CN109668621B - 一种干涉型分布式光纤振动传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种干涉型分布式光纤振动传感器，光纤振动传感器包括第一塞格纳克干涉仪、第二塞格纳克干涉仪、光源发射装置以及信号处理装置，第一塞格纳克干涉仪、第二塞格纳干涉仪分别与信号处理装置连接；第一塞格纳克干涉仪、第二塞格纳克干涉仪中包括传感光纤，光源发射装置发出互成预设角度振动的第一偏振光和第二偏振光，第一偏振光、第二偏振光分别入射至第一塞格纳克干涉仪、第二塞格纳克干涉仪中，并因第一塞格纳克干涉仪、第二塞格纳克干涉仪中的传感光纤受到扰动点的影响而发生相位变化，发生相位变化的第一偏振光、第二偏振光传输至信号处理装置，信号处理装置用于基于发生相位变化的第一偏振光、第二偏振光，对扰动点进行定位。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，更具体地说，涉及一种干涉型分布式光纤振动传感器。
背景技术
干涉型分布式干涉传感器可以对传感光纤上任意一扰动点进行监测，得到扰动点的时域波形，根据扰动事件性质进行判断并给出报警信息，还可以给出扰动点的空间位置信息。
现有的干涉型分布式干涉传感器，以马赫-曾德尔(Mach–Zehnder，M-Z)干涉结构和萨格纳克(Sagnac)干涉结构及其复合结构为主要形式。M-Z干涉结构存在相干噪声及偏振衰落等问题，具有抗环境干扰能力差的缺点；Sagnac干涉结构需要利用信号谱特征等实现定位，定位结果依赖于外界振动信号的频率特性，具有定位结果不稳定的缺点；其两者的复合干涉结构不仅结构复杂，且运算时还需对信号进行同步等复杂处理。
发明内容
本发明提供了一种新的干涉型分布式光纤振动传感器，具有抗干扰能力强、结构简单的特点。
本发明提供一种干涉型分布式光纤振动传感器，光纤振动传感器包括第一塞格纳克干涉仪、第二塞格纳克干涉仪、光源发射装置以及信号处理装置，第一塞格纳克干涉仪、第二塞格纳干涉仪分别与信号处理装置连接；第一塞格纳克干涉仪、第二塞格纳克干涉仪中包括传感光纤；
光源发射装置发出互成预设角度振动的第一偏振光和第二偏振光，第一偏振光、第二偏振光分别入射至第一塞格纳克干涉仪、第二塞格纳克干涉仪中，并因第一塞格纳克干涉仪、第二塞格纳克干涉仪中的传感光纤受到扰动点的影响而发生相位变化，发生相位变化的第一偏振光、第二偏振光传输至信号处理装置；
信号处理装置用于基于发生相位变化的第一偏振光、第二偏振光，对扰动点进行定位。
可选的，第一塞格纳克干涉仪包括第一环行器(1)，第一耦合器(2)、第一偏振分束器(3)、第二偏振分束器(4)、第三偏振分束器(5)、第四偏振分束器(6)、第一探测器(7)、第二探测器(8)、第三探测器(9)以及用于连接的光纤和连接第一偏振分束器(3)第一端(31)和第二偏振分束器(4)第一端(41)的传感光纤(20)；
第一耦合器(2)的一端分别通过光纤与第一偏振分束器(3)的第二端(32)、第四偏振分束器(6)的第一端(61)连接，第一偏振分束器(3)的第二端(32)通过光纤与第四偏振分束器(6)的第一端(61)连接，第三偏振分束器(5)的第一端(51)、第二端(52)分别通过光纤与第四偏振分束器(6)的第二端(62)、第二偏振分束器(4)的第二端(42)连接；
第一耦合器(2)的另一端分别通过光纤与第一探测器(7)、第二探测器(8)连接，第一耦合器(2)的另一端还通过光纤与第一环行器(1)的第一端(1a)连接，第一环形器(1)的第二端(1b)通过光纤与第三探测器(11)连接，第一探测器(7)、第二探测器(8)、第三探测器(9)分别通过光纤与信号处理装置(15)连接；
