專利名稱：干涉型光纖分布式擾動傳感器及其擾動定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖分布式擾動傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種干涉型光纖分布式擾動傳感器及其擾動定位方法。
背景技術(shù)：
光纖傳感器由于其高靈敏度、體積小、重量輕、本質(zhì)安全、電絕緣性、抗電磁干擾、 相對成本低、多功能性、可靠性高、硬件匹配光纖通信接口、易于組網(wǎng)、特別是可以實(shí)現(xiàn)分布式測量等優(yōu)良特性，在工業(yè)、民用和軍事領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。其中，光纖分布式擾動傳感器在周界安防、油氣管線監(jiān)測、大型結(jié)構(gòu)監(jiān)測和通信線路監(jiān)測等領(lǐng)域具有重要意義。光纖分布式擾動傳感器可以對傳感光纖上任意一點(diǎn)處的擾動(時(shí)變信號)進(jìn)行監(jiān)測，得到擾動信號的時(shí)域波形，根據(jù)擾動事件性質(zhì)進(jìn)行判斷，給出報(bào)警信息，同時(shí)給出擾動事件發(fā)生的空間位置信息。目前，根據(jù)不同的工作原理，光纖分布式傳感器可以分為干涉儀型、光纖光柵型、 光時(shí)域反射計(jì)型，光頻域反射計(jì)型以及強(qiáng)度調(diào)制型等傳感技術(shù)。光纖光柵型分布式傳感器采用光纖光柵作為敏感元件，在一定長度的間隔之間鋪設(shè)光纖光柵，通過復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式傳感，因此，光纖光柵型分布式擾動傳感器的空間分辨率具有不連續(xù)性，且受到光纖光柵空間分布間隔的限制。同時(shí)，光纖光柵的集成基于波長復(fù)用，在一根光纖上可以復(fù)用的光纖光柵數(shù)量受到波長區(qū)間的限制，其測量長度的增加需要以增大光纖光柵間隔即降低空間分辨率為代價(jià)。除了空間分辨率和測量長度間的矛盾夕卜，光纖光柵型分布式傳感器的成本也限制了其作為分布式擾動傳感器在大范圍環(huán)境中的應(yīng)用。光時(shí)域反射計(jì)型分布式傳感器可以用來檢測外界環(huán)境中溫度或壓力的變化，但其響應(yīng)時(shí)間較長，對于外界擾動的實(shí)時(shí)定位比較困難，不能應(yīng)用于對時(shí)變信號的分布式傳感， 因此限制了其作為分布式擾動傳感器的應(yīng)用。光頻域反射計(jì)型分布式傳感器，基于非線性光學(xué)效應(yīng)、布里淵或拉曼散射，可以對外界的溫度和壓力進(jìn)行傳感，但其傳感信號相對微弱，使得信號的檢測和解調(diào)相對困難，同時(shí)其器件成本也相對較高，限制了其在長距離擾動傳感中的應(yīng)用。強(qiáng)度調(diào)制型傳感器基于單模光纖和多模光纖中的模式耦合機(jī)理，可以實(shí)現(xiàn)對擾動的分布式傳感，但其靈敏度和精度較低，為了能夠在實(shí)際中應(yīng)用還需進(jìn)一步解決增敏和提高精度的問題。綜上，在光纖分布式傳感器中，干涉儀型分布式傳感器具有實(shí)現(xiàn)原理簡單、靈敏度高、響應(yīng)速度快、硬件成本低、適于長距離傳感等優(yōu)良特性，已經(jīng)成為光纖分布式擾動傳感器的主要技術(shù)方案。目前，干涉儀型光纖分布式擾動傳感器的理論方案主要包括單薩格奈克型、雙馬赫-澤德型、雙薩格奈克型、薩格奈克+邁克爾遜型和薩格奈克+馬赫-澤德型，雙波長薩格奈克型，雙調(diào)制頻率薩格奈克型等。
