CN102692269A - 一种萨格纳克光纤分布式振动传感器定位方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于萨格纳克干涉原理的光纤分布式振动传感器定位方法和系统，包括波长或频率可调激光器、光纤构成的萨格纳克环、探测器和信号处理模块。在待测点附近设置光纤构成萨格纳克干涉环作为传感元件进行实时监测；当振动发生时，可调激光器发出的光通过耦合器注入萨格纳克环，承载振动位置信息的两束不同频率的光同时在萨格纳克环中分别沿顺时针和逆时针方向传输并在探测器端相遇；通过探测器接收干涉输出电信号，根据输出信号和振动位置之间的关系进行振动定位。本发明采用单光源、单光纤、单探测器取代传统定位系统多光源、多光纤、多探测器的复杂结构，系统更加简洁、易实现，可用于长距离、大面积的重要安全领域的安全预警。

Description

一种萨格纳克光纤分布式振动传感器定位方法与系统

技术领域

本发明涉及光纤振动传感领域，特别涉及一种可对振动点进行定位的分布式光纤振动传感器定位方法与系统。

背景技术

随着人类社会的进步，机场、监狱、油库、发电站、长输油气管线、高压输电线等重要安全领域数量越来越多规模越来越大，非法入侵事件的数量也随之急剧增加，防范非法侵入成为国家和社会关注的重要问题。这些领域具有面积大，距离长等特点，当入侵行为发生时，能对入侵点进行定位并及时报警是安全监测的重点。

现已安装使用的传统安全防范方法如准入准处、视频监控、人工巡视、异常状态报警等，不仅耗时耗力且只能在一定程度上防止入侵行为的发生。而随着科学技术的发展，入侵的手段变得越来越隐蔽和高超，包含的技术含量也越来越高。传统安装方法不能适应新形势新环境下人们对及时报警和定位侵入点的需求。迫切需要开发出比现有监测系统的技术含量更高、更加可靠的侵入监测系统。

由于光纤集传输传感于一体，具有连续分布、频带宽、损耗小等特性，因此光纤传感技术发展迅猛。光纤作为传输媒介已经能够无中继传输几十公里；而且光纤本身拥有价格低廉寿命长，抗电磁干扰，无辐射、耐腐蚀、免维护等特点，隐蔽性好全天候监测，使用非常安全，几乎不受任何环境因素的影响，这些使得光纤传感器成为了超长距离分布式监测技术的研究热门。

基于分布式光纤传感技术的检测方法最早由Hoffman、Udd、Kurmer等人在光纤陀螺仪的基础上提出。该方法基于单光源、单光纤、单探测器构建单萨格纳克环并利用干涉原理实现了振动定位。单萨格纳克环的结构简单，易实现。但包含的信息量少（需求解包含三个未知量的一个方程）。要实现振动信号的定位，只能求解在特定情况下的零频率特征量；当侵入事件位置量越小，对应的零点频率越高，位置量越大，零点频率就越低，运用此方法进行定位要求被监测的侵入行为具有宽频特性，使其在应用上受到一定的局限。为了丰富信息量，许多研究者在单萨格纳克环的基础上，进行了结构改进。如：Stuart J.Russell等人提出了基于双波长萨格纳克干涉原理的定位方法，该方法采用双光源，双探测器、双光纤构成双波长的萨格纳克环，来丰富系统信息量。Stephanus J等人在双波长萨格纳克干涉原理的光纤传感系统基础上又发展出一种基于双萨格纳克结构的光纤分布式传感监测系统，该系统利用两个宽带光源和波分复用器及两个探测器构成双波长-双萨格纳克干涉系统，极大的丰富了信息量，通过求解干涉输出信号，很容易实现振动位置的解调。A.A.Chtcherbakov等人结合萨格奈克和马赫-曾德干涉仪的特点提出了基于萨格奈克和马赫-曾德干涉仪的监测方法，该方法由单光源、双探测器、多光纤构成萨格奈克和马赫-曾德干涉系统。利用两种干涉仪输出相位信号之比来分离振动位置，实现定位。此后，Tatsuya Omori等人在单萨格纳克环的基础上，提出了带延迟环的塞格纳克分布式光纤传感系统，该系统由单光源、单探测器、双光纤构成。通过添加一个光纤延迟子环并采用脉冲激光器，使光通过光纤延迟子环的次数不同，丰富输出信息量，实现振动定位。

