第二偏振分束器，第一平衡探测器、第二平衡探测器以及采集装置；

螺线管：铜导线缠绕在铁芯上形成通电螺线管，用于产生磁场；

直流电源：用于为螺线管通直流电流，以使螺线管产生磁场；

计算机：对采集装置采集的干涉信号进行数据处理，实现基于磁致伸缩效应的分布式光频域反射磁场传感。

所述隔离器防止辅助干涉仪中第一50：50耦合器的b端口的反射光进入激光器；第一50：50耦合器，用于光干涉，光从第一50：50耦合器的b端口进入，从c和d端口出射，分别被两臂的第一法拉第转镜和第二法拉第转镜反射，返回到第一50：50耦合器c、d端口，两束光在第一50：50耦合器中发生干涉，从a端口输出；第一法拉第转镜和第二法拉第转镜，用于为干涉仪提供反射，且能够消除干涉仪的偏振衰落现象；延迟光纤，用于实现非等臂的拍频干涉，能够根据拍频和延迟光纤长度得到光频；探测器用于采集第一50：50耦合器从a端口的出射光，即辅助干涉仪的干涉拍频信号；时钟倍频电路模块，一端接入辅助干涉仪探测器用于将辅助干涉仪的干涉拍频信号倍频，将倍频后的信号接入采集装置。

光从50：50分束器的a端口进入，从b端口进入参考臂中的偏振控制器，从c端口进入测试臂；测试臂上的环行器，其作用是光从环行器的a端口进入，从环行器的c端口进入传感光纤，传感光纤的背向散射光从环行器的c端口进入，从环行器端口b端口输出，第二50：50耦合器，将参考臂上参考光与测试臂上背向散射光通过a端口和b端口进入耦合器合束，形成拍频干涉并从耦合器的c端口和d端口输出；

第一偏振分束器和第二偏振分束器分别接入第二50：50耦合器的c端口和d端口，对信号进行偏振分束；

两个平衡探测器对应采集两个偏振分束器输出的正交方向的信号光。

所述装置还包括：磁致伸缩材料平板，所述传感光纤通过环氧树脂胶封装在磁致伸缩材料的平板上。

一种基于磁致伸缩分布式光频域反射磁场传感装置的解调方法，所述方法包括以下步骤：

根据线性调频原理，可调谐激光器产生的线性调谐激光，进入主干涉仪，由传感光纤中背向散射光与参考臂中参考光形成拍频干涉信号，经过第一偏振分束器和第二偏振分束器后，得到正交偏振的两路拍频干涉信号X和Y，并对这两路信号分别进行快速傅里叶变换得到信号FFT{X}和FFT{Y}，通过移动窗依次选取传感光纤中的各个位置；

利用移动窗依次选取传感光纤中距离域信息，将选取部分的FFT{X_i}和FFT{Y_i}利用复数反傅里叶变换再转换到波长域得到X_i和Y_i；并将二者加和得到在t₁时刻下的S(t₁)＝X_i+Y_i，去掉直流项；

在下一时刻t₂，按照前两步计算并得到在传感光纤相同位置S(t₂)＝X_i+Y_i，对S(t₁)和S(t₂)计算互相关运算，得到互相关系数和相关图的噪声水平，根据互相关峰值所在位置是否发生波长漂移就可以得到传感光纤在此位置上是否存在磁场以及磁场强度，利用普通单模光纤进行瑞利散射光谱相关系数的分布式磁场传感实验。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明提高了测试距离，且具有较高的空间分辨率，可对多点磁场同时进行精确定位，磁场强度最小可测为5.3mT，测试距离可达300m以上，磁场定位精度可达14cm。

附图说明

图1为一种基于磁致伸缩分布式光频域反射磁场传感装置的结构示意图；

图2为基于磁致伸缩分布式光频域反射磁场传感装置的解调方法的流程图；

图3是不存在磁场的瑞利散射光谱互相关图；

图4是磁场强度为5.3mT时的瑞利散射光谱互相关图；

图5是磁场强度分别为0mT、73mT、143.3mT时，对应光纤两个位置的波长漂移图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：可调谐激光器； 2：探测器；

