多點擾動定位方法、光纖分布式擾動傳感器的制作方法

專利名稱：多點擾動定位方法、光纖分布式擾動傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及光纖傳感器技術領域，特別涉及一種多點擾動定位方法、光纖分布式擾動傳感器。
背景技術：
光纖傳感器由于其高靈敏度，體積小，重量輕，本質安全，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，特別是可以實現分布式測量等優良特性，在工業、民用和軍事領域具有廣泛的應用。其中，光纖分布式擾動傳感器在周界安防，油氣管線監測，大型結構監測和通信線路監測等領域具有重要意義。
光纖分布式擾動傳感器可以對傳感光纖上任意一點處的擾動(時變信號)進行監測，得到擾動信號的時域波形，根據擾動事件性質進行判斷，給出報警信息；同時給出擾動事件發生的空間位置信息。
目前，根據不同的工作原理，光纖分布式傳感器可以分為干涉儀型、光纖光柵型、 光時域反射計型，光頻域反射計型以及強度調制型等傳感技術。
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光纖光柵，通過復用技術實現準分布式傳感，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性，且受到光纖光柵空間分布間隔的限制。同時，光纖光柵的集成基于波長復用，在一根光纖上可以復用的光纖光柵數量受到波長區間的限制，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。除了空間分辨率和測量長度間的矛盾外，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境中的應用。
光時域反射計型分布式傳感器可以用來檢測外界環境中溫度或壓力的變化，但其響應時間較長，對于外界擾動的實時定位比較困難，不能應用于對時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用。
光頻域反射計型分布式傳感器，基于非線性光學效應，布里淵或拉曼散射，可以對外界的溫度和壓力進行傳感，但其傳感信號相對微弱，使得信號的檢測和解調相對困難，同時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用。
強度調制型傳感器基于單模光纖和多模光纖中的模式耦合機理，可以實現對擾動的分布式傳感，但其靈敏度和精度較低，為了能夠在實際中應用還需進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現原理簡單，靈敏度高，響應速度快，硬件成本低，適于長距離傳感等優良特性，已經成為光纖分布式擾動傳感器的主要技術方案。
目前，干涉儀型分布式光纖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，雙調制頻率薩格奈克型等。
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如圖1所示。激光器發出的光經過耦合器C1分成兩束光，分別沿順時針和逆時針方向經過由耦合器C2、C3 和它們之間的兩根敏感光纖構成的馬赫-澤德干涉儀，在耦合器C3和C2處發生干涉并通過探測器PD2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。當擾動作用于傳感臂上時，應力會引起光纖長度和傳播常數的變化，從而在信號臂和參考臂上產生一個相位差的變化。當光纖長度變化AL，傳播常數變化Δ β時，相位差Δ^可以表示為
Αφ=βΜ+ΣΑβ(1)
逆時針和順時針方向傳播的干涉光通過PD1和PD2接收到的信號可以分別表示為
