CN101487724B - 萨格奈克干涉仪光纤分布式扰动传感器及其扰动定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种萨格奈克干涉仪光纤分布式扰动传感器及其扰动定位方法，采用一个萨格奈克干涉仪，耦合出一条支臂，同时附加一个延迟光纤环，即在单个萨格奈克干涉仪中叠加一个延迟光纤环，形成两个不同长度的萨格奈克干涉仪，通过光脉冲在干涉仪中的传播，实现两个不同长度的萨格奈克干涉仪的时分复用，并根据两个萨格奈克干涉仪输出信号的幅值，计算扰动点的位置，实现对扰动的分布式传感。本发明系统成本低、结构简单、稳定性好。

Description

萨格奈克干涉仪光纤分布式扰动传感器及其扰动定位方法

技术领域

本发明涉及一种光纤传感器，尤其涉及一种萨格奈克干涉仪光纤分布式扰动传感器及其扰动定位方法。

背景技术

光纤传感器由于其抗电磁干扰、体积小、重量轻、敏感度高、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报警、输油管道监测和声发射监测等领域都具有重要意义。

目前，根据工作原理的区别，光纤分布式传感器主要分为干涉仪型、光纤光栅型、光时域反射计型、强度调制型以及散射型等四种形式。

其中，干涉仪型分布式传感器具有实现原理简单、灵敏度高、器件成本低、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。现有的干涉仪型光纤分布式传感器的方案主要有双马赫泽德型、单萨格奈克型、双萨格奈克型、萨格奈克+迈克尔逊型、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多种形式。

如图1所示，现有的萨格奈克干涉仪包括光源部分、光电探测器、耦合器1、传感光纤，光源部分发出的光经过耦合器1分光后，分成两路光分别顺时针和逆时针沿传感光纤传播，且两路光在耦合器1处发生干涉，通过光电探测器接收干涉信号。

现有技术中，为了在时域中实现萨格奈克干涉仪对时变扰动的定位，可以通过两个萨格奈克干涉仪，或同时两个工作波长，或同时工作在两个调制频率的一个萨格奈克干涉仪来实现。

上述现有技术至少存在以下缺点：

需要采用两个光源和探测器，以及需要实用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、且稳定性较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种系统成本低、结构简单、稳定性好的萨格奈克干涉仪光纤分布式扰动传感器及其扰动定位方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的萨格奈克干涉仪光纤分布式扰动传感器，包括萨格奈克干涉仪，在所述萨格奈克干涉仪的传感光纤上耦合出一条支臂，并在该支臂上设置光延迟装置，形成两个萨格奈克干涉仪，其中，第一萨格奈克干涉仪中的光波沿原传感光纤传播，不经过所述光延迟装置；第二萨格奈克干涉仪中的光波在原传感光纤中传播，并经过所述光延迟装置。

本发明的上述的萨格奈克干涉仪光纤分布式扰动传感器实现扰动定位的方法，包括：

向萨格奈克干涉仪通入光，光在第一萨格奈克干涉仪中沿传感光纤传播，不经过支臂；并在第二萨格奈克干涉仪中经过支臂在传感光纤中传播；

根据两个萨格奈克干涉仪输出信号的幅值，通过以下公式计算扰动点的位置ΔL：

$\mathrm{\ΔL}=\frac{L_1}{2}-\frac{c}{\mathrm{n\ω}}\arctan \frac{a\sin \frac{\mathrm{n\ω}{L}_D}{2c}}{1-a\cos \frac{\mathrm{n\ω}{L}_D}{2c}}$

式中，ω为扰动信号的角频率；L₁为传感光纤的长度；n为光纤的有效折射率；L_D为支臂上的光延迟装置的等效长度；c为光速；

为两个干涉仪输出信号的相位的幅值比值。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的萨格奈克干涉仪光纤分布式扰动传感器及其扰动定位方法，由于通过一个萨格奈克干涉仪，耦合出一条支臂，同时附加一个光延迟装置，形成两个不同长度的萨格奈克干涉仪，通过光在干涉仪中的传播，根据两个萨格奈克干涉仪输出信号的幅值，计算扰动点的位置，实现对扰动的分布式传感。系统成本低、结构简单、稳定性好的。

附图说明

图1为现有技术中萨格奈克干涉仪的结构原理图；

图2为本发明中萨格奈克干涉仪的结构原理图。

具体实施方式

本发明的萨格奈克干涉仪光纤分布式扰动传感器，其较佳的具体实施方式如图2所示，包括萨格奈克干涉仪，在所述萨格奈克干涉仪的传感光纤上耦合出一条支臂，并在该支臂上设置光延迟装置，形成两个萨格奈克干涉仪。可以通过在所述萨格奈克干涉仪的传感光纤上设置两个耦合器耦合出所述的支臂，也可以通过其它的分光或耦合器件耦合出支臂。

