CN102168808A - 分布式光纤振动传感器 - Google Patents

Abstract

一种分布式光纤振动传感器，特征在于其构成是基于赛格纳克干涉仪和双马赫-泽德干涉仪的干涉原理的优化组合，构成包括信号处理装置、第一传感光纤、第二传感光纤、第三传感光纤、宽带光源、窄带光源、光环形器、第一光波分复用器、第二光波分复用器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、法拉第旋转镜、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和光隔离器。本发明具有结构简单，能够实时地监控外界扰动和多点干扰的定位问题，解调工作相对简单，不使用保偏光纤，通过采用法拉第旋转镜，同样可以补偿由于双折射引起的偏振衰落现象。

Description

分布式光纤振动传感器

技术领域

本发明涉及传感器，特别是一种分布式光纤振动传感器，该传感器可以再现外界振动的变化和对振动点进行定位。

背景技术

管道传输具有经济、安全、高效、稳定等优点，世界各地被广泛应用于石油、天然气、水等流体的输送。由于受到腐蚀、地理和气候变化、管道周围施工以及人为破坏等因素的影响，管道泄漏时有发生。这不仅带来重大的经济损失，而且污染环境，因此，管道泄漏的及时发现和定位具有重要的现实意义。

分布式光纤传感技术是近年来发展起来的新技术，具有耐腐蚀、灵敏度高、动态范围大和可长距离连续监测的特点。通过对检测信号的处理和分析，可以有效地检测到管道泄漏或者相关边界安全的情况，并且实现准确定位。

现阶段大部分的光纤传感系统不能复现外界机械振动干扰源的作用函数，或者有的可以复现，但是光路比较复杂，形成多路光输出。这就增加了信号检测电路的成本。还有的结构虽然能够探测单点干扰并准确定位，但当多点同时发生干扰时，却无法做出准确判定，不能满足实时检测的实际应用。为了防止偏振衰落现象发生采用了保偏光纤或者是偏振控制器，使得传感系统的成本增加。

发明内容

本发明的主要的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种分布式光纤振动传感器，该光纤传感系统结构简单，能够实时地监控外界扰动的情况，并且解决了多点同时振动的定位问题，解调工作相对简单，不使用保偏光纤，通过采用法拉第旋转镜，同样可以补偿由于双折射引起的偏振衰落现象，可从而大大节约了成本。

本发明的技术解决方案如下：

一种分布式光纤振动传感器，特点征在于其构成是基于赛格纳克(Sagnac)干涉仪和双马赫-泽德(Mach-Zehnder)干涉仪的干涉原理的优化组合，构成包括信号处理装置、第一传感光纤、第二传感光纤、第三传感光纤、宽带光源、窄带光源、光环形器、第一光波分复用器、第二光波分复用器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、法拉第旋转镜、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和光隔离器；上述元部件的连接关系如下：

所述的宽带光源经光环形器连接到第一光波分复用器的λ1端口，该第一光波分复用器波长复用端连接到第一耦合器的第一端口，在所述的第一耦合器的两个端口和第二耦合器的两个端口之间分别熔接有第一传感光纤和第二传感光纤，所述的第二耦合器的第三端口熔接第二光波分复用器的波长复用端口，由第二光波分复用器的λ1端口引出传感光纤的末端设置所述的法拉第旋转镜，所述的第一耦合器的第四端口接第二光电探测器；

所述的光环形器的第三端口熔接第一光电探测器；

所述的窄带光源通过光隔离器和第四耦合器的输入端口相连，该第四耦合器的两个输出端口将所述的窄带光源输出的光分为两束，其中一束接第一光波分复用器的λ2端口，另一束接第三耦合器的第一端口，在第三耦合器和第二光波分复用器的λ2端口之间连接第三传感光纤；所述的第三耦合器第四端口接所述的第三光电探测器；

所述的第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器的输出端都与所述的信号处理电路接收端相连。

所述的赛格纳克干涉仪的光路构成是：宽带光源的光经光环形器输入第一光波分复用器的λ1端口，依次经由第一耦合器、第一传感光纤、第二耦合器、第二光波分复用器、传感光纤达到法拉第旋转镜，经该法拉第旋转镜反射后，再依次经由第二光波分复用器，第二耦合器、第二传感光纤、第一耦合器、第一光波分复用器和光环形器，由第一光电探测器接收信号；另外一路光束是反向的，由宽带光源射出的光先后经过光环形器，第一波分复用器、第一耦合器、第二传感光纤、第二耦合器、第二波分复用器、传感光纤达到法拉第旋转镜，经该法拉第旋转镜反射后，经第二光波分复用器、第二耦合器、第一传感光纤、第一耦合器、第一波分复用器和光环形器，在该光环形器的第三端口发生干涉并由第一光电探测器探测，构成赛格纳克干涉仪。

