CN101008583A - 基于双向马赫－泽德干涉仪的扰动信号检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双向马赫－泽德干涉仪的扰动信号检测系统，由分布式光纤传感器和信号检测电路组成，所述分布式光纤传感器包括有第一探测器、第二探测器、光源以及三个耦合器，第一探测器、第二探测器输出信息端与信号检测电路联接。本发明扰动信号检测系统通过振动点O产生的扰动信号φ(t)加载在马赫－泽德干涉仪的两臂时，所述扰动信号φ(t)至第一探测器的时间t₁与所述扰动信号φ(t)至第二探测器的时间t₂+t₃之间的时间差τ＝t₂+t₃－t₁，然后根据时间差τ得到振动点O的实际位置。

Description

基于双向马赫-泽德干涉仪的扰动信号检测系统

技术领域

本发明涉及对扰动(振动)信号进行检测的一种装置，更特别地说，是指一种基于双向马赫-泽德干涉仪的扰动信号检测系统。

背景技术

分布式光纤微扰动传感器能测量整个光纤长度上的随时间变化的扰动信息，它具有灵敏度高、检测距离远、抗电磁干扰能力强、安装后易维护等优点。它成为长距离管道监测和安全防卫领域最具有应用前景的技术之一。基于光时域反射计(OTDR)原理的分布式光纤传感器如测量温度和压力的传感器等，它们的响应速度慢，无法完成实时检测与定位。尤其在长距离管道监测和周界安全防卫领域，要求系统实时性高、能监测瞬间事件，并对事件作出快速反应。干涉型分布式光纤微扰动传感器正是在此基础上研究发展起来的。目前国内外研究报道的有：萨格奈克/马赫-泽德(Sagnac/Mach-Zender)，萨格奈克/麦克尔逊(Sagnac/Michelson)，萨格奈克/萨格奈克(Sagnac/Sagnac)的等组合干涉仪形式的传感器。本发明提出一种由Mach-Zender/Mach-Zender干涉仪组成的分布式光纤微扰动传感器，它利用干涉的方法测量光纤某个位置所受到的微扰动，并能确定微扰动位置的系统。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于双向马赫-泽德干涉仪的扰动信号检测系统，通过振动点O产生的扰动信号(t)加载在马赫-泽德干涉仪的两臂时，所述扰动信号(t)至第一探测器的时间t₁与所述扰动信号(t)至第二探测器的时间t₂+t₃之间的时间差τ＝t₂+t₃-t₁，从而得到是扰动点O的实际位置。

本发明是一种基于双向马赫-泽德干涉仪的扰动信号检测系统，由分布式光纤传感器和信号检测电路组成，所述分布式光纤传感器包括有第一探测器、第二探测器、光源以及三个耦合器，光源的尾纤与耦合器A的传输A端熔接；耦合器A的传输B端通过单模光纤与耦合器B的传输D端熔接，耦合器A的传输C端通过单模光纤与耦合器C的传输C端熔接；耦合器B的传输A端通过单模光纤与第一探测器熔接，耦合器B的传输B端通过单模光纤与耦合器C的传输A端熔接，耦合器B的传输C端通过单模光纤与耦合器C的传输D端熔接；耦合器C的传输B端通过单模光纤与第二探测器熔接；第一探测器、第二探测器输出信息端与信号检测电路联接。在本发明中，耦合器B的传输B端与耦合器C的传输A端之间熔接的单模光纤称为干涉仪的传感臂；耦合器B的传输C端与耦合器C的传输D端之间熔接的单模光纤称为干涉仪的参考臂。

所述的扰动信号检测系统，其传感臂上的扰动点O距耦合器B的位置

$L1=\frac{(L1+L2+L3)-\mathrm{\τ}\·c/n}{2},$ 式中，L1+L2+L3是光纤的总长度，是一个常数，τ为扰动光信号传输至第一探测器与传输至第二探测器的时间差，c为真空中的光速，n为光纤折射率。

本发明基于双向马赫-泽德干涉仪的扰动信号检测系统的优点在于：(1)利用扰动信号在双向马赫-泽德干涉仪的两臂上传输的时间差，得到扰动点O的实际位置；(2)在信号检测电路中对接收的光强信息采用了积分和高通滤波处理，有效地抑制了低频噪声的干扰，减小了环境对本发明检测系统的影响；(3)本发明基于双向马赫-泽德干涉仪的形式，具有较高的灵敏度，实时性强；(4)本发明属于光纤传感器，所有在室外的部件(耦合器B、耦合器C以及形成参考臂、传感臂的单模光纤)均采用光纤构成，可靠性高，利于维护，寿命长。

