CN105784101B - 基于光纤弱反射点阵Fizeau干涉分布式振动传感系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弱反射点阵Fizeau干涉阵列分布式振动传感系统及方法，其中系统包括光脉冲发生器、两个光纤耦合器、延时器、光环形器和光纤Fizeau干涉阵列，该系统还包括耦合器、两个光电探测器、数据采集与控制卡；光脉冲发生器产生的光脉冲经第一光纤耦合器分成两个光脉冲，第二光脉冲经过延时器延时后，与第一光脉冲耦合成脉冲对，脉冲对通过光环形器进入光纤Fizeau干涉阵列并经其反射产生多个反射脉冲对，再回到光环形器；由相邻两个光纤弱反射点反射产生的两个反射脉冲对中，前一个反射脉冲对中的后一个脉冲作为参考光，后一个反射脉冲对中的前一个脉冲作为信号光，两者在耦合器处发生干涉，产生干涉信号；干涉信号经两个光电探测器输出给数据采集与控制卡进行解调。

Description

基于光纤弱反射点阵Fizeau干涉分布式振动传感系统及方法

技术领域

本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及一种基于光纤弱反射点阵光纤Fizeau干涉阵列分布式振动传感系统及方法。

背景技术

分布式光纤振动传感是以光纤为传感元件和传输介质，实现对传感链路周边振动信号进行探测的技术，其不但具有简单光纤传感技术灵敏度高、耐高温、抗腐蚀和抗电磁干扰等优点特性，而且更能体现光纤分布延伸的优势，传感链路中任一点都能受到振动信号的调制，从而实现振动信号的无漏点检测，干涉型分布式光纤振动传感技术是基于光波干涉调制原理的振动传感技术，具有灵敏度高、动态范围大和响应频率高等突出优点，

Fizeau干涉中利用第一次反射光作为的参考光，第二次反射光作为信号光使用同一光纤臂，采用单光纤臂共路干涉时，参考光与信号光同在一个臂传输，外界环境变化不会产生额外的相位差，参考光和信号光受到外界扰动情况是相同的，两束光仅仅取决于固定相位差和被测振动量所产生的相位差，这种单光纤臂共路干涉的结构极大增强了系统的抗干扰能力，提高了信噪比。基于Fizeau干涉的传感结构由于其优点得到了更多专业人士的研究。

传统Fizeau干涉仪采用单腔传感头以及双腔式传感头，由于外界温度、压力等变化导致腔长发生变化，从而导致干涉光强发生变化。整个振动传感系统对传感头的制作有很高的要求，尤其是对于Fizeau反射端面材料的选择以保证参考光与信号光的光强接近，其传感灵敏度与制作水平也有很大的关系，所以制作工艺和造价较高。

发明内容

为降低对Fizeau腔反射端面的制作要求，并实现分布式振动传感，利用一种基于光纤弱反射点阵光纤Fizeau干涉阵列分布式振动传感系统实现分布式振动测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种基于光纤弱反射点阵Fizeau干涉阵列分布式振动传感系统，其特征在于，包括光脉冲发生器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、延时器、光环形器和光纤Fizeau干涉阵列，光脉冲发生器产生的光脉冲经第一光纤耦合器分成第一光脉冲和第二光脉冲，第二光脉冲经过延时器延时后，与第一光脉冲在第二光纤耦合器处耦合成脉冲对，脉冲对通过光环形器进入光纤Fizeau干涉阵列并经其反射产生多个反射脉冲对，多个反射脉冲对再回到光环形器；

该系统还包括耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、数据采集与控制卡；耦合器与光环形器连接，第一光电探测器、第二光电探测器均与数据采集与控制卡连接；由相邻两个光纤弱反射点反射产生的两个反射脉冲对中，前一个反射脉冲对中的后一个脉冲作为参考光，后一个反射脉冲对中的前一个脉冲作为信号光，两者在耦合器处发生干涉，产生干涉信号；干涉信号经第一光电探测器、第二光电探测器输出给数据采集与控制卡进行解调。

