一種針對微弱信號檢測的光纖干涉系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型屬于光纖傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種針對微弱信號檢測的光纖干涉系統(tǒng)。本系統(tǒng)除包括干涉光源、光纖干涉組件、感應(yīng)光纖和反饋裝置外，還包括相位調(diào)制器，其可用于在被測微弱信號帶寬以外的某一頻率引入大幅度的相位調(diào)制信號，間接使微弱信號達到實用新型裝置的滿幅，滿足解調(diào)算法中必須使用滿幅信號進行直流補償，歸一化及耦合器初始相位計算的要求，實現(xiàn)對相位信號的準確解調(diào)。本實用新型大大提高了光纖分布式干涉系統(tǒng)的普適性；可廣泛應(yīng)用于電力傳輸線，天然氣管道和石油管道的安全監(jiān)測領(lǐng)域；也可以應(yīng)用于大型建筑物例如水壩，隧道，礦井等的安全監(jiān)測。
【專利說明】—種針對微弱信號檢測的光纖干涉系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于光纖傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種針對微弱信號檢測的光纖干涉系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]維護基礎(chǔ)設(shè)施的安全是社會穩(wěn)定，經(jīng)濟快速發(fā)展的一個基本要求。當前，我國對于油氣管道，電網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測主要依據(jù)設(shè)施自身的一些生產(chǎn)參數(shù)(壓力突降，中間站油罐液位的不正常變化)和人工巡視，路人的報告等手段。這些手段技術(shù)含量低，普遍存在效率低，實時性差，反應(yīng)時間長，抗干擾能力差等缺陷，常常是監(jiān)測設(shè)施遭到破壞后才能報警，實用性受自然和人為雙重因素的制約。這種“亡羊補牢式”的事后檢測技術(shù)，只可能減少而不能避免損失。特別是受電磁干擾的影響，對長距離管線的監(jiān)測，不可能實施可靠電的方式進行傳感監(jiān)測。因此，光纖傳感技術(shù)將成為進行電力，油氣管道等行業(yè)的安全監(jiān)測的主要技術(shù)手段。
[0003]對于干涉型光纖傳感器，其基本的傳感機理是，在待測場能量的作用下，使光纖中傳播的光波發(fā)生相位變化，再以干涉測量技術(shù)把相位變化轉(zhuǎn)換為振幅變化，實現(xiàn)待測物理量的測量。正由于采用了干涉技術(shù)，在實際應(yīng)用中，必須首先采用適當?shù)男盘柼幚砑夹g(shù)將外界擾動引起的相位差信號從干涉信號中提取出來。目前，應(yīng)用較多的是基于3X3耦合器相位調(diào)制和解調(diào)技術(shù)進行的相位檢測方法。
[0004]圖1是一種基于3X3 f禹合器相位調(diào)制和解調(diào)的分布式光纖傳感系統(tǒng)。圖1中，干涉光源，光纖干涉組件，反饋裝置，探測器及信號處理單元構(gòu)成該光纖傳感系統(tǒng)。光纖干涉組件由第一光纖分路器，光纖延遲線，第二光纖分路器連接組成。其中，第一光纖分路器是一個3X3光纖稱合器,光從光纖干涉組件的3X3稱合器的一端口輸入,亦從干涉組件的3 X 3耦合器的其他端口和輸出，并最終進入探測器及信號處理單元。