h (0 = AU + K1 cos[A^-0 + %]}(2)
I2 (t) = Z2 {1 + K2 cos[A^(i- 2- 3) + φ0]}(3)
其中，變量t表示時間，t1; t2和t3分別是光沿著光纖Li，L2和L3的傳播時間，這里忽略了光源到耦合器C1和耦合器C2到PD1的距離。忽略傳感光纖和傳導光纖的長度差， 光纖L3的長度可以近似為Ll和L2的長度之和。I1和I2由光源輸出的光強決定，K1和K2 是干涉儀的可見度，灼是信號臂和參考臂的臂長差引起的初相差。由式( 和式C3)可得 I1 (t)和I2 (t)的傳播時間差為
τ = t^tg-ti(4)
根據傳播時間差τ可以得到擾動點的位置
L2 = c τ /2n(5)
上式中，L2是擾動點到耦合器C3的距離，即光纖L2的長度，c是真空中的光速，η是光纖的折射率。計算Ii(t)和I2(t)的互相關函數，根據相關函數的極大值可以求得τ值。 根據τ值可確定兩個檢測信號之間的時間差并反演出擾動的位置，即實現了定位功能。
現有的雙馬赫澤德干涉儀型光纖分布式擾動傳感器的缺點在于由于長距離傳感降低成本的需要，傳感器均采用單模光纖。由于單模光纖本身固有的本征雙折射和外界隨機因素導致的誘導雙折射，單模光纖中傳輸的光波的偏振態會發生隨機變化，從而使得發生干涉時，傳感臂和參考臂處于相同振動方向的光矢量(電場矢量)分量的幅值發生隨機變化，從而使干涉儀輸出信號的幅值發生變化，這將引起兩路干涉信號輸出波形相關性嚴重降低，導致基于互相關時延的定位算法計算結果錯誤，從而引起較大的定位誤差。特別地，當兩臂光波偏振態正交時，將不能發生干涉，干涉儀輸出信號的幅值為0，傳感器失效， 該問題嚴重影響了傳感器的可靠性。使用保偏光纖替代單模光纖作為敏感元件雖然在短距離可以有效地保持傳輸光的偏振態，但大大地增加了系統的硬件成本，也限制了該方案的實際應用。發明內容
(一)要解決的技術問題
本發明要解決的技術問題是如何有效地消除光纖分布式擾動傳感器固有的偏振衰落并實現光纖分布式擾動傳感器的多點擾動定位。
( 二 )技術方案
為解決上述技術問題，本發明提供了一種多點擾動定位方法，包括以下步驟
Sl 分別對接收到的兩干涉信號進行隔直操作以去掉兩干涉信號中的直流項和低頻干擾項，所述兩干涉信號中均包括擾動信號；
S2 對所述兩干涉信號分別進行移相90°的操作，并分別利用移相90°的信號除以原干涉信號，得到相除后的兩干涉信號；
S3 從步驟S2之后的兩干涉信號中分別提取出三角函數內的相位信息；
S4 對提取后的兩干涉信號進行高通濾波操作以濾除相位緩變的干擾信號；
S5:對高通濾波后的兩干涉信號分別進行三角變換、頻譜分析并分類討論以得到擾動位置。
其中，所述步驟Sl中，隔直操作后還包括步驟分別獲取兩干涉信號的光強與可見度信息并消除干涉信號可見度變化，并對所述兩干涉信號經過放大、濾波調理，以抑制噪聲和干擾。
其中，所述步驟S2中采用希爾伯特變換將所述兩干涉信號移相90°。
其中，所述步驟S3中采用三角函數相位提取算法或PGC調制算法從兩干涉信號中分別提取出三角函數內的相位信息。
其中，所述步驟S5中分析得到擾動位置的過程具體如下
通過經過頻譜分析的兩干涉信號相位譜的比對尋找多點擾動中不同頻率成分分量的頻率值，再根據這些頻率值對應于經過頻譜分析的兩干涉信號的幅值譜的商聯立方程組，從而反解出多點擾動的位置信息。
本發明還提供了一種光纖分布式擾動傳感器，包括光源、第一分光耦合設備、光接收裝置、第一邁克爾遜干涉儀及第二邁克爾遜干涉儀，所述光源通過光纖連接所述第一分光耦合設備，所述第一分光耦合設備分別通過光纖分別連接所述第一邁克爾遜干涉儀和第二邁克爾遜干涉儀，所述第一邁克爾遜干涉儀和第二邁克爾遜干涉儀通過光纖分別連接光接收裝置，所述光接收裝置用于接收光源發出的光通過第一邁克爾遜干涉儀和第二邁克爾遜干涉儀后返回的光信號。
