专利名称：光纤分布式扰动传感器及其扰动定位方法
技术领域：
本发明涉及光纤扰动信号监测技术领域，尤其涉及一种光纤分布式扰动传感器及其扰动定位方法。
背景技术：
光纤传感器具有灵敏度高，体积小，重量轻，本质安全，电绝缘性，抗电磁干扰，相对成本低，多功能性，可靠性高，可硬件匹配光纤通信接口，易于组网，特别是可以实现分布式测量等优良特性，在工业、民用和军事领域具有广泛的应用。其中，光纤分布式扰动传感器在周界安防、油气管线监测、大型结构监测和通信线路监测等领域具有重要意义。光纤分布式扰动传感器可以对传感光纤上任意一点处的扰动(时变信号)进行监测，得到扰动信号的时域波形，根据扰动事件性质进行判断，给出报警信息；同时给出扰动事件发生的空间位置信息。目前，根据不同的工作原理，光纤分布式传感器可以分为干涉仪型、光纤光栅型、光时域反射计型，光频域反射计型以及强度调制型等多种。其中，干涉仪型分布式传感器具有实现原理简单，灵敏度高，响应速度快，硬件成本低，适于长距离传感等优良特性，已经成为光纤分布式扰动传感器的主要技术方案。干涉仪型分布式光纤扰动传感器的理论方案主要包括单萨格奈克型、双马赫-泽德型、双萨格奈克型、萨格奈克+迈克尔逊型和萨格奈克+马赫-泽德型，双波长萨格奈克型，双调制频率萨格奈克型等。其中，单萨格奈克型光纤分布式传感器定位算法相对复杂，同时，要求扰动信号具有较宽的频谱范围，因此在实际应用中有较大限制。将萨格奈克干涉仪和马赫-泽德干涉仪或迈克尔逊干涉仪结合的光纤分布式传感器的缺点在于，在萨格奈克干涉仪中为了抑制干涉噪声，需要采用宽谱光源；但是在马赫-泽德或迈克尔逊干涉仪中，由于两个干涉臂光程差的存在，只能使用窄带光源，因此光源选择上的矛盾限制了其性能的提高以及实用化。双萨格奈克干涉仪需要采用两个光源，探测器，以及需要波分复用器和不同频率的调制器等器件，增加了系统的硬件成本和结构的复杂性，降低了传感器的实用性。双马赫-泽德型光纤分布式传感器由于长距离传感降低成本的需要，传感器均采用单模光纤。由于单模光纤本身固有的本征双折射和外界随机因素导致的诱导双折射，单模光纤中传输的光波的偏振态会发生随机变化，使得发生干涉时，传感臂和参考臂处于相同振动方向的光矢量(电场矢量)分量的幅值发生随机变化，使干涉仪输出信号的幅值发生变化，这将引起两路干涉信号输出波形相关性严重降低，导致基于互相关时延的定位算法计算结果错误，从而引起较大的定位误差。特别地，当两臂光波偏振态正交时，将不能发生干涉，干涉仪输出信号的幅值为0，传感器失效，该问题严重影响了传感器的可靠性。使用保偏光纤替代单模光纤作为敏感元件虽然在短距离可以有效地保持传输光的偏振态，但大大地增加了系统的硬件成本，也限制了该方案的实际应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是如何提供一种系统成本低、结构简单和具有抗偏振衰落功能的光纤分布式扰动传感器及其扰动定位方法。(二)技术方案为解决上述问题，本发明提供了一种光纤分布式扰动传感器，包括双迈克尔逊干涉仪，具有用于得到第一受扰动干涉信号的第一迈克尔逊干涉光路、以及用于得到第二受扰动干涉信号的第二迈克尔逊干涉光路，所述第一和第二迈克尔逊干涉光路中的反射镜均为旋转角的角度范围为40° 50°的法拉第旋光镜；预处理模块，与所述双迈克尔逊干涉仪的输出端连接，用于分别对所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号进行预处理，以得到所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号中的相位信息；频谱分析模块，用于分别对经过预处理的第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号进行频谱分析；扰动定位模块，用于通过所述经过频谱分析的第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号得到扰动位置。优选地，所述法拉第旋光镜的旋转角角度范围为43° 47°。优选地，所述法拉第旋光镜的旋转角角度范围为45° ±0.5°。优选地，所述双迈克尔逊干涉仪包括激光器，用于提供光源；调制器，连接于所述激光器的输出端，用于对所述光源进行调制产生脉冲光；第一耦合器，分别连接所述调制器的输出端、探测器的输入端、传感臂和参考臂；传感臂，设有第二耦合器和第三耦合器，并且远离所述第一耦合器的端口处设有第一法拉第旋光镜，所述第二和第三耦合器之间分别连接有第一光纤和第二光纤，所述第一光纤和第二光纤之间具有与所述脉冲光的脉冲周期对应的长度差；参考臂，设有第二延迟光纤环，并且远离所述第一耦合器的端口处设有第二法拉第旋光镜；探测器，用于接收受扰动的干涉信号；其中，所述第一迈克尔逊干涉光路包括具有第一光纤的传感臂；所述第二迈克尔逊干涉光路包括具有第二光纤的传感臂；所述第一和第二迈克尔逊干涉光路共用同一个参考臂和探测器。优选地，所述第一光纤上设有第一延迟光纤环以构成所述第一和第二光纤之间的长度差；所述第一延迟光纤环的长度大于所述激光器的相干长度，第一延迟光纤环与第二延迟光纤环的长度差、以及所述第二延迟光纤环的长度均小于激光器的相干长度。优选地，所述双迈克尔逊干涉仪包括激光器，用于提供光源；第四耦合器，连接于所述激光器的输出端，用于对所述光源进行分束；第五耦合器，分别连接所述第四耦合器的输出端、第一探测器的输入端、第一传感臂和第一参考臂；第一传感臂，远离所述第五耦合器的端口处设有第三法拉第旋光镜；第一参考臂，远离所述第五耦合器的端口处设有第四法拉第旋光镜；第一探测器，用于接收所述第一受扰动干涉信号；第六耦合器，分别连接所述第四耦合器的输出端、第二探测器的输入端、第二传感
