專利名稱：基于薩格奈克干涉儀的光纖分布式擾動傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖傳感器，尤其涉及一種基于薩格奈克干涉儀的光纖分布式擾動傳 感器。
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(shí)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(bào)警、輸油管道監(jiān)測和聲發(fā)射監(jiān)測等領(lǐng)域都具有重要意義。
目前，根據(jù)工作原理的區(qū)別，光纖分布式傳感器主要分為干涉儀型、光纖光柵型、光 時(shí)域反射計(jì)型、強(qiáng)度調(diào)制型以及散射型等四種形式。
其中，干涉儀型分布式傳感器具有實(shí)現(xiàn)原理簡單、靈敏度高、器件成本低、適于長距 離傳感等優(yōu)良特性，己經(jīng)成為光纖分布式擾動傳感器的主要技術(shù)方案?，F(xiàn)有的干涉儀型光 纖分布式傳感器的方案主要有雙馬赫澤德型、單薩格奈克型、雙薩格奈克型、薩格奈克+邁 克爾遜型、薩格奈克+馬赫澤德型、雙波長薩格奈克型，雙調(diào)制頻率薩格奈克型等多種形 式。
如圖1所示，現(xiàn)有的薩格奈克干涉儀包括光源部分、光電探測器、耦合器l、傳感光 纖，光源部分發(fā)出的光經(jīng)過耦合器l分光后，分成兩路光分別順時(shí)針和逆時(shí)針沿傳感光纖傳 播，且兩路光在耦合器l處發(fā)生干涉，通過光電探測器接收干涉信號。
現(xiàn)有技術(shù)中，為了在時(shí)域中實(shí)現(xiàn)薩格奈克干涉儀對時(shí)變擾動的定位，可以通過兩個(gè)薩 格奈克干涉儀，或同時(shí)兩個(gè)工作波長，或同時(shí)工作在兩個(gè)調(diào)制頻率的一個(gè)薩格奈克干涉儀 來實(shí)現(xiàn)。
上述現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下缺點(diǎn)
需要采用兩個(gè)光源和探測器，以及需要實(shí)用波分復(fù)用器和不同頻率的調(diào)制器等器件， 增加了系統(tǒng)的硬件成本和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、且穩(wěn)定性較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種系統(tǒng)成本低、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好的基于薩格奈克干涉儀的光纖分布式擾動傳感器。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明的基于薩格奈克干涉儀的光纖分布式擾動傳感器，包括薩格奈克干涉儀，其特 征在于，在所述薩格奈克干涉儀的傳感光纖上耦合出一條支臂，并在該支臂上設(shè)置光延遲 裝置，形成兩個(gè)薩格奈克干涉儀，其中，第一薩格奈克干涉儀中的光波沿原傳感光纖傳 播，不經(jīng)過所述光延遲裝置；第二薩格奈克干涉儀中的光波在原傳感光纖中傳播，并經(jīng)過 所述光延遲裝置；
向薩格奈克干涉儀通入光，光波分別在第一薩格奈克干涉儀和第二薩格奈克干涉儀中 傳播；
根據(jù)兩個(gè)薩格奈克干涉儀輸出信號的相位差，通過以下公式計(jì)算擾動點(diǎn)的位置AI-2c
式中，w為擾動信號的角頻率；Z!為傳感光纖的長度；4=^+;， Zo為支臂上的光
延遲裝置的等效長度；C為光速；％-^為兩個(gè)干涉儀輸出信號的相位差。
由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明所述的基于薩格奈克干涉儀的光纖分 布式擾動傳感器，由于通過一個(gè)薩格奈克干涉儀，耦合出一條支臂，同時(shí)附加一個(gè)光延遲 裝置，形成兩個(gè)不同長度的薩格奈克干涉儀，通過光在干涉儀中的傳播，根據(jù)兩個(gè)薩格奈 克干涉儀輸出信號的相位差，計(jì)算擾動點(diǎn)的位置，實(shí)現(xiàn)對擾動的分布式傳感。系統(tǒng)成本 低、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好的。


