CN100437050C - 分布式光纤振动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式光纤振动传感器，由信号处理电路、传感光缆、超窄线宽激光器、两个探测器、三个消偏器、四个耦合器、四个波分复用器、超辐射发光二极管、起偏器和相位调制器组成；在本发明中构成的萨格奈克干涉仪和马赫-泽德干涉仪，通过第一波分复用器与第三波分复用器共用第一敏感光纤L_B，第二波分复用器与第四波分复用器共用第二敏感光纤L_C形成了混合干涉仪。本发明传感器采用萨格奈克/马赫-泽德混合干涉仪光路进行振动传感，并且采用幅度对比进行振动定位。采用消偏技术，在光源出射端和光纤环中加入洛埃特消偏器，稳定了萨格奈克干涉仪光路中的干涉输出，提高了传感器输出信息的检测精度。

Description

分布式光纤振动传感器

技术领域

本发明涉及一种振动传感器，更具体的说，是指一种可对振动点进行定位的分布式光纤振动传感器。

背景技术

振动传感器一般可分为电动式、电容式、电阻式、电涡流式、压电式、光纤式和磁敏式等不同类型。振动传感器通过将机械振动转化为敏感元件特性的变化(特别是电特性的变化)，采用电信号检测方法进行检测，实现对机械振动的测量。

请参见《工程振动测量仪器和测试技术》第九章，第一节公开的内容，光纤式振动传感器是一种采用光纤作为敏感部件的机械振动传感器。其基本构成有发送检测部分、信号传输部分和接收处理部分，发送检测部分是直接利用光纤将检测获得的参数转换成便于传输的光信号，信号传输部分是通过光纤进行信号传输，接收处理部分是对来自光纤的信号进行检测、整形、处理等。

发明内容

本发明的目的是提供一种分布式光纤振动传感器，该传感器采用萨格奈克/马赫-泽德(Mach-Zehnder)混合干涉仪光路进行振动传感，并且采用幅度对比进行振动定位。采用消偏技术，在光源出射端和光纤环中加入洛埃特(Lyot)消偏器，稳定了萨格奈克干涉仪光路中的干涉输出，提高了传感器输出信息的检测精度。

本发明是一种分布式光纤振动传感器，由信号处理电路、传输光纤L_A、第一敏感光纤L_B、第二敏感光纤L_C、超窄线宽激光器、两个探测器、三个消偏器、四个耦合器、四个波分复用器、超辐射发光二极管、起偏器和相位调制器组成；其中，超窄线宽激光器通过传输光纤L_A与第四耦合器熔接，相位调制器通过第一敏感光纤L_B与第三波分复用器熔接，第二波分复用器通过第二敏感光纤L_C与第三波分复用器熔接。其中，第三波分复用器、第四波分复用器和第四耦合器构成一个波分复用单元。超窄线宽激光器、第二探测器、传输光纤L_A、第一敏感光纤L_B、第二敏感光纤L_C、相位调制器、第一耦合器、第一波分复用器、第二波分复用器、第三波分复用器、第四波分复用器和第四耦合器构成马赫-泽德干涉仪。超辐射发光二极管、第一敏感光纤L_B、第二敏感光纤L_C、第一探测器、第一消偏器、起偏器、第二消偏器、第三消偏器、相位调制器、第二耦合器、第三耦合器、第一波分复用器、第二波分复用器、第三波分复用器和第四波分复用器构成萨格奈克干涉仪。

所述的分布式光纤振动传感器，其萨格奈克干涉仪的相位差φ_S(t)与定位距离z成正比。

所述的分布式光纤振动传感器，其马赫-泽德干涉仪的相位差φ_MZ(t)等于机械振动产生的调制相位φ(t)。

本发明分布式光纤振动传感器的优点在于：(1)可以对长距离(0.5～50公里)内多点发生的振动进行传感；(2)可以对振动点进行定位，定位精度为50～100米；(3)采用的传感部件为无源的光纤光缆，有效地降低了振动传感器的功耗；(4)在超辐射发光二极管3输出端熔接第一消偏器5，稳定了光源的输出；(5)采用消偏结构的萨格奈克干涉仪提高了测量精度。

