CN103743462B - 基于双调制马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于双调制马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统，包括马赫-泽德干涉仪、以及设置在干涉仪两端的主机和从机，以及2个耦合器、4个光光环形器、2个相位调制器及2根传感光纤。本发明将光纤干涉仪两端的主机和从机发出的调制信号分别加载到干涉仪的相位调制器实现双调制，被调制的信号相干后在光源的对端实现信号的采样和解调，在实现解调的过程中将调制信号进行延迟作为解调信号，以抵消被调制信号经过传输和电路延迟到达解调模块的时间延迟，从而解决了由于调制和解调信号之间相位差过大造成解调结果严重变形的弊端，进而使得主机和从机端的调制信号和解调信号之间的相位差大大降低，以达到更高的定位精度。

Description

基于双调制马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统

技术领域

本发明涉及光纤传感技术，具体涉及一种基于双调制马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统。

背景技术

对于管道、通信线路特别是军用通信线路以及边境线等对安全需要较高的场所，一般采用分布式光纤传感的方式实现整个线路的无盲区防护。目前对于光纤传感做的较为成熟的产品的光路一般都是采用萨格奈克（Sagnac）环的方式，由于采用萨格奈克（Sagnac）环的方式实现防护的定位误差随着防护距离的增加而成比例的增加，因此不适合长距离防护。如果用众多的萨格奈克（Sagnac）环来组成传感单元构成传感网络来增加传感距离，从而造成整个系统复杂度的提高和建设成本的提高，不适合实际需要。

为了解决上述萨格奈克（Sagnac）在长距离防护中的缺陷，一般采用马赫-泽德干涉仪实现低成本长距离无盲区防护的目的。马赫-泽德干涉仪具有光路结构简单、检测扰动信号的动态范围大、系统灵敏度高、对事件的响应快、实现防护的距离长、定位精度高、可实现多点检测和定位等优点。它是分布式光纤传感发展的一个重要方向。

目前马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统的实现方式是这样的：将传感光缆沿要防护的线路铺设，将调制信号加载到光路上。可以采用单光源或双光源的方式。采用单光源的方式需要将近端光源发出的光通过一根通信光纤送到对端作为对端干涉仪的光输入，同时通过波分复用使用同一根光纤将相干信号引回。然后将两路相干信号分别经过光电转换后进行解调和其它信号处理。采用双光源的方式需要将主机和从机分别放置在干涉仪的两端，在主机或从机侧加载调制信号，主机对从机的控制通过一根通信光纤实现，使用同一个光纤通过波分复用将从机解调后的信号引回到主机，经过综合考虑时钟同步模块的测距结果进行定位。无论采用单光源或双光源的方式对于靠近调制信号一侧，调制信号从加载到光路上经过光传输到同侧主机的3dB耦合器、光电转换、电路延迟到达解调模块的时间延迟很短，只要将调制信号进行适当的延迟后作为解调信号，调制信号和解调信号之间的相位很小不足以使解调结果变形。对于远离调制信号端的一侧和靠近调制信号一侧的情况完全不同，当调制信号加载到光路上后，经过上百公里的长距离传输、光电转换、电路延迟到达解调模块信号的相位是未知的，如果将其直接与解调信号相乘实现解调，调制信号和解调信号之间的相位差是随机的，这种随机相位可能为π、可能为π/2、也可能为0到2π范围的任何一个值，如果相位差为π直接造成无法解调出振动信号，从而无法定位。该缺陷直接限制了马赫-泽德干涉仪在实际中的应用。

发明内容

本发明的目的在于设计一种基于双调制马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统，光纤干涉仪两端的主机和从机发出的调制信号分别加载到靠近干涉仪的相位调制器上，通过将调制信号进行适当的延迟作为解调信号来实现信号的解调，远端经过解调后的信号通过一根独立的光纤传输到近端在近端进行相关的信号处理和定位运算，从而确定扰动的位置。

