CN113324568A - 基于非对称式融合干涉仪的分布式光纤传感定位系统 - Google Patents

基于非对称式融合干涉仪的分布式光纤传感定位系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于光纤传感技术领域，具体为基于非对称式融合干涉仪的分布式光纤传感定位系统。本发明系统融合了单芯反馈式干涉仪与单向环型干涉仪；两个干涉仪同时探测同一扰动，对解调出的相位信号进行相减处理，获得具有时间延迟的两路信号，通过互相关计算获得两路信号之间的时间延迟，即可计算出扰动位置，实现扰动定位。本发明系统可以提高干涉式长距离分布式传感的定位精度，使干涉式分布式光纤传感的定位精度更加接近反射式分布式光纤传感的定位精度，在干涉式传感器在长距离安防等领域有更大的应用优势。

Description

基于非对称式融合干涉仪的分布式光纤传感定位系统
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及基于非对称式融合干涉仪的分布式光纤传感定位系统及算法。
背景技术
分布式光纤传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、节能等优点，适合恶劣环境，可以用于周界安防、管线状态监测、结构安全监测等特殊领域，它主要包含反射式传感器与干涉式传感器两大类。反射式分布式光纤传感器以相位敏感光时域反射仪
Figure BDA0003078749550000011
为主，它具有定位精度高的优点，但是所需的光电器件(窄线宽光源、调制器等)成本很高。干涉式分布式光纤传感器包括Sagnac、Michelson、Mach-Zender等干涉仪及它们的各类混合结构，优点包括灵敏度高、动态范围大、实现成本低，但是定位精度比反射式传感器低。本发明提出了一种新型干涉式分布式光纤传感系统，它基于单芯反馈式与单向环型的非对称融合干涉仪，因此具有传统干涉式传感器的优势，它通过相位解调及信号处理的方法，获得传感路径上的扰动并且在定位精度上比传统结构有了较大的提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够提高干涉式分布式光纤传感器定位精度的基于非对称式融合干涉仪的分布式光纤传感定位系统。
本发明是利用单芯反馈式与单向环型融合光纤干涉仪实现分布式光纤传感与定位，并提供一种基于该非对称式光纤干涉仪的传感与定位算法。本发明可以提高干涉式长距离分布式光纤传感系统的定位精度，使干涉式光纤传感定位系统的定位精度更接近反射式光纤传感定位系统的定位精度，解决了传统的长距离光纤干涉仪定位误差较大的问题。
本发明提供的基于非对称式融合干涉仪的分布式光纤传感定位系统，其结构如图1所示；包括单芯反馈式干涉仪、单向环型干涉仪；其中：
所述单芯反馈式干涉仪，包括：宽谱激光器(1)，第一光隔离器(2)，第一光电探测器(13)，第三光电探测器(15)，第一波分复用器(11)，第二波分复用器(12)，干涉单元(17)，传感光缆(6)，第三波分复用器(7)，法拉第旋转镜(9)；
所述单向环型干涉仪，包括：宽谱激光器(1)，第一光隔离器(2)，第二光电探测器(14)，第四光电探测器(16)，第一波分复用器(11)，第二波分复用器(12)，干涉单元(17)，传感光缆(6)，第三波分复用器(7)，第二光纤延时线(8)和第二光隔离器(10)。
第一光隔离器(2)用于消除进入宽谱激光器(1)的光学反射，四个光电探测器(13-16)用于光电转换。干涉单元(17)的作用是将四个光电探测器(13-16)光电转换的光和宽谱激光器(1)发射的光发生干涉，将传感光路中的光相位变化转变为光强度变化，它的其中一种可能的结构如图2所示，干涉单元(17)由3×3光纤耦合器(3)、第一光纤延时线(4)、2×2光纤耦合器(5)构成，它的光注入接口用来连接置于激光器(1)之后的第一光隔离器(2)，两个光探测接口(19、20)用来连接光电探测器，两个传感光路接口(21、22)用来连接后续的传感光路；单芯反馈式干涉仪与单向环型干涉仪共用同一个干涉单元，这保证了探测到的振动信号的一致性。单芯反馈式干涉仪的传感部分是传感光缆(6)，传感光经法拉第旋转镜(9)再反射回干涉单元(17)形成干涉，一次扰动在单芯反馈式干涉仪中产生两次相位调制。单向环型干涉仪的传感部分包括传感光缆(6)和第二光纤延时线(8)，第二光纤延时线(8)被封装屏蔽了外界振动，实际起作用的部分也只有传感光缆(6)，第二光隔离器(10)设置于传感光路接口(21)后，使传感光在该环状传感光路中单向传输，一次扰动在单向环型干涉仪中只产生一次相位调制。第二光纤延时线(8)与传感光缆(6)的长度经过匹配，两个干涉仪中的光程相等。