附图说明

图1是本发明分布式光纤振动传感器的结构简图。

图2是本发明分布式光纤振动传感器的定位原理简图。

图3是本发明构成的萨格奈克干涉仪光路部分的光源消偏结构图。

图中：1.超窄线宽激光器    2.第二探测器

3.超辐射发光二极管    4.第一探测器    5.第一消偏器    6.起偏器

7.第二消偏器    8.第三消偏器    9.相位调制器    11.第一耦合器  12.第二耦合器

13.第三耦合器    14.第一波分复用器    15.第二波分复用器

16.第三波分复用器    17.第四波分复用器    18.第四耦合器

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

请参见图1所示，本发明是一种分布式光纤振动传感器，由信号处理电路、传感光缆(传输光纤L_A、第一敏感光纤L_B、第二敏感光纤L_C)、超窄线宽激光器1、两个探测器(第一探测器4、第二探测器2)、三个消偏器(第一消偏器5、第二消偏器7、第三消偏器8)、四个耦合器(第一耦合器11、第二耦合器12、第三耦合器13、第四耦合器18)、四个波分复用器(第一波分复用器14、第二波分复用器15、第三波分复用器16、第四波分复用器17)、超辐射发光二极管3、起偏器6和相位调制器9组成。所述传感光缆是指传输光纤L_A、第一敏感光纤L_B、第二敏感光纤L_C。

超窄线宽激光器1与第四耦合器18的A端连接有传输光纤L_A(单模光纤或保偏光纤)，第四耦合器18的C端与第三波分复用器16的1550nm传输端熔接，第四耦合器18的D端与第四波分复用器17的1550nm传输端熔接，第三波分复用器16的1310nm传输端与第四波分复用器17的1310nm传输端熔接；

第三波分复用器16的公共端与相位调制器9之间熔接有第一敏感光纤L_B(第一敏感光纤L_B的长度可以为0.5～50公里，第一敏感光纤L_B可以选取单模光纤或保偏光纤)，相位调制器9与第一波分复用器14的公共端熔接，第一波分复用器14的1550nm传输端与第一耦合器11的C端熔接；

第四波分复用器17的公共端与第二波分复用器15的公共端之间熔接有第二敏感光纤L_C(第二敏感光纤L_C的长度可以为0.5～50公里，第二敏感光纤L_C可以选取单模光纤或保偏光纤)，第二波分复用器15的1550nm传输端与第一耦合器11的D端熔接；

第一耦合器11的A端与第二探测器2熔接；

第一波分复用器14的1310nm传输端与第二消偏器7的输出端熔接，第二消偏器7的输入端与第三耦合器13的C端熔接，第三耦合器13的A端与起偏器6的输出端熔接，起偏器6的输入端与第二耦合器12的C端熔接，第二耦合器12的A端与第一消偏器5的输出端熔接，第一消偏器5的输入端与超辐射发光二极管3熔接；

第二耦合器12的B端与第一探测器4熔接；

第二波分复用器15的1310nm传输端与第三消偏器8的输出端熔接，第三消偏器8的输入端与第三耦合器13的D端熔接；

信号处理电路接收由第一探测器4输出光强电压信号I₁和第二探测器2输出光强电压信号I₂，并对其进行解调处理后输出振动信息和振动点位置信息，然后为相位调制器9提供相位载波信号M。

在本发明中，第一耦合器11、第二耦合器12、第三耦合器13和第四耦合器18为相同器件，一般有四个连接端，即A端、B端、C端和D端。在实际使用时将A端与B端定义在同一侧，C端与D端在另一侧，当定义A端或B端为输入端时，则C端与D端为输出端，反之亦然。

