本發(fā)明涉及分布式光纖傳感領域,尤其涉及一種聲磁同測的分布式光纖傳感系統(tǒng)。
背景技術(shù):
分布式光纖傳感技術(shù)是光纖傳感的一個重要分支,利用光波在光纖中傳輸時相位、偏振、幅度、波長等對外界敏感的特性,可以連續(xù)實時地監(jiān)測光纖附近的溫度、應變、磁場、振動和聲音等物理量,具有很好的應用前景,在光纖傳感市場占據(jù)主要地位。
水聲檢測是深海探測的一個重要組成部分,通過高靈敏度的光纖相干檢測,將水聲信號轉(zhuǎn)化成光信號,通過光纖傳至分布式光纖傳感解調(diào)儀。水聲檢測主要檢測海洋聲學環(huán)境中的聲傳播、噪聲、混響、海底聲學特性、陸地地震波檢測以及海洋環(huán)境檢測;水聲檢測優(yōu)勢現(xiàn)代海軍反潛作戰(zhàn)及水下兵器實驗的先進檢測手段。
利用光纖進行水聲檢測的方法多樣,光纖布拉格光柵自20世紀出現(xiàn)以來,迅速取得了很大進展,通過對光纖光柵進行簡單的增敏封裝,將聲壓轉(zhuǎn)換成光柵的軸向應變,這種器件構(gòu)成的水聽器具有天然的易于波分復用的特點,不同中心波長的光纖光柵水聽器通過簡單的串接即可實現(xiàn)復用組網(wǎng),不過隨著對精度的要求逐漸提升,由于光纖光柵的反射光帶寬無法進一步縮小,導致解調(diào)系統(tǒng)的波長分辨率較低,無論是噪聲水平還是動態(tài)范圍都無法滿足現(xiàn)代需求。光纖激光器也是利用了光纖光柵的反射特性和選頻作用,都是利用聲壓引起中心波長的變化,通過檢測中心波長的變化還原水聲信號,不過基于光纖激光器的水聽器系統(tǒng)目前最多陣元數(shù)量為16個,陣元數(shù)量主要受限于泵浦光功率衰減以及光反射問題,實際應用限制較多。干涉式水聽器主要取決于其干涉儀的類型,有邁克爾遜型,馬赫增德型,薩格奈特型等多種類型,不過隨著研究的深入和實際應用的開展,也暴露如受彎曲半徑無法進一步縮小、大規(guī)模組網(wǎng)需要多種光器件配合等影響,使用也受到很大限制。
磁場檢測是深海探測的另一個重要組成部分,通過超磁致伸縮材料對微弱磁場的高靈敏度應變響應,將磁場信號轉(zhuǎn)化為光信號,通過光纖傳至分布式光纖傳感解調(diào)儀。通過可長期觀測的磁場傳感網(wǎng)可以通過探測水下航行器引發(fā)的海底磁場變化實現(xiàn)軍事反潛,同時為為海底鐵磁性礦藏開發(fā)行業(yè)提供服務。
利用光纖進行磁場檢測也有多種方法,目前研究的光纖磁場傳感器從原理上大體分為四類:第一類基于法拉第效應,第二類基于磁致伸縮效應,第三類則是基于電流在磁場受到安培力現(xiàn)象,第四類是利用磁流體等新型材料。前兩類傳感器對磁場變化的響應相對直接,目前研究較多,發(fā)展也相對成熟,已經(jīng)成熟的利用在實際工程應用中;第三類傳感器需要引入電流線路進行輔助,第四類基于磁流體材料的磁場傳感器,這些都是近十年來隨著材料學研究的深入發(fā)展的新興方法。不過這兩種技術(shù)出現(xiàn)相對晚些,也不是很成熟,不具備實際工程應用條件。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
(一)要解決的技術(shù)問題
本發(fā)明的目的在于提供一種聲磁同測的分布式光纖傳感系統(tǒng),以解決上述的至少一項技術(shù)問題。
(二)技術(shù)方案
本發(fā)明提供了一種聲磁同測的分布式光纖傳感系統(tǒng),包括:
