CN113834508B - 基于互注入半导体激光器和非平衡马赫-曾德尔干涉仪的分布式光纤传感系统及其定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于互注入半导体激光器和非平衡马赫‑曾德尔干涉仪的分布式光纤传感系统及其定位方法。传感系统包括依次连接的激光器甲、偏振控制器甲、耦合器甲、非平衡马赫‑曾德尔干涉仪、耦合器乙、偏振控制器乙和激光器乙，所述耦合器甲乙的直通端输出从两个相反方向分别输入非平衡马赫‑曾德尔干涉仪，耦合端输出分别进入探测器甲乙转成电信号，通过数据采集与处理单元，实现扰动的检测与定位，步骤如下：根据任一输出信号的幅度是否出现两次变化，判定是否有扰动发生；确定探测器甲乙的输出信号两次幅度变化的时间间隔Δτ1和Δτ2；当Δτ1>Δτ2，扰动点离耦合器甲的距离x＝(Ls+Lr)/2‑cΔτ1/(2n)。当Δτ1<Δτ2，x＝(Ls‑Lr)/2+cΔτ2/(2n)。当Δτ1＝Δτ2，x＝Ls/2。本发明系统工作稳定，定位方法简单、准确、实时性好。
Description
技术领域
本发明涉及一种分布式光纤传感系统及其定位方法，特别是一种基于互注入半导体激光器和非平衡马赫-曾德尔干涉仪的分布式光纤传感系统及其定位方法，属于光纤传感领域。
背景技术
随着国民经济的快速发展及全球基础设施的大规模建设，对于大型建筑物、工业设备的质量监控及周界安全警戒的需求与日俱增。分布式光纤传感系统以光纤作为传感单元以及传输介质，可以实现在连续长距离情况下对外界振动信号的监测，具有结构简单、频带响应宽、测量范围广、精度高等优点，可以长期工作在高温高湿、易燃易爆以及强电磁场干扰等条件恶劣的环境中，在轨道交通监控、航空航天探测、矿井安全监测、供电网络传输安全检测、建筑结构测量以及周界入侵警戒等领域具有广泛的应用前景。
利用干涉仪实现分布式光纤传感是比较有发展前途的技术方案之一。目前主要基于四种类型的干涉仪：法布里-珀罗(Fabry-Perot)、迈克尔逊(Michelson)、萨尼亚克(Sagnac)、马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪，以及它们之间的相互组合形式。虽然基于干涉仪结构的分布式光纤传感系统对外界扰动的检测灵敏度极高，但是法布里-珀罗干涉型系统由于其结构的局限不能实现全分布式检测，迈克尔逊干涉型系统自身无法定位，即使与其它干涉仪组合，由于其反射装置会引起噪声，使得相位易受影响，仍然无法精确定位，而萨尼亚克干涉型系统需要复杂的信号解调算法，且定位结果易受环境噪声的影响。马赫-曾德尔干涉型系统无需解调，定位方法简单，但由于使用双臂结构造成系统易受环境影响，需要对参考臂进行隔离保护，这成为了亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的马赫-曾德尔干涉型分布式光纤传感系统的不足，提供一种基于互注入半导体激光器和非平衡马赫-曾德尔干涉仪的分布式光纤传感系统及其定位方法。本发明把非平衡马赫-曾德尔干涉仪插入互注入半导体激光器系统中。干涉仪的臂长差大于激光器的相干长度，外部扰动引起的相位变化到强度变化的转换不是利用马赫-曾德尔干涉效应，而是利用非平衡马赫-曾德尔干涉仪两臂对半导体激光器的光注入效应来实现。若互注入半导体激光器工作在单周期振荡状态，则具有相等GHz微波频率间隔的光波的相位是锁定的，可以减少光学相位噪声，从而提高输出信号的信噪比。利用互注入半导体激光器的同步特性获取扰动位置信息。无需隔离保护和信号互相关处理，系统工作状态稳定，定位方法简单、准确，且对光源的相干性要求不高。