[0005]圖2為另一種采用3X3耦合器進行相位調(diào)制和解調(diào)的基于波分復(fù)用技術(shù)的光纖分布式監(jiān)測定位干涉系統(tǒng)。其采用波分復(fù)用的技術(shù)，使得如圖1所示的兩個不同波長的干涉系統(tǒng)可以復(fù)用光源，光纖干涉組件和傳感光纖。通過基于3X3耦合器的信號解調(diào)算法，使同一擾動獲得兩個不同的相位差信號。圖2中，干涉系統(tǒng)由干涉光源，光纖干涉組件，感應(yīng)光纖，反饋裝置，探測器及信號處理單元構(gòu)成。光纖干涉組件由第一光纖分路器，光纖延遲線和第二光纖分路器連接組成。其中，第一光纖分路器是一個3X3光纖耦合器。第二光纖分路器是一 2 X 2光纖耦合器，反饋裝置由第一波分復(fù)用器，第一光纖，第一反射裝置，第二光纖和第二反射裝置構(gòu)成。其中第一波分復(fù)用器為一波分復(fù)用器。因此，光纖干涉組件和感應(yīng)光纖，第一波分復(fù)用器，第一光纖和第一反射裝置共同形成光波λ I的干涉光路；光纖干涉組件和感應(yīng)光纖，第一波分復(fù)用器，第二光纖和第二反饋裝置共同形成光波λ2的干涉光路。光從光纖干涉組件的3X3稱合器的一端口輸入,亦從干涉組件的3X3稱合器的其它端口輸出，分別進入第二波分復(fù)用器和第三波分復(fù)用器，并最終進入探測器及信號處理單元。[0006]對于圖1或圖2所示干涉系統(tǒng)，通過基于3X3耦合器的相位調(diào)制和解調(diào)的方法，可以將相位信號從干涉信號中恢復(fù)出來，從而獲得外界擾動信息。在相位解調(diào)的過程中，直流補償和歸一化過程均需要滿足外界擾動信號達到干涉儀的滿幅的要求。因此對于無法滿足該要求的微弱信號，系統(tǒng)就無法對其進行準確的相位解調(diào)，從而導(dǎo)致擾動位置的錯誤判斷，使系統(tǒng)的測量能力受到了限制。同時，考慮到3X3耦合器無法滿足對稱結(jié)構(gòu)，SP
sm(%iZ^L)^±^ ,也需要對3X3耦合器的初始相位進行準確計算，實現(xiàn)對相位信號的準 2 2
確解調(diào)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型的目的在于提供一種針對微弱信號檢測的光纖干涉系統(tǒng)。其可對外界微弱擾動信號實現(xiàn)準確的相位解調(diào)，結(jié)構(gòu)簡單，工作狀態(tài)穩(wěn)定，同時定位精度高。
[0008]本實用新型提供的一種針對微弱信號檢測的光纖干涉系統(tǒng)，其包括干涉光源、光纖干涉組件、相位調(diào)制器、反饋裝置和探測器及信號處理單元；所述光纖干涉組件由第一光纖分路器、光纖延遲線和第二光纖分路器連接組成，所述第一光纖分路器是3 X 3光纖耦合器，第二光纖分路器是 2X 2光纖耦合器；其中:當所述反饋裝置由反射裝置單獨構(gòu)成時，在所述光纖干涉組件和反饋裝置之間的感應(yīng)光纖上串接相位調(diào)制器；當所述反饋裝置由一波分復(fù)用器通過第一光纖和第二光纖分別連接兩個反射裝置而構(gòu)成時，在所述光纖干涉組件和反饋裝置之間的感應(yīng)光纖上串接相位調(diào)制器，或者在第一光纖和第二光纖上分別串接相位調(diào)制器。
[0009]本實用新型中，上述相位調(diào)制器上所加載的相位信號需要達到干涉系統(tǒng)的滿幅，實現(xiàn)對相位信號的準確解調(diào)。
