CN212340410U - 基于双迈克尔逊干涉仪的光纤分布式扰动传感系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于双迈克尔逊干涉仪的光纤分布式扰动传感系统，主要包括双波长光源、光强度调制器、光隔离器、光分束器、第一个波分复用器、第二个波分复用器、第一个迈克尔逊干涉仪、第二个迈克尔逊干涉仪、第一个扰动信号解调模块、第二个扰动信号解调模块、扰动信号定位模块、扰动传感光纤、光信号传输光纤。本实用新型针对光纤分布式扰动传感器对减少光纤资源占用和降低信号检测噪声的需求，采用一根扰动传感光纤即可实现扰动信号的监测和定位，增加一根光信号传输光纤即可实现长距离管道、陆地光缆或海缆等的扰动信号监测和定位，光纤资源占用少，适用于光纤资源紧张的应用场合。

Description

基于双迈克尔逊干涉仪的光纤分布式扰动传感系统

技术领域

本实用新型涉及光纤传感的领域，具体涉及一种基于双迈克尔逊干涉仪的光纤分布式扰动传感系统。

背景技术

光纤分布式扰动传感系统往往采用光学干涉测量技术，能测量整个光纤长度维度上的相位扰动信号随时间的变化，具有灵敏度高、检测距离远、易于安装维护等优点，在周界安防、管道监测、海缆监测等领域具有广泛的应用。光纤分布式扰动传感系统常采用各种干涉仪及其组合实现扰动检测和定位，如双萨格奈克干涉仪(专利CN101487723)、双马赫-曾德干涉仪(专利CN101008583)等。专利CN101008583提出的基于双向马赫-曾德干涉仪的分布式扰动传感系统，利用扰动信号在双向马赫-曾德干涉仪的两臂上传输的时间差，得到扰动点的位置，灵敏度较高，实时性强，但应用于远距离分布式扰动检测时，应考虑马赫-曾德干涉仪双臂偏振态差异导致的干涉信号衰弱问题，需要在光路系统中增加偏振控制，如专利CN103149639所述。且此分布式扰动传感系统需要4根光纤实现信号检测和传输，其中两根光纤作为干涉仪双臂传感光纤，另两根光纤作为信号传输光纤。实际工程应用中通信光缆和海底光缆中光纤资源越来越紧张，过多的光纤占用可能会遇到光纤分配的困难。专利CN104729548提出了一种改进型的基于双向马赫-曾德干涉仪的分布式扰动传感系统，采用环形器替代部分光纤耦合器，可以采用3根光纤实现信号检测和定位，减少了光纤资源占用。对于所有上述基于双马赫-曾德干涉仪的分布式扰动传感系统，由于采用相同光源分路后相向传输方式，其中一个方向传输光的背向散射光会叠加至另一方向的干涉光信号中，导致干涉信号解调噪声增大，削弱了系统对微弱扰动信号的探测能力。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于双迈克尔逊干涉仪的光纤分布式扰动传感系统。

本实用新型的目的是通过如下技术方案来完成的：这种基于双迈克尔逊干涉仪的光纤分布式扰动传感系统，主要包括双波长光源、光强度调制器、光隔离器、光分束器、第一个波分复用器、第二个波分复用器、第一个迈克尔逊干涉仪、第二个迈克尔逊干涉仪、第一个扰动信号解调模块、第二个扰动信号解调模块、扰动信号定位模块、扰动传感光纤、光信号传输光纤，双波长光源、光强度调制器、光隔离器和光分束器的输入输出端口依次相连，第一个波分复用器和第二个波分复用器的PASS端分别与光分束器的两个输出端口相连，第一个波分复用器和第二个波分复用器的REFLECT端分别与第一个扰动信号解调模块和第二个扰动信号解调模块相连，第一个迈克尔逊干涉仪的两个端口分别与第一个波分复用器的COMMOM端和扰动传感光纤的一端相连，第二个迈克尔逊干涉仪的两个端口分别与扰动传感光纤的另一端和光信号传输光纤的一端相连，光信号传输光纤的另一端与第二个波分复用器的COMMOM端相连，第一个扰动信号解调模块和第二个扰动信号解调模块的输出与扰动信号定位模块的输入相连。

所述第一个迈克尔逊干涉仪和第二个迈克尔逊干涉仪由50/50光纤耦合器、第一个90°法拉第旋转镜、光纤延迟线圈和第二个90°法拉第旋转镜组成，第一个迈克尔逊干涉仪和第二个迈克尔逊干涉仪具有相同的干涉臂长差。

