CN104062031B

CN104062031B - 基于mzi传感和布里渊传感协作的长距离、高空间分辨率传感方法

Info

Publication number: CN104062031B
Application number: CN201410338322.7A
Authority: CN
Inventors: 万生鹏; 高鹏; 何兴道
Original assignee: Nanchang Hangkong University
Current assignee: Guangdong Hengzhi Information Technology Co Ltd
Priority date: 2014-07-16
Filing date: 2014-07-16
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2034-07-16
Also published as: CN104062031A

Abstract

本发明公开了一种基于MZI传感和布里渊传感协作的长距离、高空间分辨率传感方法，由MZI传感器先获得温度或应变的异常区域，然后将布里渊传感的测量范围设定在由MZI传感确定的异常区域。其结合了MZI传感和布里渊传感的优越性能。因此，结合MZI可以消除布里渊传感中空间分辨率和测量精度的矛盾。同时，每次测量时，布里渊传感的测量范围由MZI的空间分辨率决定。利用MZI传感的快速响应能力，可以确定温度或应变发生的大致区域。根据MZI传感确定的温度或应变异常区域，将布里渊传感测量范围确定在上述区域，从而可以大大提高分布式光纤传感系统的测量速率和空间分辨率。

Description

基于MZI传感和布里渊传感协作的长距离、高空间分辨率传感方法

技术领域

本发明涉及的是一种基于MZI传感和布里渊传感协作的长距离、高空间分辨率的分布式光纤传感方法。

背景技术

本发明是针对长距离、高空间分辨率分布式光纤传感技术中存在的问题提出来的。

在分布式布光纤传感中，主要有干涉型和散射型两种方式。

干涉型光纤传感主要有基于Sagnac效应的分布式光纤传感、马赫曾德尔干涉仪（MZI）分布式光纤传感。干涉型光纤传感的动态响应能力好，但空间分辨率一般只能达到100米左右，这制约了其在结构健康监测领域的应用。

散射型传感主要有基于瑞利散射的分布式光纤传感、基于拉曼散射的分布式光纤传感、以及基于布里渊散射的分布式光纤传感。对于散射型光纤传感，其空间分辨率和测量距离是相互制约的，测量距离越长，空间分辨率越低。

因此，如果充分利用MZI分布式光纤传感的动态响应能力，确定温度或应变异常发生的区域，再通过时钟控制，让布里渊传感的信号采集只在上述区域进行，这相当于布里渊传感的测量范围等于MZI的空间分辨率，在如此小的测量范围内，布里渊传感可实现很高的空间分辨率。

基于此，本发明设计了一种基于MZI传感和布里渊传感相结合的长距离、高空间分辨率分布式光纤传感方法。不仅可以大大提高空间分辨率，增加系统的测量距离，而且可以提高系统的动态特性。

国家发明专利，申请号：201210004480.X（宋牟平，“布里渊光时域分析和马赫曾德尔干涉共同检测的传感装置”）中提出了布里渊光时域分析和马赫曾德尔干涉仪共同检测的传感装置，但是，该发明融合布里渊传感和马赫曾德尔干涉仪传感的目的是实现多参量（温度、应变和振动）测量，从而提高了光纤传感系统的性价比，拓宽了其应用场合。这与本发明的目的完全不同。

发明内容

本发明设计了基于MZI传感和布里渊传感协作的长距离、高空间分辨率传感方法。

为实现上述目的，本发明其特征在于采用下面的实现步骤：

（1）从窄线宽激光器出来的激光经光耦合器后一分为二分别进入光调制器和光耦合器；

（2）从光调制器出来的光经光调制器进入光耦合器，然后一分为二分别进入传感光纤和参考光纤其中光调制器和光调制器的状态取决于信号处理及控制单元；

（3）从传感光纤和参考光纤出来的光经光耦合器后经返回光纤进入光耦合器，然后到达光电探测器；

（4）从光耦合器中进入光耦合器中的光经返回光纤，进入光耦合器，然后一分为二，分别进入传感光纤和参考光纤，经光耦合器合波后进入光耦合器，然后再一分为二，一路经光滤波器进行滤波，得到与窄线宽激光器同波长的光信号，即马赫曾德尔干涉仪信号，经光电探测器后进入信号处理及控制单元；另一路信号经光滤波器进行滤波，得到受激布里渊信号，然后经光电探测器后进入信号处理及控制单元；

（5）信号处理及控制单元将从光电探测器和光电探测器得到的信号进行相关运算，如果相关运算中没有发现沿传感光纤温度或应变的异常，则信号处理及控制单元不对光电探测器中输出的信号进行处理，同时，给光调制器和光调制器一幅度不变的电信号，这样，光信号经光调制器后不发生任何变化。如果相关运算显示沿传感光纤温度或应变的异常，则给光调制器施加高频信号，给光调制器施加一脉冲信号，这样经光调制器和光调制器输出的信号为一移频的光脉冲信号，其频率相对窄线宽光源的频率上移约11GHz左右。这样在传感光纤和参考光纤中由左向右传输的泵浦光和由右向左传输的探测光产生受激布里渊散射；