请参见图1所示，在本发明中，第三波分复用器16、第四波分复用器17和第四耦合器18构成一个波分复用单元，用于实现对光路中传输光的分光，参与构成共用传感光路的混合干涉仪。超窄线宽激光器1、第二探测器2、传输光纤L_A、第一敏感光纤L_B、第二敏感光纤L_C、相位调制器9、第一耦合器11、第一波分复用器14、第二波分复用器15、第三波分复用器16、第四波分复用器17和第四耦合器18构成马赫-泽德干涉仪。超辐射发光二极管3、第一敏感光纤L_B、第二敏感光纤L_C、第一探测器4、第一消偏器5、起偏器6、第二消偏器7、第三消偏器8、相位调制器9、第二耦合器12、第三耦合器13、第一波分复用器14、第二波分复用器15、第三波分复用器16和第四波分复用器17构成萨格奈克干涉仪。

请参见图1所示，在本发明中，第一探测器4、第二探测器2、第一消偏器5、第二消偏器7、第三消偏器8、第一耦合器11、第二耦合器12、第三耦合器13、第一波分复用器14、第二波分复用器15、超辐射发光二极管3、起偏器6和相位调制器9构成监控单元，所述监控单元用于产生激光和相位载波，以及对返回光进行分光、干涉和光电转换，实现对传感光缆上的振动信息进行远端监控。

本发明的信号处理电路对接收的第一探测器4输出的干涉信号I₁和第二探测器2输出的干涉信号I₂进行的处理为常规相位载波调制解调技术，其电路输出的相位载波信号M提供给相位调制器9。经信号处理电路解调后输出有定位距离Z的位置信息，以及机械振动信号φ(t)。

下面将对各器件形成的光路模式进行详细说明：

一、马赫-泽德干涉仪

本发明的分布式光纤振动传感器中的马赫-泽德干涉仪，从超窄线宽激光器1发射的激光传输方式为：从超窄线宽激光器1发出激光的波长λ₂经过传输光纤L_A传输到3dB第四耦合器18处分光，分出的光分别经过第三波分复用器16和第四波分复用器17进入第一敏感光纤L_B和第二敏感光纤L_C中，然后进入第一波分复用器14和第二波分复用器15，其中波长λ₂的光进入第一耦合器11处发生干涉，干涉输出由第二探测器2检测。在第一敏感光纤L_B上还包括产生相位载波调制所需载波信号的相位调制器9，构成马赫-泽德干涉仪。其中，第一敏感光纤L_B为马赫-泽德干涉仪一臂，第二敏感光纤L_C为马赫-泽德干涉仪的另一臂。

二、萨格奈克干涉仪

本发明的分布式光纤振动传感器中的萨格奈克干涉仪，从超辐射发光二极管3发出光的传输方式为：超辐射发光二极管3发出的波长λ₁经过第一消偏器5后进入第二耦合器12后分光，经过起偏器6起偏变成线偏振光，起偏器6输出光经过第三耦合器13处分光，分别进入第二消偏器7和第三消偏器8进行再次消偏，消偏后的光通过第一波分复用器14和第二波分复用器15分别进入第一敏感光纤L_B和第二敏感光纤L_C，由于波分复用器第三波分复用器16和第四波分复用器17的作用，波长λ₁的宽谱光直接返回第一敏感光纤L_B和第二敏感光纤L_C，然后返回至第一波分复用器14和第二波分复用器15处在第二耦合器12处干涉，由第一探测器4进行光电转换，构成萨格奈克干涉仪。

三、共用传感光路

在本发明中构成的萨格奈克干涉仪和马赫-泽德干涉仪，通过第一波分复用器14与第三波分复用器16共用第一敏感光纤L_B，第二波分复用器15与第四波分复用器17共用第二敏感光纤L_C形成了混合干涉仪。

四、振动定位(参见图2所示)