[0010]本實用新型提供的針對微弱信號的光纖分布式干涉系統(tǒng)的有益效果在于:結(jié)構(gòu)簡單，工作狀態(tài)穩(wěn)定，定位精度高，具有更加廣泛的應(yīng)用前途。其根據(jù)微弱信號的特點，對相位解調(diào)進行改進，在被測微弱信號帶寬以外的某一頻率引入大幅度的相位調(diào)制信號，可間接使微弱信號達到實用新型裝置的滿幅，滿足解調(diào)算法中必須使用滿幅信號進行直流補償，歸一化及3X3耦合器初始相位計算的要求，實現(xiàn)對相位信號的準確解調(diào)，消除了檢測信號微弱帶來的無法檢測定位的問題，大大提高了光纖分布式干涉系統(tǒng)的普適性。該光纖干涉系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于電力傳輸線，天然氣管道和石油管道的安全監(jiān)測領(lǐng)域；也可以應(yīng)用于大型建筑物例如水壩，隧道，礦井等的安全監(jiān)測。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為基于3X3耦合器相位調(diào)制和解調(diào)的分布式光纖傳感系統(tǒng)示意圖。
[0012]圖2為采用3X3耦合器進行相位調(diào)制和解調(diào)的基于波分復(fù)用技術(shù)的光纖分布式監(jiān)測定位干涉系統(tǒng)示意圖。
[0013]圖3為本實用新型中改進的分布式光纖定位干涉系統(tǒng)示意圖。
[0014]圖4為本實用新型中改進的基于波分復(fù)用的一種光纖定位干涉系統(tǒng)示意圖。
[0015]圖5為本實用新型中的基于波分復(fù)用的另一種光纖定位干涉系統(tǒng)示意圖。[0016]圖中標號:1-第一光纖分路器；2_第二光纖分路器；3_光纖延遲線；4_感應(yīng)光纖；5-反饋裝置；6_光纖干涉組件；7_探測器及信號處理單元；8_干涉光源；9_波分復(fù)用器；10-第一光纖；11-第一反射裝置；12-第二光纖；13-第二反射裝置；14-第一相位調(diào)制器；15-第二相位調(diào)制器；16_第三相位調(diào)制器；17_第四相位調(diào)制器。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步詳細說明。
[0018]實施例1
[0019]如圖3所示是本實用新型中改進的分布式光纖定位干涉系統(tǒng)示意圖。其系統(tǒng)是基于圖1所示分布式光纖傳感系統(tǒng)進行改進得到。
[0020]干涉光源8，光纖干涉組件6，反饋裝置5和探測器及信號處理單元7構(gòu)成該光纖傳感系統(tǒng)。光纖干涉組件6由第一光纖分路器1，光纖延遲線3和第二光纖分路器2連接組成。其中，第一光纖分路器I是一個3X3光纖I禹合器,la, lb, Ic是第一光纖分路器I的同向端口，Id, If屬另一組同向端口。第二光纖分路器2是一個2X2光纖I禹合器,2c, 2d是第二光纖分路器2的一組同向端口，2a屬另一組同向端口。光從光纖干涉組件6的3X3 f禹合器I的端口 Ia輸入，亦從干涉組件11的3X3耦合器I的端口 Ib和Ic輸出，并最終進入探測器及信號處理單元7。
[0021]本實施例中，在感應(yīng)光纖4任意位置上串接第一相位調(diào)制器14，可以在外界微弱擾動信號帶寬以外的某一頻率引入大幅度的相位調(diào)制信號，間接使微弱信號達到實用新型裝置的滿幅。
[0022]上述改進的分布式光纖定位干涉系統(tǒng)存在的干涉光的傳輸路徑為:干涉光源8通過第一光纖分路器I的端口 Ia進入光纖干涉組件6。在光纖干涉組件6中，光被分為順時針傳播和逆時針傳播的兩束光，其中順時針傳播的光從第一光纖分路器I的端口 Ia經(jīng)過光纖延遲線3 (TDFl)到達第二光纖分路器2的端口 2c，逆時針傳播的光從第一光纖分路器I的端口 If到達第二光纖分路器2的端口 2d。這兩束光同時從第二光纖分路器2的端口 2a，通過第一相位調(diào)制器14進入感應(yīng)光纖4。在感應(yīng)光纖的尾端，通過由法拉第旋轉(zhuǎn)鏡構(gòu)成的反饋裝置5。經(jīng)反饋裝置5反射的光重新注入感應(yīng)光纖4和光纖干涉組件6，并在第一光纖分路器I發(fā)生干涉。