本发明的基于非对称式融合干涉仪的分布式光纤传感定位系统中，在激光器出光位置加入了光隔离器，以防止传感光纤的背向散射光和反射回的信号光进入宽谱激光器，影响激光器的工作状态。
本发明的基于非对称式融合干涉仪的分布式光纤传感定位系统中，两个干涉仪的结构不同，因此融合形成的光路是非对称的，它们所用的传感光分别占用两个不同的波段，并通过波分复用器进行路径的区分。同样的扰动信号对单芯反馈式干涉仪中的光波产生两次相位调制，而对单向环型干涉仪中的光波只产生一次相位调制。将传感光缆铺设在需要监控的区域，即可实现分布式振动传感以及扰动的定位。
本发明的基于非对称式融合干涉仪的分布式光纤传感定位系统中，传感光缆的长度与第二光纤延时线的长度进行了匹配，二者长度差控制在3米以内，以确保同一扰动信号到达四个光电探测器的时间一致。
本发明的基于非对称式融合干涉仪的分布式光纤传感定位系统中，为了保证系统不受其他外界振动干扰，对干涉单元与第二光纤延时线做了隔音、隔振处理。
本发明的基于非对称式融合干涉仪的分布式光纤传感定位系统中，对扰动产生的相位差信号进行通过相位解调算法进行解调，对解调出的相位进行相减运算，获得两路具有时间延迟的扰动信号，对该两路信号进行互相关运算，寻找互相关函数的峰值，可以获得与扰动位置相关的时间延迟，即可计算出扰动的发生位置。
本发明的基于非对称式融合干涉仪的分布式光纤传感定位系统中，所述的定位算法具体如下：用第一波分复用器和第二波分复用器分离单芯反馈式干涉仪和单向环型干涉仪的光信号，假设在距离法拉第旋转镜长度为Lx的位置施加扰动，则：
检测到的单芯反馈式干涉仪的两路干涉信号分别如下：
Figure BDA0003078749550000031
Figure BDA0003078749550000032
其中，E01和E03是光振幅，
Figure BDA0003078749550000033
是扰动引起的相位变化，ψ是3×3耦合器的固定初始相位差。
检测到的单向环型干涉仪的两路干涉信号分别如下：
Figure BDA0003078749550000034
Figure BDA0003078749550000035
其中，E02和E04是光振幅，
Figure BDA0003078749550000036
是扰动引起的相位变化，ψ是3×3耦合器的固定初始相位差。
同一扰动引发的两个干涉仪的相位变化
Figure BDA0003078749550000037
和
Figure BDA0003078749550000038
分别如下：
Figure BDA0003078749550000039
Figure BDA00030787495500000310
其中，Ld是第一光纤延时线的长度，Lx是从扰动发生位置到法拉第旋转镜的距离，c是真空中的光速，n是光纤的折射率。
将同一扰动产生的相位变化
Figure BDA00030787495500000311
和
Figure BDA00030787495500000312
进行相减运算，产生一个新的信号Δφ(t)，Δφ(t)与
Figure BDA00030787495500000313
之间的时间延迟反映了扰动发生的位置。将Δφ(t)与
Figure BDA00030787495500000314
进行互相关运算，通过寻找互相关峰值的位置来计算出这两个信号之间的时间延迟τx。Δφ(t)的计算方法如下：
Figure BDA00030787495500000315
通过对
Figure BDA00030787495500000316
和Δφ(t)做互相关函数，获得时间延迟τx，获得扰动位置，计算公式如下：
Lx＝cτx/2n。
本发明系统利用非对称式融合光纤干涉仪实现分布式光纤传感与定位，并提供一种基于该系统的传感与定位解调算法，相对于传统的干涉式长距离分布式传感系统，本系统的定位精度有了较大的提高，使干涉式分布式光纤传感的定位精度更加接近反射式分布式光纤传感的定位精度，使干涉式分布式光纤传感在长距离安防等领域有了更大的应用优势。
