CN103542925B - 一种准分布式光纤振动传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种准分布式光纤振动传感装置，其特征在于，包括：宽谱光源，多个传感单元，马赫曾德干涉仪，三个波分复用器，以及三组光探测器；传感单元均为光纤布拉格光栅法布里泊罗腔，每个传感单元由两个串联的全同高反光纤布拉格光栅组成，每个传感单元对应一个波段的光，能使该波段的光在其内产生振荡干涉；宽谱光源通过级联的多个传感单元与马赫曾德干涉仪的输入端连接，马赫曾德干涉仪的三个输出端分别连接三个波分复用器；受外界振动信号作用的传感单元对应波段的光的游标光谱会发生漂移，光功率受到调制，处理光探测器的检测结果即可实现振动信号解调。本装置能够实现高灵敏度和大容量复用传感，可用于多点微弱振动信号的探测。

Description

一种准分布式光纤振动传感装置

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种准分布式光纤振动传感装置。

背景技术

边境防范、地震监测、海啸预警等应用领域的传感报警系统在保障人民生活安定，保护人民生命财产安全方面发挥着重要的作用，这类系统的本质在于对振动信号的检测和分析。光纤传感具有抗电磁干扰、易于长距离通信组网的优势，光纤既作为感知单元又作为传输介质，具有连续分布、频带宽、损耗小等特性，承担着分布式振动信号监测的任务。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。由于光纤对振动、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越来越多的重视。

在一些特殊的应用场合，例如低频光纤地震波探测领域，由于振动信号非常微弱，探测点多，传输距离很长，需要进行高灵敏度的分布式探测，现有的光纤传感方法很难满足要求。

目前，实用的分布式光纤传感主流技术有光时域反射和光纤光栅。光时域反射利用了光信号的反射时间进行定位，光纤光栅利用波分复用技术进行定位。它们具有定位精度高，传感头成本低等优势，但是由于其探测灵敏度较低，只能在例如小区边界安防、结构健康监测、火灾预警等强信号探测领域中使用。传统光纤振动传感中，灵敏度最高的是干涉仪。干涉传感是利用传感信号对光的相位调制实现的。由于光纤上任意两点的扰动都能够对光进行相位调制，因此在分布式传感中，干涉仪的多点分布式定位是一个难点。

因此，如何将高灵敏度与分布式传感的优点集中在一起，是光纤传感领域亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种准分布式光纤振动传感装置，能够实现高灵敏度和大容量复用传感，可用于多点微弱振动信号的探测。

为实现上述目的，本发明提供了一种准分布式光纤振动传感装置，其特征在于，包括：宽谱光源，多个传感单元，马赫曾德干涉仪，三个波分复用器，以及三组光探测器；所述多个传感单元均为光纤布拉格光栅法布里泊罗腔，每个传感单元由两个串联的全同高反光纤布拉格光栅组成，每个传感单元对应一个波段的光，能使该波段的光在其内产生振荡干涉；所述宽谱光源通过级联的所述多个传感单元与所述马赫曾德干涉仪的输入端连接，所述马赫曾德干涉仪的三个输出端分别连接所述三个波分复用器，所述三个波分复用器分别连接所述三组光探测器；所述宽谱光源输出的宽谱光进入所述多个传感单元后，不同波段的光分别在各自对应的传感单元内振荡干涉后，再通过所述马赫曾德干涉仪干涉，产生各自对应的游标光谱，所述三个波分复用器分别将所述多个传感单元各自对应的不同波段的光滤出，并送至所述三组光探测器进行功率检测，受外界振动信号作用的传感单元对应波段的光的游标光谱会发生漂移，光功率受到调制，处理光探测器的检测结果即可实现振动信号解调。

优选地，所述马赫曾德干涉仪包括第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、偏振控制器和延迟光纤，所述第一光纤耦合器为耦合比为1:1的1×2宽带耦合器，所述第二光纤耦合器为耦合比为1:1:1的3×3宽带耦合器，所述第一光纤耦合器的第一输出端与所述第二光纤耦合器的第一输入端连接，所述第一光纤耦合器的第二输出端通过所述延迟光纤与所述第二光纤耦合器的第二输入端连接，所述偏振控制器设置在所述马赫曾德干涉仪的任何一臂上，所述第二光纤耦合器的第三输入端闲置。

优选地，在所述多个传感单元的两个串联的全同高反光纤布拉格光栅间设置偏振控制器。

优选地，所述光纤布拉格光栅法布里泊罗腔的精细度大于所述马赫曾德干涉仪的两臂光程差和该光纤布拉格光栅法布里泊罗腔的光学腔长之比。

优选地，所述光纤布拉格光栅法布里泊罗腔的光学腔长为所述马赫曾德干涉仪的两臂光程差的千分之一到百分之一。

优选地，还包括采集解调模块，与所述三组光探测器连接，用于解调振动信号。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、由于马赫曾德干涉仪的两臂光程差近似为光纤布拉格光栅法布里泊罗腔光学腔长的偶数倍，灵敏度成倍提高。