所述的双马赫-泽德干涉仪的光路构成是：所述的窄带光源输出的光经所述的光隔离器进入所述的第四耦合器，该第四耦合器将输入的光分为两束，其中一束进入第一波分复用器的λ2端口，通过第一耦合器分束，同时经第一传感光纤和第二传感光纤，再经第二耦合器、第二波分复用器、第三传感光纤和第三耦合器进入第三光电探测器；另外一束光通过第三耦合器、第三传感光纤、第二波分复用器、第二耦合器分束分别进入第一传感光纤、第二传感光纤，最后经由第一耦合器由第二光电探测器探测。

所述的第一传感光纤、第二传感光纤、第三传感光纤为单模光纤，第一传感光纤的长度为L+ΔL，第二传感光纤和第三传感光纤的长度均为L，第二耦合器到第二波分复用器以及第二波分复用器到所述的法拉第旋转镜之间的光纤长度与长度L相比较，可以忽略不计。

所述的宽带光源的相干长度小于第一传感光纤和第二传感光纤的长度差；赛格纳克干涉仪的相位差Φs(t)与(z-ΔL/2)成正比，其中z为外界干扰源所在位置到第二耦合器之间的距离；所述的窄带光源的相干长度大于第一传感光纤和第二传感光纤之间的长度差ΔL。

本发明的技术效果如下：

本发明中分布式光纤振动传感器，其马赫-泽德干涉仪的窄带光源的相干长度大于两条传感光纤F1和F2之间的长度差，从而满足双马赫-泽德干涉仪工作的条件，而且赛格纳克光纤干涉仪中的法拉第旋转镜可以补偿双折射引起的偏振衰落，从而提高检测的准确度。

本发明分布式光纤振动传感器突出优点是：

在赛格纳克干涉仪光路中采用了一个法拉第旋转镜，不但具有将光按原路反射形成赛格纳克环的功能，补偿由于双折射引起的偏振衰落现象，稳定了赛格纳克干涉仪光路的干涉输出。节约了保偏光纤和偏振控制器等所要支出的成本；

巧妙结合马赫-泽德干涉仪与赛格纳克干涉仪，复现出外界振动干扰源的作用函数，从而获得振幅、频率等重要信息，利用这些特点使得测量的成本大幅降低；

采用光纤作为传感部件，有效的降低了损耗，可以实现光纤振动传感器的长距离探测，定位和实时检测；

建立多点振动模型结合频域分析和互相关算法实现多点振动定位。本发明的光纤振动传感器提供一种经济、简洁、高效的测量装置，可以广泛应用于光纤传感领域。

附图说明

图1是本发明分布式光纤振动传感器的结构示意图。

图2是本发明分布式光纤振动传感器的赛格纳克干涉仪的光路图。

图3是本发明分布式光纤振动传感器的双马赫-泽德干涉仪的光路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

图1是本发明分布式光纤振动传感器的结构示意图。由图可见本发明分布式光纤振动传感器，其构成包括信号处理装置15、第一传感光纤F1、第二传感光纤F2、第三传感光纤F3、宽带光源1、窄带光源2、光环形器3、第一光波分复用器4、第二光波分复用器9、第一耦合器5、第二耦合器6、第三耦合器7、第四耦合器8、法拉第旋转镜10、第一光电探测器11、第二光电探测器12、第三光电探测器13和光隔离器14；上述元部件的连接关系如下：

所述的宽带光源1经光环形器3连接到第一光波分复用器4的λ1端口，该第一光波分复用器4的波长复用端连接到第一耦合器5的第一端口，在所述的第一耦合器5的两个端口和第二耦合器6的两个端口之间分别熔接有第一传感光纤F1和第二传感光纤F2，所述的第二耦合器6的第三端口熔接第二光波分复用器9的波长复用端口，由第二光波分复用器9的λ1端口引出传感光纤的末端设置所述的法拉第旋转镜10，所述的第一耦合器5的第四端口接第二光电探测器12；

所述的光环形器3的第三端口熔接第一光电探测器11；

所述的窄带光源2通过光隔离器14和第四耦合器8的输入端口相连，该第四耦合器8的两个输出端口将所述的窄带光源2输出的光分为两束，其中一束接第一光波分复用器4的λ2端口，另一束接第三耦合器7第一端口，在第三耦合器7和第二光波分复用器9的λ2端口之间连接第三传感光纤F3；所述的第三耦合器7第四端口接所述的第三光电探测器13；