附图说明
图1为本发明基于非对称式融合干涉仪的分布式光纤传感定位系统结构图。
图2为本发明基于非对称式融合干涉仪的分布式光纤传感定位系统所使用的干涉单元的一种结构。
图3为本发明基于非对称式融合干涉仪的分布式光纤传感定位系统中定位算法流程图。
图4为本发明基于非对称式融合干涉仪的分布式光纤传感定位系统，四个光电探测器探测到的干涉信号，从上至下依次为IPD1、IPD3、IPD4、IPD2(以扰动发生在Lx＝50km处为例)。
图5为本发明基于非对称式融合干涉仪的分布式光纤传感定位系统，两个干涉仪的信号经过相位解调后得到的两路信号
Figure BDA0003078749550000041
和
Figure BDA0003078749550000042
(以扰动发生在Lx＝50km处为例)。
图6为本发明基于非对称式融合干涉仪的分布式光纤传感定位系统，经过相减处理后用于互相关计算的两路信号
Figure BDA0003078749550000043
和φ(t)(以扰动发生在Lx＝50km处为例)。
图7为本发明基于非对称式融合干涉仪的分布式光纤传感定位系统，经过互相关计算得到的互相关函数。
图中标号：1、宽谱激光器；2、第一光隔离器；3、3×3光纤耦合器；4、第一光纤延时线；5、2×2光纤耦合器；6、传感光缆；7、第三波分复用器；8、第二光纤延时线；9、法拉第旋转镜；10、第二光隔离器；11、第一波分复用器；12、第二波分复用器；13、第一光电探测器；14、第二光电探测器；15、第三光电探测器；16、第四光电探测器；17、干涉单元；18、光注入接口；19、第一光探测接口；20、第二光探测接口；21、第一传感光路接口；22、第二传感光路接口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
本发明基于非对称式融合干涉仪的分布式光纤传感定位系统如图1所示，该系统采用的宽谱光源为超辐射发光二极管(SLD)，中心波长为1550nm。第一光隔离器(2)消除了光学反射，四个光电探测器(13-16)PD1、PD2、PD3和PD4用于光电转换。干涉单元(17)的作用是使光在其中发生干涉，将传感光路中的光相位变化转变为光强度变化，它的其中一种可能的结构如图2所示，内部由3×3光纤耦合器(3)、第一光纤延时线(4)、2×2光纤耦合器(5)构成，它的光注入接口用来连接置于激光器(1)之后的第一光隔离器(2)，两个光探测接口19、20用来连接光电探测器，两个传感光路接口21、22用来连接后续的传感光路。单芯反馈式干涉仪与单向环型干涉仪共用同一个干涉单元，这保证了探测到的振动信号的一致性。单芯反馈式干涉仪的传感部分是传感光缆(6)，传感光经法拉第旋转镜(9)再反射回干涉单元形成干涉，一次扰动在单芯反馈式干涉仪中产生两次相位调制。单向环型干涉仪的传感部分包括传感光缆(6)和第二光纤延时线(8)，由于第二光纤延时线(8)被封装屏蔽了外界振动，实际起作用的部分也只有传感光缆(6)，由于第二光隔离器(10)的存在，传感光在该环状传感光路中单向传输，一次扰动在单向环型干涉仪中只产生一次相位调制。由于第二光纤延时线(8)与传感光缆(6)的长度经过了匹配，两个干涉仪中的光程相等。利用带有采样率为500kS/s采集卡的计算机，采集光电信号，通过如图3流程图中的算法后即可实现扰动的探测与定位。以扰动发生在Lx＝50km处为例，图4为四个光电探测器(13-16)探测到的原始干涉信号，图5为两个干涉仪所对应的解调后的相位变化，图6为经过相减处理后用于互相关计算的两路信号，图7为计算得到的互相关函数，通过寻找互相关函数峰值的位置，即可得到两路信号之间的延时，进而实现扰动定位。

Claims (4)

1.一种基于非对称式融合干涉仪的分布式光纤传感定位系统，其特征在于，包括单芯反馈式干涉仪、单向环型干涉仪；其中：
所述单芯反馈式干涉仪包括：宽谱激光器(1)，第一光隔离器(2)，第一光电探测器(13)，第三光电探测器(15)，第一波分复用器(11)，第二波分复用器(12)，干涉单元(17)，传感光缆(6)，第三波分复用器(7)，法拉第旋转镜(9)；