其中，所述第一邁克爾遜干涉儀包括光纖延遲環、第一法拉第旋光鏡、第二法拉第旋光鏡及與所述第一分光耦合設備連接的第二分光耦合設備，所述第二分光耦合設備的一側通過光纖分別連接第一法拉第旋光鏡和第二法拉第旋光鏡，另一側連接所述光接收裝置，所述第二分光耦合設備用于使第一法拉第旋光鏡反射的光信號和第二法拉第旋光鏡反射的光信號干涉，并將干涉后的信號傳輸給所述光接收裝置，光纖延遲環位于所述第一邁克爾遜干涉儀傳感臂的光纖上；
所述第二邁克爾遜干涉儀包括第三法拉第旋光鏡、第四法拉第旋光鏡及與所述第一分光耦合設備連接的第三分光耦合設備，所述第三分光耦合設備的一側通過光纖分別連接第三法拉第旋光鏡和第四法拉第旋光鏡，另一側連接所述光接收裝置，所述第三分光耦合設備用于使第三法拉第旋光鏡反射的光信號和第四法拉第旋光鏡反射的光信號干涉， 并將干涉后的信號傳輸給所述光接收裝置。
其中，所述光接收裝置包括第一光電探測器和第二光電探測器，所述第一光電探測器通過光纖連接所述第二分光耦合設備，所述第二光電探測器通過光纖連接所述第三分光耦合設備。
其中，所述光接收裝置包括第四分光耦合設備、第五分光耦合設備、第一相位調制器、第二相位調制器、第一光電探測器、第二光電探測器、第三光電探測器和第四光電探測器，
所述第二分光耦合設備通過光纖連接所述第四分光耦合設備，所述第四分光耦合設備的一端通過光纖連接所述第一光電探測器，另一端通過光纖連接第一相位調制器，所述第一相位調制器通過光纖連接所述第三光電探測器；
所述第三分光耦合設備通過光纖連接所述第五分光耦合設備，所述第五分光耦合設備的一端通過光纖連接所述第二光電探測器，另一端通過光纖連接第二相位調制器，所述第二相位調制器通過光纖連接所述第四光電探測器。
其中，所述光接收裝置包括第四分光耦合設備、第五分光耦合設備、第一相位調制器、第二相位調制器、第一光電探測器和第二光電探測器，且所述第一光電探測器和第二光電探測器均為雙通道光電探測器；
所述第二分光耦合設備通過光纖連接所述第四分光耦合設備，所述第四分光耦合設備的一端通過光纖連接所述第一光電探測器的一個通道，另一端通過光纖連接第一相位調制器，所述第一相位調制器通過光纖連接所述第一光電探測器的另一個通道；
所述第三分光耦合設備通過光纖連接所述第五分光耦合設備，所述第五分光耦合設備的一端通過光纖連接所述第二光電探測器的一個通道，另一端通過光纖連接第二相位調制器，所述第二相位調制器通過光纖連接所述第二光電探測器的另一個通道。
(三)有益效果
本發明具有如下有益效果
1、基于邁克爾遜干涉儀結構，采用了法拉第旋光鏡技術，有效地消除了偏振衰落的影響；
2、采用雙邁克爾遜光路結構，具有光路結構簡單，硬件成本低等優勢；
3、通過對擾動信號的預處理消除了在定位計算過程中可能受到的光功率波動和信號偏振誘導衰落等因素引起的干涉信號可見度的變化，從而也間接消除了可見度變化引起的可能的傳感器定位失效的問題；
4、在提取出三角函數內的信號后進行了高通濾波，濾除了相位漂移信號，從而消除了相位緩變的影響；
5、通過移相90°，三角變換，相位提取算法，頻域譜分析等手段成功地提取出了擾動的位置信息，實現了雙邁克爾遜型光路的多點擾動定位功能。


圖1是現有的基于雙馬赫-澤德干涉儀型光纖分布式擾動傳感器的光路原理圖2是本發明實施例的一種光纖分布式擾動傳感器的光路結構圖3是本發明實施例的另一種光纖分布式擾動傳感器的光路結構圖4是本發明實施例的另一種光纖分布式擾動傳感器的光路結構圖5是基于圖2的傳感器的多點擾動定位方法流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。
實施例1