單薩格奈克型光纖分布式傳感器可以通過確定擾動信號在頻率的零點(diǎn)實(shí)現(xiàn)擾動定位，但其定位算法相對復(fù)雜，同時(shí)，要求擾動信號具有較寬的頻譜范圍，因此在實(shí)際應(yīng)用中有較大限制。將薩格奈克干涉儀和馬赫-澤德干涉儀或邁克爾遜干涉儀結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對單點(diǎn)擾動位置信息的提取，實(shí)現(xiàn)分布式擾動傳感。但該類光纖分布式傳感器的缺點(diǎn)在于，在薩格奈克干涉儀中為了抑制干涉噪聲，需要采用寬譜光源；但是在馬赫-澤德或邁克爾遜干涉儀中，由于兩個(gè)干涉臂光程差的存在，只能使用窄帶光源，因此光源選擇上的矛盾限制了其性能的提高以及實(shí)用化。為了在時(shí)域中實(shí)現(xiàn)薩格奈克干涉儀對時(shí)變擾動的定位，可以通過兩個(gè)薩格奈克干涉儀、或同時(shí)具有兩個(gè)工作波長的一個(gè)薩格奈克干涉儀、或同時(shí)工作在兩個(gè)調(diào)制頻率的一個(gè)薩格奈克干涉儀。但是在此類方案中，需要采用兩個(gè)光源及探測器，且需要波分復(fù)用器和不同頻率的調(diào)制器等器件，增加了系統(tǒng)的硬件成本和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，降低了傳感器的實(shí)用性。傳統(tǒng)的雙馬赫-澤德型光纖分布式傳感器光路結(jié)構(gòu)簡單，硬件成本低，不存在信號頻譜范圍的限制，通過相關(guān)時(shí)延算法可以實(shí)現(xiàn)擾動的定位。如

圖1所示，為基于雙馬赫-澤德干涉儀的光纖分布式擾動傳感器的光路原理圖。激光器發(fā)出的光經(jīng)過耦合器C1分成兩束，分別沿順時(shí)針和逆時(shí)針方向經(jīng)過由耦合器c2、C3和它們之間的兩根敏感光纖構(gòu)成的馬赫-澤德干涉儀，在耦合器C3和C2處分別發(fā)生干涉并通過探測器PA和探測器PD1接收干涉信號。以上光路中的光纖均為單模光纖。當(dāng)擾動作用于傳感臂上時(shí)，應(yīng)力會引起光纖長度和傳播常數(shù)的變化，從而在信號臂和參考臂上產(chǎn)生一個(gè)相位差的變化。當(dāng)光纖長度變化AL、傳播常數(shù)變化Δ β時(shí)，相位差Δ^可以表示為
權(quán)利要求
1.一種干涉型光纖分布式擾動傳感器，該傳感器包括光源以及兩個(gè)探測器，其特征在于，該傳感器還包括第一馬赫-澤德干涉儀，包括第一光耦合裝置及第二光耦合裝置，所述第一耦合裝置將所述光源發(fā)出的光分為兩束并傳送至所述第二光耦合裝置，光束在所述第二光耦合裝置發(fā)生干涉，干涉光分別傳輸至第一探測器以及第二馬赫-澤德干涉儀；第二馬赫-澤德干涉儀，包括第三光耦合裝置及第四光耦合裝置，所述第三光耦合裝置將自所述第二光耦合裝置傳輸?shù)母缮婀夥譃閮墒髠魉椭了龅谒墓怦詈涎b置，光束在所述第四光耦合裝置發(fā)生干涉，干涉光傳輸至第二探測器。
2.如權(quán)利要求1所述的干涉型光纖分布式擾動傳感器，其特征在于，所述第一馬赫-澤德干涉儀與所述第一探測器之間、以及所述第二馬赫-澤德干涉儀與所述第二探測器之間連接有傳導(dǎo)光纖，所述第一光耦合裝置與第二光耦合裝置之間、以及所述第三耦合裝置與第四光耦合裝置之間分別連接有傳感光纖。
3.如權(quán)利要求2所述的干涉型光纖分布式擾動傳感器，其特征在于，所述第一光耦合裝置、第二光耦合裝置之間的傳感光纖、所述第三光耦合裝置、第四光耦合裝置之間的傳感光纖與所述第一馬赫-澤德干涉儀、以及第一馬赫-澤德干涉儀與第一探測器之間的傳導(dǎo)光纖位于同一光纜中。