2、由于采用光纤布拉格光栅法布里泊罗腔作为传感单元，更易于实现单纤大容量复用，传感头彼此之间无干扰，且传感光路和参考光路在空间上分开，避免了信号对参考光路的干扰。

3、可通过拉伸光纤使光纤布拉格光栅法布里泊罗腔的光学腔长与马赫曾德干涉仪的两臂光程差匹配，对光纤布拉格光栅法布里泊罗腔长度没有严格的要求，大大降低了传感头工艺难度。

4、结构简单，成本低。

附图说明

图1是本发明一个实施例的基于游标效应的准分布式光纤振动传感装置示意图；

图2是本发明另一个实施例的基于游标效应的准分布式光纤振动传感装置示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例的基于游标效应的准分布式光纤振动传感装置包括：宽谱光源1，传感单元F_1-1、…、传感单元F_1-n（n>1且n为整数），马赫曾德干涉仪（Mach-Zenhder Interfermeter，MZI），三个波分复用器（Wavelength Division Multiplexer,WDM）6，三组光探测器（Photo Detector,PD）7，以及采集解调模块8。

传感单元F_1-1…F_1-n均为光纤布拉格光栅法布里泊罗（Fiber BraggGrating-Fabry-Perot，FBG-FP）腔，FBG-FP腔均由两个串联的全同高反光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）组成。具体地，传感单元F_1-1由两个串联的全同高反FBG G₁组成，传感单元F_1-n由两个串联的全同高反FBG G_n组成。

MZI包括第一光纤耦合器2、第二光纤耦合器3、偏振控制器（Polarization Controller,PC）4和延迟光纤5。第一光纤耦合器2为耦合比为1:1的1×2宽带耦合器，第二光纤耦合器3为耦合比为1:1:1的3×3宽带耦合器。第一光纤耦合器2的第一输出端与第二光纤耦合器3的第一输入端连接，第一光纤耦合器2的第二输出端通过延迟光纤5与第二光纤耦合器3的第二输入端连接，第一光纤耦合器2与延迟光纤5间的光路中设置PC4，第二光纤耦合器3的第三输入端闲置。

宽谱光源1通过n个级联的传感单元F_1-1…F_1-n与MZI的第一光纤耦合器2的输入端连接，MZI的第二光纤耦合器3的三个输出端分别连接三个WDM6，每个WDM6与一组（n个）PD7连接，所有PD7的另一端连接采集解调模块8。

以上所述光学器件全部基于单模光纤，以保证理想的滤波特性。

MZI中的PC4并不局限于上述连接方式，更一般地，PC4可以设置在MZI的任何一臂上，即PC4可以设置在第一光纤耦合器2的第一输出端与第二光纤耦合器3的第一输入端间的光路中，也可以设置在第一光纤耦合器2的第二输出端与第二光纤耦合器3的第二输入端间的光路中。

本发明实施例的传感装置的工作原理为：宽谱光源1输出的宽谱光进入传感单元F_1-1…F_1-n后，与传感单元F_1-1…F_1-n各自对应的不同波段λ₁…λ_n的光由于FBG的反射，分别在各自对应的传感单元F_1-1…F_1-n内振荡干涉，再通过MZI干涉，产生游标光谱，这个游标光谱类似法布里珀罗（Fabry-Perot,FP）干涉光谱，其自由光谱范围（Free Spectral Range,FSR）为：

$\mathrm{FSR}=\frac{c}{n_1{l}_1-2m{n}_2{l}_2}---\left(1\right)$

其中，c为真空中的光速，n₁、l₁分别为MZI的延迟光纤的等效折射率和长度，n₂、l₂分别为FBG-FP腔的等效折射率和腔长，m为整数，MZI的两臂光程差和FBG-FP的光学腔长之比近似为2m。MZI的第二光纤耦合器3的三个输出端通过三个WDM6分别将传感单元F_1-1…F_1-n各自对应的不同波段λ₁…λ_n的光滤出，并送至三组PD7，每组PD7中的每个PD检测一个波段的光，从而实现对不同波段λ₁…λ_n的光进行功率检测。

当传感单元F_1-1…F_1-n的光纤沿线受到外界振动信号扰动时，振动信号附近的FBG-FP腔内的光纤产生应变，n₂l₂发生变化，由式（1）可知，对应的游标光谱发生漂移，使得MZI的第二光纤耦合器3的三个输出端输出的与产生应变的FBG-FP腔对应的波段的光功率受到调制，PD 7将光功率的检测结果送至采集解调模块8解调振动信号。

