本實(shí)用新型涉及一種傳感裝置,更確切的說是一種高性能光纖動態(tài)應(yīng)變傳感裝置。

背景技術(shù)：

由動態(tài)應(yīng)變引起的設(shè)備和建筑物受損越來越多，尤其在地震高發(fā)區(qū)，振動和沖擊波等對大壩、橋梁以及房屋等的破壞非常嚴(yán)重，因此迫切需要具有快速響應(yīng)的動態(tài)應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)。由于光纖具有損耗小、耐高溫、耐腐蝕、絕緣、抗電磁干擾等顯著優(yōu)勢，且對研究結(jié)構(gòu)的健康狀況、安全性、穩(wěn)定性和完整性影響較小，因此本質(zhì)上光纖傳感技術(shù)成為構(gòu)建分布式動態(tài)應(yīng)變監(jiān)測的最優(yōu)選擇。

目前，實(shí)現(xiàn)分布式光纖動態(tài)應(yīng)變傳感技術(shù)的研究主要有如下幾類：一是基于光纖光柵動態(tài)應(yīng)變傳感技術(shù)(詳見A.Cusano,et al.,Sens.Actuator A-Phys.110,276(2004))，外界動態(tài)應(yīng)變或振動引起光纖光柵反射波長的動態(tài)漂移，但構(gòu)建超大規(guī)模光纖光柵動態(tài)應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)難度和成本很高；二是基于光纖干涉結(jié)構(gòu)的動態(tài)應(yīng)變傳感技術(shù)(詳見Tapanes Edward E.,US Patent,20030198425,(2003))，利用干涉結(jié)構(gòu)將光纖受外界動態(tài)應(yīng)變或振動擾動的相位調(diào)制轉(zhuǎn)化為光功率或者其他參量的變化，但干涉結(jié)構(gòu)需要相移器和閉環(huán)控制系統(tǒng)來實(shí)時穩(wěn)定最佳工作點(diǎn)，系統(tǒng)穩(wěn)定性和定位精度較差；三是基于瑞利散射的分布式動態(tài)應(yīng)變傳感技術(shù)，其中較為成功的技術(shù)是相位敏感型光時域反射計(jì)(Φ-OTDR)(詳見Z.Pan,et al.,Proc.of SPIE 8421,842129(2012)；Z.Qin, et al.,Opt.Express 20,20459(2012))，通過測量光脈沖覆蓋區(qū)域內(nèi)瑞利散射光的干涉疊加效果來解調(diào)動態(tài)擾動，但此方案對緩變擾動感知困難，且無法實(shí)現(xiàn)動態(tài)應(yīng)變幅度的定量測量。

對于連續(xù)分布式傳感，布里淵型分布式光纖傳感技術(shù)可對光纖沿線上任意位置處的應(yīng)力變形和溫度進(jìn)行連續(xù)測量，經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，基于布里淵非線性效應(yīng)的分布式光纖傳感技術(shù)優(yōu)勢得到了充分展示并取得到了廣泛應(yīng)用。但是，這種常規(guī)基于重構(gòu)布里淵增益譜分布的方案，本質(zhì)上在響應(yīng)速度方面還無法滿足動態(tài)應(yīng)變信號傳感的迫切需求。國際上一些研究小組在常規(guī)布里淵分布式光纖傳感技術(shù)基礎(chǔ)上，有針對性的探索相關(guān)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)分布式動態(tài)應(yīng)變傳感。相關(guān)探索主要集中在以下兩個方面：

一方面是提高響應(yīng)速度。2009年，A.Minardo等人提出了一種頻差斜邊偏置探測的方案(詳見R.Bernini,et al.,Opt.Lett.34,2613(2009))，實(shí)現(xiàn)將布里淵增益譜的漂移轉(zhuǎn)化為探測光功率的波動，從而大大提高系統(tǒng)響應(yīng)速度到98Hz，但此方案動態(tài)應(yīng)變測量的范圍小于±350με(形變范圍±0.035％)。2011年，A.Voskoboinik等人提出一種無掃頻重構(gòu)布里淵增益譜的方案(詳見A.Voskoboinik,et al.,US Patent,US20130025374 A1,(2013))，實(shí)現(xiàn)無需掃描即可覆蓋傳感頻譜，因此響應(yīng)速度也可達(dá)到幾十Hz量級，但此方案技術(shù)方案動態(tài)應(yīng)變測量范圍也只能達(dá)到±900με。2012年，A.Loayssa等人提出一種基于布里淵相移分析型的分布式動態(tài)應(yīng)變測量方案(詳見J.Urricelqui,etal.,Opt.Express 20,26942(2012))，通過解調(diào)應(yīng)變導(dǎo)致布里淵增益的相位變化來實(shí)現(xiàn)動態(tài)應(yīng)變傳感，此方案中應(yīng)變傳感范圍也僅達(dá)到±1280με。這些技術(shù)方案盡管有效提高了系統(tǒng)對動態(tài)應(yīng)變的響應(yīng)速度到100Hz左右，但是應(yīng)變傳感范圍小于±1000με，無法滿足實(shí)際應(yīng)用對大測量范圍的需求(±4000με以上)。