其中，第一萨格奈克干涉仪的光波沿原传感光纤传播，不经过所述支臂；第二萨格奈克干涉仪的光波经过所述支臂，沿原传感光纤传播。

所述的光延迟装置可以为延迟光纤环，也可以为其它的光延时器件。

所述延迟光纤环的长度可以等于所述传感光纤的长度，也可以选用其它的长度。

所述萨格奈克干涉仪包括光源部分，所述光源部分发出的光为脉冲光。光源部分为包括脉冲光源或连续光源和脉冲调制器等。

本发明的上述的萨格奈克干涉仪光纤分布式扰动传感器实现扰动定位的方法，其较佳的具体实施方式是，包括：

向萨格奈克干涉仪通入光，光在第一萨格奈克干涉仪中沿传感光纤传播，不经过所述支臂；并在第二萨格奈克干涉仪中经过支臂，沿传感光纤传播；

根据两个萨格奈克干涉仪输出信号相位的幅值，通过以下公式计算扰动点的位置ΔL：

$\mathrm{\ΔL}=\frac{L_1}{2}-\frac{c}{\mathrm{n\ω}}\arctan \frac{a\sin \frac{\mathrm{n\ω}{L}_D}{2c}}{1-a\cos \frac{\mathrm{n\ω}{L}_D}{2c}}$

式中，ω为扰动信号的角频率；L₁为传感光纤的长度；n为光纤的有效折射率；L_D为支臂上的光延迟装置的等效长度；c为光速；

为两个干涉仪输出信号相位的幅值的比值。

向萨格奈克干涉仪通入的光可以为脉冲光，并可以采用时分复用技术对所述两个萨格奈克干涉仪的输出信号进行区分。

本发明的萨格奈克干涉仪光纤分布式扰动传感器，采用一个萨格奈克干涉仪，耦合出一条支臂，同时附加一个延迟光纤环，即在单个萨格奈克干涉仪中叠加一个延迟光纤环，形成两个不同长度萨格奈克干涉仪，通过光脉冲在干涉仪中的传播，实现两个不同长度萨格奈克干涉仪的时分复用，通过两个时分复用的萨格奈克干涉仪输出信号，从两路时分复用的干涉信号中计算出扰动位置，实现对扰动的分布式传感。

本发明在传统的萨格奈克干涉仪分布式扰动传感器中实现了时分复用技术，通过时分复用信号进行定位。系统成本低、结构简单、稳定性好。

下面通过具体实施例对本发明进行详细的分析：

如图2所示，在传统的萨格奈克干涉仪中，叠加了一个延迟光纤环，形成了两个萨格奈克干涉仪。第一干涉仪的光路是由耦合器1直接通过传感光纤回到耦合器1；第二干涉仪的光路由耦合器1开始，经由耦合器2，延迟光纤环和耦合器3，最后回到耦合器1。

参见图1，对于萨格奈克干涉仪，假设扰动是具有余弦形式：

式中，

和ω分别是扰动信号的幅值和角频率，扰动信号是指时变信号。

扰动信号作用在萨格奈克干涉仪中，会导致相位调制，在扰动作用点不在萨格奈克光纤环中点的情况下，其中顺时针和逆时针方向传播的两路光波的扰动信号的相位调制存在时延，导致在发生干涉时，两路光波存在以下相位差：

式中，

是沿顺时针和逆时针方向传播的两路光波的相位差，Δτ是扰动造成的相位调制在两路光波传输中的时延差，在萨格奈克干涉仪中，有：

Δτ＝n(L-2ΔL)/c    (3)

式中，n是光纤有效折射率，L是萨格奈克干涉仪的长度，c是光速，ΔL是扰动位置距离耦合器1的距离。

再如图2所示，对于叠加延迟光纤环以后形成的两个萨格奈克干涉仪，只是长度不同，分别为L₁和L₂，且L₂＝L₁+L_D，其中L_D是延迟光纤环的长度。两个萨格奈克干涉仪的相位差可以分别写为：

从(4)和(5)中可知，两个干涉仪的相位信号的幅值分别为：

从以上两式中可以解出扰动信号的位置信息ΔL。

在光电探测器中接收到的两个干涉仪信号的光功率分别为：

式中，P₀₁和P₀₂是两个干涉仪到达耦合器1的光功率。由于第二干涉仪比第一干涉仪中的光波多经过了延迟光纤环，因此其损耗也相应增加了αL_D，其中α是光纤的损耗系数(对于1550nm的光波，约为0.2dB/km)。因此，实际计算时，应该将该损耗系数计算在内。

例如，当延迟光纤环的长度为10km时，有P₀₁＝1.5849P₀₂。其中P₁和P₂可以通过一下计算得到：

P₁＝V_pp1/Rs    (10)

P₂＝V_pp2/Rs    (11)

式中，V_pp1和V_pp2为信号波形峰峰值，R为光电探测器跨阻，s为探测器的响应度。在已知输入光功率P₀的条件下，可以得到P₀₁和P₀₂.

