專利名稱：基于波分復用的長距離分布式光纖定位干涉結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光纖傳感技術領域，具體涉及一種長距離分布式光纖定位干涉結構。
背景技術：
維護基礎設施的安全是社會穩(wěn)定、經濟快速發(fā)展的一個基本要求。當前，我國對于 油氣管道、電網、通信網等基礎設施的長距離監(jiān)測主要是依據設施自身的一些生產參數(如 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 含量低，普遍存在效率低、實時性差、反應時間長、抗干擾能力差等缺陷，常常是監(jiān)測設施遭 受破壞后才能報警，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，只能減少而不能避免損失。對長距離管線的監(jiān)測，特別是受電磁干擾的影響，依靠電 的方式進行傳感監(jiān)測難以實施。因此，光纖傳感技術將成為進行電力、通信和油氣管道等行 業(yè)的安全監(jiān)測和預防人為破壞的主要技術手段。在先技術之一，是基于全光纖白光干涉系統(tǒng)的監(jiān)測技術，在這種系統(tǒng)中，干涉信號 在某些相關頻率點會有缺失，從這些缺失的頻率點來判斷這些擾動發(fā)生的位置。但是如果 擾動源未激發(fā)出所需的頻率范圍，就無法獲得頻率缺失點，這種判斷方法就會失效。

圖1為 利用頻率缺失點來進行定位監(jiān)測的一種全光纖白光干涉系統(tǒng)結構。系統(tǒng)由寬帶光源8、光纖 分路器1、光纖延遲線5、光纖分路器2、單芯光纖6、反饋裝置3、探測器9、10、信號處理單元 16構成，該系統(tǒng)利用白光進行干涉。光路中存在一段單芯光纖6，利用反饋裝置3的作用， 使從光纖6傳輸的光經反饋裝置3作用后重新進入光纖6傳輸，獲得的干涉信號從1的端 口 lb、lc輸出，進入探測器9、10。17是由分路器1、2和延遲線5構成的干涉單元。在先技術之二，解決了在先技術一中存在的擾動源激發(fā)頻率范圍問題。如圖2所 示，該技術在單芯光纖6的末端加一個調制模塊15。調制模塊15的作用是將外界振動信號 調制到不同的載波頻段上，具體實現方式是通過分路器4加兩段有一定長度差異的光纖13 和14，這兩段光纖的長度差為/產生的時延為τ2.；在兩路光纖上通過相位調制器18.、19 加載不同頻率的載波信號；兩光纖光路的尾端加反饋裝置11、12。這樣，通過相位生成載波 復用一套光纖干涉系統(tǒng)，得到同一振動對應不同光路位置的兩路相位信號，比較兩路相位 信號的頻譜特性，消去振動信息對位置信息的干擾，可獲得準確的振動位置信息。通過比較兩者頻譜上的幅度，消除了擾動信號幅度、頻率成分變化對定位的影響。
每個頻率點都可以求得 的值，從
而得到外界振動信號在傳感光纖上的位置信息。由于計算所用的頻率點沒有特殊要求，因 而可以解決在先技術一中存在頻率限制的問題。又由于利用了頻譜上若干個點求得4的平 均值，消除信號測量的引入的誤差所造成的差異性，也大大提高定位的精確性。但在先技術二中，由于需要使用了相位生成載波調制技術，信號的解調變得相對 復雜，特別是通常擾動引起的干涉信號帶寬很寬，要精確地還原干涉相位，不僅要求帶通濾 波器的帶寬很寬，且對平坦度和相移特性都有很高的要求，信號處理的難度和復雜程度較大。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提出一種環(huán)境適用性強、結構簡單的可用于長距離分布式監(jiān)測 的基于波分復用的分布式光纖定位干涉結構。本發(fā)明提出的基于波分復用的分布式光纖定位干涉結構，使用波分復用技術，使 得同一擾動，獲得兩種不同的干涉信號，可以利用比較兩路相位信號的頻譜特性的方法，確 定擾動發(fā)生的位置。具體如圖3所示。