[0023]圖4、圖5為經(jīng)改進后的基于圖2所示的波分復(fù)用技術(shù)的光纖分布式監(jiān)測定位干涉系統(tǒng)。
[0024]圖4、圖5中，系統(tǒng)由干涉光源8，光纖干涉組件6，第二相位調(diào)制器15，感應(yīng)光纖4，反饋裝置5，探測器及信號處理單元7構(gòu)成。光纖干涉組件6由第一光纖分路器1，光纖延遲線3，第二光纖分路器2連接組成。其中，第一光纖分路器I是一個3X3光纖耦合器，la, lb, Ic是第一光纖分路器I的同向端口，Id, If屬另一組同向端口。第二光纖分路器2是一 2X2光纖I禹合器,2c, 2d是第二光纖分路器2的一組同向端口，2a屬另一組同向端口。反饋裝置12由波分復(fù)用器9，第一光纖10，第一反射裝置11，第二光纖12和第二反射裝置13構(gòu)成。其中波分復(fù)用器9為一波分復(fù)用器，9a使其復(fù)用波長端口，9b和9c是其獨立波長端口。因此，光纖干涉組件6和感應(yīng)光纖4，波分復(fù)用器9，第一光纖10，第一反射裝置11共同形成光波λ i的干涉光路；光纖干涉組件6和感應(yīng)光纖4，波分復(fù)用器9，第二光纖12，第二反饋裝置13共同形成光波λ 2的干涉光路。光從光纖干涉組件6輸入，亦從光纖干涉組件6的端口 Ib和Ic輸出，進入探測器及信號處理單元7。本實用新型中，進一步的，通過在感應(yīng)光纖4的任意位置上串接第二相位調(diào)制器15 (圖4);或者在反饋裝置5中第一光纖10和第二光纖12任意位置處分別串接第三相位調(diào)制器16和第四相位調(diào)制器17(圖5)，使得被測微弱信號帶寬以外的某一頻率引入大幅度的相位調(diào)制信號，間接使在監(jiān)控線路上擾動點D上施加的微弱信號達到實用新型裝置的滿幅。
[0025]本實用新型通過采用以下提出的基于3X3耦合器的相位還原算法，獲得外界擾動引起的相位差信號。即:
[0026]在干涉系統(tǒng)中引入相位調(diào)制器，并在該相位調(diào)制器上加載的大幅度的相位信號Φ COS (ω t)，使干涉信號達到干涉系統(tǒng)的滿幅。當監(jiān)控線路D處有微弱信號擾動時，那么在光接收端產(chǎn)生的具有一定相位差的干涉信號，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換及直流濾除后，探測器及信號處理單元探測到的干涉信號的交流分量分別為:
[0027]
【權(quán)利要求】
1.一種針對微弱信號檢測的光纖干涉系統(tǒng)，其特征在于:其包括干涉光源、光纖干涉組件，相位調(diào)制器、反饋裝置和探測器及信號處理單元；所述光纖干涉組件由第一光纖分路器、光纖延遲線和第二光纖分路器連接組成，所述第一光纖分路器是3x3光纖耦合器，第二光纖分路器是2x2光纖耦合器；其中: 當所述反饋裝置由反射裝置單獨構(gòu)成時，在所述光纖干涉組件和反饋裝置之間的感應(yīng)光纖上串接相位調(diào)制器； 當所述反饋裝置由一波分復(fù)用器通過第一光纖和第二光纖分別連接兩個反射裝置而構(gòu)成時，在所述光纖干涉組件和反饋裝置之間的感應(yīng)光纖上串接相位調(diào)制器，或者在第一光纖和第二光纖上分別串接相位調(diào)制器。
【文檔編號】G01D5/26GK203704952SQ201320837696
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2013年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月18日
【發(fā)明者】賈波, 肖倩, 吳媛, 卞龐 申請人:復(fù)旦大學(xué)