附图说明

图1是本发明光纤传感器的结构示图。

图2是本发明信号检测电路的结构示图。

图3是放大滤波电路原理图。

图4A是乘法器A的电路原理图。

图4B是乘法器B的电路原理图。

图4C是乘法器C的电路原理图。

图4D是乘法器D的电路原理图。

图5A是低通滤波电路A原理图。

图5B是低通滤波电路B原理图。

图6A是微分电路A原理图。

图6B是微分电路B原理图。

图7是加法器的电路原理图。

图8是积分电路原理图。

图9是高通滤波电路原理图。

图10A是信号发生器A电路原理图。

图10B是信号发生器B电路原理图。

图中：      1.第一探测器    101.第一放大滤波器              102.乘法器A103.低通滤波器A                 104.微分器A      105.乘法器C    106.第一加法器107.乘法器B     108.低通滤波器B 109.微分器B      110.乘法器D111.第一反向器  112.第一积分器  113.第一高通滤波器              114.信号发生器2.第二探测器    201.第二放大滤波器               202.乘法器E    203.低通滤波器C204.微分器C     205.乘法器G     206.第二加法器   207.乘法器F    208.低通滤波器D209.微分器D     210.乘法器H     211.第二反向器   212.第二积分器213.第二高通滤波器    3.光源        4.耦合器A       5.耦合器B      6.耦合器C

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

请参见图1所示，本发明是一种基于双向马赫-泽德干涉仪的扰动信号检测系统，由分布式光纤传感器和信号检测电路组成，所述分布式光纤传感器包括有第一探测器1、第二探测器2、光源3以及三个耦合器(耦合器A4、耦合器B5、耦合器C6)，光源3的尾纤与耦合器A4的传输A端熔接；耦合器A4的传输B端通过单模光纤与耦合器B5的传输D端熔接，耦合器A4的传输C端通过单模光纤与耦合器C6的传输C端熔接；耦合器B5的传输A端通过单模光纤与第一探测器1熔接，耦合器B5的传输B端通过单模光纤与耦合器C6的传输A端熔接，耦合器B5的传输C端通过单模光纤与耦合器C6的传输D端熔接；耦合器C6的传输B端通过单模光纤与第二探测器2熔接；第一探测器1、第二探测器2输出信息端与信号检测电路联接。

在本发明中，信号检测电路对接收的第一探测器1输出的光强信息f₁和第二探测器2输出的光强信息f₂的处理方式、电路结构是相同的，参见图2所示。在本发明中，对第一探测器1输出的光强信息f₁的处理为：

第一放大滤波器101，用于对第一探测器1输出的光强信息f₁进行滤波放大后输出带有振动信息的第一电压信号S₁；

第二放大滤波器201，用于对第二探测器1输出的光强信息f₂进行滤波放大后输出带有振动信息的第二电压信号S₂；

信号发生器114，用于产生第一路正弦波信号f₃给乘法器A102和乘法器C202，用于产生第二路正弦波信号f₄给乘法器B107和乘法器D207；

乘法器A102，用于对第一路正弦波信号f₃与第一电压信号S₁进行相乘运算后输出第一调制信号I₁；在本发明中，乘法器E202与乘法器A102相同；

乘法器B107，用于对第二路正弦波信号f₄与电压信号S₁进行相乘运算后输出第二调制信号I₂；在本发明中，乘法器F207与乘法器B107相同；

低通滤波器A103，用于对乘法器A102输出的第一调制信号I₁进行低通滤波处理，输出第一低频扰动信号S₃；在本发明中，低通滤波器B108、低通滤波器C203、低通滤波器D208与低通滤波器A103相同，其低通滤波器B108用于对乘法器B107输出的第二调制信号I₂进行低通滤波处理，输出第二低频扰动信号S₄；

微分器A104，用于对第一低频扰动信号S₃进行微分运算后输出第一微分信号S₅；在本发明中，微分器B109、微分器C204、微分器D209与微分器A104相同，其微分器B109用于对第二低频扰动信号S₄进行微分运算后输出第二微分信号S₆；

