專利名稱：全光纖定位監(jiān)測(cè)方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種新的光纖定位監(jiān)測(cè)方法及依據(jù)該方法構(gòu)造的全光纖定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
維護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施的安全是社會(huì)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的一個(gè)基本要求。對(duì)通信光纜(包括海底光纜)、高壓電網(wǎng)、輸油管道、輸氣管道等基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，不僅是這些設(shè)施實(shí)現(xiàn)技術(shù)性功能的保障，更是避免造成重大經(jīng)濟(jì)損失、維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展的有效手段。特別是隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，呈現(xiàn)出地域分布廣、復(fù)雜程度高、重要性進(jìn)一步提高的新特點(diǎn)，這就使得基礎(chǔ)設(shè)施受到危害的范圍、頻率也隨之增加，安全監(jiān)測(cè)的難度、重要性也相應(yīng)增加。依靠通常布點(diǎn)的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)的技術(shù)已經(jīng)顯得無能為力，迫切需要一種實(shí)時(shí)性強(qiáng)、能夠適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境條件的分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
當(dāng)前，我國對(duì)于油氣管道、電網(wǎng)、通信網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測(cè)主要是依據(jù)設(shè)施自身的一些生產(chǎn)參數(shù)(如壓力突降、中間站油罐液位的不正常變化)和人工沿巡視、路人的報(bào)告等手段。這些手段技術(shù)含量低，普遍存在效率低、實(shí)時(shí)性差、反應(yīng)時(shí)間長、抗干擾能力差等缺陷，常常是監(jiān)測(cè)設(shè)施遭受破壞后才能報(bào)警，實(shí)用性受自然和人雙重因素的制約。這種“亡羊補(bǔ)牢式”的事后檢測(cè)技術(shù)，只能減少而不能避免損失。實(shí)踐證明這種落后的監(jiān)測(cè)方法在不同領(lǐng)域已經(jīng)給國民經(jīng)濟(jì)造成了重大損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅2002年我國由于犯罪分子打孔盜油而損失的原油就達(dá)13億噸，直接經(jīng)濟(jì)損失數(shù)億元，由此帶來的環(huán)境污染、商業(yè)信用等損失更是難以估量。
為了維護(hù)干線的完整性，防止第三方破壞，直接負(fù)責(zé)管道、電網(wǎng)、通信網(wǎng)等運(yùn)營部門已經(jīng)投入了巨大的人力和財(cái)力，但是保護(hù)干線的安全形勢(shì)卻顯得日趨急迫。各級(jí)政府和社會(huì)各界也非常關(guān)注，從專項(xiàng)立法到具體防范、輿論宣傳、專項(xiàng)治理等方面都做了大量的工作。國務(wù)院曾召開電視電話會(huì)議，部署開展輸油管道生產(chǎn)治安秩序?qū)ｍ?xiàng)行動(dòng)，公安部也加大了打擊盜油犯罪的力度，并收到了一定的成效。然而專門針對(duì)油氣管道和電力、通信設(shè)施的破壞、對(duì)輸送介質(zhì)的偷盜行為依然經(jīng)常發(fā)生。造成這種狀況的一個(gè)重要原因就是監(jiān)測(cè)方法和監(jiān)測(cè)技術(shù)落后。