3：50:50分束器； 4：1：99分束器；

5：第一50:50耦合器； 6：时钟倍频电路模块；

7：延迟光纤； 8：第一法拉第转镜；

9：第二法拉第转镜； 10：隔离器；

11：计算机； 12：偏振控制器：

13：环形器； 14：第二50:50耦合器；

15：传感光纤； 16：第一偏振分束器；

17：第二偏振分束器； 18：第一平衡探测器；

19：第二平衡探测器； 20：采集装置；

21：调谐信号控制模块； 22：参考臂；

23：测试臂； 24：基于辅助干涉仪的时钟触发系统；

25：主干涉仪； 26：磁致伸缩材料平板；

27：螺线管； 28：直流电源。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

参见图1，该装置包括：可调谐激光器1：用于为光频域反射系统提供光源，光源采用窄线宽线性调谐激光光源，其光频能够进行线性扫描；

1：99光分束器4：可调谐激光器1的出射光由光分束器4的a端口进入，并以1：99的比例分别从b、c端口分配到基于辅助干涉仪的时钟触发系统24和主干涉仪25；

基于辅助干涉仪的时钟触发系统24：实现等光频间隔采样，其目的是抑制光源的非线性扫描；包括隔离器10、第一50：50耦合器5、第一法拉第转镜8和第二法拉第转镜9、延迟光纤7、探测器2和时钟倍频电路模块6。隔离器10防止辅助干涉仪中第一50：50耦合器5的b端口的反射光进入激光器；第一50：50耦合器5，用于光干涉，光从第一50：50耦合器5的b端口进入，从c和d端口出射，分别被两臂的第一法拉第转镜8和第二法拉第转镜9反射，返回到第一50：50耦合器5的c、d端口，两束光在第一50：50耦合器5中发生干涉，从a端口输出；第一法拉第转镜8和第二法拉第转镜9，用于为干涉仪提供反射，且能够消除干涉仪的偏振衰落现象；延迟光纤7，用于实现非等臂的拍频干涉，能够根据拍频和延迟光纤长度得到光频；探测器2用于采集第一50：50耦合器5从a端口的出射光，即辅助干涉仪的干涉拍频信号；时钟倍频电路模块6，一端接入辅助干涉仪探测器2用于将辅助干涉仪的干涉拍频信号倍频，倍频目的是辅助干涉仪中采用较短的延迟光纤也可以产生较高的时钟信号，将倍频后的信号接入采集装置20，作为采集装置20的外部时钟信号。

主干涉仪25：是光频域反射仪的核心，其为改进型马赫泽德干涉仪，包括环行器13、一个50：50分束器3，第二50：50耦合器14、参考臂22、测试臂23、偏振控制器12、传感光纤15、第一偏振分束器16和第二偏振分束器17，第一平衡探测器18、第二平衡探测器19以及采集装置20。50：50分束器3作用是马赫泽德干涉仪分束。光从50：50分束器3的a端口进入，经过50：50分束器3从b端口进入参考臂22中的偏振控制器12，从c端口进入测试臂23。参考臂22中的偏振控制器12作用是调节参考光偏振态，使其在偏振分束时两个正交方向上光强基本一致。测试臂23上的环行器13，其作用是光从环行器13的a端口进入，从环行器13的c端口进入传感光纤15，而传感光纤的背向散射光从环行器13的c端口进入，从环行器13端口b端口输出，第二50：50耦合器14，将参考臂22上参考光与测试臂23上背向散射光通过a端口和b端口进入耦合器14合束，形成拍频干涉并从耦合器14的c端口和d端口输出。第一偏振分束器16和第二偏振分束器17分别接入第二50：50耦合器14的c端口和d端口，对信号进行偏振分束。目的是消除偏振衰落噪声的影响。两个平衡探测器18和19对应采集两个偏振分束器输出的正交方向的信号光。采集装置20：将两个平衡探测器18和19输出的模拟电信号采集到计算机11，其中采集装置20的时钟源来自基于辅助干涉仪的时钟触发系统24。

磁致伸缩材料平板26：本发明中利用的磁致伸缩材料为厚度为0.5mm的Fe-Co-V合金平板，用于和传感光纤结合，传感光纤15通过环氧树脂胶封装在磁致伸缩材料的平板上，当磁致伸缩平板处于磁场中会产生应力变化，引起传感光纤的应力产生，通过对应力的传感，从而实现磁场的传感。

螺线管27：铜导线缠绕在铁芯上形成通电螺线管，用于产生磁场。

直流电源28：用于为螺线管27通直流电流，以使螺线管27产生磁场。

计算机11：对采集装置20采集的干涉信号进行数据处理，实现基于磁致伸缩效应的分布式光频域反射磁场传感。

参见图2，解调方法包括以下步骤：

101：根据线性调频原理，可调谐激光器1产生的线性调谐激光，进入主干涉仪25，由传感光纤15中背向散射光与参考臂22中参考光形成拍频干涉信号，经过第一偏振分束器16和第二偏振分束器17后，得到正交偏振的两路拍频干涉信号X和Y，并对这两路信号分别进行快速傅里叶变换得到信号FFT{X}和FFT{Y}，通过移动窗依次选取传感光纤中的各个位置；