综合上述分析可以看到，无论是双波长萨格纳克系统、双波长-双萨格纳克干涉系统、双马赫曾德干涉系统、萨格纳克-马赫曾德干涉系统还是带延迟环的萨格纳克干涉系统它们都通过增加光源、探测器或者光纤环路来丰富系统的信息量，从而实现振动定位。但正是由于增加了光纤、光源或者探测器，使系统变得复杂，成本高昂，增加了工程化应用的难度。

因此急需一种光路结构简单而且又能传输丰富信息量的光纤振动传感与定位系统。

发明内容

鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种光路结构简单而且又能传输丰富信息量的光纤振动传感与定位系统，本发明提出一种基于波长可调谐激光器的萨格纳克光纤分布式振动传感与定位方法与系统。

本发明的目的之一是提出一种基于萨格纳克干涉原理的光纤分布式振动传感器定位方法；本发明的目的之二是提出一种基于萨格纳克干涉原理的光纤分布式振动传感器定位系统。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的一种基于萨格纳克干涉原理的光纤分布式振动传感器定位方法，包括以下步骤：

S1：在待测点附近设置光纤构成的萨格纳克环作为传感元件进行实时监测；

S2：在光纤构成的萨格纳克干涉环的两端分别设置激光器A和探测器C；

S3：当振动发生时，承载振动位置信息的两束不同频率的光同时在萨格纳克干涉环中分别沿顺时针和逆时针方向传输，并在探测器C处相遇；

S4：在萨格纳克环的同一出口通过探测器C接收干涉输出电信号；

S5：根据干涉输出电信号和振动位置的关系，确定振动位置。

进一步，所述激光器A为波长或频率可调激光器。

进一步，所述萨格纳克环B为普通单模或多模光纤构成的萨格纳克环。

进一步，所述耦合器为2*2或3*3耦合器。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的一种基于萨格纳克干涉原理的光纤分布式振动传感器定位系统，包括激光器A、光纤构成的萨格纳克环B、探测器C和信号处理模块D；所述激光器A通过耦合器与光纤构成的萨格纳克环B连接，所述光纤构成的萨格纳克环B的出口连接用于探测光信号的探测器C。所述探测器将接收的光信号转换为电信号，所述信号处理模块D用于将接收探测器C转换的电信号进行处理得到振动信号的位置。

进一步，所述激光器A为波长或频率可调激光器。

进一步，所述萨格纳克环B为普通单模或多模光纤构成的萨格纳克环。

进一步，所述耦合器为2*2或3*3耦合器。

进一步，所述萨格纳克环B为光纤光传输元件和光纤传感元件。

本发明的优点在于：本发明提出一种基于萨格纳克干涉原理的光纤分布式振动传感器定位方法与系统。通过引入波长或频率可调激光器，使不同波长或频率的光在萨格纳克环中沿顺时针和逆时针方向传播。当振动发生时，由于振动点距离光源沿顺时针和逆时针方向的距离不同，使得振动位置等相关信息由不同波长或频率的两束光所记录，它们在萨格纳克环中分别沿顺时针和逆时针方向传输，在探测器端相遇，最后被探测器接收。本发明采用单光源——波长或频率可调节激光器、单光纤构成的萨格纳克环、单探测器取代传统定位系统多光源、多光纤、多探测器的复杂结构，系统更加简洁、易实现；并且在简化了光路结构的同时又丰富系统的信息量，可用于长距离、大面积的重要安全领域，如机场、监狱、油库、发电站、长输油气管线、高压输电线的安全预警。

本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明实施例提供的基于萨格纳克干涉原理的光纤分布式振动传感器定位系统原理示意图；

图2为本发明提供的振动传感器定位系统的具体实施原理示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

图1为本发明实施例提供的基于萨格纳克干涉原理的光纤分布式振动传感器定位系统原理示意图，如图所示：本发明提供的一种基于萨格纳克干涉原理的光纤分布式振动传感器定位方法，包括以下步骤：

S1：在待测点附近设置光纤构成的萨格纳克环作为传感元件进行实时监测；本发明实施例提供的萨格纳克环B为普通单模或多模光纤构成的萨格纳克环。

S2：在光纤构成的萨格纳克干涉环的两端分别设置激光器A和探测器C；激光器A通过耦合器与萨格纳克环B连接，本发明实施例提供的激光器A为波长或频率可调激光器，本发明实施例提供的耦合器为2*2或3*3耦合器。