第一偏振光通过第一环形器(1)的第三端(1c)入射至第一塞格纳克干涉仪。
可选的，第二塞格纳克干涉仪包括第二环行器(10)、第二耦合器(11)、第四探测器(12)、第五探测器(13)、第六探测器(14)以及第一偏振分束器(3)、第二偏振分束器(4)、第三偏振分束器(5)、第四偏振分束器(6)；
第二耦合器(11)的一端分别通过光纤与第二偏振分束器(4)的第二端(42)、第四偏振分束器(5)的第二端(52)连接；
第二耦合器(11)的另一端分别通过光纤与第四探测器(12)、第五探测器(13)连接，第二耦合器(11)的另一端还通过光纤与第二环行器(10)的第一端(10a)连接，第二环形器(10)的第二端(10b)通过光纤与第六探测器(14)连接，第四探测器(12)、第五探测器(13)、第六探测器(14)分别通过光纤与信号处理装置(15)连接；
第二偏振光通过第二环形器(10)的第三端(10c)入射至第一塞格纳克干涉仪。
可选的，光源发射装置包括光源(16)、起偏器(17)以及第三耦合器(18)；
第三耦合器(18)的一端分别通过光纤与第一环形器(1)的第三端(1c)、第二环形器(10)的第三端(10c)连接；
光源(16)发出的光通过起偏器(17)入射至第三耦合器(18)，并通过第三耦合器(18)分光为第一偏振光、第二偏振光。
可选的，信号处理装置(15)包括光电转换器(151)、信号采集器(152)及信号解调运算器(153)；
光电转换器(151)通过信号采集器(152)与信号解调运算器(153)连接。
可选的，光源(16)为工作在C波段的放大自发辐射光源，波长范围为1530nm～1605nm。
可选的，第一探测器(9)、第二探测器(10)、第三探测器(11)、第四探测器(12)、第五探测器(13)、第六探测器(14)为铟镓砷(InGaAs)探测器。
可选的，预设角度为90度。
有益效果
本发明提供了一种干涉型分布式光纤振动传感器，光纤振动传感器包括第一塞格纳克干涉仪、第二塞格纳克干涉仪、光源发射装置以及信号处理装置，第一塞格纳克干涉仪、第二塞格纳干涉仪分别与信号处理装置连接；第一塞格纳克干涉仪、第二塞格纳克干涉仪中包括传感光纤，光源发射装置发出互成预设角度振动的第一偏振光和第二偏振光，第一偏振光、第二偏振光分别入射至第一塞格纳克干涉仪、第二塞格纳克干涉仪中，并因第一塞格纳克干涉仪、第二塞格纳克干涉仪中的传感光纤受到扰动点的影响而发生相位变化，发生相位变化的第一偏振光、第二偏振光传输至信号处理装置，信号处理装置用于基于发生相位变化的第一偏振光、第二偏振光，对扰动点进行定位。
当有扰动点作用在传感光纤上时，由于光弹效应则将会引起传输在传感光纤中光波发生相位变化，又由于第一偏振光、第二偏振光经过扰动点的时间不同，所以第一偏振光、第二偏振光发生的相位变化也不同，基于发生相位变化了的第一偏振光、第二偏振光可以实现对扰动点定位。
需要了解的是，光源发射装置发出的第一偏振光和第二偏振光将沿顺、逆时针方向传播至第一塞格纳克干涉仪、第二塞格纳克干涉仪中，第一偏振光和第二偏振光将经过完全相同的传播路径，并在两个干涉仪中发生相位变化，这将对外界环境的随机噪声有极大的免疫性，因此，本发明实施例提供的干涉型分布式光纤振动传感器具有抗干扰能力强的特点。
另一方面，本发明提供的干涉型分布式光纤振动传感器，采用的是单光源，可以实现双塞格纳克干涉仪进行工作，保证所有光纤元器件都工作在同一波长，具有结构简单的特点。