本发明所述的系统中，光纤Fizeau干涉阵列包括多对光纤弱反射点，每对光纤弱反射点之间连接有光纤。

本发明所述的系统中，光纤弱反射点为光纤布拉格光栅或者啁啾光栅，或者光纤反射点为由激光照射光纤造成的折射率突变点。

本发明所述的系统中，光脉冲发生器为脉冲激光器或者由激光光源与光调制器组成，光调制器为电光调制器或者声光调制器，或者光开关。

本发明所述的系统中，延时器为延时光纤，延时光纤的长度为每对光纤弱反射点之间的光纤长度的两倍。

本发明还提供了一种光纤Fizeau干涉阵列分布式振动传感方法，包括以下步骤：

产生频率相同的第一光脉冲和第二光脉冲；

对第二光脉冲进行延时，延时后的第二光脉冲与第一光脉冲合束形成光脉冲对；

光脉冲对入射到光纤Fizeau干涉阵列，经光纤Fizeau干涉阵列的多个光纤弱反射点反射后产生多个反射脉冲对，由相邻两个光纤弱反射点反射产生的两个反射脉冲对中，前一个反射脉冲对中的后一个脉冲作为参考光，后一个反射脉冲对中的前一个脉冲作为信号光，两者发生干涉，产生干涉信号；

输出干涉信号并进行解调。

本发明产生的有益效果是：本发明利用光纤内部弱反射点作为Fizeau腔的反射端面，使得参考光与信号光的光强接近，从而增强干涉条纹可见度，通过生成脉冲对并通过控制脉冲间距与相邻反射点之间光纤长度相同从而实现参考光与信号光的干涉，避免了采用非平衡干涉臂进行干涉所带来的系统噪声并减小了传感器的体积，并利用光纤作为传感单元，对传感链路上的任意一点的振动解调，从而实现分布式振动传感。并在单根光纤上复用大规模传感器，在探测距离、阵列规模以及测量灵敏度等性能方面都进行了改善和提高。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例弱反射点阵Fizeau干涉阵列分布式振动传感方法流程图；

图3是系统测量结果与检波器检测结果的对比图。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明一实施例的结构示意图，光纤Fizeau干涉阵列分布式振动传感系统包括脉冲激光光源1、第一光纤耦合器2、第二光纤耦合器6、延时器5、光环形器7和光纤Fizeau干涉阵列8，3×3耦合器10，第一光电探测器11、第二光电探测器12、数据采集与控制卡13；激光光源1发出的光经第一光纤耦合器2分成两束光，第二光脉冲再经过延时器延时后，与第一光脉冲在第二光纤耦合器6处耦合成脉冲对，脉冲对经过耦合器进入光纤Fizeau干涉阵列8经其反射回到光环形器7。

该系统还包括3×3耦合器10、第一光电探测器11、第二光电探测器12、数据采集与控制卡13、3×3耦合器10与光环形器7、第一光电探测器11、第二光电探测器12连接。反射后的脉冲对经过光环形器7进入3×3耦合器10，在3×3耦合器10处发生干涉，产生干涉信号；干涉信号经第一光电探测器11、第二光电探测器12输出给数据采集与控制卡13进行解调。

脉冲激光光源1可用光脉冲发生器替换，光脉冲发生器为脉冲激光器或者由激光光源与光调制器组成，光调制器为电光调制器或者声光调制器，或者光开关。

延时器可选用延时光纤5，延时光纤5的长度为每对光纤反射点之间的光纤长度的两倍。

频率为υ的第一束探测光脉冲通过第一连接光纤4注入到第二光纤耦合器6(3dB)的第一个端口6.1；频率为υ的第二束探测光通过第二连接光纤3后通过延时光纤5进行延时注入到第二光纤耦合器的第二个端口6.2。

由第二光纤耦合器6(3dB)将第一端口与第二端口输入的光脉冲合束后形成光脉冲对的从第二光纤耦合器6(3dB)的第三端口6.3输出后通过入射到光环形器7的第一端口7.1，光环形器的第二端口7.2输出的光脉冲对入射到光纤Fizeau干涉阵列8。

光纤Fizeau干涉阵列包括多对光纤弱反射点，每对光纤弱反射点之间连接有光纤。光纤弱反射点可为光纤布拉格光栅或者啁啾光栅，或者光纤弱反射点为由激光照射光纤造成的折射率突变点。本发明中采用弱反射点阵，因为只有是弱反射点才能保证发生干涉的两路反射脉冲的光强接近，从而增强使得干涉信号的对比度以及稳定性。而且采用弱反射点阵可以增加反射点的复用数目，实现大规模传感阵列。