乘法器C105，用于对第一微分信号S₅与第二低频扰动信号S₄相乘运算后输出第一调制信号I₃；

乘法器D110，用于对第一微分信号S₃与第二微分信号S₆相乘运算后输出第二调制信号I₄，所述第二调制信号I₄经反向器111后输出反向调制信号I₅；

第一加法器106，用于对第一调制信号I₃与反向调制信号I₅相加后输出扰动信号经积分器112、高通滤波器113后输出扰动信号。

在本发明中，信号检测电路的各端子的联接请见下面所述(参见图3～图10B所示)，第一探测器1经过电容C5和电阻R1组成的隔直电路连接到由电阻R2、电阻R4、电容C6及运放U2A和电阻R5、电阻R7、电容C9及运放U3A组成的两级前置放大电路经运放U3A的端子1输出至运放U4A的端子3，经过由运放U4A、电阻R8、电阻R9、电阻R10组成的驱动器并输出带有振动信息的第一电压信号S₁到端子PINAMPOUT。由端子PINAMPOUT与乘法器M1的端子8相连接并与信号发生器114输出的第一路正弦波信号f₃相乘后由乘法器M1的第5端子输出第一调制信号I₁到端子PGCMULOUT1。由端子PINAMPOUT与乘法器M2的端子8相连接并与信号发生器114输出的第二路正弦波信号f₄相乘后由乘法器M2的第5端子输出第二调制信号I₂到端子PGCMULOUT2。

调制信号I₁经电阻R11、电阻R12、电容C18、电容C19、电容C20、电容C21、运放U5B、电阻R13、电阻R14、电容C22、电容C23、运放U6B组成的低通滤波器由运放U6B的第7端子输出至运放U7A的端子3，经电阻R15、电阻R16、电阻R17和运放U7A组成的驱动器输出信号S₃，从运放U7A的端子1输出PGCLOWOUT1(第二低频扰动信号S₄)。

调制信号I₂经电阻R29、电阻R30、电容C41、电容C42、电容C43、电容C44、电容C45、电容C46、运放U12A、电阻R31、电阻R32、电容C47、电容C48、运放U13B组成的低通滤波器由运放U13B的第7端子输出至运放U14A的端子3，经电阻R33、电阻R34、电阻R35和运放U14A组成的驱动器输出信号S₄，从运放U14A的端子1输出PGCLOWOUT2(第二低频扰动信号S₄)。

低频扰动信号S₃经电阻R18连接至运放U8A的端子2，经电阻R19、电阻R20、电容C26、电容C27、电容C28、运放U8A的端子1、运放U9B组成的中放电路，由运放U9B的端子7输出信号PGCLOWOUT1(第二微分信号S₆)。

低频扰动信号S₄经电阻R36连接至运放U15A的端子2，经电阻R37、电阻R38、电容C51、电容C52、电容C53、运放U15A的端子1、运放U16A组成的中放电路，由运放U16A的端子1输出信号PGCLOWOUT2(第二低频扰动信号S₄)。

由PGCAMPOUT1连接至电阻R21，经电容C29、电容C31、二级管D1、二级管D2、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25和运算放大器U10B、电阻R26、电阻R27、电阻R28和运算放大器U11B组成的微分器，经运算放大器U11B的端子7输出微分信号PGCDIFFOUT1(第一调制信号I₃)。

由PGCAMPOUT2连接至电阻R39，经电容C54、电容C55、二级管D3、二级管D4、电阻R40、电阻R41、电阻R42、电阻R43和运算放大器U17A、电阻R44、电阻R45、电阻R46和运算放大器U18B组成的微分器，经运算放大器U18B的端子7输出微分信号PGCDIFFOUT2(反向调制信号I₅)。

微分信号PGCDIFFOUT1连接至乘法器M3的端子1，低通滤波器的输出信号PGCLOWOUT2连接至乘法器M3的端子8，这两个信号相乘由乘法器M3的端子5输出信号PGCMULOUT3(第一调制信号I₃)。

微分信号PGCDIFFOUT2连接至乘法器M4的端子1，低通滤波器的输出信号PGCLOWOUT1连接至乘法器M4的端子8，这两个信号相乘由乘法器M4的端子5输出信号PGCMULOUT4(反向调制信号I₅)。

调制信号PGCMULOUT3和反向后的调制信号PGCMULOUT4分别通过电阻R47和电阻R48连接至运放U19A的端子2和端子3，再经电阻R49、电阻R50、电阻R51、电阻R52、电阻R53和运放U19A、运放U20B相加后在运放U20B的端子7输出加法器信号PGCADDER。