本发明设计的基于双调制马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统采用如下技术方案：包括马赫-泽德干涉仪、以及设置在干涉仪两端的主机和从机，主机和从机均包括光源、PIN和通信模块，主机的通信模块和从机的通信模块通过一根通信光纤相连，本系统还包括2个耦合器、4个光环形器、2个相位调制器及2根传感光纤；主机的光源发出的光经第一耦合器分成两路，一路依次经过第一光环形器的第二号端口和第三号端口、第二光环形器的第一号端口和第二号端口、第一传感光纤到第二耦合器，另一路依次经过第二传感光纤、第四光环形器的第二号端口和第三号端口、第二相位调制器、第三光环形器的第一号端口和第二号端口到第二耦合器，两路光信号耦合后的信号连接从机的PIN形成第一马赫-泽德干涉仪；同样从机的光源发出的光经过第二耦合器分成两路，一路依次经过第一传感光纤、第二光环形器的第二号端口和第三号端口、第一相位调制器、第一光环形器的第一号端口和第二号端口到第一耦合器，另一路依次经过第三光环形器的第二号端口和第三号端口、第四光环形器的第一号端口和第二号端口、第二传感光纤到第一耦合器，两路信号在第一耦合器发生耦合，耦合后的信号连接主机的PIN，构成第二马赫-泽德干涉仪。本发明将调制信号从主、从机发出分别加载到第一、第二相位调制器实现双调制，被调制的信号相干后在光源的对端实现相干信号的采样和解调，由于调制信号和解调信号是从同一个端机发出的同一个信号，在实现解调的过程中只要将调制信号进行一个小的延迟后作为解调信号基本就能实现被调制的信号经过传输和电路延迟到达解调模块的时间延迟，从而解决由于调制和解调信号之间相位差太大造成解调结果严重变形的弊端。

所述第一相位调制器和第二相位调制器为光Y波导或光相位调制器。

所述通信光纤为空闲光纤或通过波分复用的业务纤。

所述耦合器为3dB耦合器。

所述主机还包括显示装置。

所述主机还包括报警装置。

与现有技术相比，本发明将光纤干涉仪两端的主机和从机发出的调制信号分别加载到干涉仪的相位调制器实现双调制，被调制的信号相干后在光源的对端实现信号的采样和解调，在实现解调的过程中将调制信号进行一个小的延迟后作为解调信号，以抵消被调制信号经过传输和电路延迟到达解调模块的时间延迟，从而解决了由于调制和解调信号之间相位差过大造成解调结果严重变形的弊端，进而使得主机和从机的调制信号和解调信号之间的相位差大大降低，以达到更高的定位精度。

附图说明

图1为本基于双调制马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统实施例1的结构示意图；

图2为本基于双调制马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统实施例1的安装示意图；

图3为本基于双调制马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统实施例2的安装示意图；

图中标号说明如下：1、主机；2、从机；3-1、第一耦合器；3-2第二耦合器；4-1、第一光环形器；4-2、第二光环形器；4-3、第三光环形器；4-4、第四光环形器；5-1、第一相位调制器；5-2、第二相位调制器；6-1、第一传感光纤；6-2、第二传感光纤；7、通信光纤；8、被防护的管道；9、被防护的通信光缆。

具体实施方式

实施例1

本例为运用于管道安全防护的基于双调制马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统。

基于双调制马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统如图1所示，包括安装在干涉仪两端的主机1和从机2，主机1和从机2均包括光源、PIN、通信模块、控制模块、数据缓存模块和时钟同步模块，控制模块连接光源、PIN、通信模块、控制模块、数据缓存模块和时钟同步模块，其中，主机1还连接有显示装置和报警装置，主机1的通信模块和从机2的通信模块通过一根通信光纤7相连。

本发明的基于双调制马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统还包括2个耦合器、4个光环形器、2个相位调制器及2根传感光纤；主机1的光源发出的光经第一耦合器3-1分成两路，一路依次经过第一光环形器4-1的第二号端口和第三号端口、第二光环形器4-2的第一号端口和第二号端口、第一传感光纤6-1到第二耦合器3-2，另一路依次经过第二传感光纤6-2、第四光环形器4-4的第二号端口和第三号端口、第二相位调制器5-2、第三光环形器4-3的第一号端口和第二号端口到第二耦合器3-2，两路光信号耦合后的信号连接从机2的PIN形成第一马赫-泽德干涉仪；同样从机2的光源发出的光经过第二耦合器3-2分成两路，一路依次经过第一传感光纤6-1、第二光环形器4-2的第二号端口和第三号端口、第一相位调制器5-1、第一光环形器4-1的第一号端口和第二号端口到第一耦合器3-1，另一路依次经过第三光环形器4-3的第二号端口和第三号端口、第四光环形器4-4的第一号端口和第二号端口、第二传感光纤6-2到第一耦合器3-1，两路信号在第一耦合器3-1发生耦合，耦合后的信号连接主机1的PIN，构成第二马赫-泽德干涉仪。所述的两个独立的马赫-泽德干涉仪通过共用传感光缆来实现事件的告警和定位。当主机1解调后的信号的幅度超过设定的阈值时，主机1开始缓存数据并启动主机1时钟同步模块开始计时同时向从机2通过通信光纤7发送触发信号，从机2的时钟同步模块收到触发信号后给主机1通过通信光纤7回应一个确认信号同时开始缓存数据，主机1收到从机2的回应信号后主机1同步时钟模块计时结束，通过计算从发出触发信号到收到确认信号的时间来计算主机1和从机2之间采集信号时间偏移量。当主机1和从机2采集到足够长度的数据后，从机2将采集的数据通过通信光纤7回传到主机1，在主机1实现主从信号处理，在综合时钟同步模块的结果实现扰动点的定位。当确定扰动点的具体位置后将结果显示在显示装置上同时发出报警提示声音。