为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于互注入半导体激光器和非平衡马赫-曾德尔干涉仪的分布式光纤传感系统，包括依次连接的激光器甲、偏振控制器甲、耦合器甲、非平衡马赫-曾德尔干涉仪、耦合器乙、偏振控制器乙和激光器乙；所述耦合器甲和耦合器乙的直通端输出从两个相反方向分别输入非平衡马赫-曾德尔干涉仪，所述耦合器甲和耦合器乙的耦合端输出分别进入探测器甲和探测器乙转成电信号，通过一个数据采集与处理单元，实现扰动的检测与定位。
优选地，所述非平衡马赫-曾德尔干涉仪由1×2耦合器丙、1×2耦合器丁及一段传感光纤和一段参考光纤组成，所述1×2耦合器丙和1×2耦合器丁的耦合比均为50:50，所述传感光纤和参考光纤的长度不相等，且长度差大于激光器甲和激光器乙的相干长度。
优选地，所述激光器甲和激光器乙都是无内置隔离器的半导体激光器，其参数相同或者不同，若要获得更好的输出信号信噪比，则激光器甲乙需工作在单周期振荡状态。
作为本发明的另一种技术方案，所述耦合器甲和耦合器乙省去，而把偏振控制器甲和偏振控制器乙直接与非平衡马赫-曾德尔干涉仪相连，用激光器甲和激光器乙内置光电探测器代替所述探测器甲和探测器乙；若参考光纤长度为零，所述探测器甲和探测器乙用一个平衡探测器代替。
一种基于互注入半导体激光器和非平衡马赫-曾德尔干涉仪的分布式光纤传感系统的定位方法，利用本发明基于互注入半导体激光器和非平衡马赫-曾德尔干涉仪的分布式光纤传感系统，包括以下步骤：
步骤1：根据任一输出信号的幅度是否出现两次变化，判定是否有扰动发生；
步骤2：确定探测器甲和探测器乙，或激光器甲和激光器乙的内置探测器的输出信号两次幅度变化的时间间隔Δτ1和Δτ2；
步骤3：当Δτ1>Δτ2，扰动点离耦合器丙或耦合器甲的距离x＝(Ls+Lr)/2-cΔτ1/(2n)；
当Δτ1<Δτ2，x＝(Ls-Lr)/2+cΔτ2/(2n)；
当Δτ1＝Δτ2，x＝Ls/2；
若Lr＝0，只能使用一半长度的传感光纤进行检测，用平衡探测器检测，只有一个输出信号，其两次幅度变化的时间间隔记作Δτ；若取x<Ls/2，则x＝Ls/2-cΔτ/(2n)；若取x>Ls/2，则x＝Ls/2+cΔτ/(2n)；
其中，c为真空中的光速，n为纤芯的有效折射率，Ls表示传感光纤长度，Lr表示参考光纤长度。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明利用非平衡马赫-曾德尔干涉仪两臂对半导体激光器的光注入效应来实现外部扰动引起的相位变化到强度变化的转换，降低了对光源相干性的要求，提高了分布光纤传感系统的工作稳定性；
2.本发明的激光器不仅是载波发生器，而且是一种特殊的相干探测器；相互注入的两个激光器会发生同步现象，使得两个相反方向上的光信号在激光器谐振腔中相互复制，每个输出信号都包含两次幅度变化；
3.本发明利用任一路输出信号中的两次幅度变化的时间差定位，无需做互相关处理即可获得时间差信息，信号处理更加简单快捷，实时性好。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为本发明使用的非平衡马赫-曾德尔光纤干涉仪的结构示意图。
图3为本发明优选实施例中无外界扰动时通过耦合器甲测得的单周期振荡光谱。
图4为本发明优选实施例中无外界扰动时通过耦合器乙测得的单周期振荡光谱。
图5为本发明优选实施例中无外界扰动时系统输出的信号波形。
图6为本发明优选实施例中外界扰动位置为0m时系统输出的信号波形。
图7为本发明优选实施例中外界扰动位置为393m时系统输出的信号波形。