圖l為現(xiàn)有技術(shù)中薩格奈克干涉儀的結(jié)構(gòu)原理圖； 圖2為本發(fā)明中薩格奈克干涉儀的結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的基于薩格奈克干涉儀的光纖分布式擾動傳感器，其較佳的具體實(shí)施方式
如圖 2所示，包括薩格奈克干涉儀，在所述薩格奈克干涉儀的傳感光纖上耦合出一條支臂，并在
該支臂上設(shè)置光延遲裝置，形成兩個(gè)薩格奈克干涉儀。可以通過在所述薩格奈克干涉儀的 傳感光纖上設(shè)置兩個(gè)耦合器耦合出所述的支臂，也可以通過其它的分光或耦合器件耦合出 支臂。
其中，第一薩格奈克干涉儀的光波沿原傳感光纖傳播，不經(jīng)過所述支臂；第二薩格奈 克干涉儀的光波經(jīng)過所述支臂，沿原傳感光纖傳播。向薩格奈克干涉儀通入光，光波分別在第一薩格奈克干涉儀和第二薩格奈克干涉儀中
傳播；
根據(jù)兩個(gè)薩格奈克千涉儀輸出信號的相位差，通過以下公式計(jì)算擾動點(diǎn)的位置AL: 仏—3A +4AZ)
式中，W為擾動信號的角頻率；丄,為傳感光纖的長度；Z,-A+丄D，丄D為支臂上的光 延遲裝置的等效長度；C為光速；％-仍為兩個(gè)干涉儀輸出信號的相位差。
所述的光延遲裝置可以為延遲光纖環(huán)，也可以為其它的光延時(shí)器件。 所述延遲光纖環(huán)的長度可以等于所述傳感光纖的長度，也可以選用其它的長度。 所述薩格奈克干涉儀包括光源部分，所述光源部分發(fā)出的光為脈沖光。光源部分可以 包括脈沖光源或連續(xù)光源和脈沖調(diào)制器等。
可以采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)對兩個(gè)薩格奈克干涉儀的輸出信號進(jìn)行區(qū)分。
本發(fā)明的基于薩格奈克干涉儀的光纖分布式擾動傳感器，采用一個(gè)薩格奈克干涉儀， 耦合出一條支臂，同時(shí)附加一個(gè)延遲光纖環(huán)，即在單個(gè)薩格奈克干涉儀中疊加一個(gè)延遲光 纖環(huán)，形成兩個(gè)不同長度薩格奈克干涉儀，通過光脈沖在干涉儀中的傳播，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同 長度薩格奈克干涉儀的時(shí)分復(fù)用，通過兩個(gè)時(shí)分復(fù)用的薩格奈克干涉儀輸出信號，從兩路 時(shí)分復(fù)用的干涉信號中計(jì)算出擾動位置，實(shí)現(xiàn)對擾動的分布式傳感。
本發(fā)明在傳統(tǒng)的薩格奈克干涉儀分布式擾動傳感器中實(shí)現(xiàn)了時(shí)分復(fù)用技術(shù)，通過時(shí)分 復(fù)用信號進(jìn)行定位。系統(tǒng)成本低、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好。
下面通過具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的分析
如圖2所示，在傳統(tǒng)的薩格奈克干涉儀中，疊加了一個(gè)延遲光纖環(huán)，形成了兩個(gè)薩格 奈克干涉儀。第一干涉儀的光路是由耦合器l直接通過傳感光纖回到耦合器l;第二干涉儀 的光路由耦合器l開始，經(jīng)由耦合器2，延遲光纖環(huán)和耦合器3，最后回到耦合器l。
參見圖l，對于薩格奈克干涉儀，假設(shè)擾動是具有余弦形式 P(,),cos—) (1)
式中，外和ft)分別是擾動信號的幅值和角頻率，擾動信號是指時(shí)變信號。
