專利名稱：光纖分布式擾動傳感器及其實現(xiàn)擾動定位的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖傳感器，尤其涉及一種光纖分布式擾動傳感器及其實現(xiàn)擾動定位 的方法。
背景技術(shù)：
光纖傳感器由于其抗電磁干擾、體積小、重量輕、敏感度高、易于組網(wǎng)、特別是可以 實現(xiàn)分布式測量等優(yōu)良特性，在工業(yè)、民用和軍事領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。其中，光纖分布 式擾動傳感器在周界報警、輸油管道監(jiān)測和其它結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域中具有重要意義。
目前，根據(jù)工作原理的區(qū)別，光纖分布式傳感器有干涉儀型、光纖光柵型、光時域反 射計型、強度調(diào)制型以及散射型等多種類型。其中，干涉儀型分布式傳感器具有實現(xiàn)原理 簡單、靈敏度高、器件成本低、適于長距離傳感用等優(yōu)良特性，已經(jīng)成為光纖分布式擾動 傳感器的主要技術(shù)方案。
現(xiàn)有技術(shù)中，干涉儀型光纖分布式擾動傳感器多采用雙干涉儀結(jié)構(gòu)，例如雙馬赫澤德 干涉儀結(jié)構(gòu)、薩格奈克-馬赫澤德千涉儀結(jié)構(gòu)等。
如圖1所示，是基于雙馬赫澤德干涉儀的光纖分布式擾動傳感器的光路原理圖。光源 發(fā)出的光波經(jīng)由耦合器l分光， 一部分經(jīng)過耦合器2注入傳感臂L和參考臂U，在耦合器3處 發(fā)生干涉，通過光纖Ld傳輸，由光電探測器l接收，構(gòu)成了第一干涉儀。耦合器l輸出的另 一路光波經(jīng)過光纖L。傳輸，從耦合器3處注入傳感臂La和參考臂Lb，在耦合器2處發(fā)生干涉， 由光電探測器2接收，構(gòu)成了第二干涉儀。以上光路中的光纖均為單模光纖。其中，*(t) 是擾動引起的相位調(diào)制，當(dāng)擾動施加在傳感臂時，以上兩個馬赫澤德干涉儀受到相同的相 位調(diào)制4)(t)，但由于兩個干涉儀中擾動位置距離探測器的光纖長度不同，該擾動調(diào)制信號 到達(dá)兩個探測器的時間不同，分別為L和t2，通過確定時間差t,- t2，可以獲得擾動位置， 實現(xiàn)定位。
再參見圖l，假設(shè)擾動發(fā)生在傳感臂的x位置，則第一干涉儀(即耦合器3)的擾動信 號到達(dá)光電探測器l走過的光程為n(LfX+Ld)，第二干涉儀(即耦合器2)的擾動信號到達(dá)光 電探測器2走過的光程為nx，兩個干涉儀的擾動信號達(dá)到探測器的時間差為
△ t = n (L-2x+Ld)/c (1)其中，n為光纖纖芯的有效折射率，c為光在真空中的速度。為了實現(xiàn)對擾動位置的定 位，只需測量At，通過下式即可計算出擾動位置x:
x = (La+Ld— cAt/n)/2 (2)
在后續(xù)的定位處理中，因為兩個干涉儀的相位調(diào)制信號在理論上是完全相關(guān)的，僅僅 存在時延，通過計算互相關(guān)函數(shù)，確定出互相關(guān)函數(shù)最大值對應(yīng)的時延，即可得到時間 差。
如圖2所示，是基于雙馬赫澤德干涉儀型分布式擾動傳感器的定位算法的原理圖。
上述現(xiàn)有技術(shù)，基于雙馬赫澤德干涉儀型光纖分布式擾動傳感器至少存在以下缺點 由于長距離傳感降低成本的需要，傳感器均采用單模光纖。由于單模光纖本身固有的 本征雙折射和外界隨機因素導(dǎo)致的誘導(dǎo)雙折射，單模光纖中傳輸?shù)墓獠ǖ钠駪B(tài)會發(fā)生隨 機變化，從而使得發(fā)生干涉時，分別在傳感臂和參考臂中傳輸光波的處于相同振動方向的 光矢量(電場矢量)分量的幅值發(fā)生隨機變化，從而使干涉儀輸出信號的幅值發(fā)生變化， 特別在兩臂光波偏振態(tài)正交時，將不能發(fā)生干涉，干涉儀輸出信號的幅值為0，使傳感器完 全失效。
