CN102033226B - 提高单芯反馈式光纤传感技术监测距离的方法及光纤干涉结构 - Google Patents

提高单芯反馈式光纤传感技术监测距离的方法及光纤干涉结构 Download PDF

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CN102033226B CN 201010574380 CN201010574380A CN102033226B CN 102033226 B CN102033226 B CN 102033226B CN 201010574380 CN201010574380 CN 201010574380 CN 201010574380 A CN201010574380 A CN 201010574380A CN 102033226 B CN102033226 B CN 102033226B
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Abstract

本发明属于光纤传感技术领域，具体为一种提高单芯反馈式光纤传感技术监测距离的方法及光纤干涉结构。本发明是在一个共同的光纤干涉组件上接入两个相互独立的光纤，这两根光纤共享光纤干涉组件中的光路，使每根光纤及其尾端的反馈装置同光纤干涉组件分别构成完整的干涉结构；在其中一根光纤上串接一相位调制装置，从该相位调制装置给光路施加调制信号，通过调制信号的工作点的选择，使这一路光纤产生的干涉信号与另一路光纤产生的干涉信号分开，从而达到监测距离倍增的效果。本发明只施加一个载波，调制参数设置灵活性大，信号分离彻底，易于实现。本发明特别适用于长距离管线监控、大范围光纤周界安防等。