如圖2所示，為本實施例的光纖分布式擾動傳感器的光路結構圖，包括光源、光接收裝置(第一光電探測器PD1、第二光電探測器PD2)、耦合器C1、第一邁克爾遜干涉儀及第二邁克爾遜干涉儀。兩邁克爾遜干涉儀結構相同，第一邁克爾遜干涉儀包括第一法拉第旋光鏡FRM1、第二法拉第旋光鏡FRM2、光纖延遲環D及耦合器C2，第二邁克爾遜干涉儀包括第三法拉第旋光鏡FRM3、第四法拉第旋光鏡FRM4及耦合器C3,光源采用激光器Laser， Laser通過光纖連接耦合器C1,耦合器C1分別通過光纖連接第一邁克爾遜干涉儀和第二邁克爾遜干涉儀，第一邁克爾遜干涉儀和第二邁克爾遜干涉儀通過光纖分別連接第一光電探測器PD1和第二光電探測器PD2。具體地，耦合器C2的一側通過光纖分別連接第一法拉第旋光鏡FRM1和第二法拉第旋光鏡FRM2,另一側通過光纖連接耦合器C1,同時還連接第一光電探測器PD1,耦合器C2用于使第一法拉第旋光鏡FRM1反射的光信號和第二法拉第旋光鏡 FRM2反射的光信號干涉，并將干涉后的信號傳輸給所述第一光電探測器PD115耦合器C3的一側通過光纖分別連接第三法拉第旋光鏡FRM3和第四法拉第旋光鏡FRM4,另一側通過光纖連接耦合器C1,同時還連接第二光電探測器PD2,耦合器C3用于使第三法拉第旋光鏡FRM3反射的光信號和第四法拉第旋光鏡FRM4反射的光信號干涉，并將干涉后的信號傳輸給第二光電探測器PD2。
圖2中，激光器Laser發出的光經過耦合器C1分成兩束光，并分別注入兩個邁克爾遜干涉儀。邁克爾遜干涉儀中的光波分別沿著參考臂和傳感臂傳播，在光纖的末端遇到法拉第旋光鏡(Frm1JRM2JRM3JRM4)發生反射，并最終分別在耦合器C2和C3處發生干涉。 在實際工程應用中，參考臂光纖L2、L4盤起，傳感臂光纖Lp L3布置于同一光纜中。光纖延遲環D位于第一邁克爾遜干涉儀的傳感臂上，在傳感臂上的位置可以位于第一邁克爾遜干涉儀傳感臂的首端(即靠近第二分光耦合設備)，也可以位于傳感臂的末端(即靠近第一法拉第旋光鏡)，均可以實現定位功能。
實施例2
如圖3所示，本實施例中的光纖分布式擾動傳感器與實施例2不同的是光接收裝置還包括稱合器C4、耦合器C5、第一相位調制器P1、第二相位調制器P2、第三光電探測器PD3 和第四光電探測器PD4。且耦合器C2不直接連接PD1,耦合器C3不直接連接PD2。
耦合器C2通過光纖連接耦合器C4,耦合器C4的一端通過光纖連接第一光電探測器 PD1，另一端通過光纖連接第一相位調制器P1,第一相位調制器P1通過光纖連接所述第三光電探測器PD3;
耦合器C3通過光纖連接耦合器C5,耦合器C5的一端通過光纖連接第二光電探測器 PD2，另一端通過光纖連接第二相位調制器P2,第二相位調制器P2通過光纖連接所述第四光電探測器PD4。
耦合器C4將耦合器C2傳送過來的信號分成兩個信號，一個通過光纖直接送入第一光電探測器PD1,另一個通過第一相位調制器P1進行移相90°后再送入第三光電探測器PD30
實施例3
如圖4所示，本實施例中的光纖分布式擾動傳感器與實施例2的結構基本相同，不同的是第一光電探測器PD1和第二光電探測器均為雙通道光電探測器，因此不需要第三光電探測器I3D3和第四光電探測器PD4。將耦合器C2出來的光纖接入PD1的一個通道，將卩1 出來的光纖分別接入PD1的另一個通道；將耦合器C3出來的光纖接入的一個通道，將P2 出來的光纖分別接入PA的另一個通道。
上述實施例1、實施例2和實施例3中的耦合器均為2X2耦合器，實現分光和耦合作用，也可以用其他具有分光和耦合作用的器件來代替，如環形器、分束器、半反半透膜寸。
實施例4
本實施例提供了一種基于上述實施例1、實施例2或實施例3的光纖分布式擾動傳感器的多點擾動定位方法。該方案多點定位的原理框圖如圖5所示，以兩點同時擾動為例， 當兩點擾動f\(t)同時發生時，光纖長度和傳播常數會發生變化，從而引起干涉儀中的相位變化。根據光纖傳感理論，輸出相位信息的變化正比于擾動信號，有
Δ 釣(0 = 5./⑴(6)
^p擬= B.f2{t)(!)