所述单向环型干涉仪包括：宽谱激光器(1)，第一光隔离器(2)，第二光电探测器(14)，第四光电探测器(16)，第一波分复用器(11)，第二波分复用器(12)，干涉单元(17)，传感光缆(6)，第三波分复用器(7)，第二光纤延时线(8)和第二光隔离器(10)；
第一光隔离器(2)用于消除进入宽谱激光器(1)的光学反射，四个光电探测器(13-16)用于光电转换；干涉单元(17)用于将四个光电探测器(13-16)光电转换的光和宽谱激光器(1)发射的光发生干涉，将传感光路中的光相位变化转变为光强度变化；单芯反馈式干涉仪与单向环型干涉仪共用同一个干涉单元(17)，以保证探测到的振动信号的一致性；单芯反馈式干涉仪的传感部分是传感光缆(6)，传感光经法拉第旋转镜(9)再反射回干涉单元(17)形成干涉，一次扰动在单芯反馈式干涉仪中产生两次相位调制；单向环型干涉仪的传感部分包括传感光缆(6)和第二光纤延时线(8)，第二光纤延时线(8)被封装屏蔽了外界振动，第二光隔离器(10)设置于干涉单元(17)的传感光路接口后，使传感光在该环状传感光路中单向传输，一次扰动在单向环型干涉仪中只产生一次相位调制；第二光纤延时线(8)与传感光缆(6)的长度经过匹配，两个干涉仪中的光程相等。
2.根据权利要求1所述的基于非对称式融合干涉仪的分布式光纤传感定位系统，其特征在于，所述干涉单元(17)由3×3光纤耦合器(3)、第一光纤延时线(4)、2×2光纤耦合器(5)构成，它的光注入接口用来连接置于激光器(1)之后的第一光隔离器(2)，两个光探测接口(19、20)用来连接光电探测器，两个传感光路接口(21、22)用来连接后续的传感光路。
3.根据权利要求2所述的基于非对称式融合干涉仪的分布式光纤传感定位系统，其特征在于，传感光缆(6)的长度与第二光纤延时线(8)的长度进行匹配，二者长度差控制在3米以内。
4.一种基于权利要求3所述系统的基于非对称式融合干涉仪的分布式光纤传感定位算法，其特征在于，具体步骤如下：
用第一波分复用器和第二波分复用器分离单芯反馈式干涉仪和单向环型干涉仪的光信号，假设在距离法拉第旋转镜长度为Lx的位置施加扰动，则：
检测到的单芯反馈式干涉仪的两路干涉信号分别如下：
Figure FDA0003078749540000021
Figure FDA0003078749540000022
其中，E01和E03是光振幅，
Figure FDA00030787495400000216
是扰动引起的相位变化，ψ是3×3耦合器的固定初始相位差；
检测到的单向环型干涉仪的两路干涉信号分别如下：
Figure FDA0003078749540000023
Figure FDA0003078749540000024
其中，E02和E04是光振幅，
Figure FDA0003078749540000025
是扰动引起的相位变化，ψ是3×3耦合器的固定初始相位差；
同一扰动引发的两个干涉仪的相位变化
Figure FDA0003078749540000026
和
Figure FDA0003078749540000027
分别如下：
Figure FDA0003078749540000028
Figure FDA0003078749540000029
其中，Ld是第一光纤延时线的长度，Lx是从扰动发生位置到法拉第旋转镜的距离，c是真空中的光速，n是光纤的折射率；
将同一扰动产生的相位变化
Figure FDA00030787495400000210
和
Figure FDA00030787495400000211
进行相减运算，产生一个新的信号Δφ(t)，Δφ(t)与
Figure FDA00030787495400000212
之间的时间延迟反映扰动发生的位置；将Δφ(t)与
Figure FDA00030787495400000213
进行互相关运算，通过寻找互相关峰值的位置来计算出这两个信号之间的时间延迟τx，Δφ(t)的计算式如下：
Figure FDA00030787495400000214
通过对
Figure FDA00030787495400000215
和Δφ(t)做互相关函数，获得时间延迟τx，获得扰动位置，计算公式如下：
Lx＝cτx/2n。
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