图8为本发明优选实施例中外界扰动位置为515.9m时系统输出的信号波形。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1，一种基于互注入半导体激光器和非平衡马赫-曾德尔干涉仪的分布式光纤传感系统，包括依次连接的激光器甲1、偏振控制器甲2、耦合器甲3、非平衡马赫-曾德尔干涉仪4、耦合器乙5、偏振控制器乙6和激光器乙7；所述耦合器甲3和耦合器乙5的直通端输出从两个相反方向分别输入非平衡马赫-曾德尔干涉仪4，所述耦合器甲3和耦合器乙5的耦合端输出分别进入探测器甲8和探测器乙9转成电信号，通过一个数据采集与处理单元10，实现扰动的检测与定位。
本实施例把非平衡马赫-曾德尔干涉仪插入互注入半导体激光器系统中，利用非平衡马赫-曾德尔干涉仪两臂对半导体激光器的光注入效应来实现外部扰动引起的相位变化到强度变化的转换；利用互注入半导体激光器的单周期振荡工作状态锁定各光波的相位，减少光学相位噪声，提高输出信号的信噪比；利用互注入半导体激光器的同步特性获取扰动位置信息。无需隔离保护和信号互相关处理，系统工作状态稳定，定位方法简单、准确，且对光源的相干性要求不高。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，参见图1和图2，所述非平衡马赫-曾德尔干涉仪4由1×2耦合器丙4-1、1×2耦合器丁4-2及一段传感光纤4-3和一段参考光纤4-4组成，所述1×2耦合器丙4-1和1×2耦合器丁4-2的耦合比均为50:50，所述传感光纤4-3和参考光纤4-4的长度不相等，且长度差大于激光器甲1和激光器乙7的相干长度。
在本实施例中，所述激光器甲1和激光器乙7都是无内置隔离器的半导体激光器，其参数相同或者不同，若要获得更好的输出信号信噪比，则激光器甲乙需工作在单周期振荡状态。
此外，在本实施例中，所述耦合器甲3和耦合器乙5省去，而把偏振控制器甲2和偏振控制器乙6直接与非平衡马赫-曾德尔干涉仪4相连，用激光器甲1和激光器乙7内置光电探测器代替所述探测器甲8和探测器乙9；若参考光纤4-4长度为零，所述探测器甲8和探测器乙9用一个平衡探测器代替。
本实施例利用非平衡马赫-曾德尔干涉仪两臂对半导体激光器的光注入效应来实现外部扰动引起的相位变化到强度变化的转换，降低了对光源相干性的要求，提高了分布光纤传感系统的工作稳定性；本实施例的激光器不仅是载波发生器，而且是一种特殊的相干探测器；相互注入的两个激光器会发生同步现象，使得两个相反方向上的光信号在激光器谐振腔中相互复制，每个输出信号都包含两次幅度变化；本实施例可以利用任一路输出信号中的两次幅度变化的时间差定位，无需做互相关处理即可获得时间差信息，信号处理更加简单快捷，实时性好。
实施例三：
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，选用天津峻烽光联科技有限公司的DFB半导体激光器DFB200903作为激光器甲1，选用该公司的DFB半导体激光器DFB200904作为激光器乙7，激光器甲1和激光器乙7均无内置隔离器。激光器甲1的输出功率范围为0～13mW，中心波长调谐范围为1548.92～1551.32nm。激光器乙7的输出功率为12.58mW，中心波长为1550.004nm。两个偏振控制器都采用General Photonics公司的光纤挤压器(PLC-001)。所有光纤均采用G.652标准单模光纤，其中，传感光纤4-3的长度为2.6383km，参考光纤的长度忽略不计。1×2耦合器丙4-1和1×2耦合器丁4-2的耦合比为50:50。利用Thorlabs公司的PDB450C平衡探测器探测两路输出信号。数据采集与处理系统10由一台DELL Inspiron 5548笔记本电脑和PICO公司的PicoScope 5203数字示波器组成，示波器把采集的数据传送到笔记本电脑，用MATLABR2016a软件编程处理得到是否有扰动发生并确定扰动位置。