聲磁同測探頭陣列,包括至少一個聲磁同測探頭,所述聲磁同測探頭包含傳感光纖,用于獲取外部聲磁信號,產(chǎn)生拉伸,且引起其光折射率變化;
分布式光纖傳感解調(diào)儀,與所述聲磁同測探頭陣列連接,用于向所述傳感光纖發(fā)射光脈沖,并接收傳感光纖的反射光以及對反射光進行相位解調(diào),其中,所述反射光為所述光脈沖經(jīng)過聲磁信號作用得到的光信號的反射光。
優(yōu)選地,各所述聲磁同測探頭的間隔不小于分布式光纖傳感解調(diào)儀的空間分辨率。
優(yōu)選地,所述聲磁同測探頭還包括內(nèi)管和外管;其中,,內(nèi)管置于外管內(nèi),內(nèi)管和外管之間設置有彈性體和傳感光纖,所述內(nèi)管外表面覆蓋有彈性體,彈性體外表面纏繞有所述傳感光纖。
優(yōu)選地,所述彈性體包括聚氨酯或聲敏彈性體,彈性體厚度可以為2mm。
優(yōu)選地,所述內(nèi)管和外管可以為金屬材料,所述金屬材料包括鋁、鎳或鐵,內(nèi)管厚度可以為0.5mm,外管厚度可以為0.5mm。
優(yōu)選地,所述傳感光纖表面鍍覆有金屬和超磁致伸縮材料。
優(yōu)選地,所述金屬包括鎳、鐵或銀,金屬厚度可以為200nm。
優(yōu)選地,所述超磁致伸縮材料材料為TbFe2(鐵化鋱)、DyFe2(鐵化鏑)或SmFe2(鐵化釤),超磁致伸縮材料厚度可以為5μm。
(三)有益效果
本發(fā)明相較于現(xiàn)有技術(shù),具有以下優(yōu)點:
1、本發(fā)明通過分布式光纖傳感技術(shù)和鍍金屬光纖作為導光傳感介質(zhì),實現(xiàn)大規(guī)模傳感單元組網(wǎng),可同時實現(xiàn)水聲和磁場的實時高精度同時測量。
2、本發(fā)明的系統(tǒng)具有探頭結(jié)構(gòu)簡單、組網(wǎng)能力強、成本低等特點,此外,本發(fā)明探頭的內(nèi)外管上涂覆彈性體作為增敏結(jié)構(gòu),使得聲磁信號更準確地還原。
3、本發(fā)明具有空氣腔結(jié)構(gòu),適用于深水區(qū),具備具有耐高壓、低成本、可實時測量的優(yōu)勢。
附圖說明
圖1是本發(fā)明實施例的聲磁同測的分布式光纖傳感系統(tǒng)的示意圖;
圖2是本發(fā)明實施例的傳感光纖制作工藝及流程示意圖;
圖3是本發(fā)明實施例的聲磁同測探頭的零部件圖;
圖4是本發(fā)明實施例的聲磁同測探頭的制作及組裝示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明提供的分布式光纖傳感技術(shù),利用檢測傳輸光纖中背向瑞利散射光的相位信號來實現(xiàn)分布式磁場及水聲傳感的測量。當外界磁場或水聲作用于傳感光纖某一位置時,該位置處的光纖將會感受到外界應力或應變的作用,引起光纖拉伸和折射率變化,進而引起導致背向散射光在傳輸時的相位發(fā)生變化,因此通過檢測相位變化來實現(xiàn)對外界振動或聲音的測量?;谙辔簧奢d波技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)可以實現(xiàn)任意位置處的磁場及水聲信號探測。
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白,以下結(jié)合具體實施例,并參照附圖,對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
