CN101551266A - 一种复合干涉型分布式光纤振动传感系统及其传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合干涉型分布式光纤振动传感系统及其传感方法，所述传感系统主要由用于感应外界振动事件的感应系统和对振动信号进行检测控制的检控系统连接成回路；所述感应系统为双萨格奈克光纤干涉仪；所述检控系统由检测系统和控制系统连接而成；本发明对振动信号敏感，探测精度高且具有很高的空间分辨率，与现有技术相比，本系统结构简单，对光源要求低，信号处理方便。

Description

一种复合干涉型分布式光纤振动传感系统及其传感方法

技术领域

本发明涉及传感技术领域，涉及一种复合干涉型分布式光纤振动传感系统及其传感方法。

背景技术

周界安全防范、边境防范、地震检测以及海啸预警等传感报警系统在保障人民生活安定、保护人们生命财产安全方面发挥着巨大的作用，而这类系统的本质在于对振动信号的检测和分析。随着光器件和光通信的发展，光纤传感技术越来越多地应用于传感领域，逐步取代一些传统的电类传感器。由于光纤的本质特性对振动、应力及声波等信号敏感，基于光纤的振动传感技术尤其是分布式传感受到各国科技工作的重视。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。近几年来，出现了一些基于干涉原理的分布式传感新技术，例如：UDD ERIC等人申请的美国发明专利“Distributed sagnac sensor systems(专利号US5402231)”，该专利利用工作于不同波长的两个Sagnac(萨格奈克)干涉仪结合实现分布式振动传感，这种传感器由两个不同波长的光源、两个探测器和两个Sagnac干涉仪构成，两个Sagnac环重叠于同一个光纤环，两个干涉仪的输出之比和之和分别决定振动信号的位置和幅度。这种基于Sagnac干涉仪的分布式传感器对作用于光纤的振动信号的响应幅度决定于其处于光纤环的位置，越接近光纤环的中心，响应幅度越小，因此系统线性度较差，灵敏度受限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种复合干涉型分布式光纤振动传感系统及其传感方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种复合干涉型分布式光纤振动传感系统，其主要由用于感应外界振动事件的感应系统和对振动信号进行检测控制的检控系统连接成回路；

所述感应系统为双萨格奈克光纤干涉仪，主要由光源、将来自光源的一路光分为经B路光纤和C路光纤传播的B、C两路光的第一耦合器、将B、C两路光分别分为经D路光纤和E路光纤传播的D、E两路光的第二耦合器、接收B、C、D、E四路光的第一相位调制器和第二相位调制器、与第一相位调制器相连的第一反射镜和与第二相位调制器相连的第二反射镜组成；

所述检控系统包括检测系统和控制系统，检测系统和控制系统相连接；

所述检测系统由光电转换器分别通过第一链路和第二链路与除法器相连，第一链路由第一滤波器和第一相位检测器连接而成，第二链路由第二滤波器和第二相位检测器连接而成；

所述控制系统由控制器、采集器和数据处理器顺序连成环路，所述采集器与除法器相连。

作为本发明的一种优选方案，所述光源由接收控制器发出的信号的激光驱动器和激光器相连构成。

作为本发明的另一种优选方案，所述C路光纤为传感光纤。

作为本发明的再一种优选方案，所述E路光纤为延时光纤。

作为本发明的再一种优选方案，所述第一耦合器和第二耦合器均为3dB光纤耦合器。

作为本发明的再一种优选方案，第一相位调制器的调制频率为f₁，第二相位调制器的调制频率为f₂。

作为本发明的再一种优选方案，第一滤波器是中心频率为2f₁的带通滤波器，第二滤波器是中心频率为2f₂的带通滤波器。

一种复合干涉型分布式光纤振动传感系统的传感方法，系统开始工作时，数据处理器驱动控制器发出控制信号，激光驱动器接到控制器发出的指令后驱动激光器开始工作；激光驱动器驱动激光器发出激光，激光经第一耦合器后分成B、C两路光，B、C两路光经第二耦合器后又分别分成D、E两路光，B、C、D、E四路光经第一相位调制器和第二相位调制器后被第一反射镜和第二反射镜反射，每束光又分别分成不同的两路光至第一耦合器；反射回来的8路光在第一耦合器处发生干涉；第一耦合器输出的干涉后的光，经光电转换器转换为电信号，再经第一滤波器和第二滤波器滤波后，经相位检测器将信号各自的相位检测出来，再经除法器作除法；同时，采集器收到控制器的驱动信号后，开始对除法器的输出信号进行数据采集，并送入数据处理器，数据处理器对数据进行处理，并选择是否报警。

作为本发明的一种优选方案，第一相位调制器的调制频率为f₁，第二相位调制器的调制频率为f₂。

作为本发明的另一种优选方案，第一滤波器是中心频率为2f₁的带通滤波器，第二滤波器是中心频率为2f₂的带通滤波器。

本发明的有益效果在于：它对振动信号敏感，探测精度高且具有很高的空间分辨率，与现有技术相比，本系统结构简单，对光源要求低，信号处理方便。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为复合干涉型分布式光纤振动传感系统的系统框图；