Description

提高单芯反馈式光纤传感技术监测距离的方法及光纤干涉结构
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种提高单芯反馈式光纤传感技术监测距离的方法及光纤干涉结构。
背景技术
随着科学技术的发展，安全防范的重要性越显突出，一些重要的军事保密部门、军事要地、银行、机场等对大范围、长距离、高可靠性的安防技术的需求越来越高。光纤传感技术的崛起与发展为这些应用需求提供了更有吸引力的解决手段。当今，越来越多种类的光纤技术应用到安全防范技术中，它有许多特点和优点是：传感端无需供电，抗干扰性强、可靠性高；隐蔽性好、防探测；易于安装和维护，可实时在线监测。在布式定位监测的实际应用中，长距离的线路越来越多，长达几十甚至上百公里，这对测量距离提出了更高的要求，如何提高光纤监测系统的距离是光纤传感领域一个热衷的课题。
单芯反馈式光纤干涉结构在安全防范的应用中占有重要的地位，如图1所示，它的特点是传感段，光纤1，只需单根光纤，在该光纤1的末端接一反馈装置3，如反射镜。图1中，光纤干涉组件4和感应光纤，反馈装置3共同构成完整的干涉光路,2是光纤1上的一扰动点。由于从物理结构上来说，单芯反馈式结构中的感应光纤不需要闭合形成环路，可以沿着需要布设的区域自由延伸，因而使用方便，环境适应性强。
图2为一种具体的单芯反馈式光纤干涉结构。光纤干涉组件4由光纤分路器6、光纤分路器7、光纤延迟线5构成。光从光纤分路器6的端口6a输入，干涉信号可从端口6a或它的同向端口6b、76c处获取。
图2的结构可用于光纤分布式定位监测。设外界2点有一扰动，对光相位产生的调制为                                                
Figure 939266DEST_PATH_IMAGE001
，当光先后两次经过扰动点2，相位受到的调制为：
                           （1）
其中，，L为扰动点2距反馈装置3的距离，c为真空中的光速，
Figure 241437DEST_PATH_IMAGE004
为光纤的等效折射率。
在该干涉光路中，两路相互干涉的光，一路从耦合器6出射后先经过延迟器5进入到耦合器7再进入光缆1，另一路，从耦合器6直接进入到耦合器7再进入光缆1，这两路光的干涉相位差为：
               （2）
在相位差的频谱中，存在频率陷落点，即“陷波点”，根据陷波点的位置即可确定扰动发生的位置。“陷波点”如图3所示，在这幅通过时频变换得到的幅度-频率图中，“○”所标示的位置即为频率陷波点。陷波点与扰动位置的关系为：
Figure 162306DEST_PATH_IMAGE006
                （3）
其中，为k阶陷波点的频率。
在图2这种结构中，通常会存在闲置的端口，如端口7b，如果在其后也接类似于端口7a所接的光路，端口7a与端口7b后端的光路形成的干涉会混叠在一起，无法分辨是哪个端口所接光路拾取的信号，且信号互相干扰，无法进行正常的干涉信号相位差的解调工作，特别在长距离的监测中，无法确定扰动发生的位置，系统的测量能力受到了限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使用方便、环境适应性强的提高单芯反馈式光纤传感技术监测距离的方法及光纤干涉结构。
本发明提出的提高单芯反馈式光纤传感技术监测距离的方法，是在一个共同的光纤干涉组件上接入两个相互独立的光纤，这两根光纤共享光纤干涉组件中的光路，每根光纤及其尾端的反馈装置同光纤干涉组件皆可构成完整的干涉结构，这两个干涉结构形成的干涉信号皆从干涉组件的共同端口输出；在其中一根光纤上串接一相位调制装置，从该相位调制装置给光路施加调制信号，通过调制信号的工作点的选择，使这一路光纤产生的干涉信号与另一路光纤产生的干涉信号分开。通过这种相位生成载波进行干涉光路复用的方法，可以使单芯反馈式光纤干涉结构的监控距离倍增。
本发明的一个具体例子如图4所示，光纤1和光纤8共用一个光纤干涉组件，在光纤8的光路上串接一相位调制装置10，在该相位调制装置上施加正弦调制信号，光纤8的尾端有反馈装置9。光从光纤干涉组件的端口输入，光纤1产生的干涉信号与光纤8产生的干涉信号皆从光纤干涉组件的共同端口输出。
为了能将这两个干涉信号区分开，调制信号工作点的选择分析如下。
光纤1产生的干涉信号随干涉相位差变化部分
Figure 545062DEST_PATH_IMAGE008
可以表示为：
                             （4）
其中，
Figure 532610DEST_PATH_IMAGE010
是幅度，为常数，
Figure 2010105743801100002DEST_PATH_IMAGE011
为干涉结构的初始相位，
Figure 822165DEST_PATH_IMAGE012