臂和第二参考臂；第二传感臂，远离所述第六耦合器的端口处设有第五法拉第旋光镜；第二参考臂，远离所述第六耦合器的端口处设有第六法拉第旋光镜；第二探测器，用于接收受所述第二受扰动干涉信号；其中所述第一传感臂和第二传感臂之间具有长度差、和/或所述第一传感臂上所述扰动发生的位置到所述第五耦合器的光程与所述第二传感臂上所述扰动发生的位置到所述第六耦合器的光程之间具有光程差。优选地，所述第一传感臂上设有第三延迟光纤环以构成所述第一传感臂和第二传感臂之间的长度差。优选地，由所述第五耦合器、第一传感臂、第一参考臂和第一探测器构成的第一迈克尔逊干涉光路与由所述第六耦合器、第二传感臂、第二参考臂和第二探测器构成的第二迈克尔逊干涉光路相互成反光路设置，以得到所述的光程差。另外，本发明还提供了一种应用上述的光纤分布式扰动传感器的扰动定位方法，包括S1:通过所述双迈克尔逊干涉仪分别获得第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉
信号;S2:分别对所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号进行预处理，得到所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号中的相位信息；S3:分别对经过所述预处理的第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号进行频谱分析；S4:对所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号的频谱分析结果进行反解处理得到扰动位置信息。优选地,所述预处理包括S21 :分别对所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号进行隔直处理，滤除直流项；S22 :分别对所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号进行移频90°处理，将移频后的第一受扰动干涉信号除以移频前的第一受扰动干涉信号，将移频后的第二受扰动干涉信号除以移频前的第二受扰动干涉信号，再分别对两个商进行三角变换，得到简化后的所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号；S23 :提取经S22处理后的第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号的相位信
肩、O优选地，在所述步骤S21或S22之后还包括分别求取所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号的光强和可见度信息，以消除因光功率波动和信号偏振诱导衰落引起的干涉信号可见度的变化的步骤。
优选地，在所述步骤S2和S3之间还包括对经所述步骤S2处理后的第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号进行高通滤波的步骤，以消除相位缓变信号的干扰。(三)有益效果1.本发明基于迈克尔逊干涉仪结构，采用了法拉第旋光镜技术，有效地减少甚至消除了偏振衰落的影响；2.本发明采用双迈克尔逊光路结构实现扰动定位，具有光路结构简单，硬件成本低等优势；3.通过对扰动信号的预处理消除了在定位计算过程中可能受到的光功率波动和信号偏振诱导衰落等因素引起的干涉信号可见度的变化，从而也间接消除了可见度变化引起的可能的传感器定位失效的问题；4.本发明对通过高通滤波滤除了相位漂移信号，从而消除了相位缓变的影响；5.本发明通过移频处理、三角变换处理、相位提取处理和频域谱分析等手段成功地提取出了扰动的位置信息，实现了双迈克尔逊型光路的扰动定位功能。