如果有一種技術(shù)能夠?qū)@些事件進(jìn)行“未雨綢繆式”有效監(jiān)測(cè)，并在它們對(duì)管道造成實(shí)質(zhì)性破壞前，提前預(yù)警，給管道維護(hù)者留出足夠時(shí)間來制止破壞或強(qiáng)化防范的話，就會(huì)徹底扭轉(zhuǎn)運(yùn)營部門當(dāng)前這種被動(dòng)堵漏的不利局面，從根本上避免損失。
對(duì)長干線的監(jiān)測(cè)，特別是受電磁干擾的影響，不可能實(shí)施依靠電的方式進(jìn)行傳感監(jiān)測(cè)。因此，光纖技術(shù)將成為進(jìn)行電力、通信和油氣管道等行業(yè)的安全監(jiān)測(cè)和預(yù)防人為破壞的主要技術(shù)手段。光纖傳感技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用給管道安全防范帶來了新的希望，它能夠?qū)ν{管道安全的各種行為進(jìn)行早期監(jiān)測(cè)、定位和預(yù)警。
但大多數(shù)光纖傳感系統(tǒng)基于點(diǎn)傳感器，這樣覆蓋大區(qū)域或長距離就需要布設(shè)大量傳感器，導(dǎo)致系統(tǒng)成本和復(fù)雜性升高，使應(yīng)用受限，甚至無法實(shí)施。
相比之下，分布式光纖傳感技術(shù)由于傳感器布設(shè)數(shù)量較少，系統(tǒng)相對(duì)簡單，因此具有更好的應(yīng)用前景。但目前國際上已開發(fā)并商品化的分布式技術(shù)較少，且其中多數(shù)采用的是溫度傳感器，而能夠準(zhǔn)確定位的更是少數(shù)。同時(shí)，受限于測(cè)量低功率短光脈沖反向傳輸時(shí)間的計(jì)時(shí)要求(大多數(shù)基于時(shí)域反射計(jì)，即OTDR技術(shù))，多數(shù)技術(shù)只能進(jìn)行表態(tài)或參數(shù)變化很少的監(jiān)控，系統(tǒng)應(yīng)用范圍狹窄，缺乏實(shí)用性。而對(duì)于管道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來說，必須獲得實(shí)時(shí)的、半靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)信息及其發(fā)生位置，特別是OTDR技術(shù)無法檢測(cè)的瞬間事件。而國內(nèi)光纖傳感應(yīng)用目前還停留在光柵光纖傳感技術(shù)階段。雖然在不少應(yīng)用領(lǐng)域也取得了很好的效果，但由于光柵光纖傳感技術(shù)自身的局限性，其在管道運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用受到嚴(yán)重制約。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是獲得一種具有從根本上解決干線安全預(yù)警、事故定位監(jiān)測(cè)功能的全光纖定位監(jiān)測(cè)方法及其系統(tǒng)。
本發(fā)明是利用全光纖白光干涉理論，根據(jù)擾動(dòng)點(diǎn)在全光纖干涉系統(tǒng)中位置的不同，出現(xiàn)的干涉信號(hào)頻譜缺損位置不同這一特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)點(diǎn)定位功能。利用這一方法，構(gòu)造了新型結(jié)構(gòu)的光纖干涉定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠利用單根光纖進(jìn)行定位監(jiān)測(cè)，從原理上來說沒有監(jiān)測(cè)范圍限制。
本發(fā)明提出的一種全光纖定位監(jiān)測(cè)方法，其構(gòu)造光路使得光纖中傳導(dǎo)的光波不同時(shí)刻往返通過擾動(dòng)點(diǎn)(非法入侵時(shí)引起的振動(dòng))，假設(shè)在時(shí)刻t，單一角頻率ω?cái)_動(dòng)信號(hào)引起的傳輸光波相位變化為(t)，則(t)＝sin(ωt)(1)在時(shí)刻t+τ，單一角頻率ω?cái)_動(dòng)信號(hào)引起的傳輸光波相位變化為(t+τ)＝sin[ω(t+τ)](2)擾動(dòng)點(diǎn)(6)離光纖反射端面(7)的距離設(shè)為L，光往返傳輸兩次的時(shí)間為T，則