另一方面的研究集中在擴(kuò)大動態(tài)應(yīng)變測量范圍。2011年，在前述的頻差斜邊偏置探測方案基礎(chǔ)上，Q.Cui等人采用6.5ns脈寬的脈沖光作為泵浦脈沖，使得布里淵增益譜譜寬展寬到160MHz，從而實(shí)現(xiàn)將應(yīng)變測量范圍擴(kuò)展到±1600με(詳見Q.Cui,et al.,IEEE Photon.Technol.Lett.23,1887(2011))，但此技術(shù)方案犧牲了系統(tǒng)響應(yīng)速度和信號信噪比。2012年，Y.Peled等人采用任意波形發(fā)生器驅(qū)動電光調(diào)制器的方案，實(shí)現(xiàn)高速重構(gòu)布里淵增益譜的分布(詳見Y.Peled,et al.,Opt.Express 20,8584(2012))，但信號處理時卻需耗時提取應(yīng)變相關(guān)的布里淵頻移信息，因此此方案在獲得更大的應(yīng)變傳感范圍時犧牲系統(tǒng)的響應(yīng)速度，不利于動態(tài)應(yīng)變的高速解調(diào)。這些技術(shù)方案盡管可有效擴(kuò)展動態(tài)應(yīng)變的測量范圍到±2000με左右，但是犧牲了傳感系統(tǒng)信噪比，使得響應(yīng)速度只能達(dá)到10Hz左右，無法滿足實(shí)際應(yīng)用對高響應(yīng)速度的需求(100Hz)。上述所有的分布式光纖動態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)方案，包括光纖光柵型、干涉結(jié)構(gòu)型以及瑞利散射型，都因?yàn)榫哂须y以構(gòu)建大型傳感網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)工作狀態(tài)不穩(wěn)定或者難以定量測量等缺點(diǎn)，而無法滿足或者受限于實(shí)際應(yīng)用的需求。而最有潛力的基于布里淵效應(yīng)的動態(tài)應(yīng)變傳感方案中，也沒有發(fā)明一種能同時兼顧大測量范圍和高響應(yīng)速度的技術(shù)。

傳統(tǒng)的布里淵光時域分析儀(BOTDA)的基本結(jié)構(gòu)和原理是：處于傳感光纖兩端的激光器分別將泵浦脈沖光與探測連續(xù)光相向注入傳感光纖中，當(dāng)泵浦脈沖光與探測連續(xù)光的光頻差處于光纖局部區(qū)域布里淵增益譜范圍內(nèi)時，在該區(qū)域就會產(chǎn)生受激布里淵非線性放大效應(yīng)，泵浦脈沖光與探測連續(xù)光之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移(對于損耗型BOTDA，能量從連續(xù)光轉(zhuǎn)移到脈沖光)。根據(jù)泵浦脈沖光注入到光纖中的傳輸時間Δt，即可定位布里淵非線性效應(yīng)發(fā)生的具體位置(L＝c×Δt/n，其中c為光在真空中的傳播速度，n為光纖折射率)，據(jù)此實(shí)現(xiàn)傳感的定位分析。對連續(xù)光的頻率在一定范圍內(nèi)進(jìn)行高精度調(diào)諧，同時檢測從光纖另一端透射出來的探測連續(xù)光光功率，就可確定光纖各小段區(qū)域上能量轉(zhuǎn)移達(dá)到最大時所對應(yīng)的頻率差，由于光纖中的布里淵頻移與溫度、應(yīng)變存在線性關(guān)系，如下公式所示，根據(jù)布里淵增益譜即可得到各局部位置處的溫度、應(yīng)變信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的分布式測量：

其中，為光纖在應(yīng)變、溫度擾動情況下的布里淵頻移量，為無擾動情況下的初始布里淵頻移量，為應(yīng)變影響布里淵頻移的線性系數(shù)，為應(yīng)變施加量，為溫度影響布里淵頻移的線性系數(shù)，為溫度施加量。

這種傳統(tǒng)的BOTDA方案，是通過激光器的調(diào)諧來掃描重構(gòu)獲取光纖沿線布里淵增益譜的分布，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的分布式測量，一般所需頻率調(diào)諧掃描范圍約為200MHz，調(diào)諧精度約為1MHz，對激光器的調(diào)諧性能要求很高，受激光器調(diào)諧速度的限制以及信號處理時需要做多次累積平均以提高信噪比，實(shí)現(xiàn)一次長距離分布式的完整解調(diào)和測量，一般至少需要幾分鐘的時間甚至更長，而這種測量方式在速度上完全無法滿足100Hz量級動態(tài)應(yīng)變的快速響應(yīng)需求。