所述的第一光电探测器11、第二光电探测器12、第三光电探测器13的输出端都与所述的信号处理电路15接收端相连。

图2是一个赛格纳克干涉仪的光路图，光的传播路径为：

顺时针光方向：宽带光源1输出的光经光环形器3输入第一光波分复用器4的λ1端口，然后经由第一耦合器5进入第一传感光纤F1再进入第二耦合器6，最后通过第二光波分复用器9的波长复用端，由第二光波分复用器9的λ1端口引出传感光纤射向法拉第旋转镜10，由法拉第旋转镜10反射，再经由第二光波分复用器9，第二耦合器6，第二传感光纤F2，第一耦合器5，第一光波分复用器4和光环形器3；

逆时针光方向：由宽带光源1射出先后经过光环形器3，第一波分复用器4、第一耦合器5，第二传感光纤F2，第二耦合器6，第二波分复用器9，法拉第旋转镜10，光束被返回，进入第二波分复用器9，第二耦合器6，第一传感光纤F1，第一耦合器5，第一波分复用器4，最后进入光环形器3；

该逆时针光和所述的顺时针光在光环形器3发生干涉由第一光电探测器11探测，构成赛格纳克干涉仪。

这个结构可获得赛格纳克相位差Φs(t)。

图中的O点为赛格纳克环的中点，距离第二耦合器6的距离为ΔL/2。

z0为外界干扰源所在位置到O点的距离，z为外界干扰源所在位置到第二耦合器6的距离，显然z0＝z-ΔL/2

图3是一个双马赫-泽德干涉仪的光路图，光的传播路径为：

窄带光源2输出的光经过光隔离器14，在第四耦合器8处分为两束，其中一束进入第一光波分复用器4，通过第一耦合器5进入第一传感光纤F1、第二传感光纤F2，再由第二耦合器6合束，经过第二波分复用器9，第三传感光纤F3和第三耦合器7进入第三光电探测器13；另外一束光通过第三耦合器7，第三传感光纤F3，第二波分复用器9，第二耦合器6合束进入第一传感光纤F1、第二传感光纤F2，最后经由第一耦合器5进入第二光电探测器12接收信号构成双马赫-泽德干涉仪。我们用这个结构得到外界干扰源发生的位置距离第二耦合器6的距离z。

实际应用中的分布式光纤振动传感系统中，由于监测距离很长，同时出现多点振动是不可避免的，本发明中第二光电探测器12、第三光电探测器13分别接收到干涉光强，通过信号处理装置15，进行互相关运算(具体计算参见《基于环结构的新型分布式光纤振动传感系统》物理学报.第56卷第10期2007年10月1000-3290/2007/56(10)/5903-06)，输出各个振动源距离第二耦合器6的距离z。

本发明中第一光电探测器11接收赛格纳克干涉仪输出的干涉光强，转化为光电信号，由信号处理装置15进行解调(解调方式参见《干涉型光纤水听器相位载波调制及解调方案研究》光学学报.Vo l.19，No.11 November，1999，1536-39)，输出赛格纳克干涉仪的相位差φ_s(t)。对得到的赛格纳克干涉仪的相位差φ_s(t)应用

获得外界干扰源产生的相位变化φ_s(t)，其中z0＝z-ΔL/2，T表示积分周期，V表示光纤中传播的光速。外界干扰源相位的变化φ(t)与外界作用f(t)满足线性关系：

f(t)＝φ(t)/B

式中B为常量。从而实现了对外界干扰源的作用f(t)的复现，成功实现了对破坏行为的探测，可以根据探测结果判断外界行为是否具有破坏性，对破坏行为发出预警。

本发明分布式光纤振动传感器是采用光纤为传感元件，与传统的振动传感器相比，具有灵敏度高、抗电磁干扰、寿命长、功耗小等特点，特别是可以有效地检测到管道泄漏或者边界安全的情况，复现外界破坏行为，并且实现准确定位。

本发明分布式光纤振动传感器可以对长距离设备和一定的区域范围进行实时监测，并对外界破坏行为进行定位，适用于石油/天然气管道，边界安全，通讯光缆，桥梁，建筑等方面的预警与安全防范。

Claims (5)

1.一种分布式光纤振动传感器，特征在于其构成是基于赛格纳克干涉仪和双马赫-泽德干涉仪的干涉原理的优化组合，构成包括信号处理装置(15)、第一传感光纤(F1)、第二传感光纤(F2)、第三传感光纤(F3)、宽带光源(1)、窄带光源(2)、光环形器(3)、第一光波分复用器(4)、第二光波分复用器(9)、第一耦合器(5)、第二耦合器(6)、第三耦合器(7)、第四耦合器(8)、法拉第旋转镜(10)、第一光电探测器(11)、第二光电探测器(12)、第三光电探测器(13)和光隔离器(14)；上述元部件的连接关系如下：