其中，t表示時間，B是與擾動相位對應的比例因子，Δ妁(O和A灼⑴分別是兩個擾動引起的相位差變化。
設激光光源發出的光為Ein，先考慮受振后往耦合器方向傳播的光。從耦合器C2 輸出到PD1的兩束干涉光為
權利要求
1.一種多點擾動定位方法，其特征在于，包括以下步驟Sl 分別對接收到的兩干涉信號進行隔直操作以去掉兩干涉信號中的直流項和低頻干擾項，所述兩干涉信號中均包括擾動信號；S2:對所述兩干涉信號分別進行移相90°的操作，并分別利用移相90°的信號除以原干涉信號，得到相除后的兩干涉信號；53從步驟S2之后的兩干涉信號中分別提取出三角函數內的相位信息；54對提取后的兩干涉信號進行高通濾波操作以濾除相位緩變的干擾信號；S5:對高通濾波后的兩干涉信號分別進行三角變換、頻譜分析并分類討論以得到擾動位置。
2.如權利要求1所述的多點擾動定位方法，其特征在于，所述步驟Sl中，隔直操作后還包括步驟分別獲取兩干涉信號的光強與可見度信息并消除干涉信號可見度變化，并對所述兩干涉信號經過放大、濾波調理，以抑制噪聲和干擾。
3.如權利要求1所述的多點擾動定位方法，其特征在于，所述步驟S2中采用希爾伯特變換將所述兩干涉信號移相90°。
4.如權利要求1所述的多點擾動定位方法，其特征在于，所述步驟S3中采用三角函數相位提取算法或PGC調制算法從兩干涉信號中分別提取出三角函數內的相位信息。
5.如權利要求1 4中任一項所述的多點擾動定位方法，其特征在于，所述步驟S5中分類討論以得到擾動位置的過程具體如下通過經過頻譜分析的兩干涉信號相位譜的比對尋找多點擾動中不同頻率成分分量的頻率值，再根據這些頻率值對應于經過頻譜分析的兩干涉信號的幅值譜的商聯立方程組， 從而反解出多點擾動的位置信息。
6.一種光纖分布式擾動傳感器，其特征在于，包括光源、第一分光耦合設備、光接收裝置、第一邁克爾遜干涉儀及第二邁克爾遜干涉儀，所述光源通過光纖連接所述第一分光耦合設備，所述第一分光耦合設備分別通過光纖分別連接所述第一邁克爾遜干涉儀和第二邁克爾遜干涉儀，所述第一邁克爾遜干涉儀和第二邁克爾遜干涉儀通過光纖分別連接光接收裝置，所述光接收裝置用于接收光源發出的光通過第一邁克爾遜干涉儀和第二邁克爾遜干涉儀后返回的光信號。
7.如權利要求6所述的光纖分布式擾動傳感器，其特征在于，所述第一邁克爾遜干涉儀包括光纖延遲環、第一法拉第旋光鏡、第二法拉第旋光鏡及與所述第一分光耦合設備連接的第二分光耦合設備，所述第二分光耦合設備的一側通過光纖分別連接第一法拉第旋光鏡和第二法拉第旋光鏡，另一側連接所述光接收裝置，所述第二分光耦合設備用于使第一法拉第旋光鏡反射的光信號和第二法拉第旋光鏡反射的光信號干涉，并將干涉后的信號傳輸給所述光接收裝置，光纖延遲環位于所述第一邁克爾遜干涉儀傳感臂的光纖上；所述第二邁克爾遜干涉儀包括第三法拉第旋光鏡、第四法拉第旋光鏡及與所述第一分光耦合設備連接的第三分光耦合設備，所述第三分光耦合設備的一側通過光纖分別連接第三法拉第旋光鏡和第四法拉第旋光鏡，另一側連接所述光接收裝置，所述第三分光耦合設備用于使第三法拉第旋光鏡反射的光信號和第四法拉第旋光鏡反射的光信號干涉，并將干涉后的信號傳輸給所述光接收裝置。