由于干涉儀輸出信號幅度的不穩(wěn)定性，可能使傳感器在一定的時間范圍內(nèi)出現(xiàn)無輸出 信號的失效情況，影響了傳感器在實際監(jiān)測應(yīng)用中的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能保持干涉儀輸出信號具有穩(wěn)定的可用幅度的光纖分布式擾 動傳感器及其實現(xiàn)擾動定位的方法。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
本發(fā)明的光纖分布式擾動傳感器，包括第一干涉儀、第二干涉儀，所述第一干涉儀和 第二干涉儀的輸出端分別連接有分光器，所述分光器的多路輸出端分別連接有檢偏器，所 述檢偏器之后連接有光電探測器。
本發(fā)明的上述的光纖分布式擾動傳感器實現(xiàn)擾動定位的方法，包括步驟
首先，將每個干涉儀的輸出信號分成多路光波；
然后，根據(jù)兩個干涉儀的輸出信號的多路光波進(jìn)行擾動定位。
由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明所述的光纖分布式擾動傳感器及其實 現(xiàn)擾動定位的方法，由于第一干涉儀和第二干涉儀的輸出信號首先經(jīng)過分光器和檢偏器分 成多路光波；然后，對兩個干涉儀的輸出信號的多路光波處理，進(jìn)行擾動定位。能保持干
涉儀的輸出信號具有穩(wěn)定的可用幅度。


圖l為現(xiàn)有技術(shù)中基于雙馬赫澤德干涉儀型分布式擾動傳感器的光路原理圖； 圖2為現(xiàn)有技術(shù)中基于雙馬赫澤德干涉儀型分布式擾動傳感器的定位算法的原理圖; 圖3為本發(fā)明的光纖分布式擾動傳感器的光路原理圖； 圖4為本發(fā)明的光纖分布式擾動傳感器實現(xiàn)擾動定位的方法的原理圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的光纖分布式擾動傳感器，其較佳的具體實施方式
是，包括第一干涉儀、第二 干涉儀，第一干涉儀和第二干涉儀的輸出端分別連接有分光器，分光器的多路輸出端分別 連接有檢偏器，檢偏器之后連接有光電探測器。
分光器的輸出端可以有三路，相應(yīng)的，每個分光器連接有3個檢偏器，3個檢偏器的偏 振角度相差分別為0士10度、60±10度、-60±10度，或0土10度、60±10度、120±10 度。根據(jù)需要，也可以有多路，對于n路情況，每個檢偏器的偏振角度依次分別相差為 180/n度。
第一干涉儀和第二干涉儀均為馬赫澤德干涉儀。
每個分光器之后的多個光電探測器之后可以連接有平方加和單元，平方加和單元的輸 出端通過高通濾波(濾掉直流量)與計算互相關(guān)函數(shù)單元連接。平方加和單元可以包括 光電探測器之后分別連接有平方單元，多個平方單元分別與相加單元連接。
光電探測器與平方單元之間可以連接有放大濾波單元；平方加和單元與計算互相關(guān)函 數(shù)單元之間連接有濾波單元。
上述的分光器包括以下至少一種器件1X3單模光纖耦合器件、半反半透膜空間光學(xué) 器件等，或其它的分光器件；
上述的檢偏器可以包括以下至少一種器件波片類型檢偏器件、棱鏡器件等，或其它 的器件。
本發(fā)明的光纖分布式擾動傳感器實現(xiàn)擾動定位的方法，其較佳的具體實施方式
是，包
括步驟
首先，將每個干涉儀的輸出信號分成多路光波；然后，根據(jù)兩個干涉儀的輸出信號的 多路光波進(jìn)行擾動定位。
具體可以將干涉儀的多路光波經(jīng)過平方加和后，再進(jìn)行互相關(guān)函數(shù)計算，實現(xiàn)擾動定位。多路偏振光可以首先經(jīng)過放大濾波后，再進(jìn)行平方加和；然后，再經(jīng)過濾波濾去支流 分量后，再進(jìn)行互相關(guān)函數(shù)計算；
經(jīng)過濾波濾去支流分量后的信號為/ = ^ CGS(2p —P)，式中，j為信號幅值；P
為相位調(diào)制信號；"為偏振態(tài)隨機變化產(chǎn)生的隨機相位差。
本發(fā)明在現(xiàn)有的雙馬赫澤德干涉儀型光纖分布式擾動傳感器的基礎(chǔ)上，在光路結(jié)構(gòu)中 的干涉儀輸出后面增加了檢偏器，并在信號檢測與處理方面做了相應(yīng)的改變。 下面通過具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的闡述