（6）根据相关运算结果，信号处理及控制单元可以确定温度或应变异常的大致区域，然后产生控制时钟。根据控制时钟，信号处理及控制单元只对温度或应变异常区域作用的探测光信号进行处理，避免了沿整个传感光纤进行信号检测所需要的巨大时间消耗，从而大大提高了系统的处理速度。另外，在布里渊传感中，测量范围与空间分辨率是互相矛盾的，而马赫曾德尔干涉仪的定位精度大致为100米左右，也就是说布里渊传感的测量范围可以定在100米左右，因此，可以大大提高布里渊传感的空间分辨率；

（7）在获取沿传感光纤温度或应变异常的大小及位置后，信号处理及控制单元重新将光调制器和光调制器的控制信号置成一幅度不变的电信号，并且只对从光电探测器和光电探测器出来的信号进行处理。

本发明由MZI传感器先获得温度或应变的异常区域，然后将布里渊传感的测量范围设定在由MZI传感确定的异常区域。结合了MZI传感和布里渊传感的优越性能。即MZI传感中测量参数不会在空间分辨率范围上平均，因此，结合MZI可以消除布里渊传感中空间分辨率和测量精度的矛盾。同时，每次测量时，布里渊传感的测量范围由MZI的空间分辨率决定，从而可提高分布式光纤传感系统的测量速度和空间分辨率。利用MZI传感的快速响应能力，可以确定温度或应变发生的大致区域。根据MZI传感确定的温度或应变异常区域，将布里渊传感测量范围确定在上述区域，从而可以大大提高分布式光纤传感系统的测量速率和空间分辨率。

本发明的优点是：将布里渊传感和MZI传感结合起来测量沿光纤的温度或应变分布。布里渊传感中温度或应变会在空间分辨率范围内平均，从而空间分辨率会影响温度或应变的测量精度，而MZI传感的空间分辨率不会影响温度或应变的测量精度。本发明将MZI传感和布里渊传感结合起来，先用MZI传感确定沿光纤温度或应变异常的大致区域，再用布里渊传感对由MZI确定的大致区域进行探测，从而可以大大缩小布里渊传感的测量范围，提高布里渊传感的测量速度、空间分辨率及温度或应变的测量精度。

附图说明

图1是本发明的系统结构图。

其中，1是光电探测器，2是光滤波器，其中心波长与光源的波长一致，3是2:1光耦合器，4是2:2光耦合器，5是传感光纤，6是2:1光耦合器，7是光电探测器，8是光滤波器，其中心频率减布里渊频移等于光源频率，9是参考光纤，10是窄线宽激光器，11是光调制器，12是光调制器，13是1:2光耦合器，14是光电探测器，15是2:2光耦合器，16是返回光纤，17是信号处理及控制单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细阐述。

（1）从窄线宽激光器（10）出来的激光经光耦合器（13）后一分为二分别进入光调制器（12）和光耦合器（15）。

（2）从光调制器（12）出来的光经光调制器（11）进入光耦合器（4），然后一分为二分别进入传感光纤（5）和参考光纤（9）。其中光调制器（12）和光调制器（11）的状态取决于信号处理及控制单元（17）。

（3）从传感光纤（5）和参考光纤（9）出来的光经光耦合器（6）后经返回光纤（16）进入光耦合器（15），然后到达光电探测器（14）。

（4）从光耦合器（13）中进入光耦合器（15）中的光经返回光纤（16），进入光耦合器（6），然后一分为二，分别进入传感光纤（5）和参考光纤（9），经光耦合器（4）合波后进入光耦合器（3），然后再一分为二，一路经光滤波器（2）进行滤波，得到与窄线宽激光器（10）同波长的光信号（即马赫曾德尔干涉仪信号），经光电探测器（1）后进入信号处理及控制单元（17）。另一路信号经光滤波器（8）进行滤波，得到受激布里渊信号，然后经光电探测器（7）后进入信号处理及控制单元（17）。

（5）信号处理及控制单元（17）将从光电探测器（1）和光电探测器（14）得到的信号进行相关运算。如果相关运算中没有发现沿传感光纤温度或应变的异常，则信号处理及控制单元（17）不对光电探测器（7）中输出的信号进行处理，同时，给光调制器（12）和光调制器（11）一幅度不变的电信号，这样，光信号经光调制器后不发生任何变化。如果相关运算显示沿传感光纤温度或应变的异常，则给光调制器（12）施加高频信号，给光调制器（11）施加一脉冲信号，这样经光调制器（12）和光调制器（11）输出的信号为一移频的光脉冲信号，其频率相对窄线宽光源（10）的频率上移约11GHz左右。这样在传感光纤和参考光纤中由左向右传输的泵浦光和由右向左传输的探测光产生受激布里渊散射。