102：利用移动窗依次选取传感光纤中的距离域信息，将选取部分的FFT{X_i}和FFT{Y_i}利用复数反傅里叶变换再转换到波长域得到X_i和Y_i；并将二者加和得到在t₁时刻下的S(t₁)＝X_i+Y_i，去掉直流项；

103：在下一时刻t₂，按照前两步计算并得到在传感光纤相同位置S(t₂)＝X_i+Y_i，对S(t₁)和S(t₂)计算互相关运算，得到互相关系数和相关图的噪声水平，根据互相关峰值所在位置是否发生波长漂移就可以得到传感光纤在此位置上是否存在磁场以及磁场强度，利用普通单模光纤进行如图3瑞利散射光谱相关系数的分布式磁场传感实验。

当不存在磁场时，前后两个时刻的瑞利散射光谱互相关系数峰值所在位置为中心0，如图3所示。存在磁场(触碰光纤)时，前后两个时刻的瑞利散射光谱互相关系数峰值所在位置将产生漂移。通过不同的瑞利散射光谱互相关系数峰值偏移量的大小标定，就可以得到存在磁场以及磁场强度的大小。

根据上述实施方式中的装置和方法，实施例中被测光纤长度为320m，在通过螺线管产生的磁场的两极分别放置磁致伸缩材料的平板，并将光纤利用环氧树脂胶封装在平板上，螺线管产生的南北两极磁场处于光纤中的位置分别为44.5m和45.5m处。当不存在磁场时，前后两个时刻的瑞利散射光谱互相关系数峰值所在位置为中心0，如图3所示。当磁场强度大小为5.3mT时，此时分辨磁场强度为5.3mT的空间分辨率为14cm，前一无磁场时刻与该受磁场时刻的瑞利散射光谱互相关系数峰值所在位置将产生漂移，对应着波长漂移为0.83GHz，如图4所示。随着磁场强度的不断增加，前一无磁场时刻与该受磁场时刻的瑞利散射光谱互相关系数峰值漂移量将增大，也即波长漂移的增加，如图5所示即为在光纤位置为44.5m和45.5m两处，在磁场强度分别为0mT、73mT和143.3mT时的波长漂移量的分布式结果。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于磁致伸缩分布式光频域反射磁场传感装置的解调方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

根据线性调频原理，可调谐激光器产生的线性调谐激光，进入主干涉仪，由传感光纤中背向散射光与参考臂中参考光形成拍频干涉信号，经过第一偏振分束器和第二偏振分束器后，得到正交偏振的两路拍频干涉信号X和Y，并对这两路信号分别进行快速傅里叶变换得到信号FFT{X}和FFT{Y}，通过移动窗依次选取传感光纤中的各个位置；

利用移动窗依次选取传感光纤中距离域信息，将选取部分的FFT{X_i}和FFT{Y_i}利用复数反傅里叶变换再转换到波长域得到X_i和Y_i；并将二者加和得到在t₁时刻下的S(t₁)＝X_i+Y_i，去掉直流项；

在下一时刻t₂，按照前两步计算并得到在传感光纤相同位置S(t₂)＝X_i+Y_i，对S(t₁)和S(t₂)计算互相关运算，得到互相关系数和相关图的噪声水平，根据互相关峰值所在位置是否发生传感光纤中瑞利散射光谱波长漂移就可以得到传感光纤在此位置上是否存在磁场以及磁场强度，利用普通单模光纤作为传感光纤进行瑞利散射光谱相关系数的分布式磁场传感实验；

其中，所述基于磁致伸缩分布式光频域反射磁场传感装置包括：

可调谐激光器：用于为光频域反射系统提供光源；

1：99光分束器：可调谐激光器的出射光由光分束器的a端口进入，并以1：99的比例分别从b、c端口分配到基于辅助干涉仪的时钟触发系统和主干涉仪；

基于辅助干涉仪的时钟触发系统包括：隔离器、第一50：50耦合器、第一法拉第转镜、第二法拉第转镜、延迟光纤、探测器和时钟倍频电路模块；

主干涉仪包括：环行器、一个50：50分束器，第二50：50耦合器、参考臂、测试臂、偏振控制器、传感光纤、第一偏振分束器和第二偏振分束器，第一平衡探测器、第二平衡探测器以及采集装置；

螺线管：铜导线缠绕在铁芯上形成通电螺线管，用于产生磁场；

直流电源：用于为螺线管通直流电流，以使螺线管产生磁场；

计算机：对采集装置采集的干涉信号进行数据处理，实现基于磁致伸缩效应的分布式光频域反射磁场传感；

所述装置还包括：磁致伸缩材料平板，所述传感光纤通过环氧树脂胶封装在磁致伸缩材料的平板上。