本發(fā)明實施例提供了一種聲磁同測的分布式光纖傳感系統(tǒng),圖1為本發(fā)明實施例的聲磁同測的分布式光纖傳感系統(tǒng)的示意圖,如圖1所示,該系統(tǒng)包括:聲磁同測探頭陣列2和分布式光纖傳感解調(diào)儀1。其中,所述聲磁同測探頭陣列2包括:至少一個聲磁同測探頭20,所述聲磁同測探頭20包含傳感光纖21,用于獲取外部聲磁信號(即水聲信號和磁場信號),產(chǎn)生拉伸,且引起其光折射率變化;分布式光纖傳感解調(diào)儀1,與所述聲磁同測探頭陣列2連接,用于向所述傳感光纖21發(fā)射光脈沖,所述光脈沖在聲磁信號的作用下形成相應的光信號,并接收傳感光纖21的反射光以及對反射光的背向瑞利散射光進行相位解調(diào),其中,所述反射光為所述光脈沖經(jīng)過聲磁信號作用得到的光信號的反射光。
其中,本實施例中的各所述聲磁同測探頭20的間隔以不小于分布式光纖傳感解調(diào)儀1的空間分辨率為佳??臻g分辨率指在所述分布式光纖傳感系統(tǒng)中,若每一米光纖是一個傳感單元,則系統(tǒng)的空間分辨率即為一米,因此,空間分辨率與所述系統(tǒng)的設定參數(shù)有關,參數(shù)改變,空間分辨率也相應發(fā)生改變。系統(tǒng)中的傳感光纖21作為導光和傳感器件,當解調(diào)儀1發(fā)射的脈沖光進入傳感光纖21時,各聲磁同測探頭20返回背向瑞利散射光,當各所述聲磁同測探頭20的間隔以不小于分布式光纖傳感解調(diào)儀1的空間分辨率時,可以避免各背向瑞利散射光出現(xiàn)疊加混頻、難以分辨和無法解調(diào)的情況。
本發(fā)明實施例采用的分布式光纖傳感解調(diào)儀1可以捕捉到所述反射光的背向瑞利散射光。背向瑞利散射是一種光學現(xiàn)象,屬于散射的一種情況。其散射粒子尺度遠小于入射光波長時(小于波長的十分之一),其各方向上的散射光強度是不一樣的,該強度與入射光的波長的四次方成反比,為光的自然特征。
系統(tǒng)工作時,當外界磁場或水聲信號(聲磁信號)作用于纏繞在聲磁同測探頭20的傳感光纖21某一位置時,該位置處的傳感光纖21將會感受到外界應力或應變的作用,引起光纖拉伸和折射率變化,進而引起背向瑞利散射光在傳輸時的相位發(fā)生變化,通過分布式光纖傳感解調(diào)儀1顯示的相位解調(diào)結(jié)果即可還原所述聲磁信號。
本發(fā)明實施例設計得到所述分布式光纖傳感解調(diào)儀1,可以包括窄線寬激光器、光耦合器、調(diào)制器、光隔離器、光纖放大器、環(huán)形器、光纖光柵、傳感光纖、相干接收器、數(shù)據(jù)采集卡、信號處理機和脈沖發(fā)生器,采用相干接收技術(shù)和正交解調(diào)算法實現(xiàn)背向瑞利散射光的相位解調(diào),從而高精度地還原所述聲磁信號。
圖2為本發(fā)明實施例的傳感光纖21制作工藝及流程示意圖,如圖2所示,本發(fā)明實施例的傳感光纖21為導光、傳感介質(zhì),可以由單模光纖經(jīng)過預處理和磁控濺射處理得到,其中,所述預處理包括:剝離涂覆層、除去油脂、超聲清洗和恒溫箱干燥;所述磁控濺射處理包括:樣品抽真空、通入氬氣濺射鍍金屬和鍍超磁致伸縮材料。其中所鍍的金屬通過磁控濺射的制作工藝鍍于所述單模光纖,所述金屬包括鎳、鐵或銀,厚度優(yōu)選為200nm。所述超磁致伸縮材料通過電鍍工藝鍍于所述金屬上,超磁致伸縮材料可以為TbFe2、DyFe2或SmFe2,超磁致伸縮材料厚度優(yōu)選為5μm。