（6）根据相关运算结果，信号处理及控制单元可以确定温度或应变异常的大致区域，然后产生控制时钟。根据控制时钟，信号处理及控制单元（17）只对温度或应变异常区域作用的探测光信号进行处理，避免了沿整个传感光纤进行信号检测所需要的巨大时间消耗，从而大大提高了系统的处理速度。另外，在布里渊传感中，测量范围与空间分辨率是互相矛盾的，而马赫曾德尔干涉仪的定位精度大致为100米左右，也就是说布里渊传感的测量范围可以定在100米左右，因此，可以大大提高布里渊传感的空间分辨率。

（7）在获取沿传感光纤温度或应变异常的大小及位置后，信号处理及控制单元（17）重新将光调制器（12）和光调制器（11）的控制信号置成一幅度不变的电信号，并且只对从光电探测器（1）和光电探测器（14）出来的信号进行处理。

首先，信号处理及控制单元给两个光调制器施加一幅度不变的电信号，窄线宽激光器输出的连续光经过两个光调制器后不产生任何变化，这时整个系统构成了一套基于MZI的分布式光纤传感系统。当MZI传感系统监测到没传感光纤的温度或应变异常后，信号处理及控制单元改变光调制器的控制信号，此时，窄线宽激光器的输出的连续光不仅频率发生变化，而且变成了脉冲光，此时，整个系统变成了一套布里渊传感系统，并且根据MZI传感监测到的温度或应变异常区域进行数据采集，从而大大提高了系统的测量速度和空间分辨率。

Claims

1.基于MZI传感和布里渊传感协作的长距离、高空间分辨率传感方法，其特征在于由以下步骤实现：

<1>从窄线宽激光器（10）出来的激光经第一光耦合器（13）后一分为二分别进入第一光调制器（12）和第二光耦合器（15）；

<2>从第一光调制器（12）出来的光经第二光调制器（11）进入第三光耦合器（4），然后一分为二分别进入传感光纤（5）和参考光纤（9），其中第一光调制器（12）和第二光调制器（11）的状态取决于信号处理及控制单元（17）；

<3>从传感光纤（5）和参考光纤（9）出来的光经第四光耦合器（6）后经返回光纤（16）进入第二光耦合器（15），然后到达第一光电探测器（14）；

<4>从第一光耦合器（13）中进入第二光耦合器（15）中的光经返回光纤（16），进入第四光耦合器（6），然后一分为二，分别进入传感光纤（5）和参考光纤（9），经第三光耦合器（4）合波后进入第五光耦合器（3），然后再一分为二，一路经第一光滤波器（2）进行滤波，得到与窄线宽激光器（10）同波长的光信号，即马赫曾德尔干涉仪信号，经第二光电探测器（1）后进入信号处理及控制单元（17），另一路信号经第二光滤波器（8）进行滤波，得到受激布里渊信号，然后经第三光电探测器（7）后进入信号处理及控制单元（17）；

<5>信号处理及控制单元（17）将从第二光电探测器（1）和第一光电探测器（14）得到的信号进行相关运算；如果相关运算中没有发现沿传感光纤温度或应变的异常，则信号处理及控制单元（17）不对第三光电探测器（7）中输出的信号进行处理，同时，给第一光调制器（12）和第二光调制器（11）一幅度不变的电信号，如果相关运算显示沿传感光纤温度或应变的异常，则给第一光调制器（12）施加高频信号，给第二光调制器（11）施加一脉冲信号，这样经第一光调制器（12）和第二光调制器（11）输出的信号为一移频的光脉冲信号，其频率相对窄线宽光源（10）的频率上移约11GHz左右，这样在传感光纤和参考光纤中由左向右传输的泵浦光和由右向左传输的探测光产生受激布里渊散射；

<6>根据相关运算结果，信号处理及控制单元可以确定温度或应变异常的大致区域，然后产生控制时钟；根据控制时钟，信号处理及控制单元（17）只对温度或应变异常区域作用的探测光信号进行处理；

<7>在获取沿传感光纤温度或应变异常的大小及位置后，信号处理及控制单元（17）重新将第一光调制器（12）和第二光调制器（11）的控制信号置成一幅度不变的电信号，并且只对从第二光电探测器（1）和第一光电探测器（14）出来的信号进行处理。

2.根据权利要求1所述的基于MZI传感和布里渊传感协作的长距离、高空间分辨率传感方法，其特征在于：所述传感方法利用MZI传感的快速响应能力，可以确定温度或应变发生的大致区域。

3.根据权利要求1所述的基于MZI传感和布里渊传感协作的长距离、高空间分辨率传感方法，其特征在于：所述传感方法根据MZI传感确定的温度或应变异常区域，将布里渊传感测量范围确定在上述区域。