CN102506913B - 干涉型光纤分布式扰动传感器及其扰动定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种干涉型光纤分布式扰动传感器及其扰动定位方法，涉及光纤分布式扰动传感器技术领域。该传感器包括光源以及两个探测器，还包括：第一马赫-泽德干涉仪，包括第一光耦合装置及第二光耦合装置，第一耦合装置将光源发出的光分为两束并传送至第二光耦合装置，光束在第二光耦合装置发生干涉，干涉光分别传输至第一探测器以及第二马赫-泽德干涉仪；第二马赫-泽德干涉仪，包括第三光耦合装置及第四光耦合装置，第三光耦合装置将干涉光分为两束后传送至第四光耦合装置，光束在第四光耦合装置发生干涉，干涉光传输至第二探测器。本发明的装置及方法硬件结构简单、成本低、精度较高、且易于实现，可应用于长距离监测。

Description

干涉型光纤分布式扰动传感器及其扰动定位方法

技术领域

本发明涉及光纤分布式扰动传感器技术领域，尤其涉及一种干涉型光纤分布式扰动传感器及其扰动定位方法。

背景技术

光纤传感器由于其高灵敏度、体积小、重量轻、本质安全、电绝缘性、抗电磁干扰、相对成本低、多功能性、可靠性高、硬件匹配光纤通信接口、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安防、油气管线监测、大型结构监测和通信线路监测等领域具有重要意义。

光纤分布式扰动传感器可以对传感光纤上任意一点处的扰动(时变信号)进行监测，得到扰动信号的时域波形，根据扰动事件性质进行判断，给出报警信息，同时给出扰动事件发生的空间位置信息。

目前，根据不同的工作原理，光纤分布式传感器可以分为干涉仪型、光纤光栅型、光时域反射计型，光频域反射计型以及强度调制型等传感技术。

光纤光栅型分布式传感器采用光纤光栅作为敏感元件，在一定长度的间隔之间铺设光纤光栅，通过复用技术实现准分布式传感，因此，光纤光栅型分布式扰动传感器的空间分辨率具有不连续性，且受到光纤光栅空间分布间隔的限制。同时，光纤光栅的集成基于波长复用，在一根光纤上可以复用的光纤光栅数量受到波长区间的限制，其测量长度的增加需要以增大光纤光栅间隔即降低空间分辨率为代价。除了空间分辨率和测量长度间的矛盾外，光纤光栅型分布式传感器的成本也限制了其作为分布式扰动传感器在大范围环境中的应用。

光时域反射计型分布式传感器可以用来检测外界环境中温度或压力的变化，但其响应时间较长，对于外界扰动的实时定位比较困难，不能应用于对时变信号的分布式传感，因此限制了其作为分布式扰动传感器的应用。

光频域反射计型分布式传感器，基于非线性光学效应、布里渊或拉曼散射，可以对外界的温度和压力进行传感，但其传感信号相对微弱，使得信号的检测和解调相对困难，同时其器件成本也相对较高，限制了其在长距离扰动传感中的应用。

强度调制型传感器基于单模光纤和多模光纤中的模式耦合机理，可以实现对扰动的分布式传感，但其灵敏度和精度较低，为了能够在实际中应用还需进一步解决增敏和提高精度的问题。

综上，在光纤分布式传感器中，干涉仪型分布式传感器具有实现原理简单、灵敏度高、响应速度快、硬件成本低、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。

目前，干涉仪型光纤分布式扰动传感器的理论方案主要包括单萨格奈克型、双马赫-泽德型、双萨格奈克型、萨格奈克+迈克尔逊型和萨格奈克+马赫-泽德型，双波长萨格奈克型，双调制频率萨格奈克型等。

单萨格奈克型光纤分布式传感器可以通过确定扰动信号在频率的零点实现扰动定位，但其定位算法相对复杂，同时，要求扰动信号具有较宽的频谱范围，因此在实际应用中有较大限制。

将萨格奈克干涉仪和马赫-泽德干涉仪或迈克尔逊干涉仪结合，可以实现对单点扰动位置信息的提取，实现分布式扰动传感。但该类光纤分布式传感器的缺点在于，在萨格奈克干涉仪中为了抑制干涉噪声，需要采用宽谱光源；但是在马赫-泽德或迈克尔逊干涉仪中，由于两个干涉臂光程差的存在，只能使用窄带光源，因此光源选择上的矛盾限制了其性能的提高以及实用化。

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、或同时具有两个工作波长的一个萨格奈克干涉仪、或同时工作在两个调制频率的一个萨格奈克干涉仪。但是在此类方案中，需要采用两个光源及探测器，且需要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，降低了传感器的实用性。