如圖3所示，是本發(fā)明的具體實施例的光路原理圖，光源發(fā)出的光波經(jīng)由耦合器l分 光， 一部分經(jīng)過耦合器2注入傳感臂La和參考臂U，在耦合器3處發(fā)生干涉，通過光纖Ld傳 輸，構(gòu)成了第一干涉儀；
耦合器1輸出的另一路光波經(jīng)過光纖L。傳輸，從耦合器3處注入傳感臂La和參考臂Lb，在 耦合器2處發(fā)生干涉，并輸出，構(gòu)成了第二干涉儀。
以上光路中的光纖均為單模光纖。第一干涉儀和第二干涉儀均為馬赫澤德干涉儀。
其中，》(t)是擾動引起的相位調(diào)制，當(dāng)擾動施加在傳感臂時，以上兩個馬赫澤德干 涉儀受到相同的相位調(diào)制4)(t)?，F(xiàn)有技術(shù)中，第一干涉儀的光路輸出信號和第二干涉儀的 光路輸出信號直接被光電探測器接收，由于在兩個干涉儀中擾動導(dǎo)致的相位調(diào)制信號到達(dá)
兩個光電探測器的時間不同，分別為ta和t2，通過確定時間差ta- t2，可以獲得擾動位置，
實現(xiàn)定位。
上述的具體實施例中，為了解決干涉儀輸出的光路信號幅值不可用的問題，兩個干涉 儀的光路輸出信號，沒有直接進(jìn)入光電探測器，而是通過分光器分別被分為等幅值的三
路，并分別進(jìn)入檢偏器，其中，三路的檢偏器的偏振角度相差分別為O度，60度和-60度。 經(jīng)過檢偏器以后的三路光信號，分別進(jìn)入光電探測器，轉(zhuǎn)化為電信號。
如圖4所示，是上述的實施例中的信號檢測與處理原理圖。光電探測器輸出的電信號 為消除噪聲和干擾經(jīng)過濾波和放大等調(diào)理后，分別平方，然后相加。相加后輸出的電信號 經(jīng)過高通濾波濾去直流分量，經(jīng)過濾波的信號L、 L分別作為第一、二個馬赫澤德干涉儀的 輸出信號，由于兩路信號的處理完全相同，不破壞兩個干涉儀中的擾動導(dǎo)致的相位調(diào)制信 號之間的相關(guān)性，進(jìn)行互相關(guān)計算，可以實現(xiàn)定位。
經(jīng)過以上處理后的信號L、 12可以不受偏振態(tài)隨機變化的影響，其幅值能夠保持在一 定范圍內(nèi)，不出現(xiàn)降低為O的可能性，從而消除某時刻輸出信號為O，傳感器失效的問題。
通常，所采用的光源為單縱模窄帶光源(線寬約100kHz)，其輸出光波可以認(rèn)為是全
6偏振光(實際光源發(fā)出的光波偏振度接近100%)，不失一般性，可以將光源發(fā)出的光波視 為任意橢圓偏振光，首先分析第一個干涉儀中的光波，第二個干涉儀中的光波具有同樣的
數(shù)學(xué)表達(dá)。設(shè)在干涉儀兩臂中正向傳輸?shù)墓獠ǖ碾妶鍪噶繛锳和^，其方位角和橢率角為
《、《和&和^。其瓊斯矢量為
cos《cos 4 — y sin《,sin & sin《cos ￡; + j' cos《sin ^
cos《cos fr - j' sin《sin ￡^ sin《cos + y cos《sin sr
(5)
(6)
發(fā)生干涉時，干涉光的強度 其中，干涉項為
(7)
2狀
Va2 +62 cos(p-《)
(8)
苴中 "=c。s(《-《)c。s(&-6 = sin(《-《)sin(《s,+￡;)
當(dāng)傳感光纖受到微擾動時，兩個干涉儀的輸出信號為 /, 二4+^cos[p(。-《] (9)
/2=4+JS2cOS[—2)-《2] (10)
其中，A為直流偏置，B為干涉項的幅值，^")和^")分別為微擾動引起的相位調(diào) 制，^和,2是時間，A—^為時間差，通過確定^—^可以得到擾動位置。
對于增加檢偏器的情況，干涉儀輸出的光波分光后經(jīng)過與x軸的夾角為e的檢偏器，此 時的干涉儀輸出光強中的干涉信號為
g巾
(11)
tan《=
6 (12) a = cos_ )cos (《—《)+ cos (4 + ￡"r) cos (《+《-2^)
6 = sin+ ^ ) sin (《-《)+ sins _ ^ ) sin (《+《_ 26)
(13)