S3：当振动发生时，承载振动位置信息的两束不同频率的光同时在萨格纳克干涉环中分别沿顺时针和逆时针方向传输，并在探测器C处相遇；

S4：在萨格纳克环的同一出口通过探测器C接收干涉输出电信号；

S5：根据干涉输出电信号和振动位置的关系，确定振动位置。

所述激光器A为波长或频率可调激光器。

图2为本发明提供的振动传感器定位系统的具体实施原理示意图，如图所示：本发明提供的一种基于萨格纳克干涉原理的光纤分布式振动传感器定位系统，可调谐激光器发出的光，被2×2的耦合器分成强度相等的两束光分别沿顺时针和逆时针方向在萨格纳克环中传播，经过萨格纳克环传输回来的光被光电探测器接收。假设振动发生在光纤上的Z₀点，由于激光器的波长可调，沿顺时针和逆时针方向传播的光到达Z₀点的时间不同，使某一时刻与振动位置等有关的信息量被两束波长不同的光分别记录并传输，最后由光电探测器接收。

假设传感光纤的长度为L，光程差为Δ，波长为λ。

在接收端观测时，可得光电探测器的输出为：

$P\left(\mathrm{\τ}\right)\∝\cos [\frac{2\mathrm{\π}\·\mathrm{\Δ}(t-\frac{n(L/2-Z_0)}{c})}{\mathrm{\λ}(t-\frac{n(L/2-Z_0)}{c})}-\frac{2\mathrm{\π}\·\mathrm{\Δ}(t-\frac{n(L/2+Z_0)}{c})}{\mathrm{\λ}(t-\frac{n(L/2+Z_0)}{c})}]$

求解该式，可得到振动位置Z₀，其中，P(τ)表示输出功率，n表示光纤折射率，c表示光在空气中的传播速度，L表示传感光纤总长度，Z₀表示振动点的位置，t表示时间，λ表示波长。

本发明实施例提供的基于萨格纳克干涉原理的光纤分布式振动传感器定位系统，包括激光器A、光纤构成的萨格纳克环B、探测器C和信号处理模块D；所述激光器A通过耦合器与光纤构成的萨格纳克环B连接，所述光纤构成的萨格纳克环B的出口连接用于探测光信号的探测器C。所述探测器将接收的光信号转换为电信号，所述信号处理模块D用于将接收探测器C转换的电信号进行处理得到振动信号的位置。

本发明实施例提供的激光器A为波长或频率可调激光器，萨格纳克环B为普通单模或多模光纤构成的萨格纳克环，耦合器为2*2或3*3耦合器。萨格纳克环B为光纤光传输元件和光纤传感元件。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种萨格纳克光纤分布式振动传感器定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：在待测点附近设置光纤构成萨格纳克环作为传感元件进行实时监测；

S2：在光纤构成的萨格纳克干涉环的两端分别设置激光器A和探测器C；

S3：当振动发生时，承载振动位置信息的两束不同频率的光同时在萨格纳克干涉环中分别沿顺时针和逆时针方向传输，并在探测器C处相遇；

S4：在萨格纳克环的同一出口通过探测器C接收干涉输出电信号；

S5：根据干涉输出电信号和振动位置的关系，确定振动位置。

2.根据权利要求1所述的萨格纳克光纤分布式振动传感器定位方法，其特征在于：所述激光器A为波长或频率可调激光器。

3.根据权利要求3所述的萨格纳克光纤分布式振动传感器定位方法，其特征在于：所述萨格纳克环B为普通单模或多模光纤构成的萨格纳克环。

4.根据权利要求4所述的萨格纳克光纤分布式振动传感器定位方法，其特征在于：所述耦合器为2*2或3*3耦合器。

5.一种萨格纳克光纤分布式振动传感器定位系统，其特征在于：包括激光器A、光纤构成的萨格纳克环B、探测器C和信号处理模块D；所述激光器A通过耦合器与光纤构成的萨格纳克环B连接，所述光纤构成的萨格纳克环B的出口连接用于探测光信号的探测器C。所述探测器将接收的光信号转换为电信号，所述信号处理模块D用于将接收探测器C转换的电信号进行处理得到振动信号的位置。

6.根据权利要求5所述的萨格纳克光纤分布式振动传感器定位系统，其特征在于：所述激光器A为波长或频率可调激光器。

7.根据权利要求6所述的萨格纳克光纤分布式振动传感器定位系统，其特征在于：所述萨格纳克环B为普通单模或多模光纤构成的萨格纳克环。

8.根据权利要求7所述的萨格纳克光纤分布式振动传感器定位系统，其特征在于：所述耦合器为2*2或3*3耦合器。

9.根据权利要求8所述的萨格纳克光纤分布式振动传感器定位系统，其特征在于：所述萨格纳克环B为光纤光传输元件和光纤传感元件。

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