擾動信號作用在薩格奈克干涉儀中，會導(dǎo)致相位調(diào)制，在擾動作用點(diǎn)不在薩格奈克光 纖環(huán)中點(diǎn)的情況下，其中順時(shí)針和逆時(shí)針方向傳播的兩路光波的擾動信號的相位調(diào)制存在 時(shí)延，導(dǎo)致在發(fā)生干涉時(shí)，兩路光波存在以下相位差-Wnt W = % cos(W)lo cos[ (V +Ar)] =2p0 sin —△ z7 2) sin (W +W 2)
(2)
式中，伊,nt(O是沿順時(shí)針和逆時(shí)針方向傳播的兩路光波的相位差，ATT是擾動造成的相位 調(diào)制在兩路光波傳輸中的時(shí)延差，在薩格奈克干涉儀中，有
Ar = wCL_2AL)/c
(3)
式中，"是光纖有效折射率，丄是薩格奈克干涉儀的長度，c是光速，AL是擾動位置距離 耦合器l的距離。
再如圖2所示，對于疊加延遲光纖環(huán)以后形成的兩個(gè)薩格奈克干涉儀，只是長度不 同，分別為厶和厶，且A二A+^，其中厶是延遲光纖環(huán)的長度。對于兩個(gè)薩格奈克干涉 儀，其相位差分別為
— ，— "(A-2AZ)
(0 = 2% sin
sin
-/2
2(A-AZ》/2
sin
(丄2—2(厶—AI))
(4) (5)
如上式，《tl(0表現(xiàn)為 一 個(gè)以2%sin
為振幅，w為周期，
"(A-2A￡)/2為初始相位的 一 個(gè)正弦波；同時(shí)u0表現(xiàn)為
水
以
20。 sin
為振幅，《為周期，w(A -2(A _M))/2為初始相位的—
-木
正弦波。
Sagnac干涉儀1的初始相位表示為
-/2
Sagnac干涉儀2的初始相位表示為
p2 = <y~^-1-/ 2
c
則兩個(gè)相位信號的相位差為
=,2-2(A-AZ))/2 —
(6)
(7)
P廣A
2
(￡2_3^ +4AL) -—--!-^
2c
(8)
當(dāng)使厶=3厶時(shí)，
2<dAZ P廣仍=-
(9)
6從(9)式中可知，從兩個(gè)薩格奈克干涉儀的相位信號中可以解出擾動信號的位置Mc 在光電探測器中接收到的兩個(gè)干涉儀信號的光功率分別為
(io)
尸2《(1-C，m,2) (11) 在已知輸入光功率尸0的條件下，可以得到尸(M和尸02。
P01=10 '。普 (12)
"(As'"z)) p
尸02=10iof (13)
其中，a是光纖的損耗系數(shù)。
通過功率信號(10)和(11)中解出相位信號(從功率信號提取其相位信號有多種方法，本發(fā)明 不具體涉及提取方法)，計(jì)算出兩個(gè)相位信號的延遲差即可實(shí)現(xiàn)定位。
區(qū)分第一和第二薩格奈克干涉儀的信號，可以采用時(shí)分復(fù)用的方式，即在寬譜光源的 輸出端增加一個(gè)調(diào)制器或光開關(guān)，使光源發(fā)出的連續(xù)光波變成脈沖光波，脈沖的頻率可以 根據(jù)第一薩格奈克干涉儀的長度和延遲光纖環(huán)的長度選擇。
本發(fā)明中延遲光纖環(huán)等延時(shí)器件起到延時(shí)作用；調(diào)制器或光開關(guān)起到對寬譜光源發(fā)出 的連續(xù)光波進(jìn)行脈沖調(diào)制的作用，其目的是實(shí)現(xiàn)光脈沖，也可以使用脈沖光源等；耦合器 1、 2、 3均是為了實(shí)現(xiàn)分光和耦合作用，也可以用環(huán)形器、分束器等，起到分束和耦合作 用。
通過延遲環(huán)在薩格奈克干涉儀中采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)；利用光脈沖實(shí)現(xiàn)對兩個(gè)不同長度 的薩格奈克干涉儀的信號的區(qū)分；在測量信號峰峰值基礎(chǔ)上進(jìn)行定位算法。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡 單，器件對系統(tǒng)性能的影響小；降低了成本，避免了多個(gè)昂貴器件的使用；靈敏度高。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)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)。