实施例四：
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种基于互注入半导体激光器和非平衡马赫-曾德尔干涉仪的分布式光纤传感系统的定位方法，利用实施例一所述基于互注入半导体激光器和非平衡马赫-曾德尔干涉仪的分布式光纤传感系统，包括以下步骤：
步骤1：根据任一输出信号的幅度是否出现两次变化，判定是否有扰动发生；
步骤2：确定探测器甲8和探测器乙9，或激光器甲1和激光器乙7的内置探测器的输出信号两次幅度变化的时间间隔Δτ1和Δτ2；
步骤3：当Δτ1>Δτ2，扰动点离耦合器丙4-1或耦合器甲3的距离x＝(Ls+Lr)/2-cΔτ1/(2n)；
当Δτ1<Δτ2，x＝(Ls-Lr)/2+cΔτ2/(2n)；
当Δτ1＝Δτ2，x＝Ls/2；
若Lr＝0，只能使用一半长度的传感光纤进行检测，用平衡探测器检测，只有一个输出信号，其两次幅度变化的时间间隔记作Δτ；若取x<Ls/2，则x＝Ls/2-cΔτ/(2n)；若取x>Ls/2，则x＝Ls/2+cΔτ/(2n)；
其中，c为真空中的光速，n为纤芯的有效折射率，Ls表示传感光纤长度，Lr表示参考光纤长度。
无扰动时，通过两个偏振控制器调节光纤中光的偏振态，以使两台激光器的注入光偏振态与其内腔光偏振态一致，再调节激光器的输出功率和波长以控制注入强度和频率失谐量，使系统工作在单周期振荡状态，系统在两个方向输出的光谱如图3、4所示，用示波器采集到的系统输出的信号波形如图5所示。在传感光纤上距离耦合器丙0m、393m、515.9m处插入一个COVEGA公司的LiNbO3电光相位调制器(10053)，利用Agilent公司的信号发生器(33250A)，产生一个频率为25kHz，幅度为5Vpp的方波脉冲信号，驱动LiNbO3电光相位调制器以模拟外界扰动对传感光纤的作用。正弦信号工作在burst模式，其参数如下：周期为100ms、1个cycle。用示波器采集到的信号波形如图6～图8所示，与图5对比可以看出，输出信号的幅度出现两次明显变化，据此可获知传感光纤上发生了扰动。由于所使用的平衡探测器的带宽只有4MHz，所以检测不到单周期振荡状态下的GHz微波信号，从图5看到的只是激光器泵浦波动的低频噪声。平衡探测器的带宽不足使其具有了低通滤波功能，因此，在扰动发生时，平衡探测器只检测到扰动引起的较低频信号，不受GHz微波信号干扰，使得信号处理更方便。
图6～图8中两次幅度变化的时间间隔分别为13.212μs、9.275μs和8.072μs。根据式x＝Ls/2-cΔτ/(2n)即可确定扰动点离耦合器甲的距离x分别为-2.05m、391.65m和511.95m，这里取纤芯的有效折射率n＝1.5，真空中的光速c＝3×108m/s。定位误差分别为-2.05m、-1.35m和-3.95m。
本实施例基于互注入半导体激光器和非平衡马赫-曾德尔干涉仪的分布式光纤传感系统，包括依次连接的激光器甲、偏振控制器甲、耦合器甲、非平衡马赫-曾德尔干涉仪、耦合器乙、偏振控制器乙和激光器乙，所述耦合器甲乙的直通端输出从两个相反方向分别输入非平衡马赫-曾德尔干涉仪，耦合端输出分别进入探测器甲乙转成电信号，通过数据采集与处理单元，实现扰动的检测与定位。定位方法步骤如下：根据任一输出信号的幅度是否出现两次变化，判定是否有扰动发生；确定探测器甲乙的输出信号两次幅度变化的时间间隔Δτ1和Δτ2；当Δτ1>Δτ2，扰动点离耦合器甲的距离x＝(Ls+Lr)/2-cΔτ1/(2n)。