其中為動態(tài)應(yīng)變的幅度，為動態(tài)應(yīng)變的頻率，如上公式所示，這種動態(tài)重構(gòu)布里淵增益譜分布的方案，本質(zhì)上很難實(shí)現(xiàn)動態(tài)應(yīng)變的測量。因此如前面背景技術(shù)中所述，有研究人員提出了一種頻差斜邊偏置探測的方案，將相對傳輸?shù)膬墒獾念l差固定在無擾動時的布里淵增益譜左側(cè)斜邊線性區(qū)域中間，若光纖局部有溫度或者應(yīng)變的擾動造成布里淵增益譜的漂移，這種方案就可以實(shí)現(xiàn)將布里淵增益譜的漂移轉(zhuǎn)化為探測光功率的波動(，其中為動態(tài)應(yīng)變造成的光功率波動，為應(yīng)變造成光功率波動的線性系數(shù))，從而可以避免重構(gòu)布里淵增益譜，大大提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，使得長距離分布式動態(tài)應(yīng)變響應(yīng)速度可以達(dá)到150Hz量級以上。但考慮到布里淵增益譜譜寬有限(～35MHz)，此方案動態(tài)應(yīng)變測量的范圍小于±350με(形變范圍±0.035％)，這種測量范圍太小而無法滿足絕大部分的實(shí)際工程需求。還有其他的一些方案，一定程度上犧牲響應(yīng)速度，擴(kuò)大動態(tài)應(yīng)變測量的范圍，但暫時還沒有一種技術(shù)能同時兼顧高響應(yīng)速度和大測量范圍?，F(xiàn)有光纖動態(tài)應(yīng)變傳感裝置的多頻率信號發(fā)生模塊在不使用時仍然連接電路，多頻信號會對電路的精度造成影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種高性能光纖動態(tài)應(yīng)變傳感裝置，能夠充分利用基于布里淵效應(yīng)的長距離連續(xù)分布式測量的技術(shù)優(yōu)勢，又進(jìn)一步解決實(shí)現(xiàn)大測量范圍和高響應(yīng)速度的動態(tài)應(yīng)變傳感，本發(fā)明提供一種高性能光纖動態(tài)應(yīng)變傳感裝置。

本實(shí)用新型為實(shí)現(xiàn)上述目的，通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種高性能光纖動態(tài)應(yīng)變傳感裝置，包括窄線寬激光器、光纖耦合器、強(qiáng)度調(diào)制器、鎖定放大器、微波開關(guān)、電脈沖發(fā)生模塊、微波信號發(fā)生模塊、光纖環(huán)形器、光纖光柵、光纖環(huán)形器、相位調(diào)制器、多頻率信號發(fā)生模塊、傳感光纖、光電探測器、信號高速并行處理單元，窄線寬激光器的尾纖輸出和光纖耦合器的輸入端口相連，將激光分成兩路，其中一路經(jīng)光纖耦合器的輸出端口與強(qiáng)度調(diào)制器的輸入端口相連，強(qiáng)度調(diào)制器的DC電壓偏置端口與鎖定放大器連接，強(qiáng)度調(diào)制器的射頻輸入端口與微波開關(guān)的輸出端相連，微波開關(guān)的輸入端與微波信號發(fā)生模塊連接，微波開關(guān)的輸入端與電脈沖發(fā)生模塊的輸出端口連接，強(qiáng)度調(diào)制器的輸出端口與光纖環(huán)形器的輸入端口連接，光纖環(huán)形器的端口與光纖光柵相連，光纖環(huán)形器的輸出端口與光纖環(huán)形器的輸入端口連接，光纖耦合器分光的另一路經(jīng)其輸出端口與相位調(diào)制器的輸入端口相連，相位調(diào)制器的射頻輸入端口與多頻率信號發(fā)生模塊的輸出端連接，相位調(diào)制器的輸出端口連接傳感光纖，傳感光纖的一端與光纖環(huán)形器的端口相連，光纖環(huán)形器的輸出端口連接光電探測器的輸入端口，光電探測器的輸出端口與信號高速并行處理單元連接。多頻率信號發(fā)生模塊與相位調(diào)制器之間安裝高頻低阻接通裝置，所述高頻低阻接通裝置包括殼體，殼體的內(nèi)部安裝伸縮桿、彈簧、控制裝置和第二導(dǎo)電板，伸縮桿的下端安裝第一導(dǎo)電板，第一導(dǎo)電板的上部安裝第一電磁鐵，彈簧的下端與第一電磁鐵連接，第一導(dǎo)電板的底部安裝第一銀鍍層,彈簧處于拉伸狀態(tài)，第一導(dǎo)電板的側(cè)部安裝彈簧板，彈簧板為導(dǎo)電板，彈簧板呈弧形，彈簧板的一側(cè)安裝石墨塊，第一導(dǎo)電板能與第二導(dǎo)電板配合，第二導(dǎo)電板的上部安裝第二銀鍍層和石墨板，石墨塊能與石墨板配合，第一銀鍍層能與第二銀鍍層配合，第二導(dǎo)電板上安裝導(dǎo)線，導(dǎo)線上安裝電阻傳感器，控制裝置的輸入端通過導(dǎo)線與電阻傳感器的輸出端連接,控制裝置的輸出端通過導(dǎo)線與第一電磁鐵和第二電磁鐵的輸入端連接，第一導(dǎo)電板通過導(dǎo)線與多頻率信號發(fā)生模塊的輸出端連接，導(dǎo)線與相位調(diào)制器的輸入端連接。

