FP-LD强反馈光纤应力系统，用于高压输电塔

《Optics and Lasers in Engineering》：FP-LD strong feedback fiber-optic stress system for high-voltage transmission towers

光纤应力监测系统设计基于法布里-珀罗激光二极管强反馈原理，利用外部共振腔与单模光纤形成的光学结构实现应力-差频信号（BFS）线性响应，实验表明系统灵敏度随光纤长度增加显著提升（?13.67 kHz·N?1），结合MLP神经网络使监测准确率达96.88%。

　　

Fang Wang|Yuchang Wen|Guoqing Shangguan|Shuangshuang Han|Xinyi Zhao|Yanzhong Yuan|Hualei Shen|Yufang Liu

河南师范大学光电工程学院，中国新乡453007

摘要

我们设计了一种基于法布里-珀罗激光二极管（FP-LD）强光反馈的光纤应力监测系统，用于监测高压输电塔倾斜引起的应力变化。该系统由FP-LD的后端面和单模光纤（SMF）的端面之间形成的外部谐振腔组成。谐振腔的有效光程长度会发生变化，从而导致多个纵模的拍频信号（BFS）发生偏移。在0–80 N的应力加载实验中，应力变化与BFS的频率偏移呈线性关系。系统灵敏度随着传感谐振腔长度的增加而提高。具体来说，当谐振腔长度分别为3.0 m、5.1 m和7.2 m时，测得的应力灵敏度分别为?6.70 kHz·N?1、?9.95 kHz·N?1和?13.67 kHz·N?1。通过应用多层感知器（MLP）神经网络，可以减少从频率偏移监测软件预测的应力值与实际应力测量值之间的误差。该方法提高了系统的检测精度，其在测试集上的准确率为96.88%。

引言

输电塔是电力传输和通信系统的基础设施，对人们的日常生活至关重要。一旦输电塔发生倾斜，不仅会导致大规模的电力和通信中断，还会危及人们的生命安全。因此，加强对输电塔倾斜程度的监测对于电力和通信系统的安全运行具有重要意义。目前，常用的应力检测方法包括光纤布拉格光栅（FBG）传感器[[1], [2], [3]]、马赫-曾德尔干涉仪（MZI）[[4], [5], [6]]、法布里-珀罗干涉仪（FPI）[[7], [8], [9]]等。然而，FBG传感器价格昂贵且部署复杂；MZI和FPI的结构和制造工艺较为复杂，且应变无法完全限制在敏感区域内，从而影响监测灵敏度。此外，这三种设备的解调都依赖于高精度波长解调技术，不仅需要昂贵的光学检测设备[10]，而且检测范围有限。相比之下，应用于输电塔应力监测的拍频解调技术可以通过光电探测器将光信号转换为电信号，然后通过信号混合生成拍频信号（BFS）进行检测。例如，Tian等人提出了一种基于光纤环形激光腔的拍频解调应变监测系统，使用掺铒光纤放大器（EDFA）提供增益，并以单模光纤作为传感头。尽管该系统的最大灵敏度达到?1.606 kHz/με，但它依赖于泵浦激光器和掺铒光纤，导致结构复杂且成本较高[11]。Xu等人的非均匀介质多纵模光纤激光传感系统采用了FBG传感头，但由于谐振腔色散导致拍频信号漂移，稳定性不足[12]。另一种基于谐振腔色散频率映射的多纵模系统通过啁啾光纤布拉格光栅（CFBG）实现波长-频率转换，但其测量范围受到CFBG带宽的限制，且宽带CFBG的制造成本较高[13]。Wang等人基于CFBG的单纵模光纤激光器虽然具有较宽的调谐范围，但仅适用于光谱分析和微波生成等场景，无法满足输电塔应力监测中对动态应变响应和环境适应性的要求[14]。

本文设计了一种基于法布里-珀罗激光二极管（FP-LD）强反馈的光纤应力监测系统，用于高压输电塔的结构健康监测，其工作原理基于拍频解调。选择FP-LD作为光源是因为其制造成本低[[15], [16], [17]]，并且具有多个纵模和强反馈的特性[[18,19]]。FP-LD的后腔面与单模光纤的菲涅尔端面共同形成外部谐振腔[[20,21]]。通过利用腔内的多干涉效应，可以精确调节激光波长和模式，从而生成信噪比（SNR）较高的拍频信号。该系统结构设计简单，仅使用单模光纤作为传感元件。外部传感单元的长度可以根据不同的应变区域灵活调整；具体来说，传感单元长度与总谐振腔长度的比例越大，灵敏度越高。数据首先由地面数据采集单元收集，然后传输到终端的应力-频率偏移监测软件。通过分析拍频信号的偏移状态和多层感知器（MLP）神经网络，可以提高应力监测的准确性。该技术具有实现简单和性能可靠的特点，可广泛应用于工程结构健康监测领域。

系统结构与原理

本研究开发的FP-LD强反馈光纤应力监测系统的示意图如图1(a)所示。系统采用FP-LD作为光源，由恒定电压电流源驱动产生激光光，并使用单模光纤（SMF）作为传感元件。激光光照射到光纤端面后部分发生菲涅尔反射并返回到FP-LD的后端面，从而在FP-LD后端面和光纤端面之间形成外部谐振腔。

实验结果

FP-LD强反馈光纤应力监测系统的实验装置包括恒定电压电流驱动器、FP-LD、光纤耦合器、传感单模光纤（SMF）、光电二极管（PD）模块和地面数据采集单元。恒定电压电流源模块设置为向FP-LD提供22 mA的驱动电流，15 mA的阈值电流可防止激光器发生松弛振荡。地面数据采集单元负责采集和预处理拍频信号（BFS）。

数据处理

准确描述实验系统对于验证MLP模型在提高应力-频率测量精度方面的有效性至关重要。我们设计了“基线校准-多组验证-结果平均”的对比实验方案。首先，通过逐步增加应力（步长为10 N）从0到80 N进行基线实验，以建立应力-频率关系，然后...

结论

本文提出了一种基于FP-LD强反馈和MLP神经网络的光纤应力监测系统，使用单模光纤（SMF）进行传感，具有较高的拍频信号（BFS）信噪比（SNR）。传感光纤的长度与谐振腔长度的比例越大，系统灵敏度越高。该系统基于预先建立的应力-频率偏移监测软件，能够实时显示传感器的应力状态和BFS的频率变化。在数据处理阶段使用了高斯模型...

资金来源

本研究部分得到了国家自然科学基金（62,075,057元和62,305,106元）、河南省高校重点科研项目（25A510019）以及河南省科技研发计划联合基金（225,200,810,046元）的支持。

作者贡献声明

Fang Wang：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源获取、概念构思。Yuchang Wen：撰写 – 初始草案、方法论、调查、形式分析、概念构思。Guoqing Shangguan：监督、软件开发、形式分析、数据管理。Shuangshuang Han：监督、方法论、调查。Xinyi Zhao：数据可视化、资源协调。Yanzhong Yuan：数据可视化、软件开发、调查。Hualei Shen：数据可视化、软件开发。Yufang Liu：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。