为由光纤1感应的外界信号产生的相位差。设调制器施加正弦载波信号，频率为
Figure 149241DEST_PATH_IMAGE013
，光纤8产生的干涉信号随干涉相位差变化部分
Figure 495908DEST_PATH_IMAGE014
可以表示为：
                       （5）
其中，
Figure 733172DEST_PATH_IMAGE016
是幅度，为常数，
Figure 914754DEST_PATH_IMAGE017
为干涉结构的初始相位，
Figure 432323DEST_PATH_IMAGE018
为由光纤8感应的外界信号产生的相位差。将
Figure 332146DEST_PATH_IMAGE014
用J n 阶贝塞尔函数展开，可变为：
Figure 960574DEST_PATH_IMAGE019
（6）
上述各分量中，不考虑幅度变化，仅考虑频率分布，
Figure 996663DEST_PATH_IMAGE020
的频谱是在零频率附近；（N=1,3,5，…）是将
Figure 72252DEST_PATH_IMAGE022
的频谱从0频率处移到
Figure 238791DEST_PATH_IMAGE023
附近；
Figure 394966DEST_PATH_IMAGE024
（M=2,4,6，…）是将
Figure 254338DEST_PATH_IMAGE025
的频谱从0频率处移到
Figure 863174DEST_PATH_IMAGE026
附近。而干涉信号
Figure 101912DEST_PATH_IMAGE027
的频率成份分布在0频率附近，为了使这两个干涉干涉分开，首先必须使
Figure 112594DEST_PATH_IMAGE028
的阶贝塞尔函数分量为0，即有，
Figure 238999DEST_PATH_IMAGE030
                          （7）
因此，取该函数的某零点即可，例如，可取第一个零点
Figure 747340DEST_PATH_IMAGE031
。要彻底将干涉信号
Figure 878107DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 79282DEST_PATH_IMAGE032
分开，还需一阶贝塞尔函数分量的频率与没有交叠，这需要调制频率：
Figure 974742DEST_PATH_IMAGE033
                       （8）
其中，
Figure 960016DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 332091DEST_PATH_IMAGE035
分别为（或
Figure 518539DEST_PATH_IMAGE037
）和
Figure 358319DEST_PATH_IMAGE038
（或
Figure 901296DEST_PATH_IMAGE039
）的最大频率，通常，光纤1和光纤8感应的扰动信号性质相同， 
Figure 193737DEST_PATH_IMAGE040
，有，
Figure 127800DEST_PATH_IMAGE041
                           （9）
干涉信号
Figure 822087DEST_PATH_IMAGE042
中干涉相位差使用传统的相位生成载波技术中的解调手段即可解调出来；干涉信号
Figure 535965DEST_PATH_IMAGE043
中干涉相位差采用通常的干涉相位差解调方法即可。
图5是这一干涉结构的具体实现方式。光纤干涉组件11由光纤分路器12，光纤延迟线5和光纤分路器13组成，其中，光纤分路器12是一N*M光纤分路器(N、M为整数)，12a1、12a2、…12aN是光纤分路器12的N个同向端口，12b1、12b2属另一组同向端口。光纤分路器13是一P*Q光纤分路器(P、Q为整数)，13a1、13a2、…13aP是光纤分路器13的P个同向端口，13b1、13b2属另一组同向端口；端口12b1经光纤延迟线5与光纤分路器13的13b1端口相连，端口12b2与端口13b2相连；端口13a1与光纤1相连，光纤1的末端接反馈装置3，端口13a2与另一路光纤8相连，在光纤8的路径上串接相位调制器10，末端接反馈装置9。相位调制器10可接光纤光路8的任意位置，可在端口13a2处，也可在光纤8的路径中间，也可在近反馈装置9处。光纤1形成的一对干涉光路为：
A1：12b1端口→光纤延迟线5→13b1端口→13a1端口→光纤1→反馈装置3→光纤1→13a1端口→13b2端口→12b2端口；
B1：12b2端口→13b2端口→13a1端口→光纤1→反馈装置3→光纤1→13a1端口→13b1端口→光纤延迟线5→12b1端口；
光纤8形成的一对干涉光路为：