T＝2neffL/c(3)上式中，neff是光纖纖芯等效折射率，c是真空中的光速。由于監(jiān)測(cè)光纖的擾動(dòng)使干涉系統(tǒng)中形成的相位差Δ為 =2sinω(t+τ+T2)·cosωT2-2sinω(t+T2)·cosωT2]]>(4)在3×3=4cosωT2sinωτ2cosω(t+τ+T2)]]>光纖耦合器的輸出端口可以得到隨時(shí)間變化的輸出功率為P(t)＝A{1+cos[Ψ+Δ]}(5)其中A為與輸入光功率大小有關(guān)的一個(gè)常數(shù)，Ψ為整個(gè)系統(tǒng)的初始相位，可以視為常數(shù)；因此，輸出的交流分量只與干涉系統(tǒng)中的相位差Δ有關(guān)。由(4)式可知當(dāng)cosωT2sinωτ2≠0]]>時(shí)，Δ隨時(shí)間快速變化，此時(shí)光電探測(cè)器探測(cè)到的輸出干涉信號(hào)是一個(gè)振幅緩慢震蕩的變量；當(dāng)cosωT2sinωτ2=0]]>時(shí)，輸出的交流量為零，即P(t)不隨時(shí)間變化，是個(gè)常量。
當(dāng)cosωT2=0]]>時(shí)，ωT2=kπ-π2,]]>其中k為自然數(shù)；將(3)式代入，記特征頻率為fnull(k)，則fnull(k)=2k-12T=2k-12·c2neffL---(6)]]>與特征頻率fnull(k)所對(duì)應(yīng)的光纖長度L為L=(2k-1)·c4nefffnull(k)---(7)]]>同理，當(dāng)sinωτ2=0]]>時(shí)，f′(k)=k-1τ,]]>其中k為自然數(shù)，τ為延遲時(shí)間。
由于τ可以取得很小，與其對(duì)應(yīng)的第一個(gè)特征頻率f′k＝1就非常大，即在頻譜上，相應(yīng)的頻譜缺損位置偏離零點(diǎn)很遠(yuǎn)，這樣選取適當(dāng)?shù)摩雍蚹取值就可避免f′(k)對(duì)fnull(k)的干擾。由數(shù)據(jù)處理終端得到的缺損頻譜值fnull(k)，依據(jù)(7)式即可得到L值，從而判定出擾動(dòng)點(diǎn)的位置；譜分析準(zhǔn)確度決定了定位精度。
在光纖端面的反饋裝置(7)不僅可以實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)墓庹捶较騼纱瓮ㄟ^擾動(dòng)點(diǎn)(6)，在相同外界信號(hào)激勵(lì)的環(huán)境下使得相位靈敏度提高一倍，而且能夠有效的避免擾動(dòng)點(diǎn)處的光纖(相當(dāng)于一個(gè)相位調(diào)制器)偏振態(tài)隨機(jī)變化對(duì)干涉系統(tǒng)的影響；同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)相位調(diào)制信息的單根光纖提取。光波通過長度為l的光纖一次時(shí)，產(chǎn)生的相位延遲為Ф＝βl(8)式中β為光波在光纖中的傳播常數(shù)，β＝nk0其中n為光波在光纖中傳播的有效折射率，k0為光波在真空中的波數(shù)。
當(dāng)長度為l的光纖作為傳感元(相當(dāng)于擾動(dòng)點(diǎn)處的一段光纖)受到外界信號(hào)調(diào)制時(shí)，產(chǎn)生光波相位的變化Δ為Δ＝ΔФ＝Δ(βl)＝βΔl+lΔβ (9)進(jìn)一步整理化為 外界信號(hào)引起光波的相位差可以用上式描述，主要包括兩項(xiàng)，第一項(xiàng)為光纖的長度發(fā)生相對(duì)變化時(shí)引起的相位差，一般由應(yīng)變效應(yīng)引起；第二項(xiàng)為光波傳播常數(shù)的相對(duì)變化引起的相位差，主要由電光效應(yīng)、彈光效應(yīng)、泊松效應(yīng)以及熱光效應(yīng)等引起。同時(shí)相位差Δ與光纖引起的相位延遲Ф成正比關(guān)系。