8.如權利要求7所述的光纖分布式擾動傳感器，其特征在于，所述光接收裝置包括第一光電探測器和第二光電探測器，所述第一光電探測器通過光纖連接所述第二分光耦合設備，所述第二光電探測器通過光纖連接所述第三分光耦合設備。
9.如權利要求7所述的光纖分布式擾動傳感器，其特征在于，所述光接收裝置包括第四分光耦合設備、第五分光耦合設備、第一相位調制器、第二相位調制器、第一光電探測器、 第二光電探測器、第三光電探測器和第四光電探測器，所述第二分光耦合設備通過光纖連接所述第四分光耦合設備，所述第四分光耦合設備的一端通過光纖連接所述第一光電探測器，另一端通過光纖連接第一相位調制器，所述第一相位調制器通過光纖連接所述第三光電探測器；所述第三分光耦合設備通過光纖連接所述第五分光耦合設備，所述第五分光耦合設備的一端通過光纖連接所述第二光電探測器，另一端通過光纖連接第二相位調制器，所述第二相位調制器通過光纖連接所述第四光電探測器。
10.如權利要求7所述的光纖分布式擾動傳感器，其特征在于，所述光接收裝置包括 第四分光耦合設備、第五分光耦合設備、第一相位調制器、第二相位調制器、第一光電探測器和第二光電探測器，且所述第一光電探測器和第二光電探測器均為雙通道光電探測器；所述第二分光耦合設備通過光纖連接所述第四分光耦合設備，所述第四分光耦合設備的一端通過光纖連接所述第一光電探測器的一個通道，另一端通過光纖連接第一相位調制器，所述第一相位調制器通過光纖連接所述第一光電探測器的另一個通道；所述第三分光耦合設備通過光纖連接所述第五分光耦合設備，所述第五分光耦合設備的一端通過光纖連接所述第二光電探測器的一個通道，另一端通過光纖連接第二相位調制器，所述第二相位調制器通過光纖連接所述第二光電探測器的另一個通道。
全文摘要
本發明公開了一種多點擾動定位方法，包括以下步驟S1分別對接收到的兩干涉信號進行隔直操作以去掉兩干涉信號中的直流項和低頻干擾項，兩干涉信號中均包括擾動信號；S2對兩干涉信號分別進行移相90°的操作，并分別利用移相90°的信號除以原干涉信號，得到相除后的兩干涉信號；S3從步驟S2后的兩干涉信號中分別提取三角函數內的相位信息；S4對提取后的兩干涉信號進行高通濾波操作以濾除相位緩變的干擾信號；S5對高通濾波后的兩干涉信號分別進行三角變換、頻譜分析并分析得到擾動位置。還公開了一種光纖分布式擾動傳感器。本發明有效地消除了偏振衰落的影響，實現了多點擾動定位功能，且傳感器的光路結構簡單、穩定性好、硬件成本低。
文檔編號G01D5/353GK102538845SQ201110404980
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月8日 優先權日2011年12月8日
發明者李勤, 林文臺, 王夏霄, 許文淵, 鄔戰軍, 鐘翔 申請人:北京航空航天大學