本发明对传感信号的定位是运用了幅度对比定位技术的原理。当机械振动作用于传感光纤时，由于萨格奈克/马赫-泽德混合干涉仪光路中的两个干涉仪共用一个传感光路，机械振动施加于两个干涉仪上造成的相位变化完全相同，而萨格奈克干涉仪的干涉输出存在位置依赖性，进行幅度对比就可以对振动进行定位。

请参见图2所示，图中，点O是本发明的萨格奈克干涉仪的萨格奈克环的中点，点p是机械振动信号φ(t)的作用点，L是萨格奈克环的长度的一半，z是振动作用点p至萨格奈克环中点O的定位距离。当相位变化作用于本发明的萨格奈克干涉仪上，正反两方向传播的光束之间的相位差关系为：

${\mathrm{\φ}}_S\left(t\right)=\mathrm{\φ}(t-\frac{L-z}{V})-\mathrm{\φ}(t-\frac{L+z}{V})---\left(1\right)$

式中，φ_S(t)表示机械振动产生的调制相位φ(t)作用于本发明的萨格奈克干涉仪p点上时的两干涉光束的相位差，V表示光在第一敏感光纤L_B和第二敏感光纤L_C中的光速。

根据泰勒近似，式(1)解析得到：

${\mathrm{\φ}}_S\left(t\right)=[\mathrm{\φ}\left(t\right)-\frac{L-z}{V}\·\frac{\mathrm{d\φ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]-[\mathrm{\φ}\left(t\right)-\frac{L+z}{V}\·\frac{\mathrm{d\φ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]---\left(2\right)$

式中，

表示机械振动产生的调制相位φ(t)对时间t的微分，

式(2)简化后得到：

${\mathrm{\φ}}_S\left(t\right)=\frac{2z}{V}\·\frac{\mathrm{d\φ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

即相位差φ_S(t)与定位距离z成正比。

由于本发明的萨格奈克干涉仪和马赫-泽德干涉仪共用传感光路，故当有同样的机械振动信号φ(t)作用在马赫-泽德干涉仪上时，发生干涉时两光束之间的相位差φ_MZ(t)等于机械振动信号φ(t)，即马赫-泽德干涉仪上的相位差φ_MZ(t)对时间t的微分是

将萨格奈克干涉仪的相位差φ_S(t)除以马赫-泽德干涉仪的时间t微分可得到定位距离z的位置信息。经实验测试(第一敏感光纤L_B和第二敏感光纤L_C的长度分别为35公里，有振动点时)定位距离z的定位精度为50～100米。

五、萨格奈克干涉仪的光路消偏处理(参见图3所示)

本发明中萨格奈克干涉仪部分的光源是超辐射发光二极管(SLD)3，并在SLD光源3后面加一个第一消偏器(Lyot)5，通过对SLD光源3输出光进行消偏来稳定输出。当SLD发出的光经过第一消偏器5后，输出光将产生一个随机的偏振态，即光波在所有偏振态上是均匀分布的。本发明中，当超辐射发光二极管(SLD)3输出的部分偏振光经第一消偏器5后，两个本征偏振态完全失去统计相关性，使进入传感器的光波成为完全非偏振光。

本发明光纤振动传感器是采用光纤作为敏感部件的机械振动传感器。与传统振动传感器相比，光纤振动传感器不仅具有灵敏度高，抗电磁干扰等优点，还具有寿命长，功耗低等优点。特别是分布式光纤传感器还具备对机械振动进行定位的能力，这是普通光纤振动传感器和传统振动传感器不具有的突出优点。

本发明光纤振动传感器可以对长距离内的、分布式的机械振动进行测量和定位，适用于输油管线，通信光缆，机场，政府大楼等场合的安全防范。

Claims (7)