传统的双马赫-泽德型光纤分布式传感器光路结构简单，硬件成本低，不存在信号频谱范围的限制，通过相关时延算法可以实现扰动的定位。如图1所示，为基于双马赫-泽德干涉仪的光纤分布式扰动传感器的光路原理图。激光器发出的光经过耦合器C₁分成两束，分别沿顺时针和逆时针方向经过由耦合器C₂、C₃和它们之间的两根敏感光纤构成的马赫-泽德干涉仪，在耦合器C₃和C₂处分别发生干涉并通过探测器PD₂和探测器PD₁接收干涉信号。以上光路中的光纤均为单模光纤。当扰动作用于传感臂上时，应力会引起光纤长度和传播常数的变化，从而在信号臂和参考臂上产生一个相位差的变化。当光纤长度变化ΔL、传播常数变化Δβ时，相位差可以表示为：

逆时针和顺时针方向传播的干涉光通过PD₁和PD₂接收到的信号可以分别表示为：

式中，t₁、t₂、t₃分别是光沿着光纤L₁、L₂和L₃的传播时间，这里忽略了光源到耦合器C₁和耦合器C₂到PD₁的距离。忽略传感光纤和传导光纤的长度差，L₃可以近似为L₁和L₂的长度之和。I₁和I₂为光源输出的光强，K₁和K₂是干涉仪的可见度，是信号臂和参考臂的臂长差引起的初相差。由式(2)和式(3)可得I₁(t)和I₂(t)的传播时间差为：

τ＝t₂+t₃-t₁    (4)

根据传播时间差τ可以得到扰动点的位置：

I₂＝cτ/2n    (5)

其中，L₂是扰动点到耦合器C₃的距离，c是真空中的光速，n是光纤的折射率。计算I₁(t)和I₂(t)的互相关函数，根据相关函数的极大值可以求得τ值。根据τ值可确定两个检测信号之间的时间差并反演出扰动的位置，即实现了定位功能。

但是，该应用于长距离监测时，传感光纤和传导光纤中的后向瑞利散射和受激布里渊散射将使得干涉仪的干涉光强中叠加噪声项，导致逆时针方向马赫-泽德干涉仪光学信噪比降低从而产生定位误差。其中，受激布里渊散射的影响可以通过光路补偿的方式有效抑制或消除，而后向瑞利散射的影响则无法消除，仍会影响长距离监测的扰动定位精度，该缺陷限制了该类型传感器在长距离监测中的应用，降低了传感器的实用性能。

为了解决现有光纤分布式扰动传感器的上述问题，本发明提出了一种可应用于长距离监测的干涉型光纤分布式扰动传感器，基于改进的马赫-泽德干涉仪结构，在对探测器接收到的两路信号进行数学运算的基础上，通过互相关时延算法实现了对扰动信号的定位。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种结构简单、成本低、精度较高、且易于实现的可应用于长距离监测的干涉型光纤分布式扰动传感器及其定位扰动的方法。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种干涉型光纤分布式扰动传感器，该传感器包括光源以及两个探测器，该传感器还包括：第一马赫-泽德干涉仪，包括第一光耦合装置及第二光耦合装置，所述第一耦合装置将所述光源发出的光分为两束并传送至所述第二光耦合装置，光束在所述第二光耦合装置发生干涉，干涉光分别传输至第一探测器以及第二马赫-泽德干涉仪；第二马赫-泽德干涉仪，包括第三光耦合装置及第四光耦合装置，所述第三光耦合装置将自所述第二光耦合装置传输的干涉光分为两束后传送至所述第四光耦合装置，光束在所述第四光耦合装置发生干涉，干涉光传输至第二探测器。

优选地，所述第一马赫-泽德干涉仪与所述第一探测器之间、以及所述第二马赫-泽德干涉仪与所述第二探测器之间连接有传导光纤，所述第一光耦合装置与第二光耦合装置之间、以及所述第三耦合装置与第四光耦合装置之间分别连接有传感光纤。

优选地，所述第一光耦合装置、第二光耦合装置之间的传感光纤、所述第三光耦合装置、第四光耦合装置之间的传感光纤与所述第一马赫-泽德干涉仪、以及第一马赫-泽德干涉仪与第一探测器之间的传导光纤位于同一光缆中。