在外界激勵(lì)信號(hào)一定的情況下，即Δll+Δββ]]>一定，為了等到更高的相位靈敏度，顯然可以通過增加傳感光纖長度l的方法實(shí)現(xiàn)，一般實(shí)現(xiàn)途徑是增加實(shí)際的光纖長度，而本發(fā)明采用光波在光纖中兩次通過的方法，在沒有增加光纖物理長度情況下，實(shí)際相位延遲為2Ф效果，顯然采用此方法得到的相位差為 可見在相同的外界信號(hào)激勵(lì)下，采用光波在傳感光纖中通過兩次的技術(shù)方案，得到相位差的倍增效果，即實(shí)現(xiàn)了相位靈敏度提高一倍。所以此類相位調(diào)制方法除了應(yīng)用于光纖定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之外，還可以廣泛應(yīng)用于光纖傳感、光纖通信領(lǐng)域。光纖傳感器中的應(yīng)用主要表現(xiàn)為可以用來探測(cè)聲波、應(yīng)變、溫度、振動(dòng)、語音等等能夠引起式(10)中相位差的物理量。
實(shí)現(xiàn)上述方法的反饋裝置由兩種選擇，其一為采用在傳感光纖端面鍍反射膜的方式，使得光纖中的光到達(dá)端面后被重新耦合到光纖中，此時(shí)的反射膜可以作為平面鏡處理；其二在光纖端面采用法拉第旋轉(zhuǎn)平面鏡，使得光被反射的同時(shí)，光的偏振面旋轉(zhuǎn)90°，然后再耦合到傳感光纖中實(shí)現(xiàn)了雙倍調(diào)制。在光纖干涉系統(tǒng)中都會(huì)遇到偏振態(tài)的隨機(jī)擾動(dòng)問題，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)造成干涉條紋消失。采用上述反饋裝置，能夠有效克服外界擾動(dòng)作用在傳感光纖上時(shí)發(fā)生的偏振態(tài)變化造成的干涉條紋消失。針對(duì)上面兩種光反饋方法，下面進(jìn)行具體分析。
以單模光纖為例，由于光纖生產(chǎn)和使用的不完善性，使光纖的傳播特性表現(xiàn)為各項(xiàng)異性。主要表現(xiàn)為線雙折射和圓雙折射(橢圓雙折射為兩者疊加的情況)。上述光纖對(duì)光波的偏振態(tài)的影響可以用瓊斯矩陣來描述。
J=JXX-JYX*JYXJXX*---(12)]]>由于外界干擾諸如溫度變化、振動(dòng)等引起的雙折射一般都具有互易性，設(shè)光纖中傳導(dǎo)光波從沿著單一方向位置1到位置2，描述偏振態(tài)變化的傳輸矩陣是J12，同樣沿相反方向從位置2到位置1描述偏振態(tài)變化的傳輸矩陣是J21，如果外界干擾引起的雙折射表現(xiàn)互易性質(zhì)，那么兩個(gè)瓊斯矩陣的關(guān)系為J21=J12T,]]>上標(biāo)T代表矩陣的轉(zhuǎn)置，以下計(jì)算均假定為互易性雙折射。
所以當(dāng)使用光纖端面鍍膜形成反射面或平面鏡時(shí)，我們假定完全反射，當(dāng)存在線雙折射時(shí)，此反饋光路的傳輸矩陣JFL為JFL=MlTMMMl=e-jδl00ejδl1001e-jδl00ejδl=e-j2δl00ej2δl---(13)]]>可見，此時(shí)線雙折射沒有被抵消，而是出現(xiàn)了倍增。
當(dāng)存在圓雙折射時(shí)JFC=McTMMMc=cosθ-sinθsinθcosθ1001cosθsinθ-sinθcosθ=1001---(14)]]>此時(shí)具有互易性圓雙折射被完全抵消。
當(dāng)光波反饋裝置采用法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡，將偏振面旋轉(zhuǎn)90°，此時(shí)采用矩陣J表示瓊斯矩陣，則反饋光路的傳輸矩陣為JF=JTMFJ=JXXJYX-JYX*JXX*01-10JXX-JYX*JYXJXX*=01-10---(15)]]>
可見此時(shí)雙折射被完全抵消。
當(dāng)采用鍍膜等不改變偏振面的反射形式的光反饋方法連接在傳感光纖末端時(shí)，不僅光纖相位靈敏度可以提高一倍，而且能夠有效的抵消圓雙折射對(duì)光路的影響，而且結(jié)構(gòu)簡單，方便實(shí)現(xiàn)；當(dāng)采用法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡作為光反饋裝置時(shí)，能夠完全消除傳感光纖中任何互易性的雙折射，系統(tǒng)抗干擾能力增強(qiáng)。結(jié)構(gòu)與前者相比稍顯復(fù)雜。