所述超磁致伸縮材料對微弱磁場產(chǎn)生高靈敏度的應變響應,使得磁場信號將解調(diào)儀發(fā)射的光脈沖轉(zhuǎn)化為光信號,光信號通過傳感光纖21傳送至分布式光纖傳感解調(diào)儀1,使得作用于所述傳感光纖21的磁信號作為改變傳感光纖21拉伸效果的作用力,引起傳感光纖21更明顯的折射率變化。對于水聲信號的檢測,本發(fā)明實施例通過高靈敏度的光纖相干檢測,相干檢測是一種信號的解調(diào)機制。利用調(diào)制信號的載波和接收到的已調(diào)信號相乘,然后通過低通濾波得到調(diào)制信號的檢測方式,使得解調(diào)儀發(fā)射的光脈沖在水聲信號的作用下轉(zhuǎn)化為光信號,通過傳感光纖21傳至分布式光纖傳感解調(diào)儀1,同時作用于所述傳感光纖21的水聲信號作為改變傳感光纖21拉伸效果的作用力,引起其傳感光纖21更明顯的折射率變化。
圖3為本發(fā)明實施例的聲磁同測探頭20的零部件圖,如圖3所示,所述聲磁同測探頭20包括:堵頭201、傳感光纖21、一外管203和一內(nèi)管202。圖4為本發(fā)明實施例的聲磁同測探頭20的制作及組裝示意圖,如圖4所示,聲磁同測探頭20中的內(nèi)管202,內(nèi)管置于外管內(nèi),使得內(nèi)管202與內(nèi)管202中的空氣形成空氣腔結(jié)構(gòu),防止外管203外的靜水壓對傳感光纖21的干擾,維持所述系統(tǒng)在深水區(qū)工作的穩(wěn)定性。此外,從堵頭201的小孔穿出一導線,導線的一端通過熔接方法接于所述傳感光纖21,另一端連接所述分布式光纖傳感解調(diào)儀1。
另外,內(nèi)管202和外管203之間設置有彈性體和傳感光纖21,所述內(nèi)管202外表面覆蓋有一層彈性體,彈性體外表面纏繞有所述傳感光纖21,所述彈性體為聚氨酯或聲敏彈性體,彈性體厚度優(yōu)選為2mm。本發(fā)明實施例采用所述彈性體作為增敏材料,使得內(nèi)管202在受到聲磁信號作用時產(chǎn)生更明顯的形變,傳感光纖21產(chǎn)生更明顯的拉伸,從而引起其更明顯的折射率變化。此時,與聲磁同測探頭20相連的分布式光纖傳感解調(diào)儀1發(fā)射光脈沖至傳感光纖21,并接收傳感光纖21對所述光脈沖的反射光,以及進行更精確的相位解調(diào)。
所述內(nèi)管202、外管203和堵頭201可以為金屬材料,所述金屬材料包括鎳、鋁或鐵,本發(fā)明實施例中內(nèi)管202優(yōu)選為厚度為0.5mm的薄壁鋁管,外管203優(yōu)選為厚度為0.5mm的薄壁鋁管,堵頭201也選擇鋁。更進一步地,在所述彈性體與傳感光纖21之間、所述導線與堵頭201的小孔之間以及所述堵頭201與內(nèi)管202的延伸段之間,涂抹硅膠或者膠水401,從而達到防水的效果,其中所述膠水可以選用353D膠水,硅膠可以選擇天山軟硅膠。
以上所述的具體實施例,對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明,應理解的是,以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已,并不用于限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所做的任何修改、等同替換、改進等,均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。