A1：12b1端口→光纤延迟线5→13b1端口→13a2端口→光纤8（10）→反馈装置9→光纤8（10）→13a2端口→13b2端口→12b2端口；
B1：12b2端口→13b2端口→13a2端口→光纤8（10）→反馈装置9→光纤8（10）→13a2端口→13b1端口→光纤延迟线5→12b1端口。
其中，箭头方向表光路走向。
    在相位调制器上施加正弦调制信号，当满足信号特性满足公式（7）和公式（8），即可将光纤1和光纤8形成的干涉分开，光纤8形成的干涉信号中相位差的解调即可采用传统的相位生成载波技术中的解调手段，光纤1形成的反射信号中的干涉相位差可采用通常的干涉相位差解调方法获得。
本发明通过在一个独立光纤路径上使用相位生成载波技术，与另一路没有施加载波的光纤路径共享干涉光路，使两光纤路径可以独立工作。使用这种方法，可使光纤监控的距离倍增，这是本发明的一个显著作用。
本发明在光路结构中只施加一个载波，与未被调制的光路复用，工作频率点的选取方便。在常规相位生成载波复用中，同时施加两个载波，由于多个谐波分量的生成，为避免相互干扰，需要非常仔细的选择载波频率，该发明避免了这种复杂性，因而更容易实现。这是本发明的又一优点。
通过本发明的复用方式，对于同样的监测距离，可以使干涉主体光路的数量减半，光电转化装置的数量也可倍减。
本发明中光纤路径末端的反馈装置，可以是一个带光纤尾纤的器件，也可以是分立的结构：从光纤出射的光经过自由路径，照射到一分立的反射装置被反射后，重新回到光纤中。
基于发明的分布式光纤管线监控系统可广泛应用于通信干线、电力传输线、天然气管道、石油管道、边境线的安全监测领域的长距离监测；也能应用于大型建筑物例如水坝、隧道、矿井等的安全监测。本发明也可用于周界安防中，可大量减少干涉主体光路的数量、光电转换装置等的数量。
本发明还可以用于通过对反馈装置中光传输相位的调制实现测量的应用中，如自由面的速度测量，反馈装置的反射面可以是运动的自由面。
附图说明
图1为单芯反馈式光纤干涉结构的特征结构。
图2为一种具体的单芯反馈式光纤干涉结构。光纤干涉组件4由光纤分路器6、光纤分路器7、光纤延迟线5构成。光从光纤分路器6的端口6a输入，干涉信号可从端口6a或它的同向端口6b、76c处获取。
图3为频率陷波点的示意图。“○”所标示的位置即为频率陷波点。
图4为本发明的复用方法。光纤1和光纤8共用一个光纤干涉组件，在光纤8的光路上串接一相位调制装置10，在该相位调制装置上施加正弦调制信号，9是反馈装置。光从光纤干涉组件的端口输入，光纤1产生的干涉信号与光纤8产生的干涉信号皆从光纤干涉组件的共同端口输出。
图5是本发明的一种干涉结构的具体实现方式。光纤干涉组件11由光纤分路器12，光纤延迟线5和光纤分路器13组成，其中，12是一N*M光纤分路器(N、M为整数)，12a1、12a2、…12aN是光纤分路器12的N个同向端口，12b1、12b2属另一组同向端口。13是一P*Q光纤分路器(P、Q为整数)，13a1、13a2、…13aP是光纤分路器13的P个同向端口，13b1、13b2属另一组同向端口；端口12b1经光纤延迟线5与端口13b1相连，端口12b2与端口13b2相连；端口13a1与光纤1相连，1的末端接反馈装置3，端口13a2与另一路光纤8相连，在光纤8的路径上串接相位调制器10，末端接反馈装置9。
图中标号：1为光纤，2是光纤1上的一扰动点，3为反馈装置，4为干涉组件，光纤干涉组件4和光纤1，反馈装置3共同构成一完整的干涉光路。5为光纤延迟线，6为光纤分路器，7为光纤分路器；8为光纤，9为反馈装置，10为相位调制装置，11为光纤干涉组件，12为光纤分路器，13为光纤分路器。
具体实施方式
在本实施方式中，采用是图5所示的干涉结构，用于管线分布式长距离定位监测。光源为电子集团总公司44研究所生产的中心波长分别为1300nm的超辐射发光管（SLD）。光纤耦合器为武汉邮电研究院生产。12为3*3均分耦合器，13为2*2均分耦合器。光纤延迟线所用光纤为是康宁的G652单模光纤。为隔离外界噪声干扰，光纤干涉组件置于隔音设备中。两根光缆作为拾取扰动信号的感应光缆，分别沿着需要监控的管线布设，一根光缆与端口13a1相连，尾端接一反射镜；另一个光缆与端口13a2相连，尾端接一相位调制器，相位调制器的另一端接又一反射镜。相位调制器是用光纤在压电陶瓷环上绕制而成。在相位调制器上施加80kHz的正弦调制信号，工作点位于零阶贝塞尔函数的第一个零点。采用44所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器将光干涉信号转为电信号。通过National Instruments公司数据采集卡PCI-6122将电信号信号采集进计算机进行信号处理。对两路干涉信号解调出的相位差使用频率陷波点的方法确定扰动发生的位置。
在该实施例中，光纤监控距离为两段感应光缆的长度和，最大监控距离是采用单根光缆进行监控的两倍。