最后，干涉型分布式光纤振动传感器中的信号处理装置可以通过确定扰动点的扰动信号，解析扰动信号得到第一相位信号和第二相位信号，将所述第一相位信号、第二相位信号进行傅里叶变换，并基于傅里叶变换结果得到所述第一相位信号、第二相位信号在频域上的第一峰值和第二峰值，计算所述第一峰值与所述第二峰值的峰值比值，之后基于峰值比值计算得到扰动点的位置信息。由于这一运算不繁琐复杂，因此具有信号处理方便的特点。另一方面，由于将扰动信号转换到频域实现计算扰动点的位置信息，相比现有的在时域计算扰动点的位置信息，得到的定位结果更加稳定可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种干涉型分布式光纤振动传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种干涉型分布式光纤振动传感器的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的干涉型分布式光纤振动传感器的信号处理装置实现干扰点定位的流程示意图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的干涉型分布式光纤振动传感器的结构示意图，参见图1，该干涉型分布式光纤振动传感器包括第一塞格纳克干涉仪、第二塞格纳克干涉仪、光源发射装置以及信号处理装置，其中，第一塞格纳克干涉仪、第二塞格纳干涉仪分别与信号处理装置连接
需要了解的是，第一塞格纳克干涉仪、第二塞格纳克干涉仪中包括有传感光纤，当有扰动点作用在传感光纤上时，由于光弹效应则将会引起传输在传感光纤中光波发生相位变化。
光源发射装置，可以发出互成预设角度振动的第一偏振光和第二偏振光，第一偏振光、第二偏振光将分别入射至第一塞格纳克干涉仪、第二塞格纳克干涉仪中，并因第一塞格纳克干涉仪、第二塞格纳克干涉仪中的传感光纤受到扰动点的影响而发生相位变化，而发生相位变化的第一偏振光、第二偏振光将传输至信号处理装置。在一些示例下，预设角度为90度，即第一偏振光与第二偏振光是垂直的。
信号处理装置，用于采集发生相位变化的第一偏振光、第二偏振光，并基于发生相位变化的第一偏振光和第二偏振光实现对扰动点的定位。
本发明实施例所提供的干涉型分布式光纤振动传感器，当有扰动点作用在传感光纤上时，由于光弹效应则将会引起传输在传感光纤中光波发生相位变化，又由于第一偏振光、第二偏振光经过扰动点的时间不同，所以第一偏振光、第二偏振光发生的相位变化也不同，基于发生相位变化了的第一偏振光、第二偏振光可以实现对扰动点定位。
下文将基于上述实施例进一补步介绍本发明提供的干涉型分布式光纤振动传感器的另一些示例。
参见图2，第一塞格纳克干涉仪包括第一环行器(1)，第一耦合器(2)、第一偏振分束器(3)、第二偏振分束器(4)、第三偏振分束器(5)、第四偏振分束器(6)、第一探测器(7)、第二探测器(8)、第三探测器(9)以及用于连接的光纤和连接第一偏振分束器(3)第一端(31)和第二偏振分束器(4)第一端(41)的传感光纤(20)；
第一塞格纳克干涉仪中各个器件的连接关系分别如下：
第一耦合器(2)的一端分别通过光纤与第一偏振分束器(3)的第二端(32)、第四偏振分束器(6)的第一端(61)连接，第一偏振分束器(3)的第二端(32)通过光纤与第四偏振分束器(6)的第一端(61)连接，第三偏振分束器(5)的第一端(51)、第二端(52)分别通过光纤与第四偏振分束器(6)的第二端(62)、第二偏振分束器(4)的第二端(42)连接；