權(quán)利要求
1、一種基于薩格奈克干涉儀的光纖分布式擾動傳感器，包括薩格奈克干涉儀，其特征在于，在所述薩格奈克干涉儀的傳感光纖上耦合出一條支臂，并在該支臂上設(shè)置光延遲裝置，形成兩個(gè)薩格奈克干涉儀，其中，第一薩格奈克干涉儀中的光波沿原傳感光纖傳播，不經(jīng)過所述光延遲裝置；第二薩格奈克干涉儀中的光波在原傳感光纖中傳播，并經(jīng)過所述光延遲裝置；向薩格奈克干涉儀通入光，光波分別在第一薩格奈克干涉儀和第二薩格奈克干涉儀中傳播；根據(jù)兩個(gè)薩格奈克干涉儀輸出信號的相位差，通過以下公式計(jì)算擾動點(diǎn)的位置ΔL式中，ω為擾動信號的角頻率；L1為傳感光纖的長度；L2＝L1+LD，LD為支臂上的光延遲裝置的等效長度；c為光速；為兩個(gè)干涉儀輸出信號的相位差。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于薩格奈克干涉儀的光纖分布式擾動傳感器，其特征在 于，所述的光延遲裝置為延遲光纖環(huán)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于薩格奈克干涉儀的光纖分布式擾動傳感器，其特征在 于，所述延遲光纖環(huán)的長度等于所述原傳感光纖的長度。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于薩格奈克干涉儀的光纖分布式擾動傳感器，其特征在 于，通過在所述薩格奈克千涉儀的傳感光纖上設(shè)置兩個(gè)耦合器耦合出所述的支臂。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于薩格奈克干涉儀的光纖分布式擾動傳感器，其特征在 于，所述薩格奈克干涉儀包括光源部分，所述光源部分發(fā)出的光為脈沖光。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于薩格奈克干涉儀的光纖分布式擾動傳感器，其特征在 于，所述光源部分包括脈沖光源或連續(xù)光源和脈沖調(diào)制器。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的基于薩格奈克干涉儀的光纖分布式擾動傳感器實(shí)現(xiàn)擾動 定位的方法，其特征在于，采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)對所述兩個(gè)薩格奈克干涉儀的輸出信號進(jìn)行 區(qū)分。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于薩格奈克干涉儀的光纖分布式擾動傳感器，采用一個(gè)薩格奈克干涉儀，耦合出一條支臂，同時(shí)附加一個(gè)延遲光纖環(huán)，即在單個(gè)薩格奈克干涉儀中疊加一個(gè)延遲光纖環(huán)，形成兩個(gè)不同長度的薩格奈克干涉儀，通過光脈沖在干涉儀中的傳播，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同長度的薩格奈克干涉儀的時(shí)分復(fù)用，并根據(jù)兩個(gè)薩格奈克干涉儀輸出信號的幅值，計(jì)算擾動點(diǎn)的位置，實(shí)現(xiàn)對擾動的分布式傳感。本發(fā)明系統(tǒng)成本低、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好。
文檔編號G01D5/26GK101487723SQ20091007896
公開日2009年7月22日 申請日期2009年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月2日
發(fā)明者晞 張, 張春熹, 李立京, 楊玉生, 林文臺, 生 梁, 許文淵 申請人:北京航空航天大學(xué)