(14)對于三路輸出信號平方后加和，得到
3 2 3廠i i 畫
《《X (a + ^ sin 0) = ￡X E ^ (《化2) + 7 (《_《)cos+ "A sin 2P
濾掉直流項后
1 3 「 "1
/ =;五X2 Z (《_《)cos+ 2aA sin = j cos(2p _ 〃)
2 i=1L、 (16)
(15)
乂 =—五X
2 s "
2卩3 、2
一"l _+》A U=i 乂
(17)
tan / = < + ^ +《_ ^ _《_ ^
其中，』為信號幅值，P為相位調(diào)制信號，"為偏振態(tài)隨機變化產(chǎn)生的隨機相位差。
(注^會影響定位精度，如果為了提高定位精度，還可以采取其他辦法同時消除^。但 是本發(fā)明要解決的是保持信號可用幅度的問題，不解決提高定位精度的問題，所以在本發(fā)
明中沒有消除"。)
對于兩個干涉儀，經(jīng)過分光器件，分別經(jīng)過三路檢偏器后平方、加和濾去直流項的輸 出信號為
A =4cos(2^_ A) (19) /2 =^2cos(2p2-々2) (20) 將以上L、 12作為干涉儀的最終輸出進(jìn)行互相關(guān)計算，實現(xiàn)定位。
本發(fā)明中，將干涉儀的光路輸出信號經(jīng)過分光器件后等分成為三路光，分別經(jīng)過相差 角度為0度，60度和-60度(或0度，60度，120度)的檢偏器，進(jìn)入光電探測器轉(zhuǎn)化為電信 號，通過濾波和放大等信號調(diào)理后，進(jìn)行平方和加和計算，濾去直流量后作為最終干涉輸 出信號進(jìn)行互相關(guān)計算，進(jìn)行擾動定位。通過以上步驟，可以使最終的干涉信號始終保持 在一定的幅值范圍內(nèi)，保持其可用性，消除為0的可能性，解決現(xiàn)有雙干涉儀型分布式擾動 傳感器由于光波偏振態(tài)的隨機變化導(dǎo)致的信號幅值變化為O時傳感器失效的問題；
在解決現(xiàn)有雙干涉儀型分布式擾動傳感器干涉儀最終輸出的電信號幅值變化為O時傳 感器失效的問題的同時，保持了對兩個干涉儀輸出信號處理的一致性，不喪失其相關(guān)性從而不影傳感器的定位精度；
由于本發(fā)明的信號處理方案是針對干涉儀的光路輸出進(jìn)行處理，因此不受傳感光纖長
度的影響，適合于傳感光纖為任何長度的情況。
實際上，干涉型傳感器采用單模光纖時，均存在干涉輸出信號隨機變化的問題，并且 可能在一定時間范圍內(nèi)其干涉輸出信號的幅值為O，使傳感器失效。
現(xiàn)有干涉儀型光纖分布式擾動傳感器，由于傳感光纖的距離較長(十幾至幾十公 里)，傳感光路通常采用成本相對較低的單模光纖，因此，隨機變化的外界因素導(dǎo)致的誘 導(dǎo)雙折射以及光纖本身存在的本征雙折射會導(dǎo)致單模光纖中傳輸?shù)墓獠ǖ钠駪B(tài)發(fā)生隨機 變化，由此會導(dǎo)致傳感臂和信號臂的光波的偏振態(tài)存在區(qū)別，只有相同偏振態(tài)(振動方 向)的光矢量(電場矢量)分量之間才會發(fā)生干涉，從而干涉信號的幅度發(fā)生隨機變化， 甚至當(dāng)兩臂的光波的偏振態(tài)處于正交情況，發(fā)生不能干涉的情況，干涉輸出信號的幅度為o 的情況，嚴(yán)重影響了光纖分布式擾動傳感器的實際可靠性。
本發(fā)明的光纖分布式擾動傳感器能保持干涉儀輸出信號具有穩(wěn)定的可用幅度。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任 何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都 應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
9
權(quán)利要求