$P_{01}={10}^{-\frac{\mathrm{\α}{L}_s}{10}}\frac{P_0}{2}---\left(12\right)$

$P_{02}={10}^{-\frac{\mathrm{\α}(L_S+L_D)}{10}}\frac{P_0}{2}---\left(13\right)$

根据(8)、(9)中可以得到：

令：

则扰动的位置为：

$\mathrm{\ΔL}=\frac{L_1}{2}-\frac{c}{\mathrm{n\ω}}\arctan \frac{a\sin \frac{\mathrm{n\ω}{L}_D}{2c}}{1-a\cos \frac{\mathrm{n\ω}{L}_D}{2c}}---\left(17\right)$

由以上(4)至(13)看出，得到并区分两个干涉仪输出信号相位的幅值，即可得到两个信号的光功率，进而计算出扰动的位置。

区分第一和第二萨格奈克干涉仪的信号，可以采用时分复用的方式，即在宽谱光源的输出端增加一个调制器或光开关，使光源发出的连续光波变成脉冲光波，脉冲的频率可以根据第一萨格奈克干涉仪的长度和延迟光纤环的长度选择。

当第一干涉仪长度与延迟光纤环长度相同时，可以采用占空比为1∶1的脉冲，脉冲频率的计算公式为：

f＝c/2nL₁(或L_D)     (18)

例如，对于第一干涉仪的长度和光纤环的长度均为10km时，单模光纤的有效折射率为1.4，则脉冲频率约为10.75kHz。

本发明中延迟光纤环等延时器件起到延时作用；调制器或光开关起到对宽谱光源发出的连续光波进行脉冲调制的作用，其目的是实现光脉冲，也可以使用脉冲光源等；耦合器1、2、3均是为了实现分光和耦合作用，也可以用环形器、分束器等，起到分束和耦合作用。

通过延迟环在萨格奈克干涉仪中采用时分复用技术；利用光脉冲实现对两个不同长度的萨格奈克干涉仪的信号的区分；在测量信号峰峰值基础上进行定位算法。系统结构简单，器件对系统性能的影响小；降低了成本，避免了多个昂贵器件的使用；灵敏度高。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种萨格奈克干涉仪光纤分布式扰动传感器实现扰动定位的方法，其特征在于：

所述萨格奈克干涉仪光纤分布式扰动传感器包括萨格奈克干涉仪，在所述萨格奈克干涉仪的传感光纤上耦合出一条支臂，并在该支臂上设置光延迟装置，形成两个萨格奈克干涉仪，其中，第一萨格奈克干涉仪中的光波沿原传感光纤传播，不经过所述光延迟装置；第二萨格奈克干涉仪中的光波在原传感光纤中传播，并经过所述光延迟装置；

该方法包括：

向萨格奈克干涉仪通入光，光在第一萨格奈克干涉仪中沿传感光纤传播，不经过支臂；并在第二萨格奈克干涉仪中经过支臂在传感光纤中传播；

根据两个萨格奈克干涉仪输出信号的幅值，通过以下公式计算扰动点的位置ΔL：

$\mathrm{\ΔL}=\frac{L_1}{2}-\frac{c}{\mathrm{n\ω}}\arctan \frac{a\sin \frac{\mathrm{n\ω}{L}_D}{2c}}{1-a\cos \frac{\mathrm{n\ω}{L}_D}{2c}}$

式中，ω为扰动信号的角频率；L₁为传感光纤的长度；n为光纤的有效折射率；L_D为支臂上的光延迟装置的等效长度；c为光速；

为两个干涉仪输出信号的相位的幅值的比值。

2.根据权利要求1所述的萨格奈克干涉仪光纤分布式扰动传感器实现扰动定位的方法，其特征在于，所述的光延迟装置为延迟光纤环。

3.根据权利要求2所述的萨格奈克干涉仪光纤分布式扰动传感器实现扰动定位的方法，其特征在于，所述延迟光纤环的长度等于所述原传感光纤的长度。

4.根据权利要求1所述的萨格奈克干涉仪光纤分布式扰动传感器实现扰动定位的方法，其特征在于，通过在所述萨格奈克干涉仪的传感光纤上设置两个耦合器耦合出所述的支臂。

5.根据权利要求1所述的萨格奈克干涉仪光纤分布式扰动传感器实现扰动定位的方法，其特征在于，所述萨格奈克干涉仪包括光源部分，所述光源部分发出的光为脉冲光。

6.根据权利要求5所述的萨格奈克干涉仪光纤分布式扰动传感器实现扰动定位的方法，其特征在于，所述光源部分包括脉冲光源或连续光源和脉冲调制器。

7.根据权利要求1至6任一项所述的萨格奈克干涉仪光纤分布式扰动传感器实现扰动定位的方法，其特征在于，向萨格奈克干涉仪通入的光为脉冲光，并采用时分复用技术对所述两个萨格奈克干涉仪的输出信号进行区分。

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