為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的目的，還可以采用以下技術(shù)方案:所述窄線寬激光器的線寬小于0.98MHz。所述光電探測器響應(yīng)帶寬高于400MHz。所述信號高速并行處理單元采樣速率需達(dá)500MS/s以上。

本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于：本實(shí)用新型的高頻低阻接通裝置與多頻率信號發(fā)生模塊結(jié)合，能在不使用多頻率信號發(fā)生模塊時自動將多頻率信號發(fā)生模塊與相位調(diào)制器之間的連接切斷，避免多頻率信號發(fā)生模塊產(chǎn)生的多頻信號對電路造成影響。同時高頻低阻接通裝置通過第一銀鍍層與第二銀鍍層配合可以有效降低接觸電路，避免多頻率信號接通電路后收到外接干擾。本實(shí)用新型的石墨塊與石墨板配合能在第一導(dǎo)電板與第二導(dǎo)電板對電路進(jìn)行預(yù)連接，優(yōu)先產(chǎn)生電火花，從而避免第一銀鍍層與第二銀鍍層產(chǎn)生電火花氧化，本實(shí)用新型的電阻傳感器能夠感應(yīng)電阻信號并且將電阻信號轉(zhuǎn)化為電信號傳遞給控制裝置，控制裝置根據(jù)電信號控制第一電磁鐵和第二電磁鐵的功率，從而將接觸電路降低到合理的范圍內(nèi)，使電路較好的運(yùn)行，避免了對信號的干擾。第一電磁鐵和第二電磁鐵能夠快速使第一導(dǎo)電板與第二導(dǎo)電板連接和分離，從而避免第一導(dǎo)電板與第二導(dǎo)電板接觸過程中對多頻率信號發(fā)生模塊產(chǎn)生信號的影響。

①與傳統(tǒng)方案如光纖光柵型、干涉結(jié)構(gòu)型以及瑞利散射型的光纖動態(tài)應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)相比，本發(fā)明是基于受激布里淵非線性效應(yīng)，不存在難以構(gòu)建大型傳感網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)工作狀態(tài)不穩(wěn)定或者難以定量測量等缺點(diǎn)，可以有效實(shí)現(xiàn)長距離分布式光纖應(yīng)變的定量實(shí)時在線高速測量。

②與目前已有的布里淵型光纖動態(tài)應(yīng)變傳感技術(shù)相比，針對當(dāng)前布里淵分布式動態(tài)應(yīng)變傳感技術(shù)中測量范圍和響應(yīng)速度無法相互兼顧的缺點(diǎn)，本發(fā)明采用布里淵增益拼接譜的技術(shù)，采取利用多重布里淵增益拼接譜同時實(shí)現(xiàn)大測量范圍和高響應(yīng)速度的研究思路，可有效實(shí)現(xiàn)將動態(tài)應(yīng)變測量范圍擴(kuò)展到±5000με以上，同時系統(tǒng)響應(yīng)速度完全可保證達(dá)到同類技術(shù)的最高層次。

④基于此技術(shù)，可以有效實(shí)現(xiàn)分布式光纖動態(tài)應(yīng)變傳感監(jiān)測，其傳感范圍可達(dá)10km以上，空間分辨率1～10m，動態(tài)應(yīng)變測量范圍可達(dá)±5000με，動態(tài)應(yīng)變響應(yīng)速率可達(dá)500Hz以上。

⑤本實(shí)用新型還具有結(jié)構(gòu)簡潔緊湊、制造成本低廉和使用簡便的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

附圖用來提供對本實(shí)用新型的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本實(shí)用新型的實(shí)施例一起用于解釋本實(shí)用新型，并不構(gòu)成對本實(shí)用新型的限制。在附圖中：