Claims (4)

1.一种提高单芯反馈式光纤传感技术监测距离的方法，其特征在于具体步骤为：在一个共同的光纤干涉组件上接入两个相互独立的光纤，这两根光纤共享光纤干涉组件中的光路，使每根光纤及其尾端的反馈装置同光纤干涉组件分别构成完整的干涉结构，这两个干涉结构形成的干涉信号都从干涉组件的共同端口输出；在其中一根光纤上串接一相位调制装置，从该相位调制装置给光路施加调制信号，通过调制信号的工作点的选择，使这一路光纤产生的干涉信号与另一路光纤产生的干涉信号分开；
其中，所述两个相互独立的光纤记为第一光纤和第二光纤；所述光纤干涉组件至少包含第一光纤分路器、光纤延迟线和第二光纤分路器；第一光纤分路器和第二光纤分路器分别具有一定数量的接口，两个相互独立的光纤与第二光纤分路器连接，第二光纤分路器通过光纤延迟线与第一光纤分路器连接；第一光纤分路器给出输出或者输入信号；光输入端口进入的光依次通过第一光纤分路器、光纤延迟线和第二光纤分路器之后进入第一光纤和第二光纤，并在第一光纤或第二光纤尾端的反馈装置返回第一光纤或第二光纤，然后依次返回第二光纤分路器、光纤延迟线和第一光纤分路器；
所述工作点的选择方法如下：
第一光纤（1）产生的干涉信号随干涉相位差变化部分                                                
Figure 2010105743801100001DEST_PATH_IMAGE001
表示为：
Figure 624813DEST_PATH_IMAGE002
                             （4）
其中，
Figure 2010105743801100001DEST_PATH_IMAGE003
是幅度，为常数，
Figure 682899DEST_PATH_IMAGE004
为干涉结构的初始相位，
Figure 2010105743801100001DEST_PATH_IMAGE005
为由第一光纤（1）感应的外界信号产生的相位差；设调制器施加正弦载波信号，频率为
Figure 790532DEST_PATH_IMAGE006
，第二光纤（8）产生的干涉信号随干涉相位差变化部分
Figure 2010105743801100001DEST_PATH_IMAGE007
表示为：
Figure 405316DEST_PATH_IMAGE008
           （5）
其中，
Figure 2010105743801100001DEST_PATH_IMAGE009
是幅度，为常数，
Figure 820686DEST_PATH_IMAGE010
为干涉结构的初始相位，
Figure 2010105743801100001DEST_PATH_IMAGE011
为由第一光纤（8）感应的外界信号产生的相位差；将
Figure 49673DEST_PATH_IMAGE007
用J n 阶贝塞尔函数展开，变为：
Figure 5122DEST_PATH_IMAGE012
（6）
上述各分量中，不考虑幅度变化，仅考虑频率分布，
Figure 2010105743801100001DEST_PATH_IMAGE013
的频谱是在零频率附近；，N=1,3,5,…，是将
Figure 2010105743801100001DEST_PATH_IMAGE015
的频谱从0频率处移到
Figure 479758DEST_PATH_IMAGE016
附近；
Figure 2010105743801100001DEST_PATH_IMAGE017
，M=2,4,6,…，是将的频谱从0频率处移到
Figure 2010105743801100001DEST_PATH_IMAGE019
附近；而干涉信号
Figure 40500DEST_PATH_IMAGE001
的频率成份分布在0频率附近，为了使这两个干涉干涉分开，首先使的
Figure 176264DEST_PATH_IMAGE020
阶贝塞尔函数分量为0，即有：
                          （7）
因此，取该函数的某零点即可；要彻底将干涉信号
Figure 749983DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 726029DEST_PATH_IMAGE007
分开，还需一阶贝塞尔函数分量的频率与
Figure 345361DEST_PATH_IMAGE001
没有交叠，这需要调制频率：
                       （8）
其中，、
Figure 199364DEST_PATH_IMAGE024
分别为