图1为根据本发明实施例光纤分布式扰动传感器的结构示意框图；图2为根据本发明实施例光纤分布式扰动传感器的第一种双迈克尔逊光路的结构原理图；图3为根据本发明实施例光纤分布式扰动传感器的第二种双迈克尔逊光路的结构原理图；图4为根据本发明实施例光纤分布式扰动传感器的第三种双迈克尔逊光路的结构原理图；图5为根据本发明实施例光纤分布式扰动定位方法的步骤示意图；其中101 :激光器；102 :调制器；103 :第一耦合器；104 :传感臂；105 :参考臂；106 :探测器；107 :第一法拉第旋光镜；108 :第二法拉第旋光镜；109 :第二稱合器；110 第三耦合器；111 :第一光纤；112 :第二光纤；113 :第一延迟光纤环；114 :第二延迟光纤环；201 :激光器；202 :第四耦合器；203 :第五耦合器；204 :第一探测器；205 :第一传感臂；206 :第一参考臂；207 :第三法拉第旋光镜；208 :第六耦合器；209 :第二探测器；210 :第二传感臂；211 :第二参考臂；212 :第五法拉第旋光镜；213 :第四法拉第旋光镜；214 :第六法拉第旋光镜；215 :第三延迟光纤环。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明如下。图1为本发明实施例光纤分布式扰动传感器的结构示意框图。如图1所示，所述光纤分布式扰动传感器包括双迈克尔逊干涉仪，具有用于得到第一受扰动干涉信号的第一迈克尔逊干涉光路、以及用于得到第二受扰动干涉信号的第二迈克尔逊干涉光路，所述第一和第二迈克尔逊干涉光路中的反射镜均为旋转角角度范围为40° 50°的法拉第旋光镜；本发明该旋转角角度范围较佳的为43°到47°，在此区间可以起到更好的抗偏振衰落效果；当上述角度范围为45° ±0.5°时，可以取得抗偏振衰落的最佳效果。在本实施例中，取该旋转角为45。。预处理模块，与所述双迈克尔逊干涉仪的输出端连接，用于分别对所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号进行预处理，以得到所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号中的相位信息；频谱分析模块，用于分别对经过预处理的第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号进行频谱分析；扰动定位模块，用于通过所述经过频谱分析的第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号得到扰动位置。本实施例中在光路中采用了法拉第旋光镜技术可以解决偏振衰落问题，其基本原理如下单模光纤的双折射效应一般可用椭圆延迟器来描述，用琼斯矢量矩阵表不为
-a(a -b*']n、R = -(I)
d、b a J式中，*表示共轭，α为光纤损耗，d = ( α · a *+b · b*) , a、b与单模光纤双折射特性有关。当光波从同一段单模光纤的另一端注入时，引入的双折射用琼斯矢量矩阵可表示为
权利要求
1.一种光纤分布式扰动传感器，其特征在于，包括双迈克尔逊干涉仪，具有用于得到第一受扰动干涉信号的第一迈克尔逊干涉光路、以及用于得到第二受扰动干涉信号的第二迈克尔逊干涉光路，所述第一和第二迈克尔逊干涉光路中的反射镜均为旋转角角度范围为40° 50°的法拉第旋光镜；预处理模块，与所述双迈克尔逊干涉仪的输出端连接，用于分别对所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号进行预处理，以得到所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号中的相位信息；频谱分析模块，用于分别对经过预处理的第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号进行频谱分析；扰动定位模块，用于通过所述经过频谱分析的第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号得到扰动位置。
2.如权利要求1所述的光纤分布式扰动传感器，其特征在于，所述双迈克尔逊干涉仪包括激光器，用于提供光源；调制器，连接于所述激光器的输出端，用于对所述光源进行调制产生脉冲光；第一耦合器，分别连接所述调制器的输出端、探测器的输入端、传感臂和参考臂； 传感臂，设有第二耦合器和第三耦合器，并且远离所述第一耦合器的端口处设有第一法拉第旋光镜，所述第二和第三耦合器之间分别连接有第一光纤和第二光纤，所述第一光纤和第二光纤之间具有与所述脉冲光的脉冲周期对应的长度差；参考臂，设有第二延迟光纤环，并且远离所述第一耦合器的端口处设有第二法拉第旋光镜;探测器，用于接收受扰动的干涉信号；其中，所述第一迈克尔逊干涉光路包括具有第一光纤的传感臂；所述第二迈克尔逊干涉光路包括具有第二光纤的传感臂；所述第一和第二迈克尔逊干涉光路共用同一个参考臂和探测器。
3.如权利要求2所述的光纤分布式扰动传感器，其特征在于，所述第一光纤上设有第一延迟光纤环以构成所述第一和第二光纤之间的长度差；所述第一延迟光纤环的长度大于所述激光器的相干长度，第一延迟光纤环与第二延迟光纤环的长度差、以及所述第二延迟光纤环的长度均小于激光器的相干长度。