圖1本發(fā)明的泵浦脈沖光與探測連續(xù)光的頻率設(shè)計(jì)的示意圖；

圖2本發(fā)明的光纖布里淵增益拼接譜的原理示意圖；

圖3本發(fā)明的基于布里淵增益拼接譜的長距離分布式大測量范圍高響應(yīng)速度光纖動態(tài)應(yīng)變傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖4為高頻低阻接通裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí)施例僅用于說明和解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。

一種高性能光纖動態(tài)應(yīng)變傳感裝置，如圖1、圖2、圖3和圖4所示，窄線寬激光器1、光纖耦合器2、強(qiáng)度調(diào)制器3、鎖定放大器4、微波開關(guān)5、電脈沖發(fā)生模塊6、微波信號發(fā)生模塊7、光纖環(huán)形器8、光纖光柵9、光纖環(huán)形器10、相位調(diào)制器11、多頻率信號發(fā)生模塊12、傳感光纖13、光電探測器14、信號高速并行處理單元15。其構(gòu)成特點(diǎn)是：窄線寬激光器1的尾纖輸出和光纖耦合器2的輸入端口2-1相連，實(shí)現(xiàn)將激光分成兩路，其中一路經(jīng)光纖耦合器2的輸出端口2-2與強(qiáng)度調(diào)制器3的輸入端口3-1相連，強(qiáng)度調(diào)制器3的DC電壓偏置端口3-2與鎖定放大器4連接，實(shí)現(xiàn)最佳工作點(diǎn)的自動反饋穩(wěn)定控制，強(qiáng)度調(diào)制器3的射頻輸入端口3-3與微波開關(guān)5的輸出端5-3相連，微波開關(guān)5的輸入端5-1與微波信號發(fā)生模塊7連接，微波開關(guān)5的輸入端5-2與電脈沖發(fā)生模塊6連接。強(qiáng)度調(diào)制器3調(diào)制得到的高消光比寬帶移頻泵浦脈沖光由輸出端口3-4輸出，并連接到光纖環(huán)形器8的輸入端口8-1，光纖環(huán)形器8的端口8-2與實(shí)現(xiàn)濾波的光纖光柵9相連，光纖環(huán)形器8的輸出端口8-3與光纖環(huán)形器10的輸入端口10-1相連，實(shí)現(xiàn)將泵浦脈沖光注入到傳感光纖13中。光纖耦合器2分光的另一路經(jīng)其輸出端口2-3與相位調(diào)制器11的輸入端口11-1相連，相位調(diào)制器11的射頻輸入端口11-2與多頻率信號發(fā)生模塊12連接，相位調(diào)制器11的輸出端口11-3輸出包含多頻率成份的探測連續(xù)光并注入到傳感光纖13中。探測連續(xù)光與泵浦脈沖光在傳感光纖13中相向傳輸后與光纖環(huán)形器10的端口10-2相連，光纖環(huán)形器10的輸出端口10-3連接光電探測器14的輸入端口14-1，光電探測器14的輸出端口14-2與信號高速并行處理單元15相連，實(shí)現(xiàn)傳感信號的解調(diào)。它可以實(shí)現(xiàn)分布式光纖動態(tài)應(yīng)變傳感監(jiān)測，其傳感范圍可達(dá)10km以上，空間分辨率1～10m，動態(tài)應(yīng)變測量范圍可達(dá)±5000με，動態(tài)應(yīng)變響應(yīng)速率可達(dá)100Hz以上。多頻率信號發(fā)生模塊12與相位調(diào)制器11之間安裝高頻低阻接通裝置31，所述高頻低阻接通裝置包括殼體16，殼體16的內(nèi)部安裝伸縮桿17、彈簧18、控制裝置29和第二導(dǎo)電板25，伸縮桿17的下端安裝第一導(dǎo)電板20，第一導(dǎo)電板20的上部安裝第一電磁鐵19，彈簧18的下端與第一電磁鐵19連接，第一導(dǎo)電板20的底部安裝第一銀鍍層21,彈簧18處于拉伸狀態(tài)，第一導(dǎo)電板20的側(cè)部安裝彈簧板22，彈簧板22為導(dǎo)電板，彈簧板22呈弧形，彈簧板22的一側(cè)安裝石墨塊23，第一導(dǎo)電板20能與第二導(dǎo)電板25配合，第二導(dǎo)電板25的上部安裝第二銀鍍層26和石墨板24，石墨塊23能與石墨板24配合，第一銀鍍層21能與第二銀鍍層26配合，第二導(dǎo)電板25上安裝導(dǎo)線28，導(dǎo)線28上安裝電阻傳感器30，控制裝置29的輸入端通過導(dǎo)線與電阻傳感器30的輸出端連接,控制裝置29的輸出端通過導(dǎo)線與第一電磁鐵19和第二電磁鐵27的輸入端連接，第一導(dǎo)電板20通過導(dǎo)線與多頻率信號發(fā)生模塊12的輸出端連接，導(dǎo)線28與相位調(diào)制器11的輸入端連接。