所述的宽带光源(1)经光环形器(3)连接到第一光波分复用器(4)的λ₁端口，该第一光波分复用器(4)波长复用端连接到第一耦合器(5)的第一端口，在所述的第一耦合器(5)的两个端口和第二耦合器(6)的两个端口之间分别熔接有第一传感光纤(F1)和第二传感光纤(F2)，所述的第二耦合器(6)的第三端口熔接第二光波分复用器(9)的波长复用端口，由第二光波分复用器(9)的λ₁端口引出传感光纤的末端设置所述的法拉第旋转镜(10)，所述的第一耦合器(5)的第四端口接第二光电探测器(12)；

所述的光环形器(3)的第三端口熔接第一光电探测器(11)；

所述的窄带光源(2)通过光隔离器(14)和第四耦合器(8)的输入端口相连，该第四耦合器(8)的两个输出端口将所述的窄带光源(2)输出的光分为两束，其中一束接第一光波分复用器(4)的λ₂端口，另一束接第三耦合器(7)的第一端口，在第三耦合器(7)和第二光波分复用器(9)的λ₂端口之间连接第三传感光纤(F3)；所述的第三耦合器(7)第四端口接所述的第三光电探测器(13)；

所述的第一光电探测器(11)、第二光电探测器(12)、第三光电探测器(13)的输出端都与所述的信号处理电路(15)接收端相连。

2.根据权利要求1所述的分布式光纤振动传感器，其特征在于所述的赛格纳克干涉仪的光路构成是：宽带光源(1)的光经光环形器(3)输入第一光波分复用器(4)的λ₁端口，依次经由第一耦合器(5)、第一传感光纤(F1)、第二耦合器(6)、第二光波分复用器(9)、传感光纤达到法拉第旋转镜(10)，经该法拉第旋转镜(10)反射后，再依次经由第二光波分复用器(9)，第二耦合器(6)、第二传感光纤(F2)、第一耦合器(5)、第一光波分复用器(4)和光环形器(3)，由在第一光电探测器(11)接收信号；另外一路光束是反向的，由宽带光源(1)射出的光先后经过光环形器(3)，第一波分复用器(4)、第一耦合器(5)、第二传感光纤(F2)、第二耦合器(6)、第二波分复用器(9)、传感光纤达到法拉第旋转镜(10)，经该法拉第旋转镜(10)反射后，经第二波分复用器(9)、第二耦合器(6)、第一传感光纤(F1)、第一耦合器(5)、第一波分复用器(4)和光环形器(3)，在该光环形器(3)的第三端口发生干涉并由第一光电探测器(11)探测，构成赛格纳克干涉仪。

3.根据权利要求1所述的分布式光纤振动传感器，其特征在于所述的双马赫-泽德干涉仪的光路构成是：所述的窄带光源(2)输出的光经所述的光隔离器(14)进入所述的第四耦合器(8)，该第四耦合器(8)将输入的光分为两束，其中一束进入第一光波分复用器(4)的λ₂端口，通过第一耦合器(5)分束，同时经第一传感光纤(F1)和第二传感光纤(F2)，再经第二耦合器(6)、第二波分复用器(9)、第三传感光纤(F3)和第三耦合器(7)进入第三光电探测器(13)；另外一束光通过第三耦合器(7)、第三传感光纤(F3)、第二波分复用器(9)、第二耦合器(6)分束分别进入第一传感光纤(F1)、第二传感光纤(F2)，最后经由第一耦合器(5)由第二光电探测器(12)探测。

4.根据权利要求1所述的分布式光纤振动传感器，其特征在于所述的第一传感光纤(F1)、第二传感光纤(F2)、第三传感光纤(F3)为单模光纤，第一传感光纤(F1)的长度为L+ΔL，第二传感光纤(F2)和第三传感光纤(F3)的长度均为L，第二耦合器(6)到第二波分复用器(9)以及第二波分复用器(9)到所述的法拉第旋转镜(10)之间的光纤长度与长度L相比较，可以忽略不计。

5.根据权利要求1所述的分布式光纤振动传感器，其特征在于所述的宽带光源(1)的相干长度小于第一传感光纤(F1)和第二传感光纤(F2)的长度差；赛格纳克干涉仪的相位差Φs(t)与(z-ΔL/2)成正比，其中z为外界干扰源所在位置到第二耦合器(6)之间的距离；所述的窄带光源(2)的相干长度大于第一传感光纤(F1)和第二传感光纤(F2)之间的长度差ΔL。

Images