包括光纖干涉組件20、感應光纖6、第一波分復用器 21、第一光纖22、第二光纖23、第一反饋裝置11、第二反饋裝置12 ；兩個不同波長的光λ工、 λ 2從同一根感應光纖6中注入，這兩個注入光沿這根被復用的感應光纖6傳輸到光纖的端 口，被第一波分復用器件21分開，分別沿各自的獨立路徑第一光纖22、第二光纖23到達各 自的反射終端——第一反饋裝置11、第二反饋裝置12 ；這兩個獨立光纖路徑第一光纖22、 第二光纖23之間長度差為厶，產生的時延為τ 3。圖3中，光纖干涉組件20和感應光纖6、第一波分復用器21、第一光纖22、第一反 饋裝置11共同形成光波λ i的干涉光路；光纖干涉組件20和感應光纖6、第一波分復用器 21、第二光纖23、第二反饋裝置12共同形成光波λ 2的干涉光路。光從光纖干涉組件20輸 入，干涉信號亦從光纖干涉組件20輸出。光波A1的干涉信號中攜帶有擾動點7距離反饋裝置11長度信息，光波λ2的干 涉信號中攜帶有擾動點7距離反饋裝置12長度信息，這兩個長度差(即為第一光纖22和第 二光纖23的長度差)的存在，使得擾動點7的位置可以通過比較兩個光波干涉獲得的相位 信號的頻譜特性，獲得準確的振動位置信息。圖4是實現這一干涉結構的一種具體方式。光纖干涉組件20由第一光纖分路器Μ、第二光纖分路器25、第二波分復用器26、 第三波分復用器27、光纖延遲線5、第三光纖分路器觀構成。其中，第一光纖分路器M是 一 Ν*Μ光纖分路器(Ν、Μ為整數)，24aU24a2,…MaN是第一光纖分路器M的N個同向端 口，24bU24b2屬另一組同向端口。第二光纖分路器25是一 P*Q光纖分路器(P、Q為整數)， 25aU25a2,…25aP是第二光纖分路器25的P個同向端口，25bU25b2屬另一組同向端口。 第二波分復用器26為一波分復用器，26b,26c是其獨立波長端口，26a是復用波長端口。第 三波分復用器27是另一波分復用器，27b,27c是其獨立波長端口，27a是復用波長端口。第 三光纖分路器觀是一工作波長包括λ:、入2的光纖分路器，28blJ8l32是其同向端口，28a 是另一方向端口。波長λ 的第一光從光纖分路器M的Mal輸入，光從端口 24bl、Ml32 輸出；波長人2的光從第二光纖分路器25的25al輸入，光從端口 2恥1、25132輸出。從端口 Mbl、25bl輸出的波長分別為λ^ λ2的光從第二經波分復用器沈的端口 26b、26c輸入， 兩波長匯合的光從端口 26a輸出，復用端口 26a與^bl間的路徑；從端口 24b2、25l32輸出 的波長分別為λ ρ λ 2的光從經第三波分復用器27的端口 27b、27c輸入，兩波長匯合的光 從端口 27a輸出，復用端口 26￡1與觀132間的路徑。從端口 28blJ8l32輸入的光，經28a輸 出，注入到感應光纖6中。在該干涉結構中，波長λ工的光產生的干涉信號從第一光纖分路 器對的端口 Mal、2^2、…MaN輸出，波長λ 2的光產生的干涉信號從第二光纖分路器25 的端口 25al、2fe2、…25aP輸出。從X1* λ 2產生的干涉信號中分別解調出相應的相位信號，即可根據通過比較這兩個相位信號的頻譜特性確定擾動的位置。具體工作原理及解 算過程如下。如圖5所示在監(jiān)控光纖的擾動點7處施加一個振動信號樹力，光在反饋裝置R處 返回。由于任何一個復雜的振動都可以分解為不同頻率的簡諧振動的疊加，所以考慮單一 頻率為 的振動信號。假設在時刻t，由于光彈效應，單一振動角頻率為的振動信號引起
的傳輸光波相位變化為,則
權利要求
1.基于波分復用的長距離分布式光纖定位干涉結構，其特征在于該干涉結構包括光 纖干涉組件、感應光纖、第一波分復用器、第一光纖、第二光纖、第一反饋裝置、第二反饋裝 置；兩個不同波長的光λ i、λ 2從同一根感應光纖中注入，這兩個注入光沿這根被復用的感 應光纖傳輸到光纖的端口，被第一波分復用器件分開，分別沿各自的獨立路徑第一光纖、第 二光纖到達各自的反射終端一第一反饋裝置、第二反饋裝置；這兩個獨立光纖路徑第一 光纖、第二光纖之間長度差為厶，產生的時延為^；其中，光纖干涉組件和感應光纖、波分 復用器、第一光纖、第一反饋裝置形成光波λ,的干涉光路；光纖干涉組件和感應光纖、波分 復用器、第二光纖、第二反饋裝置形成光波λ 2的干涉光路；光從光纖干涉組件輸入，干涉信 號亦從光纖干涉組件輸出。