本實(shí)用新型的高頻低阻接通裝置31與多頻率信號發(fā)生模塊12結(jié)合，能在不使用多頻率信號發(fā)生模塊12時自動將多頻率信號發(fā)生模塊12與相位調(diào)制器11之間的連接切斷，避免多頻率信號發(fā)生模塊12產(chǎn)生的多頻信號對電路造成影響。同時高頻低阻接通裝置31通過第一銀鍍層21與第二銀鍍層26配合可以有效降低接觸電路，避免多頻率信號接通電路后收到外接干擾。本實(shí)用新型的石墨塊23與石墨板24配合能在第一導(dǎo)電板20與第二導(dǎo)電板25對電路進(jìn)行預(yù)連接，優(yōu)先產(chǎn)生電火花，從而避免第一銀鍍層21與第二銀鍍層26產(chǎn)生電火花氧化，本實(shí)用新型的電阻傳感器30能夠感應(yīng)電阻信號并且將電阻信號轉(zhuǎn)化為電信號傳遞給控制裝置29，控制裝置29根據(jù)電信號控制第一電磁鐵19和第二電磁鐵27的功率，從而將接觸電路降低到合理的范圍內(nèi)，使電路較好的運(yùn)行。第一電磁鐵19和第二電磁鐵27能夠快速使第一導(dǎo)電板20與第二導(dǎo)電板25連接和分離，從而避免第一導(dǎo)電板20與第二導(dǎo)電板25接觸過程中對多頻率信號發(fā)生模塊12產(chǎn)生信號的影響。

利用相位調(diào)制器11和多頻率信號發(fā)生模塊12構(gòu)建出一種布里淵增益拼接譜的光學(xué)結(jié)構(gòu)，使用包含多頻率成分的多頻率信號發(fā)生模塊12作用相位調(diào)制器11上，實(shí)現(xiàn)調(diào)制探測連續(xù)光的相位，使得探測連續(xù)光中產(chǎn)生多光頻成分，通過控制探測連續(xù)光各光頻的幅度來調(diào)節(jié)各自對應(yīng)的布里淵增益譜幅度，拼接出所需譜寬和譜型的布里淵增益譜，在無損系統(tǒng)信噪比和響應(yīng)速度的情況下，實(shí)現(xiàn)極大擴(kuò)展動態(tài)應(yīng)變測量范圍。

利用強(qiáng)度調(diào)制器3、鎖定放大器4、微波開關(guān)5、電脈沖發(fā)生模塊6、微波信號發(fā)生模塊7、光纖環(huán)形器8、光纖光柵9和光纖環(huán)形器10構(gòu)建泵浦脈沖光產(chǎn)生的光學(xué)結(jié)構(gòu)，獲取高消光比微波移頻泵浦脈沖光，進(jìn)而將產(chǎn)生布里淵放大效應(yīng)兩束光的頻差固定在布里淵增益拼接譜斜邊線性區(qū)域中間，把應(yīng)變導(dǎo)致的布里淵增益拼接譜的漂移轉(zhuǎn)化為探測光功率的波動，可實(shí)現(xiàn)分布式動態(tài)、靜態(tài)應(yīng)變的定量測量。

所述窄線寬激光器1的線寬小于0.98MHz。

所述光纖光柵9，布拉格短周期光纖光柵，其反射中心波長選擇定制在泵浦光脈沖的微波寬帶移頻下頻帶范圍內(nèi)；另外可通過溫度或應(yīng)變施加在光纖光柵上，進(jìn)行一定范圍內(nèi)的反射中心波長的調(diào)諧。此處光纖光柵也可由窄帶濾波器替代。

所述光電探測器14響應(yīng)帶寬高于400MHz。

所述信號高速并行處理單元15采樣速率需達(dá)500MS/s以上。

與傳統(tǒng)方案如光纖光柵型、干涉結(jié)構(gòu)型以及瑞利散射型的光纖動態(tài)應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)相比，本發(fā)明是基于受激布里淵非線性效應(yīng)，不存在難以構(gòu)建大型傳感網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)工作狀態(tài)不穩(wěn)定或者難以定量測量等缺點(diǎn)，可以有效實(shí)現(xiàn)長距離分布式光纖應(yīng)變的定量實(shí)時在線高速測量。