利用該方法構(gòu)造的全光纖定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于通信干線、電力傳輸線、天然氣管道和石油管道的安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域；也能應(yīng)用于大型建筑物例如水壩、隧道、礦井等的安全監(jiān)測(cè)。
全光纖定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用兩只光纖耦合器和一卷光纖延遲線，構(gòu)造白光干涉光路，如圖1所示。定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的光路特征是光源(1)之后是耦合器(4)，經(jīng)過分光，耦合器端口(8)的分光經(jīng)過延時(shí)器(11)，之后是耦合器(5)，到達(dá)光纖非正常擾動(dòng)點(diǎn)(非法侵入點(diǎn))(6)，并被監(jiān)測(cè)光纖端面反饋裝置(7)反射，反射光通過耦合器(5)回到耦合器(4)的端口(9)；耦合器端口(9)的分光經(jīng)過耦合器(5)到達(dá)擾動(dòng)點(diǎn)(6)，并經(jīng)過反射面(7)反射，反射光經(jīng)過延時(shí)器(11)回到耦合器(4)端口(8)。兩光束在3×3光纖耦合器(4)中形成攜帶有被測(cè)物理量特征的光信號(hào)分別由(14)、(12)端口輸出，該信號(hào)相應(yīng)被探測(cè)器(2)、(3)接收后傳送到數(shù)據(jù)處理終端(13)。數(shù)據(jù)處理終端(13)通過對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行頻譜分析計(jì)算，最終獲得擾動(dòng)源的具體位置和擾動(dòng)信號(hào)的大小。
圖1中采用的光反饋裝置，可以是在光纖端面鍍膜等形成的反射鏡，也可以是法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡，二者物理特性的主要差別時(shí)，鍍膜形成的反射面在反射過程中，沒有光波偏振面的變化，而后者反射的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了偏振面旋轉(zhuǎn)90度。當(dāng)采用鍍膜等不改變偏振面的反射形式的光反饋方法連接在光纖相位調(diào)制器末端時(shí)，能夠有效的抵消圓雙折射對(duì)光路的影響，雖然線雙折射出現(xiàn)倍增，但一般情況下，對(duì)干涉影響很小，而且其結(jié)構(gòu)十分簡單，方便實(shí)現(xiàn)；當(dāng)采用法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡作為光反饋裝置時(shí)，能夠完全消除監(jiān)測(cè)光纖中任何互易性的雙折射，系統(tǒng)抗干擾能力增強(qiáng)。結(jié)構(gòu)與采用反射鏡面相比稍顯復(fù)雜。
本發(fā)明系統(tǒng)的光纖耦合器是錐型光纖耦合器。耦合器的光功率是均分的，即3×3光纖耦合器光功率分光比是1∶1∶1，2×2光纖耦合器光功率分光比是1∶1。
全光纖定位監(jiān)測(cè)方法構(gòu)造的系統(tǒng)中，光纖耦合器與光纖的連接、光纖之間的連接方式是融接方式連接，光源與干涉系統(tǒng)的連接方式FC/PC跳線連接，干涉系統(tǒng)與探測(cè)器的連接方式也是FC/PC跳線連接。
穩(wěn)定光源可以是下述中的任一種工作波長是1.31μm或1.55μm的半導(dǎo)體激光二極管(LD)；半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)激光器；超輻射發(fā)光二極管(SLD)激光器等。
本發(fā)明光源也可以是波長850μm的氣體激光器。
本發(fā)明單模光纖、多模光纖均適用于本發(fā)明系統(tǒng)。
本發(fā)明中，耦合器與光纖的連接、光纖之間的連接方式是融接方式連接，光源和光纖的連接、探測(cè)器與光纖的連接采用跳線連接。