图2为双萨格奈克光纤干涉仪中的干涉仪a的结构示意图；

图3为双萨格奈克光纤干涉仪中的干涉仪b的结构示意图；

图4为复合干涉型分布式光纤振动传感系统的结构示意图。

主要组件符号说明：

1、感应系统	2、检控系统
		21、检测系统	22、控制系统

具体实施方式

如图1-4所示，本发明是一种复合干涉型分布式光纤振动传感系统，其主要由用于感应外界振动事件的感应系统1和对振动信号进行检测控制的检控系统2连接成回路；所述感应系统1为双萨格奈克光纤干涉仪，主要由光源、将来自光源的一路光分为经B路光纤和C路光纤传播的B、C两路光的第一耦合器、将B、C两路光分别分为经D路光纤和E路光纤传播的D、E两路光的第二耦合器、接收B、C、D、E四路光的第一相位调制器和第二相位调制器、与第一相位调制器相连的第一反射镜和与第二相位调制器相连的第二反射镜组成；所述检控系统2包括检测系统21和控制系统22，检测系统21和控制系统22相连接；所述检测系统21由光电转换器分别通过第一链路和第二链路与除法器相连，第一链路由第一滤波器和第一相位检测器连接而成，第二链路由第二滤波器和第二相位检测器连接而成；所述控制系统22由控制器、采集器和数据处理器顺序连成环路，所述采集器与除法器相连。

所述光源由接收控制器发出的信号的激光驱动器和激光器相连构成；所述C路光纤为传感光纤；所述E路光纤为延时光纤；所述第一耦合器和第二耦合器均为3dB光纤耦合器；第一相位调制器的调制频率为f₁，第二相位调制器的调制频率为f₂。第一滤波器是中心频率为2f₁的带通滤波器，第二滤波器是中心频率为2f₂的带通滤波器。

一种复合干涉型分布式光纤振动传感系统的传感方法，系统开始工作时，数据处理器驱动控制器发出控制信号，激光驱动器接到控制器发出的指令后驱动激光器开始工作；激光驱动器驱动激光器发出激光，激光经第一耦合器后分成B、C两路光，B、C两路光经第二耦合器后又分别分成D、E两路光，B、C、D、E四路光经第一相位调制器和第二相位调制器后被第一反射镜和第二反射镜反射，每束光又分别分成不同的两路光至第一耦合器；反射回来的8路光在第一耦合器处发生干涉；第一耦合器输出的干涉后的光，经光电转换器转换为电信号，再经第一滤波器和第二滤波器滤波后，经相位检测器将信号各自的相位检测出来，再经除法器作除法；同时，采集器收到控制器的驱动信号后，开始对除法器的输出信号进行数据采集，并送入数据处理器，数据处理器对数据进行处理，并选择是否报警。

第一相位调制器的调制频率为f₁，第二相位调制器的调制频率为f₂；第一滤波器是中心频率为2f₁的带通滤波器，第二滤波器是中心频率为2f₂的带通滤波器。

本发明的原理如下：

系统结构示意图如图4所示：激光器为宽带光源，相干长度比较短，其发出的光，经第一3dB光纤耦合器后分成B、C两路，C路为传感光纤，其长度为L_s(几Km至几十Km)，B路光纤比较短；这两路光在第二3dB光纤耦合器处又分别被分为两路D和E，这两路分别接上第一相位调制器和第二相位调制器(调制频率分别为f₁、f₂)；在光路E上接一延时光纤，长度为L_d(1至几Km)；光路D、E的末端分别接上一反射镜。

由于系统采用的是宽带光源，则仅有光ABDCA和ACDBA(光路a)，ABECA和ACEBA(光路b)会发生干涉。由上所述，激光器、第一耦合器、第二耦合器、第一相位调制器、第二相位调制器、第一反射镜、第二反射镜、传感光纤L_s、延时光纤L_d共同组成了一个双萨格奈克(Sagnac)光纤干涉仪。

干涉仪a和干涉仪b分别如图2和图3所示。

当传感光纤P点(距第一耦合器长度为x)处有外界事件发生引起振动时，由于弹光效应，导致传感光纤折射率以及长度发生变化，使光纤中传输的光波相位发生变化。经过双萨格奈克(Sagnac)光纤干涉仪后，转换为光强变化；经过后端信号处理，可判定事件的发生。

对于Sagnac光纤干涉仪a，经光路ACDBA和ABDCA的光会发生干涉，两路光经第一反射镜反射回来的光在第一耦合器处的光场可分别表示为：

ω为光的角频率，

为外界振动引起光波的相位变化，v为光在光纤中传输的速度。

当外界振动频率满足条件： $f<<\frac{v}{{2\mathrm{\&pi;L}}_s}$ 时，可得：

此即为干涉仪a输出信号的相位。

同理可得干涉仪b输出信号的相位为：

将式(3)和式(4)相除得：

则得；

$x=\frac{[R\left(x\right)-1]L_s+2R\left(x\right)L_d}{2R\left(x\right)-2}---\left(6\right)$