本发明还提供了一种干涉型光纤分布式扰动传感器的扰动定位方法，该方法包括步骤：

S1.对两个探测器接收到的两个干涉信号进行预处理，提取相位信息；

S2.根据所述相位信息，基于互相关时延算法，定位扰动信号施加点的位置。

优选地，步骤S1进一步包括：

S1.1滤除两个探测器接收到的两个干涉信号的直流项；

S1.2通过抗偏振衰落方法以及光功率稳定控制方法消除所述两个干涉信号的可见度变化；

S1.3通过求取峰峰值的方法求取步骤S1.2处理后的两个干涉信号的光强信息；

S1.4从所述光强信息中提取相位信息。

优选地，步骤S1进一步包括：

S1.1滤除两个探测器接收到得两个干涉信号的直流项；

S1.2通过分段求取峰峰值的方法求取所述两个干涉信号的光强信息；

S1.3从所述光强信息中提取相位信息。

优选地，在步骤S1.2中，求取的第一探测器接收到的干涉信号的光强信息I′₁以及第二探测器接收到的干涉信号的光强信息I′₂分别为：

其中，为扰动信号的扰动相位，且为扰动信号，B为与扰动相位对应的比例因子，为所述第一马赫-泽德干涉仪两传感臂臂长差引起的初相差，为所述第二马赫-泽德干涉仪两传感臂臂长差引起的初相差，K为扰动作用于不同干涉仪引起幅度差异的比例因子，且：

${\mathrm{\τ}}_1=\frac{n(L+z)}{c}$

${\mathrm{\τ}}_2=\frac{n(L-z)}{c}$

z为扰动信号施加点距离第二耦合装置或第三耦合装置的位置，L为传感光纤的长度，c为真空中的光速，n为传感光纤的折射率。

优选地，步骤S1.3进一步包括：

S1.31对I′₁以及I′₂进行数学运算，得到：

S1.32采用相位提取方法，可得：

及I₃中的相位信息，并进行高通滤波，得到：

优选地，在步骤S1.32中，所述相位提取方法为三角函数相位提取算法或相位产生载波调制。

优选地，步骤S2进一步包括：

S2.1基于互相关时延算法，计算步骤S1.3提取的相位信息的时延差，得到：

$\mathrm{\Δ\τ}={\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_2=\frac{2\mathrm{nz}}{c}$

S2.2根据位置与时间的一一对应关系定位扰动信号施加点的位置，得到：

$z=\frac{c\·\mathrm{\Δ\τ}}{2n}=\frac{c\·({\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_2)}{2n}.$

(三)有益效果

本发明的装置及方法具有以下有益效果：

1.采取了改进的马赫-泽德干涉仪的光路结构，保留了马赫-泽德干涉仪各扰动点灵敏度相同的特点，具有光路结构简单，硬件成本低等优势；

2.在定位计算过程中通过分段求取峰峰值的方法消除了可能受到的光功率波动和信号偏振诱导衰落等因素引起的干涉信号可见度的变化，从而也间接消除了可见度变化引起的可能的传感器定位失效的问题；

3.通过对相位提取后的信号进行高通滤波同时滤除了相位漂移信号，从而消除了相位缓变的影响；

4.采用的扰动定位算法仍是在数学运算的基础上，基于互相关时延的定位算法，该算法与现有的双马赫-泽德干涉仪型光纤分布式扰动传感器的定位算法相同，原理简单，易于实现。

附图说明

图1为传统的基于双马赫-泽德干涉仪的光纤分布式扰动传感器的光路原理图；

图2为依照本发明一种实施方式的干涉型光纤分布式扰动传感器的光路原理图；

图3为依照本发明一种实施方式的干涉型光纤分布式扰动传感器的扰动定位方法。

具体实施方式

本发明提出的干涉型光纤分布式扰动传感器及其扰动定位方法，结合附图及实施例详细说明如下。

如图2所示，依照本发明一种实施方式的干涉型光纤分布式扰动传感器基于改进的双马赫-泽德干涉仪结构，避开了后向散射的影响，因而也就避开了长距离监测应用中由于后向散射(主要包括受激布里渊散射和后向瑞利散射)对于信号相关性的影响，实际上也就避开了由此可能产生的定位精度变差甚至定位失效的问题，适用于长距离应用。该传感器包括光源1以及两个探测器，还包括：第一马赫-泽德干涉仪以及第二马赫-泽德干涉仪。

第一马赫-泽德干涉仪，包括第一光耦合装置C₁以及第二光耦合装置C₂，第二马赫-泽德干涉仪包括第三光耦合装置C₃以及第二光耦合装置C₄。

光源1(本实施方式装置中为激光器)发出的光由第一光耦合装置C₁分为两束，干涉光经过传感光纤传输至第二光耦合装置C₂，在第二耦合装置C₂处发生干涉，之后分别经传导光纤沿逆时针传播并由第一探测器PD₁2接收，以及沿顺时针方向经由第二马赫-泽德干涉仪传播。沿第二马赫-泽德干涉仪传播的路径为：第三光耦合装置C₃后分为两束，并在第四光耦合装置C₄发生干涉，最后通过传导光纤传导，由第二探测器PD₂3接收。