本發(fā)明的突出特點(diǎn)是利用全光纖干涉光路和新的方法，提出了一種應(yīng)用范圍廣泛的長干線安全監(jiān)測(cè)方法，與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法相比，該方法構(gòu)造的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，工作狀態(tài)不受溫度影響，監(jiān)測(cè)范圍大，定位精度高。系統(tǒng)能夠有效的避免相位調(diào)制器偏振態(tài)隨機(jī)變化對(duì)干涉系統(tǒng)的影響；同時(shí)，也能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測(cè)信息的單根光纖提取。當(dāng)采用鍍膜等不改變偏振面的反射形式的光反饋方法連接在光纖相位調(diào)制器末端時(shí)，而且能夠有效的抵消圓雙折射對(duì)光路的影響；當(dāng)采用法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡作為光反饋裝置時(shí)，能夠完全消除相位調(diào)制器中任何互易性的雙折射，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)。該測(cè)試方法與傳統(tǒng)定位方法相比，具有更加廣泛的應(yīng)用前途，特別是在提取的干涉信號(hào)不是十分穩(wěn)定的情況下，獲取的數(shù)據(jù)也能完成最終的測(cè)試定位功能。而且采用光反饋裝置，系統(tǒng)能夠消除光路中引起的雙折射，尤其是圓雙折射現(xiàn)象，所以系統(tǒng)可以用于復(fù)雜、惡劣的環(huán)境中。該系統(tǒng)將廣泛應(yīng)用在光纖傳感、光纖通信領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例測(cè)試結(jié)果圖。
1是光源，2、3是光電探測(cè)器，4是3×3光纖耦合器，5是2×2光纖耦合器，6是傳感光纖，7是光反饋裝置(采用端面鍍膜)，8、9、12、14是3×3光纖耦合器的四個(gè)端口，12、15是2×2光纖耦合器的兩個(gè)端口，11是光纖延遲線，13是信號(hào)處理裝置。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1，在本實(shí)施例中，所用的激光器為電子集團(tuán)總公司44研究所生產(chǎn)的SO3-B型超輻射發(fā)光管(SLD)型穩(wěn)定光源(1)。光纖耦合器為武漢郵電研究院生產(chǎn)的單模光纖耦合器。光電探測(cè)器(2)(3)為44所生產(chǎn)的型號(hào)為GT322C500的InGaAs光電探測(cè)器。所用的光纖為美國“康寧”生產(chǎn)的G652型單模光纖。跳線為武漢郵電研究院生產(chǎn)的FC/PC型單模光纖跳線。光反饋裝置(7)為光纖末端蒸鍍鋁膜，反射率大于95％。
實(shí)施例中，擾動(dòng)源在傳感光纖中的位置離光纖反射端的距離L為8158米，實(shí)施例中的頻譜缺損情況如圖2所示，第一個(gè)缺損頻譜位置相應(yīng)于L＝8160米，第二個(gè)缺損頻譜位置相應(yīng)于L＝8164米，平均為L＝8162米，平均不確定度為0.05％。
權(quán)利要求
1.一種全光纖監(jiān)測(cè)定位方法，運(yùn)用全光纖干涉系統(tǒng)中擾動(dòng)點(diǎn)位置的不同，出現(xiàn)的干涉信號(hào)頻譜缺損位置不同，實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)點(diǎn)定位，其特征是通過光纖在光路中傳導(dǎo)的光波不同時(shí)刻往返通過擾動(dòng)點(diǎn)的頻率與所對(duì)應(yīng)的光纖長度進(jìn)行定位監(jiān)測(cè)，特征頻率fnull(k)所對(duì)應(yīng)的光纖長度L為L=(2k-l)·c4nefffnull(k)]]>其中L為光纖長度，k為自然數(shù)，c為真空中光速，neff是光纖纖芯等效折射率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法的光纖定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是光源(1)之后是耦合器(4)，光被耦合器分光后，耦合器端口(8)的分光經(jīng)過延時(shí)器(11)，之后是耦合器(5)，到達(dá)傳感光纖(6)，并被傳感光纖末端的反射面(7)反射，反饋光通過耦合器(5)回到耦合器(4)的端口(9)；耦合器端口(9)的分光經(jīng)過耦合器(5)到達(dá)傳感光纖(6)，并經(jīng)過反射面(7)反射，反饋光經(jīng)過延時(shí)器(11)回到耦合器(4)端口(8)；兩光束在3×3光纖耦合器(4)中形成攜帶有擾動(dòng)源物理特征的干涉光信號(hào)，該信號(hào)被探測(cè)器(2)、(3)接收。