1、一种分布式光纤振动传感器，包括信号处理电路、传感光缆，其特征在于：还包括超窄线宽激光器(1)、第二探测器(2)、超辐射发光二极管(3)、第一探测器(4)、第一消偏器(5)、起偏器(6)、第二消偏器(7)、第三消偏器(8)、相位调制器(9)、第一耦合器(11)、第二耦合器(12)、第三耦合器(13)、第四耦合器(18)、第一波分复用器(14)、第二波分复用器(15)、第三波分复用器(16)和第四波分复用器(17)；所述传感光缆是指传输光纤L_A、第一敏感光纤L_B、第二敏感光纤L_C；

超窄线宽激光器(1)与第四耦合器(18)的A端连接有传输光纤L_A，第四耦合器(18)的C端与第三波分复用器(16)的1550nm传输端熔接，第四耦合器(18)的D端与第四波分复用器(17)的1550nm传输端熔接，第三波分复用器(16)的1310nm传输端与第四波分复用器(17)的1310nm传输端熔接；

第三波分复用器(16)的公共端与相位调制器(9)之间熔接有第一敏感光纤L_B，相位调制器(9)与第一波分复用器(14)的公共端熔接，第一波分复用器(14)的1550nm传输端与第一耦合器(11)的C端熔接；

第四波分复用器(17)的公共端与第二波分复用器(15)的公共端之间熔接有第二敏感光纤L_C，第二波分复用器(15)的1550nm传输端与第一耦合器(11)的D端熔接；

第一耦合器(11)的A端与第二探测器(2)熔接；

第一波分复用器(14)的1310nm传输端与第二消偏器(7)的输出端熔接，第二消偏器(7)的输入端与第三耦合器(13)的C端熔接，第三耦合器(13)的A端与起偏器(6)的输出端熔接，起偏器(6)的输入端与第二耦合器(12)的C端熔接，第二耦合器(12)的A端与第一消偏器(5)的输出端熔接，第一消偏器(5)的输入端与超辐射发光二极管(3)熔接；

第二耦合器(12)的B端与第一探测器(4)熔接；

第二波分复用器(15)的1310nm传输端与第三消偏器(8)的输出端熔接，第三消偏器(8)的输入端与第三耦合器(13)的D端熔接；

信号处理电路接收由第一探测器(4)输出光强电压信号I₁和第二探测器(2)输出光强电压信号I₂，并对其进行解调处理后输出振动信息和振动点位置信息，然后为相位调制器(9)提供相位载波信号M。

2、根据权利要求1所述的分布式光纤振动传感器，其特征在于：超辐射发光二极管(3)、第一敏感光纤L_B、第二敏感光纤L_C、第一探测器(4)、第一消偏器(5)、起偏器(6)、第二消偏器(7)、第三消偏器(8)、相位调制器(9)、第二耦合器(12)、第三耦合器(13)、第一波分复用器(14)、第二波分复用器(15)、第三波分复用器(16)和第四波分复用器(17)构成萨格奈克干涉仪。

3、根据权利要求2所述的分布式光纤振动传感器，其特征在于：所述萨格奈克干涉仪的相位差

与定位距离z成正比。

4、根据权利要求1所述的分布式光纤振动传感器，其特征在于：超窄线宽激光器(1)、第二探测器(2)、传输光纤L_A、第一敏感光纤L_B、第二敏感光纤L_C、相位调制器(9)、第一耦合器(11)、第一波分复用器(14)、第二波分复用器(15)、第三波分复用器(16)、第四波分复用器(17)和第四耦合器(18)构成马赫-泽德干涉仪。

5、根据权利要求4所述的分布式光纤振动传感器，其特征在于：所述马赫-泽德干涉仪的相位差

等于机械振动产生的调制相位φ(t)。

6、根据权利要求1所述的分布式光纤振动传感器，其特征在于：第三波分复用器(16)、第四波分复用器(17)和第四耦合器(18)构成一个波分复用单元。

7、根据权利要求1所述的分布式光纤振动传感器，其特征在于：所述传感光缆至少有传输光纤L_A、第一敏感光纤L_B和第二敏感光纤L_C，传输光纤L_A、第一敏感光纤L_B和第二敏感光纤L_C为单模光纤或保偏光纤。

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