第一耦合器(2)的另一端分别通过光纤与第一探测器(7)、第二探测器(8)连接，第一耦合器(2)的另一端还通过光纤与第一环行器(1)的第一端(1a)连接，第一环形器(1)的第二端(1b)通过光纤与第三探测器(11)连接，第一探测器(7)、第二探测器(8)、第三探测器(9)分别通过光纤与信号处理装置(15)连接；
参见图2，第二塞格纳克干涉仪包括第二环行器(10)、第二耦合器(11)、第四探测器(12)、第五探测器(13)、第六探测器(14)以及第一偏振分束器(3)、第二偏振分束器(4)、第三偏振分束器(5)、第四偏振分束器(6)；
需要了解的是，第一塞格纳克干涉仪与第二塞格纳克干涉仪中的一些器件是公用的，这些公用的仪器包括：第一偏振分束器(3)、第二偏振分束器(4)、第三偏振分束器(5)、第四偏振分束器(6)。
第二塞格纳克干涉仪中各个器件的连接关系分别如下：
第二耦合器(11)的一端分别通过光纤与第二偏振分束器(4)的第二端(42)、第四偏振分束器(5)的第二端(52)连接。
第二耦合器(11)的另一端分别通过光纤与第四探测器(12)、第五探测器(13)连接，第二耦合器(11)的另一端还通过光纤与第二环行器(10)的第一端(10a)连接，第二环形器(10)的第二端(10b)通过光纤与第六探测器(14)连接，第四探测器(12)、第五探测器(13)、第六探测器(14)分别通过光纤与信号处理装置(15)连接。
光源发射装置发出的第一偏振光将通过第一环形器(1)的第三端(1c)入射至第一塞格纳克干涉仪，光源发射装置发出的第二偏振光通过第二环形器(10)的第三端(10c)入射至第一塞格纳克干涉仪。需要再次注意的是，第一偏振光与第二偏振光互成预设角度振动。
需要了解的是，第一探测器(9)、第二探测器(10)、第三探测器(11)、第四探测器(12)、第五探测器(13)、第六探测器(14)为铟镓砷(InGaAs)探测器。
在图2所示的示例下，光源发射装置包括光源(16)、起偏器(17)以及第三耦合器(18)；
第三耦合器(18)的一端分别通过光纤与第一环形器(1)的第三端(1c)、第二环形器(10)的第三端(10c)连接；
光源(16)发出的光通过起偏器(17)入射至第三耦合器(18)，并通过第三耦合器(18)分光为第一偏振光、第二偏振光。
在一些示例下，光源(16)为工作在C波段的放大自发辐射光源，波长范围为1530nm～1605nm。
信号处理装置，包括光电转换器(151)、信号采集器(152)及信号解调运算器(153)，光电转换器(151)通过信号采集器(152)与信号解调运算器(153)连接。
此处介绍本发明实施例中提供的干涉型分布式光纤振动传感器中的各个器件的功能：
光源发射装置中的光源(16)，使用的是ASE宽带光源，工作在C波段，波长范围1530～1605nm。
光源发射装置中的起偏器(17)：获得偏振光的器件。
耦合器，包括第一耦合器(2)、第二耦合器(11)：实现光的分束与合束。
环形器，包括第一环行器(1)、第二环行器(10)：将进入其任一端口的入射波，按照由静偏磁场确定的方向顺序传入下一个端口的多端口器件，工作时只能按固定方向输出。
偏振分束器，包括第一偏振分束器(3)、第二偏振分束器(4)、第三偏振分束器(5)、第四偏振分束器(6)：将含正交的两束线偏振光分别单一输出到两个光纤中(正向工作)，或将两束正交偏振光耦合入一根光纤中(反向工作)。
传感光纤(20)：与一般的光纤并无不同，只是工作时把用来定位的光纤叫做传感光纤。
探测器，包括第一探测器(7)、第二探测器(8)、第三探测器(9)、第四探测器(12)、第五探测器(13)、第六探测器(14)：将光强信号转化为电信号的器件，C波段探测器常使用铟镓砷(InGaAs)材料。