FBG-FP腔内FBG的反射率的选取要兼顾WDM的输出波形的对比度和输出光功率。FBG的反射率过高，大部分光被反射，输出光功率太弱，不利于信号检测；FBG的反射率过低，不能形成高对比度的游标光谱，输出波形的对比度小。FBG的反射率应选取合适的值，使得FBG-FP腔的精细度大于2m，以形成高对比度的游标光谱。

FBG-FP腔的光学腔长约为MZI的两臂光程差的千分之一到百分之一。FBG-FP腔的光学腔长过小，则对FBG-FP腔的精细度要求过高，实际中难以实现；FBG-FP腔的光学腔长过大，则不能通过拉伸光纤使FBG-FP腔的光学腔长与MZI的两臂光程差匹配，即不能使MZI的两臂光程差与FBG-FP腔的光学腔长之比近似为偶数，不能产生游标效应。FBG-FP的腔长等于腔内单模光纤长度和FBG有效长度之和，FBG有效长度L_eff具体可参考经验公式：

$L_{\mathrm{eff}}=L\frac{\sqrt{R}}{2a\tanh \left(\sqrt{R}\right)}$

其中，L为FBG栅区长度，R为FBG的反射率。

图2为本发明另一个实施例的基于游标效应的准分布式光纤振动传感装置示意图。如图2所示，分别在传感单元F_2-1…F_2-n的两个串联的全同高反FBG的光路间设置PC 4，用于控制FBP-FP腔中光的偏振态，以提高信号的对比度。具体地，在传感单元F_2-1的两个串联的全同高反FBG G₁间设置PC 4，在传感单元F_2-n的两个串联的全同高反FBG G_n间设置PC 4。

本发明的准分布式光纤振动传感装置中，MZI的两臂光程差近似为FBG-FP腔光学腔长的偶数倍，灵敏度成倍提高；由于采用FBG-FP腔作为传感单元，更易于实现单纤大容量复用，传感头彼此之间无干扰，且传感光路和参考光路在空间上分开，避免了信号对参考光路的干扰；可通过拉伸光纤使FBG-FP腔的光学腔长与MZI的两臂光程差匹配，对FBG-FP腔长度没有严格的要求，大大降低了传感头工艺难度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种准分布式光纤振动传感装置，其特征在于，包括：宽谱光源，多个传感单元，马赫曾德干涉仪，三个波分复用器，以及三组光探测器；

所述多个传感单元均为光纤布拉格光栅法布里泊罗腔，每个传感单元由两个串联的全同高反光纤布拉格光栅组成，每个传感单元对应一个波段的光，能使该波段的光在其内产生振荡干涉；

所述宽谱光源通过级联的所述多个传感单元与所述马赫曾德干涉仪的输入端连接，所述马赫曾德干涉仪的三个输出端分别连接所述三个波分复用器，所述三个波分复用器分别连接所述三组光探测器；

所述宽谱光源输出的宽谱光进入所述多个传感单元后，不同波段的光分别在各自对应的传感单元内振荡干涉后，再通过所述马赫曾德干涉仪干涉，产生各自对应的游标光谱，所述三个波分复用器分别将所述多个传感单元各自对应的不同波段的光滤出，并送至所述三组光探测器进行功率检测，受外界振动信号作用的传感单元对应波段的光的游标光谱会发生漂移，光功率受到调制，处理光探测器的检测结果即可实现振动信号解调。

2.如权利要求1所述的准分布式光纤振动传感装置，其特征在于，所述马赫曾德干涉仪包括第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第一偏振控制器和延迟光纤，所述第一光纤耦合器为耦合比为1:1的1×2宽带耦合器，所述第二光纤耦合器为耦合比为1:1:1的3×3宽带耦合器，所述第一光纤耦合器的第一输出端与所述第二光纤耦合器的第一输入端连接，所述第一光纤耦合器的第二输出端通过所述延迟光纤与所述第二光纤耦合器的第二输入端连接，所述第一偏振控制器设置在所述马赫曾德干涉仪的任何一臂上，所述第二光纤耦合器的第三输入端闲置。

3.如权利要求1或2所述的准分布式光纤振动传感装置，其特征在于，在所述多个传感单元的两个串联的全同高反光纤布拉格光栅间设置第二偏振控制器。

4.如权利要求1或2所述的准分布式光纤振动传感装置，其特征在于，所述光纤布拉格光栅法布里泊罗腔的精细度大于所述马赫曾德干涉仪的两臂光程差和该光纤布拉格光栅法布里泊罗腔的光学腔长之比。

5.如权利要求1或2所述的准分布式光纤振动传感装置，其特征在于，所述光纤布拉格光栅法布里泊罗腔的光学腔长为所述马赫曾德干涉仪的两臂光程差的千分之一到百分之一。

6.如权利要求1或2所述的准分布式光纤振动传感装置，其特征在于，还包括采集解调模块，与所述三组光探测器连接，用于解调振动信号。