干涉信號(hào)通過信號(hào)處理裝置(13)數(shù)據(jù)處理后，獲得擾動(dòng)源的物理特性和擾動(dòng)源位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征是單根光纖實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)信號(hào)的提取功能。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征是光反饋裝置是平面鏡，或者是法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征是耦合器是錐形耦合器，耦合器的光功率是均分的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征是耦合器是3×3光纖耦合器或2×2光纖耦合器。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征是所用光源工作波長是1.31μm或1.55μm的半導(dǎo)體激光二極管或半導(dǎo)體發(fā)光二極管激光器，或者超輻射發(fā)光二極管激光器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征是所用光源是850μm的氣體激光器。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征是所用光纖或光纖延遲線是單模光纖，或者是多模光纖。
10.據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征是耦合器與光纖的連接、光纖之間的連接方式是融接方式連接，光源和光纖的連接、探測(cè)器與光纖的連接采用跳線連接。
全文摘要
本發(fā)明是一種新型的光纖定位監(jiān)測(cè)方法及利用該方法實(shí)現(xiàn)的光纖定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用單根光纖作為大范圍分布傳感光纖，根據(jù)干涉信號(hào)的相位反演得到擾動(dòng)源的物理特性，根據(jù)干涉信號(hào)的頻譜分析確定擾動(dòng)源的具體位置。利用在傳感光纖末端加反射鏡(包括法拉第旋轉(zhuǎn)鏡)的方法，提高了系統(tǒng)的靈敏度并抑制了因?yàn)槠駪B(tài)變化問題造成的系統(tǒng)工作狀態(tài)不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。由于系統(tǒng)利用了白光干涉原理，消除了由于溫度影響造成的工作點(diǎn)漂移等問題，大大提高了系統(tǒng)的工程應(yīng)用環(huán)境，可以用于復(fù)雜、惡劣的環(huán)境中的管線安全監(jiān)測(cè)。本發(fā)不僅可應(yīng)用于通信干線、電網(wǎng)、油氣管道等的定位安全監(jiān)測(cè)中，也可以實(shí)現(xiàn)聲納探測(cè)、音頻傳輸和應(yīng)變、壓力、振動(dòng)的測(cè)試等光纖傳感領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01D5/26GK1635339SQ20051002310
公開日2005年7月6日 申請(qǐng)日期2005年1月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月1日
發(fā)明者賈波, 張?zhí)煺? 唐璜, 章驊, 吳東方 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)