本发明的一个实施例中，光纤Fizeau干涉阵列是采用在线制备超弱光栅的方法利用光纤拉丝与在线制栅专用平台制作而成，其内共刻写660个布拉格光栅，布拉格光栅之间的间隔为2.5m，光栅的反射率为-35dB—-40dB。

光环形器的第三端口7.3与3×3耦合器10的第一输入口10.1连接，其第一输出口10.2以及第二输出口10.3分别连接第一光电探测器11的光输入口以及第二光电探测器12的光输入口,第一光电探测器11以及第二光电探测器12的电输出口通过第五连接光纤10连接到数据采集与控制卡13，

利用上述实施例光纤Fizeau干涉阵列分布式振动传感系统实现的传感方法，主要包括以下步骤：

激光光源1输出的光发出的光经过第一光纤耦合器2分成两束探测光，分别为第一束探测光和第二束探测光；

频率为υ的第一束探测光脉冲通过第一连接光纤4注入到第二光纤耦合器6(3dB)的第一个端口6.1；频率为υ的第二束探测光通过第二连接光纤3后通过延时光纤5进行延时注入到第二光纤耦合器的第二个端口6.2。

由第二光纤耦合器6(3dB)将第一端口与第二端口输入的光脉冲合束后形成光脉冲对，光脉冲对从第二光纤耦合器6(3dB)的第三端口6.3输出后通过入射到光环形器7的第一端口7.1，光环形器的第二端口7.2输出的光脉冲对入射到光纤Fizeau干涉阵列8。

由第一个布拉格光栅反射的光脉冲对回到光环形器，从光环形器的第三端口出射经过连接光纤进入光电探测器，其电场强度表示为：

为由第一个布拉格光栅反射的光时域反射脉冲对中的后一个脉冲的电场强度，c为真空中的光速，为延时线的长度，为连接光纤以及延时光纤引入的总相位。

由第二个布拉格光栅反射的光脉冲对回到光环形器，两反射点之间的光纤长度为；从环形器的第三端口出射经过连接光纤进入光电探测器，其电场强度表示为:

为由第二个布拉格光栅反射的光时域反射脉冲对中的前一个脉冲的电场强度，c为真空中的光速，为第一个光纤反射点与第二个光纤反射点之间光纤的长度，为第一个光纤反射点和第二个光纤反射点之间光纤的有效折射率，为连接光纤引入的总相位。

延时光纤长度与相邻布拉格光栅之间的光纤长度满足如下关系：

L＝2l

由第一个布拉格光栅反射的第一个脉冲对中的后一个光脉冲与第二个布拉格光栅反射的脉冲对中的前一个脉冲在耦合器10处形成干涉，干涉后的两路探测光在光电探测器中的响应可表示为：

两束光脉冲在3×3光纤耦合器10处发生干涉产生光时域反射干涉信号c1，干涉信号c1由3×3耦合器第二、三端口分别进入两路光电探测器变为电信号输出，其输出分别为：

其中为两路光时域反射信号的固定相位差。

本发明的一个实施例中，光纤Fizeau干涉阵列8包括多个布拉格光栅a1、a2、…an，多个布拉格光栅之间的光纤段为b1、b2、…bn。

当布拉格光栅a1与布拉格光栅a2之间的光纤段b1受到振动时，干涉信号经过第一光电探测器后输出的电信号可表示为；

干涉信号经过第二光电探测器输出的电信号可表示为：

这里忽略了的固定相位差,与外界振动信号成正比。

将上述两路电信号采用NRL算法(由美国的Naval Research Laboratory提出)进行解调，先去除干涉光强信号中的直流量D，去除了直流量后，将两路信号对时间求导以后交叉相乘，再将结果求和，可得到与成正比的结果。

光脉冲对进入光纤段b2、布拉格光栅b3……光纤段bn、布拉格光栅bn后会重复以上过程，产生干涉信号c2……干涉信号cn，由于干涉信号c1和干涉信号c2……干涉信号cn的接收时间不一样，所以可以分别测到不同相邻布拉格光栅之间的光脉冲所产生干涉信号,从而依次解调出不同光纤段上所受到的外界振动。