1、一種光纖分布式擾動傳感器，包括第一干涉儀、第二干涉儀，其特征在于，所述第一干涉儀和第二干涉儀的輸出端分別連接有分光器，所述分光器的多路輸出端分別連接有檢偏器，所述檢偏器之后連接有光電探測器。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光纖分布式擾動傳感器，其特征在于，所述分光器的輸出端 有三路，相應(yīng)的，每個分光器連接有3個檢偏器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖分布式擾動傳感器，其特征在于，所述3個檢偏器的偏 振角度相差分別為0士10度、60±10度、-60±10度;或0士10度、60±10度、120±10度。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的光纖分布式擾動傳感器，其特征在于，所述的第一干 涉儀和第二干涉儀分別為馬赫澤德干涉儀。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的光纖分布式擾動傳感器，其特征在于，所述分光器之 后的多個光電探測器之后連接有平方加和單元，所述平方加和單元的輸出端與計算互相關(guān) 函數(shù)單元連接。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光纖分布式擾動傳感器，其特征在于，所述平方加和單元包 括所述光電探測器之后分別連接有平方單元，多個平方單元分別與相加單元連接；所述光電探測器與所述平方單元之間連接有放大濾波單元；所述平方加和單元與所述 計算互相關(guān)函數(shù)單元之間連接有濾波單元。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的光纖分布式擾動傳感器，其特征在于，所述分光器包 括以下至少一種器件1X3單模光纖耦合器、半反半透膜空間光學(xué)器件；所述檢偏器包括以下至少一種器件波片類型檢偏器件、棱鏡器件。
8、 一種權(quán)利要求1至7任一項所述的光纖分布式擾動傳感器實現(xiàn)擾動定位的方法，其特征在于，包括步驟首先，將每個干涉儀的輸出信號分成多路光波；然后，根據(jù)兩個干涉儀的輸出信號的多路光波進(jìn)行擾動定位。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的光纖分布式擾動傳感器實現(xiàn)擾動定位的方法，其特征在于， 將所述干涉儀經(jīng)分光器及多路檢偏器輸出的多路光波經(jīng)過光電探測器轉(zhuǎn)化為電信號，光電 探測器輸出的電信號經(jīng)過放大濾波調(diào)理后，進(jìn)行平方加和計算，濾掉直流量后，再進(jìn)行互 相關(guān)函數(shù)計算，實現(xiàn)擾動定位。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的光纖分布式擾動傳感器實現(xiàn)擾動定位的方法，其特征在 于，所述經(jīng)過濾波濾去支流分量后的信號為/ =^ CGS(2p —P)，式中，^為信號幅值；^為相位調(diào)制信號；"為偏振態(tài)隨機變化引起的隨機相位差。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光纖分布式擾動傳感器及其實現(xiàn)擾動定位的方法，將干涉儀的光路輸出信號經(jīng)過分光器件后等分成為三路光，并分別經(jīng)過偏振角度相差分別為0度、60度和-60度的檢偏器，進(jìn)入光電探測器轉(zhuǎn)化為電信號，通過濾波和放大等信號調(diào)理后，進(jìn)行平方加和計算，經(jīng)過濾波去掉直流量，作為最終干涉輸出信號進(jìn)行互相關(guān)計算，進(jìn)行擾動定位?？梢允棺罱K的干涉信號始終保持在一定的幅值范圍內(nèi)，保持其可用性，消除為0的可能性。解決了現(xiàn)有的雙干涉儀型分布式擾動傳感器由于光波偏振態(tài)的隨機變化導(dǎo)致的干涉儀光路輸出信號幅值變化為0時傳感器失效的問題。
文檔編號G01D5/26GK101464166SQ20091007626
公開日2009年6月24日 申請日期2009年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月8日
發(fā)明者晞 張, 張春熹, 彥 李, 琛 李, 李立京, 楊玉生, 林文臺, 生 梁 申請人:北京航空航天大學(xué)