信号处理装置(15)，主要将探测器转换后的电信号进行下一步处理，包括依次经过采集卡的采集，再交由电脑进行信号的解调，得到传感光纤上扰动点的扰动信号，之后基于扰动信号进行定位计算。
具体的，信号处理装置是如何基于发生相位变化的第一偏振光、第二偏振光，对作用在传感光纤上的扰动点进行定位的，可以通过以下步骤实现：
S301、基于所述干涉型分布式光纤振动传感器确定扰动点的扰动信号，并解析所述扰动信号得到第一相位信号和第二相位信号；
其中，第一相位信号、第二信号分别表示为：
计算所述第一相位信号与所述第二相位信号的相位比值：
xi表示相位比值；
φi(t)表示m个扰动点中的第i个扰动点的扰动信号，i为正整数；
n表示光纤的有效折射率，c表示光速；
Zxi、Zyi分别表示第i个扰动点与所述干涉型分布式光纤振动传感器中光纤环路的中点的距离，且Zxi+Zyi＝d，所述d为常数。
S302、将所述第一相位信号、第二相位信号进行傅里叶变换，并基于傅里叶变换结果得到所述第一相位信号、第二相位信号在频域上的第一峰值和第二峰值，计算所述第一峰值与所述第二峰值的峰值比值。
其中，将所述第一相位信号、第二相位信号进行傅里叶变换，包括：
需要了解的是，
分别表示所述第一相位信号、第二相位信号；
ΦiΩ表示第i个扰动点的扰动信号φi(t)的傅里叶变换结果，i为正整数；
n表示光纤的有效折射率，c表示光速；
Zxi、Zyi分别表示第i个扰动点与所述干涉型分布式光纤振动传感器中光纤环路的中点的距离，且Zxi+Zyi＝d，所述d为常数。
需要了解的是，第一峰值、第二峰值分别表示为：
其中，
分别表示所述第一相位信号、第二相位信号在频域上的第一峰值和第二峰值；
n表示光纤的有效折射率，c表示光速；
Zxi、Zyi分别表示第i个扰动点与所述干涉型分布式光纤振动传感器中光纤环路的中点的距离，且Zxi+Zyi＝d，所述d为常数；
Ωi、Ai分别表示第i个扰动点的扰动信号在频域上的中心频率、振幅。
S303、基于峰值比值，计算所述扰动点的位置信息。
步骤S303可以通过以下方式实现：
令所述峰值比值与所述相位比值相等：
求解得到所述扰动点的位置关系：
其中，Zxi、Zyi分别表示第i个扰动点与所述干涉型分布式光纤振动传感器中光纤环路的中点的距离，且Zxi+Zyi＝d，所述d为常数；
Ωi、Ai分别表示第i个扰动点的扰动信号在频域上的中心频率、振幅。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本发明所必须的。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述，同时，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (7)
1.一种干涉型分布式光纤振动传感器，其特征在于，所述光纤振动传感器包括第一塞格纳克干涉仪、第二塞格纳克干涉仪、光源发射装置以及信号处理装置，所述第一塞格纳克干涉仪、第二塞格纳克干涉仪分别与所述信号处理装置连接；所述第一塞格纳克干涉仪、第二塞格纳克干涉仪中包括传感光纤；
所述光源发射装置发出互成预设角度振动的第一偏振光和第二偏振光，所述第一偏振光、第二偏振光分别入射至所述第一塞格纳克干涉仪、第二塞格纳克干涉仪中，并因所述第一塞格纳克干涉仪、第二塞格纳克干涉仪中的传感光纤受到扰动点的影响而发生相位变化，所述发生相位变化的第一偏振光、第二偏振光传输至所述信号处理装置；
所述信号处理装置用于基于所述发生相位变化的第一偏振光、第二偏振光，对所述扰动点进行定位；