加法器后的输出PGCADDER通过电阻R54连接至运放U21B的端子6，经过电容C65、电阻R55、电阻R56、运放U21B、电阻R57、电阻R58、电阻R59、运放U22A组成的积分器，并由运放U22A的端子1输出积分信号PGCINTEGRAL。

积分器的输出PGCINTEGRAL经电容C67、电容C68连接至运放U23A的端子3，再经电阻R60、电阻R61、运放U23A、电阻R62、电阻R63、电阻R64和运放U24B组成的高通滤波器输出解调信号PGCHFILTEROUTA。

由信号函数发生器U1，电阻R103、电阻R104、电阻R105、电阻R106、电阻R107、电阻R108，电容C66、电容C67、电容C68组成信号发生器，该信号发生器由U1的端子2输出正弦信号。

输出的正弦信号经过电阻R109，连接至运放U2A的端子3，再经电阻R110、电阻R111、电容C71、电阻R112、运放U3A组成放大电路，经运放U3A的端子1输出10MG调制信号(第一路正弦波信号f₃)。

10MG调制信号输入到运放U4的端子1和3，经电容C31、电阻R78、电阻R79、电阻R80、电容C30、电容C31组成的倍频电路由运放U4的端子7输出，输出信号经电容C32、电阻R81、电阻R83、电阻R84、电阻R86、运放U5A、运放U6A组成的放大电路，由运放U6A的端子1输出20MG调制信号(第二路正弦波信号f₄)。

本发明中，分布式光纤传感器中光路采用双向马赫-泽德干涉仪方案，基于马赫-泽德(Mach-Zehnder)干涉仪方案的相位调制光纤传感器通常具有极高的灵敏度。耦合器A4的传输B端、耦合器B5、耦合器C6及第二探测器2构成第一个马赫-泽德干涉仪(顺时针马赫-泽德干涉仪)；耦合器A4的传输C端、耦合器C6、耦合器B5及第一探测器1构成第二个马赫-泽德干涉仪(逆时针马赫-泽德干涉仪)。耦合器B5的传输B端与耦合器C6的传输A端之间熔接的单模光纤称为干涉仪的传感臂，耦合器B5的传输C端与耦合器C6的传输D端之间熔接的单模光纤称为干涉仪的参考臂。当光源(LD)1经耦合器A4、耦合器B5后至传感臂、参考臂，到达耦合器C6发生干涉，形成一个顺时针马赫-泽德干涉仪，干涉后的信号经单模光纤后由第二探测器2接收；经耦合器A4分出的另一路光至耦合器C6，经干涉仪的传感臂、参考臂，到达耦合器B5发生干涉，也形成一个逆时针马赫-泽德干涉仪，干涉后的信号由第一探测器1接收。当有扰动信号作用在马赫-泽德干涉仪的传感臂、参考臂时，使传感臂、参考臂的臂长发生改变，从而使传感臂、参考臂传输的光之间产生了相位差(t)。扰动点O距耦合器B5的距离：L1＝t₁×c/n；扰动点O距耦合器C6距离：L2＝t₂×c/n；耦合器C6与第二探测器2之间熔接的单模光纤长度：L3＝t₃×c/n；其中n为光纤折射率，c为真空中的光速。L1表示扰动点O至耦合器B5的距离，L2表示扰动点O至耦合器C6的距离，L3表示扰动点O至第二探测器2的距离，t₁表示扰动点O的扰动光信号至耦合器B5的传输时间，t₂表示扰动点O的扰动光信号至耦合器C6的传输时间，t₃表示光信号从耦合器C6至第二探测器2的传输时间。则有扰动光信号传输至第一探测器1与传输至第二探测器2的时间差 $\mathrm{\τ}=t_2+t_3-t_1=\frac{(L2+L3-L1)\×n}{c}=\frac{L3\×n}{c}+\frac{(L2-L1)\×n}{c}\·$ 然后，根据时间差τ换算得到扰动点O距耦合器B5的位置 $L1=\frac{(L1+L2+L3)-\mathrm{\τ}\·c/n}{2},$ 式中，L1+L2+L3是光纤的总长度，是一个常数。本发明中，通过对光传输的时间差τ与扰动点O分别相距耦合器B5与耦合器C6的距离L1得到，是一种通过光传输获得距离的新式解析方式，可以适用于长距离(小于50Km)的安全防范领域，对于传感臂上的扰动点O实际位置测得的误差小于500m。在总长度为18.46km光纤上进行了实验，系统能实时地给出扰动的位置，平均定位误差小于500m。实验验证了将光源功率增大至300μw，能对光纤长度40km的微扰动进行定位。