所述双波长光源出射光包括两个波长，两个波长分别与第一个波分复用器和第二个波分复用器的PASS端传输波长匹配。

所述光强度调制器的类型包括电光调制器、声光调制器、光开关。

所述光分束器为50/50光纤耦合器、PASS端和REFLECT端分别连接第一个波分复用器和第二个波分复用器的波分复用器中的一种。

所述扰动传感光纤为普通单模光纤以及采用振动增敏设计的单模光纤。

所述光信号传输光纤为单模光纤。

所述第一个扰动信号解调模块和第二个扰动信号解调模块的信号解调在时间上同步。

所述扰动信号定位模块根据第一个扰动信号解调模块和第二个扰动信号解调模块输出的扰动信号解调结果的相关性和时延，解算外界扰动信号在扰动传感光纤上的位置。

本实用新型的有益效果为：本实用新型针对光纤分布式扰动传感器对减少光纤资源占用和降低信号检测噪声的需求，采用一根扰动传感光纤即可实现扰动信号的监测和定位，增加一根光信号传输光纤即可实现长距离管道、陆地光缆或海缆等的扰动信号监测和定位，光纤资源占用少，适用于光纤资源紧张的应用场合；采用双波长光源和相应波分复用器组合，相向传输的两路传感光信号的波长不同，避免了一个方向传感和传输光信号的背向散射光对另一个方向的传感光信号的影响，扰动解调信号的背向散射噪声低，增强了对微弱扰动信号的检测能力，尤其适用于长距离的分布式扰动传感；光纤资源占用少，光学背向散射噪声影响小，尤其适用于长距离的分布式扰动传感；应用于通探一体化项目，作为通探一体化缆的一种信号解调方案，实现分布式声信号探测和定位。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构框图。

图2为本实用新型的迈克尔逊干涉仪组成框图。

图3为本实用新型的光信号传输和干涉示意图。

图4为本实用新型施加某扰动信号后第一个扰动信号解调模块和第二个扰动信号解调模块输出的同步解调结果示意图。

附图标记说明：双波长光源1、光强度调制器2、光隔离器3、光分束器4、第一个波分复用器5、第二个波分复用器6、第一个迈克尔逊干涉仪7、第二个迈克尔逊干涉仪8、第一个扰动信号解调模块9、第二个扰动信号解调模块10、扰动信号定位模块11、扰动传感光纤12、光信号传输光纤13、单脉冲光信号14、双脉冲光信号15、双脉冲时延光信号16、干涉光信号17、50/50光纤耦合器701、第一个90°法拉第旋转镜702、光纤延迟线圈703、第二个90°法拉第旋转镜704。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型做详细的介绍：

实施例：如附图1-2所示，这种基于双迈克尔逊干涉仪的光纤分布式扰动传感系统，主要包括双波长光源1、光强度调制器2、光隔离器3、光分束器4、第一个波分复用器5、第二个波分复用器6、第一个迈克尔逊干涉仪7、第二个迈克尔逊干涉仪8、第一个扰动信号解调模块9、第二个扰动信号解调模块10、扰动信号定位模块11、扰动传感光纤12、光信号传输光纤13，双波长光源1、光强度调制器2、光隔离器3和光分束器4的输入输出端口依次相连，光强度调制器2的类型包括电光调制器、声光调制器、光开关。第一个波分复用器5和第二个波分复用器6的PASS端分别与光分束器4的两个输出端口相连，第一个波分复用器5和第二个波分复用器6的REFLECT端分别与第一个扰动信号解调模块9和第二个扰动信号解调模块10相连，第一个迈克尔逊干涉仪7的两个端口分别与第一个波分复用器5的COMMOM端和扰动传感光纤12的一端相连，第二个迈克尔逊干涉仪8的两个端口分别与扰动传感光纤12的另一端和光信号传输光纤13的一端相连，扰动传感光纤12为普通单模光纤以及采用振动增敏设计的单模光纤。光信号传输光纤13为单模光纤。光信号传输光纤13的另一端与第二个波分复用器6的COMMOM端相连，第一个扰动信号解调模块9和第二个扰动信号解调模块10的输出与扰动信号定位模块11的输入相连。第一个迈克尔逊干涉仪7和第二个迈克尔逊干涉仪8由50/50光纤耦合器701、第一个90°法拉第旋转镜702、光纤延迟线圈703和第二个90°法拉第旋转镜704组成，第一个迈克尔逊干涉仪7和第二个迈克尔逊干涉仪8具有相同的干涉臂长差。双波长光源1出射光包括两个波长，两个波长分别与第一个波分复用器5和第二个波分复用器6的PASS端传输波长匹配。光分束器4为50/50光纤耦合器、PASS端和REFLECT端分别连接第一个波分复用器5和第二个波分复用器6的波分复用器中的一种。第一个扰动信号解调模块9和第二个扰动信号解调模块10的信号解调在时间上同步。扰动信号定位模块11根据第一个扰动信号解调模块9和第二个扰动信号解调模块10输出的扰动信号解调结果的相关性和时延，解算外界扰动信号在扰动传感光纤12上的位置。