與目前已有的布里淵型光纖動態(tài)應(yīng)變傳感技術(shù)相比，針對當(dāng)前布里淵分布式動態(tài)應(yīng)變傳感技術(shù)中測量范圍和響應(yīng)速度無法相互兼顧的缺點(diǎn)，本發(fā)明采用布里淵增益拼接譜的技術(shù)，采取利用多重布里淵增益拼接譜同時實(shí)現(xiàn)大測量范圍和高響應(yīng)速度的研究思路，可有效實(shí)現(xiàn)將動態(tài)應(yīng)變測量范圍擴(kuò)展到±5000με以上，同時系統(tǒng)響應(yīng)速度完全可保證達(dá)到同類技術(shù)的最高層次。

基于此技術(shù)，可以有效實(shí)現(xiàn)分布式光纖動態(tài)應(yīng)變傳感監(jiān)測，其傳感范圍可達(dá)10km以上，空間分辨率1～10m，動態(tài)應(yīng)變測量范圍可達(dá)±5000με，動態(tài)應(yīng)變響應(yīng)速率可達(dá)100Hz以上。

本發(fā)明的基于布里淵增益拼接譜的分布式光纖動態(tài)應(yīng)變傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，窄線寬激光器1通過耦合器2分光成兩路，其中一路經(jīng)過強(qiáng)度調(diào)制器3調(diào)制成高消光比、寬帶移頻泵浦脈沖光，其后經(jīng)光纖光柵9濾波保留下移頻光頻成分，經(jīng)環(huán)行器10進(jìn)入到傳感光纖13中；另一路作為探測連續(xù)光進(jìn)入相位調(diào)制器11，使用多頻率成分合成信號發(fā)生模塊12驅(qū)動相位調(diào)制器11，探測連續(xù)光被調(diào)制成包含多移頻光頻成分，利用其下頻移頻帶中多光頻對應(yīng)的多布里淵增益譜拼接裁剪出更寬更線性的布里淵增益譜。將泵浦脈沖光和探測連續(xù)光的頻率差固定在傳感光纖13的布里淵增益拼接譜左側(cè)線型譜斜邊中間，當(dāng)傳感光纖13局部受到動態(tài)應(yīng)變擾動時，光纖局部布里淵增益拼接譜也會發(fā)生動態(tài)漂移，使用高速光電探測器14探測光功率的波動即能解調(diào)出動態(tài)應(yīng)變，無需重構(gòu)光纖沿線的布里淵增益譜，利用信號高速并行處理單元15實(shí)現(xiàn)大測量范圍高響應(yīng)速度的分布式動態(tài)應(yīng)變信號的解調(diào)。

窄線寬激光器1的尾纖輸出和光纖耦合器2的輸入端口2-1相連，將種子激光分成兩路，其中一路經(jīng)光纖耦合器2的輸出端口2-2與強(qiáng)度調(diào)制器3的輸入端口3-1相連，強(qiáng)度調(diào)制器3的DC電壓偏置端口3-2與鎖定放大器4連接，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制器3最佳工作點(diǎn)的自動反饋穩(wěn)定控制；強(qiáng)度調(diào)制器3的射頻輸入端口3-3與微波開關(guān)5的輸出端口5-3相連，微波開關(guān)5的輸入端5-1與微波信號發(fā)生模塊7相連，微波開關(guān)5的輸入端5-2與電脈沖發(fā)生模塊6相連。經(jīng)強(qiáng)度調(diào)制器3調(diào)制得到的高消光比寬帶移頻泵浦脈沖光由輸出端口3-4輸出并連接到光纖環(huán)形器8的輸入端口8-1，光纖環(huán)形器8的端口8-2與實(shí)現(xiàn)濾波作用的光纖光柵9相連，光纖環(huán)形器8的輸出端口8-3與光纖環(huán)形器10的輸入端口10-1相連，實(shí)現(xiàn)將泵浦脈沖光注入到傳感光纖13中。光纖耦合器2分光的另一路經(jīng)其輸出端口2-3與相位調(diào)制器11的輸入端口11-1相連，相位調(diào)制器11的射頻輸入端口11-2與多頻率信號發(fā)生模塊12連接，包含多頻率成份的探測連續(xù)光經(jīng)相位調(diào)制器11的輸出端口11-3注入到傳感光纖13中。探測連續(xù)光與泵浦脈沖光在傳感光纖13中相向傳輸，探測連續(xù)光傳輸經(jīng)過傳感光纖13后與光纖環(huán)形器10的端口10-2相連，并通過光纖環(huán)形器10的輸出端口10-3連接到高速光電探測器14的輸入端口14-1，高速光電探測器14的輸出端口14-2與信號高速并行處理單元15相連，實(shí)現(xiàn)傳感信號的解調(diào)。