2.根據權利要求1所述的基于波分復用的長距離分布式光纖定位干涉結構，其特征在 于，所述光纖干涉組件由第一光纖分路器、第二光纖分路器、第二波分復用器、第三波分復 用器、光纖延遲線、第三光纖分路器構成；其中，第一光纖分路器是一 Ν*Μ光纖分路器，N、M 為整數，24aU24a2,…MaN是第一光纖分路器的N個同向端口，24bU24b2是第一光纖分 路器的另一組同向端口 ；第二光纖分路器是一 P*Q光纖分路器，P、Q為整數，2fel、25a2、… 25aP是第二光纖分路器的P個同向端口，2^1、251d2第二光纖分路器的另一組同向端口 ；第 二波分復用器為一波分復用器，26b,26c是其獨立波長端口，26a是復用波長端口 ；第三波 分復用器是另一波分復用器，27b,27c是其獨立波長端口，27a是復用波長端口 ；第三光纖 分路器是一工作波長包括λ 、λ 2的光纖分路器，28b 1、是其同向端口，28a是另一方向 端口 ；波長X1的光從第一光光纖分路器的端口 Mal輸入，從端口 24bl、Ml32輸出；波長 λ 2的光從第二光纖分路器的端口 25al輸入，從端口 2釙1、25132輸出；從端口 24bl、25bl 輸出的波長分別為λρ λ 2的光從第二經波分復用器的端口 26b、26c輸入，兩波長匯合的 光從端口 26a輸出，復用端口 26a與^bl間的路徑；從端口 24b2、25l32輸出的波長分別為 入、λ 2的光從經第三波分復用器的端口 27b、27c輸入，兩波長匯合的光從端口 27a輸出， 復用端口 26^1與觀132間的路徑；從端口 28blJ8l32輸入的光，經端口 28a輸出，注入到感 應光纖中；在該干涉結構中，波長X1的光產生的干涉信號從第一光纖分路器的端口 2如1、 24a2,…MaN輸出，波長λ 2的光產生的干涉信號從第二光纖分路器的端口 25al、2fe2、…輸出。
3.根據權利要求1所述的基于波分復用的長距離分布式光纖定位干涉結構，其特征在 于，所述光纖干涉組件由第四光纖分路器、第三光纖分路器以及光纖延遲線構成；第四光纖 分路器是一 R*S光纖分路器，R、S為整數，29alJ9a2、…^aR是第四光纖分路器的R個同 向端口，29blJ%2第四光纖分路器的另一組同向端口 ；該方式中，光纖干涉組件中所有的 器件都被復用；端口 ^bl經光纖延遲線與端口 ^bl相連，端口 與端口 相連，從 端口 28blJ8l32輸入的光，經端口 28a輸出，注入到感應光纖中；含有入工和λ2兩種波長成分的光從端口 ^al輸入，兩種波長產生的干涉都從端口 29al、29a2、…29aR 輸出。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種可用于長距離監(jiān)測的分布式光纖定位結構與方法，具體涉及一種基于波分復用的分布式光纖定位干涉技術，其在同一根感應光纖中注入兩個不同波長的光，光傳輸到光纖端口，經一波分復用器件將兩種波長成份分開，分別沿各自的獨立光纖路徑到達各自的反射終端，兩個光波分別形成不同的干涉。通過比較兩個干涉獲得的相位信號的頻譜特性，獲得擾動位置信息。本發(fā)明結構簡單，后端對信號處理無特殊要求，利用比較頻譜特性獲得位置信息不僅消除了擾動信號幅度變化對檢測的影響，且可利用多個頻率點獲得的位置值進行平均，獲得高的定位精度。
文檔編號H04B10/08GK102064884SQ20101055850
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月25日 優(yōu)先權日2010年11月25日
發(fā)明者張毅, 肖倩, 許海燕, 賈波 申請人:復旦大學