双光脉对冲进入Fizeau干涉阵列经过第三个布拉格光栅以及第四个布拉格光栅后会重复以上步骤，产生干涉信号c2，由于干涉信号c1和干涉信号c2的接收时间不一样，所以可以分别测到不同相邻两个布拉格光栅之间的光纤的干涉信号，从而依次解调出不同相邻布拉格光栅之间光纤上所受到的外界振动。

如图2所示，本发明实施例光纤Fizeau干涉阵列分布式振动传感方法，包括以下步骤：

S1、产生频率相同的第一光脉冲和第二光脉冲；

S2、对第二光脉冲进行延时，延时后的第二光脉冲与第一光脉冲合束形成光脉冲对；

S3、光脉冲对入射到光纤Fizeau干涉阵列，经光纤Fizeau干涉阵列的多个光纤布拉格光栅反射后产生多个反射脉冲对；由相邻两个光纤布拉格光栅反射产生的两个反射脉冲对中，前一个反射脉冲对中的后一个脉冲作为参考光，后一个反射脉冲对中的前一个脉冲作为信号光，两者发生干涉，产生干涉信号；

S4、输出干涉信号并进行解调。

实验中，在振动点处放置一个检波器对振动信号进行检测，图3是系统测量结果与检波器检测结果的对比图，可看出本系统对振动源的响应与检波器基本相似，且随着振动逐渐减弱，检波器已经检测不到振动信号，而本系统仍可以测到微弱的振动信号，证明本系统较检波器更加敏感。

综上，本发明中利用光纤内部弱反射点作为Fizeau腔的反射端面，使得参考光与信号光的光强接近，从而增强干涉条纹可见度。利用光纤作为传感单元，对传感链路上的任意一点的振动解调，从而实现分布式振动传感。并在单根光纤上复用大规模传感器，在探测距离、阵列规模以及测量灵敏度等性能方面都进行了改善和提高。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于光纤弱反射点阵Fizeau干涉阵列分布式振动传感系统，其特征在于，包括光脉冲发生器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、延时器、光环形器和光纤Fizeau干涉阵列，光脉冲发生器产生的光脉冲经第一光纤耦合器分成第一光脉冲和第二光脉冲，第二光脉冲经过延时器延时后，与第一光脉冲在第二光纤耦合器处耦合成脉冲对，脉冲对通过光环形器进入光纤Fizeau干涉阵列并经其反射产生多个反射脉冲对，多个反射脉冲对再回到光环形器；

该系统还包括第三耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、数据采集与控制卡；第三耦合器与光环形器连接，第一光电探测器、第二光电探测器均与数据采集与控制卡连接；由相邻两个光纤弱反射点反射产生的两个反射脉冲对中，前一个反射脉冲对中的后一个脉冲作为参考光，后一个反射脉冲对中的前一个脉冲作为信号光，两者在第三耦合器处发生干涉，产生干涉信号；干涉信号经第一光电探测器、第二光电探测器输出给数据采集与控制卡进行解调。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，光纤Fizeau干涉阵列包括多对光纤弱反射点，每对光纤弱反射点之间连接有光纤。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，光纤弱反射点为光纤布拉格光栅或者啁啾光栅，或者光纤反射点为由激光照射光纤造成的折射率突变点。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，光脉冲发生器为脉冲激光器或者由激光光源与光调制器组成，光调制器为电光调制器或者声光调制器，或者光开关。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，延时器为延时光纤，延时光纤的长度为每对光纤弱反射点之间的光纤长度的两倍。

6.一种光纤Fizeau干涉阵列分布式振动传感方法，其特征在于，包括以下步骤：

产生频率相同的第一光脉冲和第二光脉冲；

对第二光脉冲进行延时，延时后的第二光脉冲与第一光脉冲合束形成光脉冲对；

光脉冲对入射到光纤Fizeau干涉阵列，经光纤Fizeau干涉阵列的多个光纤弱反射点反射后产生多个反射脉冲对，由相邻两个光纤弱反射点反射产生的两个反射脉冲对中，前一个反射脉冲对中的后一个脉冲作为参考光，后一个反射脉冲对中的前一个脉冲作为信号光，两者发生干涉，产生干涉信号；

输出干涉信号并进行解调。