本实用新型的原理：光纤分布式扰动传感系统采用传感光纤响应外界振动和声音等扰动信号。传感光纤将扰动信号转换为光学干涉仪的干涉相位变化，通过光学相位解调得到扰动信息。本发明采用一根传感光纤实现扰动信号传感响应，与传统马赫-曾德干涉仪需要两根光纤作为干涉仪两臂相比，节约了光纤资源。传感光纤中传输具有一定时延的双脉冲信号，当传感光纤上存在外界扰动时，一组双脉冲信号中的前后两个脉冲对同一外界扰动信号的响应存在时延。当此两个光脉冲叠加发生干涉时，干涉相位差为扰动信号的时延差分信号，通过对此时延差分的相位信号解调，可以获得外界扰动信息。单向的扰动信号解调无法获取扰动的位置信息。本发明通过双向的扰动信号同步解调，根据双向两路扰动信号之间的时延，解算扰动位置信息。

双波长光源1的输出光经过光强度调制器2调制后成为具有一定周期和占空比的单脉冲光信号14，如附图3所示。光强度调制器2可以是电光、声光或光开光等各种类型具有光强度调制功能的光器件。光分束器4可以是50/50光纤耦合器或PASS端和REFLECT端分别连接第一波分复用5和第二波分复用器6的波分复用器。光隔离器3用于隔离经光分束器4返回的光信号。单脉冲光信号14经过光隔离器3和光分束器4后分成两路光信号相向传输。附图3中顺时针传输的单脉冲光信号14经过第一个波分复用器5后，只有与第一个波分复用器5的PASS波长匹配的第一个光波长可以进入第一个迈克尔逊干涉仪7，并从第一个迈克尔逊干涉仪7的另一端出射形成双脉冲光信号15。此双脉冲光信号15经过扰动传感光纤12传输时，双脉冲对外界扰动信号的响应存在时延，因此双脉冲之间积累了不同的相位差，此相位差中包含了外界扰动信息。此双脉冲光信号15经过第二个迈克尔逊干涉仪8后，第二个迈克尔逊干涉仪8双臂输出的双脉冲光信号15和双脉冲时延光信号16叠加干涉，得到干涉光信号17。由于两个迈克尔逊干涉仪的臂长差一致，因此干涉光信号17一个周期内存在3个光脉冲，其中中间一个光脉冲是干涉脉冲，干涉相位差中包含了外界扰动信息。光分束器4另一输出端口的输出光经逆时针传输，其干涉光信号17与顺时针方向相似，但光信号波长为与第二个波分复用器6的PASS波长匹配的第二个光波长。顺时针方向和逆时针方向的干涉光信号17分别进入第二个扰动信号解调模块10和第一个扰动信号解调模块9进行同步干涉相位解调，得到顺时针方向和逆时针方向敏感的外界扰动信息，某典型相位解调结果如附图4所示。两路双向同步解调信号进入扰动信号定位模块11，进行相关时延解算等运算，得到外界扰动信号在扰动传感光纤12上的位置信息。