4.一種干涉型光纖分布式擾動傳感器的擾動定位方法，其特征在于，該方法包括步驟51.對兩個(gè)探測器接收到的兩個(gè)干涉信號進(jìn)行預(yù)處理，提取相位信息；52.根據(jù)所述相位信息，基于互相關(guān)時(shí)延算法，定位擾動信號施加點(diǎn)的位置。
5.如權(quán)利要求4所述的干涉型光纖分布式擾動傳感器的擾動定位方法，其特征在于， 步驟Sl進(jìn)一步包括Si. 1濾除兩個(gè)探測器接收到的兩個(gè)干涉信號的直流項(xiàng)；Si. 2通過抗偏振衰落方法以及光功率穩(wěn)定控制方法消除所述兩個(gè)干涉信號的可見度變化；Si. 3通過求取峰峰值的方法求取步驟Si. 2處理后的兩個(gè)干涉信號的光強(qiáng)信息；Si. 4從所述光強(qiáng)信息中提取相位信息。
6.如權(quán)利要求4所述的干涉型光纖分布式擾動傳感器的擾動定位方法，其特征在于， 步驟Sl進(jìn)一步包括Si. 1濾除兩個(gè)探測器接收到得兩個(gè)干涉信號的直流項(xiàng)；Si. 2通過分段求取峰峰值的方法求取所述兩個(gè)干涉信號的光強(qiáng)信息；Si. 3從所述光強(qiáng)信息中提取相位信息。
7.如權(quán)利要求6所述的干涉型光纖分布式擾動傳感器的擾動定位方法，其特征在于， 在步驟Si. 2中，求取的第一探測器接收到的干涉信號的光強(qiáng)信息I'工以及第二探測器接收到的干涉信號的光強(qiáng)信息I ‘ 2分別為
8.如權(quán)利要求7所述的干涉型光纖分布式擾動傳感器的擾動定位方法，其特征在于， 步驟Si. 3進(jìn)一步包括S1. 31對I'工以及Γ 2進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，得到
9.如權(quán)利要求8所述的干涉型光纖分布式擾動傳感器的擾動定位方法，其特征在于， 在步驟Si. 32中，所述相位提取方法為三角函數(shù)相位提取算法或相位產(chǎn)生載波調(diào)制。
10.如權(quán)利要求8所述的干涉型光纖分布式擾動傳感器的擾動定位方法，其特征在于， 步驟S2進(jìn)一步包括S2.1基于互相關(guān)時(shí)延算法，計(jì)算步驟Si. 3提取的相位信息的時(shí)延差，得到
全文摘要
本發(fā)明公開了一種干涉型光纖分布式擾動傳感器及其擾動定位方法，涉及光纖分布式擾動傳感器技術(shù)領(lǐng)域。該傳感器包括光源以及兩個(gè)探測器，還包括第一馬赫-澤德干涉儀，包括第一光耦合裝置及第二光耦合裝置，第一耦合裝置將光源發(fā)出的光分為兩束并傳送至第二光耦合裝置，光束在第二光耦合裝置發(fā)生干涉，干涉光分別傳輸至第一探測器以及第二馬赫-澤德干涉儀；第二馬赫-澤德干涉儀，包括第三光耦合裝置及第四光耦合裝置，第三光耦合裝置將干涉光分為兩束后傳送至第四光耦合裝置，光束在第四光耦合裝置發(fā)生干涉，干涉光傳輸至第二探測器。本發(fā)明的裝置及方法硬件結(jié)構(gòu)簡單、成本低、精度較高、且易于實(shí)現(xiàn)，可應(yīng)用于長距離監(jiān)測。
文檔編號G01D5/26GK102506913SQ20111033395
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月28日
發(fā)明者李勤, 李慧, 李立京, 楊德偉, 林文臺, 許文淵, 鄔戰(zhàn)軍, 鐘翔 申請人:北京航空航天大學(xué)