第一光耦合装置C₁、第二光耦合装置C₂之间的传感光纤L₁、L₂的长度与第三光耦合装置C₃、第四光耦合装置C₄之间的传感光纤L₃、L₄位于同一光缆中，长度略有偏差，该偏差应满足小于激光器的相干长度，能够形成干涉仪即可。当忽略长度差别时，可以认为长度相同，且均记为L。

其中，耦合装置是为了实现分光和耦合作用，其它器件如环形器、分束器、半反半透膜等，也起到分束和耦合作用，可以作为耦合装置的代替，在此不应作为对本发明技术方案的限制。

本发明还提供了一种干涉型光纤分布式扰动传感器的扰动定位方法。当扰动f(t)发生时，光纤长度和传播常数会发生变化，从而引起干涉仪中的相位变化。根据光纤传感理论，输出相位信息的变化正比于扰动信号，有：

其中，为扰动信号的扰动相位，B为与扰动相位对应的比例因子。

设激光光源1发出的光为I₀，显然，根据马赫-泽德干涉仪的数学模型，可得从第二耦合装置C₂输出到PD₁2的干涉光信号为：

为第一马赫-泽德干涉仪结构两传感臂臂长差引起的初相差，K₁为干涉信号的可见度。

同样地，根据马赫-泽德干涉仪的数学模型，可得从第四耦合装置C₄输出到PD₂3的干涉光信号为：

为C₃和C₄组成马赫-泽德干涉仪两传感臂臂长差引起的初相差，K₂为干涉信号的可见度，K为扰动作用于不同干涉仪引起幅度差异的比例因子，且有

${\mathrm{\τ}}_1=\frac{n(L+z)}{c}---\left(9\right)$

${\mathrm{\τ}}_2=\frac{n(L-z)}{c}---\left(10\right)$

z为扰动信号的施加点距离C₂(或C₃)的位置。这里忽略了C₂与C₃的位置差。

把式(7)代入式(8)，可得：

对式(11)进行展开，可得：

如图3所示，依照本发明一种实施方式的干涉型光纤分布式扰动传感器的扰动定位方法包括步骤：

S1.对两个探测器接收到的两个干涉信号进行预处理，提取相位信息；

S2.根据步骤S1得到的相位信息，基于互相关时延算法，定位扰动信号施加点的位置。

在本实施方式的方法中，步骤S1中的预处理进一步包括：

S1.1滤除两个探测器接收到得两个干涉信号的直流项；

S1.2通过分段求取峰峰值的方法求取所述两个干涉信号的光强信息；

S1.3从所述光强信息中提取相位信息。

在本发明的方法中，步骤S1.2也可通过抗偏振衰落方法以及光功率稳定控制方法消除所述两个干涉信号的可见度变化，再通过求取峰峰值的方法求取两个干涉信号的光强信息来实现。在本实施方式中优选通过分段求取峰峰值的方法求取光强信息。

在步骤S1.1中对式(12)滤除直流项后，步骤S1.2通过分段求取峰峰值的方法求取第一探测器接收到的干涉信号的光强信息I₀K₂可得：

(13)

在步骤S1.1中对式(7)滤除直流项后，步骤S1.2通过分段求取峰峰值的方法求取第二探测器接收到的干涉信号的光强信息I₀K₁可得：

步骤S1.3进一步包括：

S1.31对I′₁以及I′₂进行数学运算，得到：

S1.32采用相位提取，可得：

及I₃中的相位信息，并进行高通滤波，分别可得到：

本实施方式中优选的相位提取方法为三角函数相位提取算法或相位产生载波(Phase Generated Carrier，PGC)调制(包括PGC内调制和PGC外调制)，提取出三角函数内的相位信息的目的是为后面的信号定位提供基础性准备，也可通过其它的三角函数相位提取(或展开、或去包裹、或解缠、或恢复)算法来提取出三角函数内的相位信息，例如。

由于I₁″和I₃′是彼此有一个时延的互相关信号，则根据相关时延算法，即可得到干扰信号的定位位置。

步骤S2进一步包括：

S2.1基于互相关时延算法，计算步骤S1.3提取的相位信息的时延差，得到：

$\mathrm{\Δ\τ}={\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_2=\frac{2\mathrm{nz}}{c}---\left(18\right)$