各器件模塊的說明如下：

窄線寬激光器1，是基于布里淵增益拼接譜的高性能光纖動態(tài)應(yīng)變傳感系統(tǒng)的種子光源。由于單模光纖布里淵增益譜譜寬為35MHz左右，因此需要泵浦種子光源的線寬較窄。本發(fā)明中采用的光源為商用窄線寬激光器，要求線寬小于1MHz。

光纖耦合器2，普通單模光纖1550nm波段，1×2三端口，分光比需要根據(jù)實(shí)際實(shí)施時的光功率設(shè)定。

強(qiáng)度調(diào)制器3，在系統(tǒng)中是實(shí)現(xiàn)獲取高消光比、寬帶移頻泵浦脈沖光的調(diào)制器件，工作在1550nm波段，可采用20GHz帶寬鈮酸鋰電光強(qiáng)度調(diào)制器。

鎖定放大器4，為電光調(diào)制器的偏置電壓反饋控制單元，使其運(yùn)轉(zhuǎn)在最佳工作點(diǎn)處，可采用商用kHz量級響應(yīng)速率的鎖定放大器。

微波開關(guān)5，在系統(tǒng)中是用于控制微波信號通道的開啟和關(guān)閉，要求響應(yīng)速度小于1ns，隔離度達(dá)到-45dB以上，可選擇符合參數(shù)要求的商用微波開關(guān)。

電脈沖發(fā)生模塊6，在系統(tǒng)中是用于產(chǎn)生高對比度、窄脈寬的電脈沖，觸發(fā)控制微波開關(guān)的開啟和關(guān)閉，要求產(chǎn)生的電脈沖脈寬達(dá)到10ns量級，脈沖重復(fù)頻率10kHz量級，可選擇符合參數(shù)要求的商用脈沖信號發(fā)生器。

微波信號發(fā)生模塊7，在系統(tǒng)中用于產(chǎn)生微波信號輸出并作用到電光強(qiáng)度調(diào)制器上，使得被調(diào)制的激光頻率獲得寬帶移頻，由于單模光纖布里淵頻移約為11GHz，因此微波信號發(fā)生模塊可以采用頻率范圍10～13GHz的商用微波信號發(fā)生器，其微波輸出功率需要與所使用的強(qiáng)度調(diào)制器驅(qū)動相匹配。

光纖環(huán)行器8和10，是一個三端口光纖環(huán)行器，單向?qū)?，也可采用接入光纖耦合器和隔離器的辦法，起到光纖環(huán)行器的作用。

光纖光柵9，布拉格短周期光纖光柵，其反射中心波長選擇定制在泵浦光脈沖的微波寬帶移頻下頻帶范圍內(nèi)；另外可通過溫度或應(yīng)變施加在光纖光柵上，進(jìn)行一定范圍內(nèi)的反射中心波長的調(diào)諧。此處光纖光柵也可由窄帶濾波器替代。

相位調(diào)制器11，在系統(tǒng)中是實(shí)現(xiàn)獲取包含多頻率成份的探測連續(xù)光的調(diào)制器件，工作在1550nm波段，可采用2.5GHz帶寬鈮酸鋰電光相位調(diào)制器。

多頻率信號發(fā)生模塊12，在系統(tǒng)中是用于產(chǎn)生包含多頻率成份的高頻調(diào)制正弦波電信號，其工作頻段在750～1250MHz，多頻率成分之間的間隔約為1MHz以及多頻率成分的數(shù)量可達(dá)500以上，該信號發(fā)生模塊作用到電光相位調(diào)制器上，使得被調(diào)制的激光頻率移頻后獲得多頻率成分，可以選擇符合參數(shù)要求的商用編程函數(shù)信號發(fā)生器。

傳感光纖13，是整個分布式光纖動態(tài)應(yīng)變傳感系統(tǒng)的基本傳感單元，外界的動態(tài)應(yīng)變作用到傳感光纖上，影響此段光纖的布里淵增益譜，通過在終端解調(diào)即可獲取相關(guān)的應(yīng)變及位置信息。在此系統(tǒng)中，可以采用商用G652型號的通信單模光纖作為傳感光纖。

光電探測器14，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，可以選用響應(yīng)帶寬高于100MHz的高速光電探測器。

信號高速并行處理單元15，是整個分布式光纖動態(tài)應(yīng)變傳感系統(tǒng)的信息獲取及處理部分，包括信號采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)高速處理和傳感結(jié)果顯示及保存多個部分，其中，為了獲得高時間分辨率，需要采用高速數(shù)據(jù)采集卡，采樣速率需達(dá)到100MS/s以上，數(shù)據(jù)處理可以采取高速并行處理架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時信號傳輸與處理。

所述的強(qiáng)度調(diào)制器，為電光強(qiáng)度調(diào)制器，工作在1550nm波段，要求調(diào)制帶寬大于10GHz。

最后應(yīng)說明的是：以上所述僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，盡管參照前述實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。