如图2-4所示，当系统开始工作时，数据处理器驱动控制器发出控制信号，激光驱动器收到控制器发出的指令后驱动激光器开始工作；激光驱动器驱动激光器发出激光，经第一光纤耦合器后分成两束光B、C，两束光经第二光纤耦合器后又分别分成D、E两路光，这四路光分别经调制频率为f₁的第一相位调制器和调制频率为f₂的第二相位调制器后，被第一反射镜和第二反射镜反射，每束光又分别分成不同的两路光至第一光纤耦合器；由于采用的是宽带光源，反射回来的8路光中只有ABDCA和ACDBA(光路a)，ABECA和ACEBA(光路b)具有相同的光程差，在第一光纤耦合器处会发生干涉。第一光纤耦合器输出的干涉后的光，经光电转换器转换为电信号，再经中心频率分别为2f₁和2f₂的第一带通滤波器和第二带通滤波器滤波后，这两路信号分别携带双Sagnac干涉仪中干涉仪a和干涉仪b的信号；经相位检测器将这两路信号各自的相位检测出来，再经除法器作除法；同时，采集器收到控制器的驱动信号后，开始进行数据采集，并送入数据处理器，数据处理器对数据进行处理，并选择是否报警。

本发明对振动信号敏感，探测精度高且具有很高的空间分辨率，与现有技术相比，本系统结构简单，对光源要求低，信号处理方便。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。

Claims (8)

1、一种复合干涉型分布式光纤振动传感系统，其特征在于：所述传感系统主要由用于感应外界振动事件的感应系统(1)和对振动信号进行检测控制的检控系统(2)连接成回路；

所述感应系统(1)为双萨格奈克光纤干涉仪，主要由光源、将来自光源的一路光分为经B路光纤和C路光纤传播的B、C两路光的第一耦合器、将B、C两路光分别分为经D路光纤和E路光纤传播的D、E两路光的第二耦合器、接收B、C、D、E四路光的第一相位调制器和第二相位调制器、与第一相位调制器相连的第一反射镜和与第二相位调制器相连的第二反射镜组成；

所述检控系统(2)包括检测系统(21)和控制系统(22)，检测系统(21)和控制系统(22)相连接；

所述检测系统(21)由光电转换器分别通过第一链路和第二链路与除法器相连，第一链路由第一滤波器和第一相位检测器连接而成，第二链路由第二滤波器和第二相位检测器连接而成；

所述控制系统(22)由控制器、采集器和数据处理器顺序连成环路，所述采集器与除法器相连。

2、根据权利要求1所述的复合干涉型分布式光纤振动传感系统，其特征在于：所述光源由接收控制器发出的信号的激光驱动器和激光器相连构成。

3、根据权利要求1所述的复合干涉型分布式光纤振动传感系统，其特征在于：所述C路光纤为传感光纤。

4、根据权利要求1所述的复合干涉型分布式光纤振动传感系统，其特征在于：所述E路光纤为延时光纤。

5、根据权利要求1所述的复合干涉型分布式光纤振动传感系统，其特征在于：所述第一耦合器和第二耦合器均为3dB光纤耦合器。

6、根据权利要求1所述的复合干涉型分布式光纤振动传感系统，其特征在于：所述第一相位调制器的调制频率为f₁，第二相位调制器的调制频率为f₂，第一滤波器是中心频率为2f₁的带通滤波器，第二滤波器是中心频率为2f₂的带通滤波器。

7、根据权利要求1所述的复合干涉型分布式光纤振动传感系统的传感方法，其特征在于：系统开始工作时，数据处理器驱动控制器发出控制信号，激光驱动器接到控制器发出的指令后驱动激光器开始工作；激光驱动器驱动激光器发出激光，激光经第一耦合器后分成B、C两路光，B、C两路光经第二耦合器后又分别分成D、E两路光，B、C、D、E四路光经第一相位调制器和第二相位调制器后被第一反射镜和第二反射镜反射，每束光又分别分成不同的两路光至第一耦合器；反射回来的8路光在第一耦合器处发生干涉；第一耦合器输出的干涉后的光，经光电转换器转换为电信号，再经第一滤波器和第二滤波器滤波后，经相位检测器将信号各自的相位检测出来，再经除法器作除法；同时，采集器收到控制器的驱动信号后，开始对除法器的输出信号进行数据采集，并送入数据处理器，数据处理器对数据进行处理，并选择是否报警。

8、根据权利要求7所述的复合干涉型分布式光纤振动传感系统的传感方法，其特征在于：第一相位调制器的调制频率为f₁，第二相位调制器的调制频率为f₂，第一滤波器是中心频率为2f₁的带通滤波器，第二滤波器是中心频率为2f₂的带通滤波器。

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