S2.2根据式(18)可定位扰动信号施加点的位置，得到：

$z=\frac{c\·\mathrm{\Δ\τ}}{2n}=\frac{c\·({\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_2)}{2n}---\left(19\right)$

在本实施方式的方法中，对信号扰动进行隔直的目的是去掉信号中的直流项和低频干扰项，隔直的方式可直接在电路上加入电容实现，也可以通过有源/无源的高通滤波方式实现。滤除直流项后的信号可以经过放大和滤波等调理，以抑制噪声和干扰。隔直以及隔直后的放大和滤波等调理均为本领域的成熟技术，在此不做赘述。

对隔直后的信号进行分段求取峰峰值的目的是为了得到干涉信号的光强信息并起到消除由于光功率波动和信号偏振诱导信号衰落等因素引起的干涉信号可见度变化。而通过抗偏振衰落技术和光功率稳定控制技术消除干涉信号可见度变化并通过求取峰峰值或其它方式求出光强信息的方法与本实施方式中的上述处理的作用完全相同，在此不应作为对本发明方法的限制。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种干涉型光纤分布式扰动传感器，该传感器包括光源以及两个探测器，其特征在于，该传感器还包括：

第一马赫-泽德干涉仪，包括第一光耦合装置及第二光耦合装置，所述第一耦合装置将所述光源发出的光分为两束并传送至所述第二光耦合装置，光束在所述第二光耦合装置发生干涉，干涉光分别传输至第一探测器以及第二马赫-泽德干涉仪；

第二马赫-泽德干涉仪，包括第三光耦合装置及第四光耦合装置，所述第三光耦合装置将自所述第二光耦合装置传输的干涉光分为两束后传送至所述第四光耦合装置，光束在所述第四光耦合装置发生干涉，干涉光传输至第二探测器。

2.如权利要求1所述的干涉型光纤分布式扰动传感器，其特征在于，所述第一马赫-泽德干涉仪与所述第一探测器之间、以及所述第二马赫-泽德干涉仪与所述第二探测器之间连接有传导光纤，所述第一光耦合装置与第二光耦合装置之间、以及所述第三耦合装置与第四光耦合装置之间分别连接有传感光纤。

3.如权利要求2所述的干涉型光纤分布式扰动传感器，其特征在于，所述第一光耦合装置、第二光耦合装置之间的传感光纤、所述第三光耦合装置、第四光耦合装置之间的传感光纤与所述第一马赫-泽德干涉仪、以及第一马赫-泽德干涉仪与第一探测器之间的传导光纤位于同一光缆中。

4.一种干涉型光纤分布式扰动传感器的扰动定位方法，其特征在于，该方法包括步骤：

S1.对两个探测器接收到的两个干涉信号进行预处理，提取相位信息；

S2.根据所述相位信息，基于互相关时延算法，定位扰动信号施加点的位置，

其中，步骤S1进一步包括：

S1.1滤除两个探测器接收到得两个干涉信号的直流项；

S1.2通过分段求取峰峰值的方法求取所述两个干涉信号的光强信息；

S1.3从所述光强信息中提取相位信息；

其中，在步骤S1.2中，求取的第一探测器接收到的干涉信号的光强信息I′₁以及第二探测器接收到的干涉信号的光强信息I′₂分别为：

其中，为扰动信号的扰动相位，且f(t)为扰动信号，B为与扰动相位对应的比例因子，为所述第一马赫-泽德干涉仪两传感臂臂长差引起的初相差，为所述第二马赫-泽德干涉仪两传感臂臂长差引起的初相差，K为扰动作用于不同干涉仪引起幅度差异的比例因子，且：

z为扰动信号施加点距离第二耦合装置或第三耦合装置的位置，L为传感光纤的长度，c为真空中的光速，n为传感光纤的折射率。

5.如权利要求4所述的干涉型光纤分布式扰动传感器的扰动定位方法，其特征在于，步骤S1.3进一步包括：

S1.31对I′₁以及I′₂进行数学运算，得到：

S1.32采用相位提取方法，可得：

及I₃中的相位信息，并进行高通滤波，得到：

6.如权利要求5所述的干涉型光纤分布式扰动传感器的扰动定位方法，其特征在于，在步骤S1.32中，所述相位提取方法为三角函数相位提取算法或相位产生载波调制。

7.如权利要求5所述的干涉型光纤分布式扰动传感器的扰动定位方法，其特征在于，步骤S2进一步包括：

S2.1基于互相关时延算法，计算步骤S1.3提取的相位信息的时延差，得到：

S2.2根据位置与时间的一一对应关系定位扰动信号施加点的位置，得到：