当Δτ1<Δτ2，x＝(Ls-Lr)/2+cΔτ2/(2n)。其中，c为真空中的光速，n为纤芯的有效折射率，Ls表示非平衡马赫-曾德尔干涉仪传感臂长度，Lr表示参考臂长度。当Δτ1＝Δτ2，x＝Ls/2；若Lr＝0，只能使用一半长度的传感臂进行检测，用平衡探测器检测，只有一个输出信号，其两次幅度变化的时间间隔记作Δτ；若取x<Ls/2，则x＝Ls/2-cΔτ/(2n)，若取x>Ls/2，则x＝Ls/2+cΔτ/(2n)。上述实施例系统工作稳定，定位方法简单、准确、实时性好。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于互注入半导体激光器和非平衡马赫-曾德尔干涉仪的分布式光纤传感系统，其特征在于：包括依次连接的激光器甲(1)、偏振控制器甲(2)、耦合器甲(3)、非平衡马赫-曾德尔干涉仪(4)、耦合器乙(5)、偏振控制器乙(6)和激光器乙(7)；所述耦合器甲(3)和耦合器乙(5)的直通端输出从两个相反方向分别输入非平衡马赫-曾德尔干涉仪(4)，所述耦合器甲(3)和耦合器乙(5)的耦合端输出分别进入探测器甲(8)和探测器乙(9)转成电信号，通过一个数据采集与处理单元(10)，实现扰动的检测与定位；
所述非平衡马赫-曾德尔干涉仪(4)由1×2耦合器丙(4-1)、1×2耦合器丁(4-2)及一段传感光纤(4-3)和一段参考光纤(4-4)组成，所述1×2耦合器丙(4-1)和1×2耦合器丁(4-2)的耦合比均为50:50，所述传感光纤(4-3)和参考光纤(4-4)的长度不相等，且长度差大于激光器甲(1)和激光器乙(7)的相干长度。
2.根据权利要求1所述基于互注入半导体激光器和非平衡马赫-曾德尔干涉仪的分布式光纤传感系统，其特征在于：所述激光器甲(1)和激光器乙(7)都是无内置隔离器的半导体激光器，其参数相同或者不同，若要获得更好的输出信号信噪比，则激光器甲乙需工作在单周期振荡状态。
3.根据权利要求1所述基于互注入半导体激光器和非平衡马赫-曾德尔干涉仪的分布式光纤传感系统，其特征在于：所述耦合器甲(3)和耦合器乙(5)省去，而把偏振控制器甲(2)和偏振控制器乙(6)直接与非平衡马赫-曾德尔干涉仪(4)相连，用激光器甲(1)和激光器乙(7)内置光电探测器代替所述探测器甲(8)和探测器乙(9)；若参考光纤(4-4)长度为零，所述探测器甲(8)和探测器乙(9)用一个平衡探测器代替。
4.一种基于互注入半导体激光器和非平衡马赫-曾德尔干涉仪的分布式光纤传感系统的定位方法，利用权利要求1或3中所述基于互注入半导体激光器和非平衡马赫-曾德尔干涉仪的分布式光纤传感系统，包括以下步骤：
步骤1：根据任一输出信号的幅度是否出现两次变化，判定是否有扰动发生；
步骤2：确定探测器甲(8)和探测器乙(9)，或激光器甲(1)和激光器乙(7)的内置探测器的输出信号两次幅度变化的时间间隔Δτ1和Δτ2；
步骤3：当Δτ1>Δτ2，扰动点离耦合器丙(4-1)或耦合器甲(3)的距离x＝(Ls+Lr)/2-cΔτ1/(2n)；
当Δτ1<Δτ2，x＝(Ls-Lr)/2+cΔτ2/(2n)；
当Δτ1＝Δτ2，x＝Ls/2；
若Lr＝0，只能使用一半长度的传感光纤进行检测，用平衡探测器检测，只有一个输出信号，其两次幅度变化的时间间隔记作Δτ；若取x<Ls/2，则x＝Ls/2-cΔτ/(2n)；若取x>Ls/2，则x＝Ls/2+cΔτ/(2n)；
其中，c为真空中的光速，n为纤芯的有效折射率，Ls表示传感光纤长度，Lr表示参考光纤长度。
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