4.如权利要求1所述的光纤分布式扰动传感器，其特征在于，所述双迈克尔逊干涉仪包括激光器，用于提供光源；第四耦合器，连接于所述激光器的输出端，用于对所述光源进行分束；第五耦合器，分别连接所述第四耦合器的输出端、第一探测器的输入端、第一传感臂和第一参考臂；第一传感臂，远离所述第五耦合器的端口处设有第三法拉第旋光镜；第一参考臂，远离所述第五耦合器的端口处设有第四法拉第旋光镜；第一探测器，用于接收所述第一受扰动干涉信号；第六耦合器，分别连接所述第四耦合器的输出端、第二探测器的输入端、第二传感臂和第二参考臂；第二传感臂，远离所述第六耦合器的端口处设有第五法拉第旋光镜；第二参考臂，远离所述第六耦合器的端口处设有第六法拉第旋光镜；第二探测器，用于接收受所述第二受扰动干涉信号；其中所述第一传感臂和第二传感臂之间具有长度差、和/或所述第一传感臂上所述扰动发生的位置到所述第五耦合器的光程与所述第二传感臂上所述扰动发生的位置到所述第六耦合器的光程之间具有光程差。
5.如权利要求4所述的光纤分布式扰动传感器，其特征在于，所述第一传感臂上设有第三延迟光纤环以构成所述第一传感臂和第二传感臂之间的长度差。
6.如权利要求4所述的光纤分布式扰动传感器,其特征在于，由所述第五I禹合器、第一传感臂、第一参考臂和第一探测器构成的第一迈克尔逊干涉光路与由所述第六耦合器、第二传感臂、第二参考臂和第二探测器构成的第二迈克尔逊干涉光路相互成反光路设置，以得到所述的光程差。
7.—种应用权利要求1-6项中任一项所述的光纤分布式扰动传感器的扰动定位方法, 其特征在于，包括51:通过所述双迈克尔逊干涉仪分别获得第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号;52:分别对所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号进行预处理，得到所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号中的相位信息；53:分别对经过所述预处理的第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号进行频谱分析；54:对所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号的频谱分析结果进行反解处理得到扰动位置信息。
8.如权利要求7所述的扰动定位方法，其特征在于，所述预处理包括521:分别对所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号进行隔直处理，滤除直流项；522:分别对所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号进行移频90°处理，将移频后的第一受扰动干涉信号除以移频前的第一受扰动干涉信号，将移频后的第二受扰动干涉信号除以移频前的第二受扰动干涉信号，再分别对两个商进行三角变换，得到简化后的所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号；523:提取经S22处理后的第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号的相位信息。
9.如权利要求8所述的扰动定位方法，其特征在于，在所述步骤S21或S22之后还包括分别求取所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号的光强和可见 度信息，以消除因光功率波动和信号偏振诱导衰落引起的干涉信号可见度的变化的步骤。
10.权利要求8所述的扰动定位方法，其特征在于，在所述步骤S2和S3之间还包括对经所述步骤S2处理后的第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号进行高通滤波的步骤，以消除相位缓变信号的干扰。
全文摘要
本发明公开了一种光纤分布式扰动传感器，包括双迈克尔逊干涉仪，具有第一迈克尔逊干涉光路和第二迈克尔逊干涉光路，并且其中的反射镜均为旋转角为45°的法拉第旋光镜；预处理模块、频谱分析模块和扰动定位模块；以及一种应用上述的光纤分布式扰动传感器的扰动定位方法，包括S1通过所述双迈克尔逊干涉仪分别获得第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号；S2分别对所述第一和第二受扰动干涉信号进行预处理；S3分别对经过所述预处理的第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号进行频谱分析；S4对所述第一和第二受扰动干涉信号的频谱分析结果进行反解处理得到扰动位置信息。本发明系统成本低、结构简单和具有抗偏振衰落功能。
文档编号G01D5/26GK102997946SQ20111027493
公开日2013年3月27日 申请日期2011年9月16日 优先权日2011年9月16日
发明者张春熹, 李勤, 李立京, 李慧, 林文台, 钟翔, 李彦, 许文渊 申请人:北京航空航天大学