Figure 2010105743801100001DEST_PATH_IMAGE025
和的最大频率；第一光纤（1）和第二光纤（8）感应的扰动信号性质相同， 
Figure 2010105743801100001DEST_PATH_IMAGE027
，有：
Figure 708898DEST_PATH_IMAGE028
                           （9）
干涉信号
Figure 65930DEST_PATH_IMAGE007
中干涉相位差使用传统的相位生成载波技术中的解调手段即可解调出来；干涉信号
Figure 306418DEST_PATH_IMAGE001
中干涉相位差采用通常的干涉相位差解调方法即可。
2.一种单芯反馈式光纤干涉结构，其特征在于是在一个共同的光纤干涉组件上接入两个相互独立的光纤组成，这两根相互独立的光纤共享光纤干涉组件中的光路，每根光纤及其尾端的反馈装置同光纤干涉组件皆可构成完整的干涉结构，这两个干涉结构形成的干涉信号都从干涉组件的共同端口输出；在其中一根光纤上串接一相位调制装置，从该相位调制装置给光路施加调制信号，通过调制信号的工作点的选择，使这一路光纤产生的干涉信号与另一路光纤产生的干涉信号分开。
3.根据权利要求2所述的单芯反馈式光纤干涉结构，其特征在于所述的两个相互独立的光纤为第一光纤（1）和第二光纤（8），它们共用一个光纤干涉组件（4），在第二光纤（8）的光路上串接一相位调制装置（10），在该相位调制装置上施加正弦调制信号，第二光纤（8）的尾端有第二反馈装置（9）；第一光纤（1）的尾端有第一反馈装置（3）；光从光纤干涉组件的端口输入，第一光纤（1）产生的干涉信号与第二光纤（8）产生的干涉信号都从光纤干涉组件的共同端口输出。
4.根据权利要求3所述的单芯反馈式光纤干涉结构，其特征在于所述的光纤干涉组件（11）由第一光纤分路器（12）、光纤延迟线（5）和第二光纤分路器（13）组成；其中，第一光纤分路器（12）是一N*M光纤分路器，N、M为整数，12a1、12a2、…12aN是第一光纤分路器（12）的N个同向端口，12b1、12b2属另一组同向端口； 第二光纤分路器（13）是一P*Q光纤分路器，P、Q为整数，13a1、13a2、…13aP是第二光纤分路器（13）的P个同向端口，13b1、13b2属另一组同向端口；端口12b1经光纤延迟线（5）与第二光纤分路器（13）的13b1端口相连，端口12b2与端口13b2相连；端口13a1与第一光纤（1）相连，第一光纤（1）的末端接第一反馈装置（3），端口13a2与另一路第二光纤（8）相连，在第二光纤（8）的路径上串接相位调制器（10），末端接第二反馈装置（9）；相位调制器（10）接第二光纤（8）的任意位置；
第一光纤（1）形成的一对干涉光路为： 
第一光路：12b1端口→光纤延迟线（5）→13b1端口→13a1端口→第一光纤（1）→第一反馈装置（3）→第一光纤（1）→13a1端口→13b2端口→12b2端口；
第二光路：12b2端口→13b2端口→13a1端口→第一第一光纤（1）→第一反馈装置（3）→第一光纤（1）→13a1端口→13b1端口→光纤延迟线（5）→12b1端口；
第二光纤（8）形成的一对干涉光路为：
第一光路：12b1端口→光纤延迟线（5）→13b1端口→13a2端口→第二光纤（8）→第二反馈装置（9）→第二光纤（8）→13a2端口→13b2端口→12b2端口；
第二光路：12b2端口→13b2端口→13a2端口→第二光纤（8）→第二反馈装置（9）→第二光纤（8）→13a2端口→13b1端口→光纤延迟线（5）→12b1端口；
 其中，箭头方向表光路走向。
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Assignee: Dongguan advanced optical fiber Application Technology Research Institute Co Ltd

Assignor: Fudan University

Contract record no.: 2018310000016

Denomination of invention: Method for improving monitoring distance of single-core feedback optical fiber sensing technology and optical fiber interference structure

Granted publication date: 20130102

License type: Exclusive License

Record date: 20180529