由于顺时针方向和逆时针方向传输光对外界扰动信号的响应存在时延，附图4中两路解调相位信号之间存在一定的时延，两信号时延Δt＝0.0002544s。附图4中测试结果对应的扰动传感光纤12和光信号传输光纤13分别为厂家标称长度25km左右的普通单模光纤，且在扰动传感光纤12靠近第一个迈克尔逊干涉仪7的一端施加了1kHz的正弦扰动信号。假设扰动传感光纤12和光信号传输光纤13的总长度为L0，v为光信号在光纤中的传输速率，则扰动信号距离第二个波分复用器6的COMMOM端长度为L1＝(L0+vΔt)/2，扰动信号定位模块11根据此式进行定位解算。对附图4中所示的测试信号，Δt＝0.0002544s，L0以厂家出厂标称长度50km计，光信号传输速率v以2.04×108m/s计，则计算扰动位置L1＝(L0+vΔt)/2＝51.00km，与厂家标称长度50km基本一致，说明了此分布式扰动传感系统对扰动信号探测和定位的可行性。计算结果与标称结果之间存在2％的偏差，主要源于光纤长度标称值与实际长度之间的偏差、光信号传输速度代入计算值与实际值之间的偏差等，实际系统设计中可以通过精确标定光纤长度、精确测定光纤折射率等方式进行优化。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本实用新型的技术方案及实用新型构思加以等同替换或改变都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于双迈克尔逊干涉仪的光纤分布式扰动传感系统，其特征在于：包括双波长光源(1)、光强度调制器(2)、光隔离器(3)、光分束器(4)、第一个波分复用器(5)、第二个波分复用器(6)、第一个迈克尔逊干涉仪(7)、第二个迈克尔逊干涉仪(8)、第一个扰动信号解调模块(9)、第二个扰动信号解调模块(10)、扰动信号定位模块(11)、扰动传感光纤(12)和光信号传输光纤(13)，双波长光源(1)、光强度调制器(2)、光隔离器(3)和光分束器(4)的输入输出端口依次相连，第一个波分复用器(5)和第二个波分复用器(6)的PASS端分别与光分束器(4)的两个输出端口相连，第一个波分复用器(5)和第二个波分复用器(6)的REFLECT端分别与第一个扰动信号解调模块(9)和第二个扰动信号解调模块(10)相连，第一个迈克尔逊干涉仪(7)的两个端口分别与第一个波分复用器(5)的COMMOM端和扰动传感光纤(12)的一端相连，第二个迈克尔逊干涉仪(8)的两个端口分别与扰动传感光纤(12)的另一端和光信号传输光纤(13)的一端相连，光信号传输光纤(13)的另一端与第二个波分复用器(6)的COMMOM端相连，第一个扰动信号解调模块(9)和第二个扰动信号解调模块(10)的输出与扰动信号定位模块(11)的输入相连。

2.根据权利要求1所述的基于双迈克尔逊干涉仪的光纤分布式扰动传感系统，其特征在于：所述第一个迈克尔逊干涉仪(7)和第二个迈克尔逊干涉仪(8)由50/50光纤耦合器(701)、第一个90°法拉第旋转镜(702)、光纤延迟线圈(703)和第二个90°法拉第旋转镜(704)组成，第一个迈克尔逊干涉仪(7)和第二个迈克尔逊干涉仪(8)具有相同的干涉臂长差。

3.根据权利要求1所述的基于双迈克尔逊干涉仪的光纤分布式扰动传感系统，其特征在于：所述双波长光源(1)出射光包括两个波长，两个波长分别与第一个波分复用器(5)和第二个波分复用器(6)的PASS端传输波长匹配。

4.根据权利要求1所述的基于双迈克尔逊干涉仪的光纤分布式扰动传感系统，其特征在于：所述光强度调制器(2)的类型包括电光调制器、声光调制器、光开关。

5.根据权利要求1所述的基于双迈克尔逊干涉仪的光纤分布式扰动传感系统，其特征在于：所述光分束器(4)为50/50光纤耦合器、PASS端和REFLECT端分别连接第一个波分复用器(5)和第二个波分复用器(6)的波分复用器中的一种。

6.根据权利要求1所述的基于双迈克尔逊干涉仪的光纤分布式扰动传感系统，其特征在于：所述扰动传感光纤(12)为普通单模光纤以及采用振动增敏设计的单模光纤。

7.根据权利要求1所述的基于双迈克尔逊干涉仪的光纤分布式扰动传感系统，其特征在于：所述光信号传输光纤(13)为单模光纤。

8.根据权利要求1所述的基于双迈克尔逊干涉仪的光纤分布式扰动传感系统，其特征在于：所述第一个扰动信号解调模块(9)和第二个扰动信号解调模块(10)的信号解调在时间上同步。

9.根据权利要求1所述的基于双迈克尔逊干涉仪的光纤分布式扰动传感系统，其特征在于：所述扰动信号定位模块(11)根据第一个扰动信号解调模块(9)和第二个扰动信号解调模块(10)输出的扰动信号解调结果的相关性和时延，解算外界扰动信号在扰动传感光纤(12)上的位置。

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