所述的相位调制器为能实现光信号相位调制的光Y波导或光相位调制器。

所述的主、从机2中的控制模块为DSP处理器，对光源、PIN、通信模块、数据缓存、时间同步模块进行控制或对数据进行处理。

所述的通信光纤7为空闲光纤或有信号传输但可通过波分复用进行信号传输的业务光纤。

所述的时钟同步模块为在一根通信光纤7或波分复用业务光纤上串行的发送经过编码的测距帧和空闲帧的方式实现主、从机采样触发时间差的测量。

所述的从机2的控制指令由主机1发出，经过空闲光纤或波分复用传输到对端对从机2进行控制。

本示例的安装情况如图2所示：将光缆沿被防护的管道8两侧铺设成S型，主机1和从机2分别安装在距离达到上百公里有供电条件的机房中，将光器件（3dB耦合器、光环形器、相位调制器）埋设在靠近各自端机机房的地下。当在系统可以检测到的范围内对管道进行钻孔或破坏时，铺设的光缆会感知到这种振动。将从机2侧的解调结果通过通信光缆传回主机1，在主机1实现定位和报警。由于整个光路结构简单，所以整个工程施工没有难度，运行的可靠性比较高。

实施例2

本实例运用于光纤通信线路的安全监测的基于双调制马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统。本系统的系统结构实例1一致，不再重复描述。

本例的安装情况如图3所示，将被防护的通信光缆9中的两个根备用光纤作为本系统的传感光纤，将另外一根空闲光纤作为主机1和从机2之间的通信光纤7。主机1和从机2分别安装在距离达到上百公里有供电条件的机房中，当通信光缆遭到破坏或者窃听时，系统检测到破坏或由于窃听引起光缆的振动后，从机2通过通信光纤7将从机2的解调结果传回主机1，在主机1实现定位和报警。这种方案避免额外的光纤布设成本，安装速度快，系统运行可靠。

上述实施例，仅为本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限制与此，凡在本发明的公开范围之内做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于双调制马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统，包括马赫-泽德干涉仪、以及设置在干涉仪两端的主机(1)和从机(2)，主机(1)和从机(2)均包括光源、PIN和通信模块，主机(1)的通信模块和从机(2)的通信模块通过一根通信光纤(7)相连，其特征在于：本系统还包括2个耦合器、4个光环形器、2个相位调制器及2根传感光纤；主机(1)的光源发出的光经第一耦合器(3-1)分成两路，一路依次经过第一光环形器(4-1)的第二号端口和第三号端口、第二光环形器(4-2)的第一号端口和第二号端口、第一传感光纤(6-1)到第二耦合器(3-2)，另一路依次经过第二传感光纤(6-2)、第四光环形器(4-4)的第二号端口和第三号端口、第二相位调制器(5-2)、第三光环形器(4-3)的第一号端口和第二号端口到第二耦合器(3-2)，两路光信号耦合后的信号连接从机(2)的PIN形成第一马赫-泽德干涉仪；同样从机(2)的光源发出的光经过第二耦合器(3-2)分成两路，一路依次经过第一传感光纤(6-1)、第二光环形器(4-2)的第二号端口和第三号端口、第一相位调制器(5-1)、第一光环形器(4-1)的第一号端口和第二号端口到第一耦合器(3-1)，另一路依次经过第三光环形器(4-3)的第二号端口和第三号端口、第四光环形器(4-4)的第一号端口和第二号端口、第二传感光纤(6-2)到第一耦合器(3-1)，两路信号在第一耦合器(3-1)发生耦合，耦合后的信号连接主机(1)的PIN，构成第二马赫-泽德干涉仪。

2.根据权利要求1所述的基于双调制马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统，其特征在于：所述第一相位调制器(5-1)和第二相位调制器(5-2)为光Y波导或光相位调制器。

3.根据权利要求1所述的基于双调制马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统，其特征在于：所述通信光纤(7)为空闲光纤或通过波分复用的业务纤。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的基于双调制马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统，其特征在于：所述第一耦合器和第二耦合器均为3dB耦合器。

5.根据权利要求1～3任意一项所述的基于双调制马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统，其特征在于：所述主机(1)还包括显示装置。

6.根据权利要求1～3任意一项所述的基于双调制马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统，其特征在于：所述主机(1)还包括报警装置。