Claims (5)

1、一种基于双向马赫-泽德干涉仪的扰动信号检测系统，其特征在于：由分布式光纤传感器和信号检测电路组成，所述分布式光纤传感器包括有第一探测器(1)、第二探测器(2)、光源(3)以及耦合器A(4)、耦合器B(5)、耦合器C(6)，光源(3)的尾纤与耦合器A(4)的传输A端熔接；耦合器A(4)的传输B端通过单模光纤与耦合器B(5)的传输D端熔接，耦合器A(4)的传输C端通过单模光纤与耦合器C(6)的传输C端熔接；耦合器B(5)的传输A端通过单模光纤与第一探测器(1)熔接，耦合器B(5)的传输B端通过单模光纤与耦合器C(6)的传输A端熔接，耦合器B(5)的传输C端通过单模光纤与耦合器C(6)的传输D端熔接；耦合器C(6)的传输B端通过单模光纤与第二探测器(2)熔接；第一探测器(1)、第二探测器(2)输出信息端与信号检测电路联接；

耦合器B(5)的传输B端与耦合器C(6)的传输A端之间熔接的单模光纤称为干涉仪的传感臂；

耦合器B(5)的传输C端与耦合器C(6)的传输D端之间熔接的单模光纤称为干涉仪的参考臂。

2、根据权利要求1所述的扰动信号检测系统，其特征在于：耦合器A(4)的传输B端、耦合器B(5)、耦合器C(6)及第二探测器(2)构成顺时针马赫-泽德干涉仪；耦合器A(4)的传输C端、耦合器C(6)、耦合器B(5)及第一探测器(1)构成逆时针马赫-泽德干涉仪。

3、根据权利要求1所述的扰动信号检测系统，其特征在于：所述传感臂上的扰动点O距耦合器B(5)的位置 $L1=\frac{(L1+L2+L3)-\mathrm{\τ}\·c/n}{2}$ ，式中，L1+L2+L3是光纤的总长度，是一个常数，τ为扰动光信号传输至第一探测器(1)与传输至第二探测器(2)的时间差，c为真空中的光速，n为光纤折射率。

4、根据权利要求1所述的扰动信号检测系统，其特征在于：信号检测电路对接收的第一探测器1输出的光强信息f₁和第二探测器(2)输出的光强信息f₂的处理方式、电路结构是相同的；对第一探测器(1)输出的光强信息f₁的处理为：

第一放大滤波器(101)，用于对第一探测器(1)输出的光强信息f₁进行滤波放大后输出带有振动信息的第一电压信号S₁；

第二放大滤波器(201)，用于对第二探测器(1)输出的光强信息f₂进行滤波放大后输出带有振动信息的第二电压信号S₂；

信号发生器(114)，用于产生第一路正弦波信号f₃给乘法器A(102)和乘法器C(202)，用于产生第二路正弦波信号f₄给乘法器B(107)和乘法器D(207)；

乘法器A(102)，用于对第一路正弦波信号f₃与第一电压信号S₁进行相乘运算后输出第一调制信号I₁；

乘法器B(107)，用于对第二路正弦波信号f₄与电压信号S₁进行相乘运算后输出第二调制信号I₂；

低通滤波器A(103)，用于对第一调制信号I₁进行低通滤波处理，输出第一低频拢动信号S₃；

低通滤波器B(108)用于对第二调制信号I₂进行低通滤波处理，输出第二低频扰动信号S₄；

微分器A(104)，用于对第一低频扰动信号S₃进行微分运算后输出第一微分信号S₅；微分器B(109)用于对第二低频扰动信号S₄进行微分运算后输出第二微分信号S₆；

乘法器C(105)，用于对第一微分信号S₅与第二低频扰动信号S₄相乘运算后输出第一调制信号I₃；

乘法器D(110)，用于对第一微分信号S₃与第二低频扰动信号S₆相乘运算后输出第二调制信号I₄，所述第二调制信号I₄经反向器(111)后输出反向调制信号I₅；

第一加法器(106)，用于对第一调制信号I₃与反向调制信号I₅相加后输出扰动信号经积分器(112)、高通滤波器(113)后输出扰动信号。

5、根据权利要求1所述的扰动信号检测系统，其特征在于：对所述传感臂上的扰动点O位置测得的误差小于500m。

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