其中，所述第一塞格纳克干涉仪包括第一环行器(1)，第一耦合器(2)、第一偏振分束器(3)、第二偏振分束器(4)、第三偏振分束器(5)、第四偏振分束器(6)、第一探测器(7)、第二探测器(8)、第三探测器(9)以及用于连接的光纤和连接所述第一偏振分束器(3)第一端(31)和所述第二偏振分束器(4)第一端(41)的传感光纤(20)；
所述第一耦合器(2)的一端分别通过光纤与所述第一偏振分束器(3)的第二端(32)、所述第四偏振分束器(6)的第一端(61)连接，所述第一偏振分束器(3)的第二端(32)通过光纤与所述第四偏振分束器(6)的第一端(61)连接，所述第三偏振分束器(5)的第一端(51)、第二端(52)分别通过光纤与所述第四偏振分束器(6)的第二端(62)、所述第二偏振分束器(4)的第二端(42)连接；
所述第一耦合器(2)的另一端分别通过光纤与所述第一探测器(7)、第二探测器(8)连接，所述第一耦合器(2)的另一端还通过光纤与所述第一环行器(1)的第一端(1a)连接，所述第一环行器(1)的第二端(1b)通过光纤与所述第三探测器(9)连接，所述第一探测器(7)、第二探测器(8)、第三探测器(9)分别通过光纤与所述信号处理装置(15)连接；
所述第一偏振光通过所述第一环行器(1)的第三端(1c)入射至所述第一塞格纳克干涉仪。
2.如权利要求1所述的光纤振动传感器，其特征在于，所述第二塞格纳克干涉仪包括第二环行器(10)、第二耦合器(11)、第四探测器(12)、第五探测器(13)、第六探测器(14)以及所述第一偏振分束器(3)、第二偏振分束器(4)、第三偏振分束器(5)、第四偏振分束器(6)；
所述第二耦合器(11)的一端分别通过光纤与所述第二偏振分束器(4)的第二端(42)、所述第三偏振分束器(5)的第二端(52)连接；
所述第二耦合器(11)的另一端分别通过光纤与所述第四探测器(12)、第五探测器(13)连接，所述第二耦合器(11)的另一端还通过光纤与所述第二环行器(10)的第一端(10a)连接，所述第二环行器(10)的第二端(10b)通过光纤与所述第六探测器(14)连接，所述第四探测器(12)、第五探测器(13)、第六探测器(14)分别通过光纤与所述信号处理装置(15)连接；
所述第二偏振光通过所述第二环行器(10)的第三端(10c)入射至所述第二塞格纳克干涉仪。
3.如权利要求2所述的光纤振动传感器，其特征在于，所述光源发射装置包括光源(16)、起偏器(17)以及第三耦合器(18)；
所述第三耦合器(18)的一端分别通过光纤与所述第一环行器(1)的第三端(1c)、所述第二环行器(10)的第三端(10c)连接；
所述光源(16)发出的光通过所述起偏器(17)入射至所述第三耦合器(18)，并通过所述第三耦合器(18)分光为所述第一偏振光、第二偏振光。
4.如权利要求2或3所述的光纤振动传感器，其特征在于，所述信号处理装置(15)包括光电转换器(151)、信号采集器(152)及信号解调运算器(153)；
所述光电转换器(151)通过所述信号采集器(152)与所述信号解调运算器(153)连接。
5.如权利要求4所述的光纤振动传感器，其特征在于，所述光源(16)为工作在C波段的放大自发辐射光源，波长范围为1530nm～1605nm。
6.如权利要求4所述的光纤振动传感器，其特征在于，所述第一探测器(7)、第二探测器(8)、第三探测器(9)、第四探测器(12)、第五探测器(13)、第六探测器(14)为铟镓砷(InGaAs)探测器。
7.如权利要求4所述的光纤振动传感器，其特征在于，所述预设角度为90度。
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