專利名稱：一種抑制傳感器死區(qū)的分布式光纖sagnac定位傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)傳感器領(lǐng)域，尤其是一種抑制傳感器死區(qū)的分布式光纖 sagnac定位傳感器。
背景技術(shù)：
在光纖Sagnac干涉儀中，從光源出來的光經(jīng)耦合器分為兩束，分別沿光纖 環(huán)的順時(shí)針和逆時(shí)針方向傳播，當(dāng)光纖中某點(diǎn)受到外界變化的擾動(dòng)，使通過該點(diǎn) 光束產(chǎn)生相位變化。兩相向傳播的光是在不同時(shí)刻經(jīng)過該點(diǎn)，使得產(chǎn)生的附加相 位變化量不相等，當(dāng)兩相向傳播的光回到耦合器時(shí)發(fā)生干涉，通過解調(diào)該信號(hào)可 以得到相關(guān)的位置信息。由于兩路產(chǎn)生干涉的光在同一光路中傳播，只是傳播方 向相反，因而避免了其他干涉結(jié)構(gòu)中調(diào)整光路的困難，降低了對光源相干長度的 要求，且對環(huán)境中緩慢變化的噪聲如溫度的變化不敏感?；赟agnac干涉的傳 感器具有靈敏度和分辨率高、體積小、重量輕、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)簡單、抗電磁干擾 能力強(qiáng)且能在易燃易爆環(huán)境下可靠運(yùn)行，易于感應(yīng)被測參量，靈敏度高，響應(yīng)快， 動(dòng)態(tài)范圍大，傳輸損耗低的優(yōu)點(diǎn)，因此具有實(shí)現(xiàn)長距離多參量監(jiān)測的固有優(yōu)勢， 在光纖陀螺、光纖周界安全監(jiān)測、管道泄漏監(jiān)測等方面有廣泛應(yīng)用。
在分布式光纖傳感器中，由于光纖光路中的各種光纖雙折射、光纖彎曲損耗、 光纖扭曲等干擾，光源的光強(qiáng)度波動(dòng)，光電探測器的噪聲，電路及數(shù)據(jù)采集卡的 噪聲等，使傳感光路在沒有受到外界的擾動(dòng)時(shí)，得到的光信號(hào)有一定的幅度波動(dòng)。 當(dāng)光路受到擾動(dòng)時(shí)，如果因擾動(dòng)而產(chǎn)生的干涉信號(hào)幅度小于系統(tǒng)中的噪聲時(shí)，則 此時(shí)有用信號(hào)會(huì)湮沒在噪聲當(dāng)中，無法解調(diào)出擾動(dòng)位置，這就是傳感死區(qū)。而目 前的大多數(shù)基于Sagnac的分布式光纖傳感器沒有考慮傳感死區(qū)問題，更沒有提 出消除傳感死區(qū)的辦法。 一般的單軸式光纖Sagnac分布式傳感器是通過在光纖 軸的端面鍍膜或加反射鏡的方法來實(shí)現(xiàn)光的循環(huán)，但鍍膜的光纖頭存在鍍膜不均 勻、極易受到磨損、長久揮發(fā)等問題，且會(huì)影響光的傳輸質(zhì)量，需要高質(zhì)量鍍膜 以及加保護(hù)頭等措施，這無形之中增加了成本和復(fù)雜度；加反射鏡會(huì)增加插入損 耗，也很難實(shí)現(xiàn)光的全反射，造成干涉信號(hào)強(qiáng)度減弱，降低了信號(hào)的信噪比，對信號(hào)解調(diào)不利。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種抑制傳感器死區(qū)的分布式光纖sagnac定位傳感器， 以解決傳統(tǒng)技術(shù)存在傳感死區(qū)，以及傳統(tǒng)技術(shù)的光循環(huán)容易導(dǎo)致干涉信號(hào)強(qiáng)度減 弱的問題。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為-
一種抑制傳感器死區(qū)的分布式光纖sagnac定位傳感器，其特征在于包括 第一光纖耦合器和第二光纖耦合器，所述第一光纖耦合器的進(jìn)光端口為第二端 口，出光端口為第一、第三、第四、第五、第六端口；第一光纖耦合器的第三、 第四端口通過延遲光纖相互連接，所述第一光纖耦合器的第一端口其前方設(shè)有光 電探測單元，所述光電探測單元的輸出信號(hào)接入A/D變換數(shù)字采集卡，所述A/D 變換數(shù)字采集卡與計(jì)算機(jī)電連接；還包括有傳感光纖，所述第一光纖耦合器的 第五端口與傳感光纖的一個(gè)端口連接，所述傳感光纖的另一個(gè)端口與所述第二光 纖耦合器的一個(gè)端口連接，所述第二光纖耦合器上還有另外的兩個(gè)端口之間通過 光纖連接；所述第一光纖耦合器的第二端口前方設(shè)有參考光源，參考光源與第二 端口之間設(shè)有光隔離器。
所述的一種抑制傳感器死區(qū)的分布式光纖sagnac定位傳感器，其特征在于 所述第一光纖耦合器共有六個(gè)端口，為3X3結(jié)構(gòu)，其中有一個(gè)端口空置。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抑制傳感器死區(qū)的分布式光纖sagnac定位傳 感器，其特征在于所述第二光纖耦合器共有四個(gè)端口，為2X2結(jié)構(gòu)，其中有 一個(gè)端口空置。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抑制傳感器死區(qū)的分布式光纖sagnac定位傳 感器，其特征在于:所述第一光纖耦合器和第二光纖耦合器皆為單模光纖耦合器。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抑制傳感器死區(qū)的分布式光纖sagnac定位傳 感器，其特征在于所述光電探測單元包括依次電連接的光電探測器、前置放大 器和高通濾波電路，光信號(hào)進(jìn)入光電探測器后，被光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再 依次經(jīng)過前置放大器和高通濾波電路，傳送至A/D變換數(shù)字采集卡。本發(fā)明中，光隔離器保證光束單向傳輸?shù)囊环N器件，防止光路中出現(xiàn)的反射 光對光源帶來的危害。第一光纖耦合器和第二光纖耦合器都是單模光纖耦合器， 分別為3X3的和2X2的結(jié)構(gòu)，這樣可以使分光比均勻。光電探測單元的功能是 將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)行放大和濾波，因此包括一個(gè)光電探測器、前置放大 器和高通濾波電路，光電探測器的響應(yīng)波長應(yīng)在光源發(fā)射的光信號(hào)波段，可以是 PIN光電二極管。
本發(fā)明具有以下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)
1) 本發(fā)明采用全光纖器件，光電探測器帶有尾纖，可與光纖直接熔接，減 少了插入損耗。
2) 本發(fā)明通過合理的選擇延遲光纖的長度既可以抑制傳感光纖中的傳感死 區(qū)，又可以消除信號(hào)解調(diào)中出現(xiàn)的偽零頻點(diǎn)。
3) 本發(fā)明通過一個(gè)2X2光纖耦合器構(gòu)成光纖環(huán)形鏡，實(shí)現(xiàn)光反射，降低了 制作工藝的復(fù)雜性，提高了信噪比。


圖l為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為光路有干擾及無干擾時(shí)的信號(hào)，其中
圖2a為光路的中點(diǎn)處無擾動(dòng)時(shí)的信號(hào)。圖2b為光路的中點(diǎn)處有擾動(dòng)時(shí)的信
號(hào)
圖3為擾動(dòng)后及變換后的FFT干擾信號(hào)，其中
圖3a為擾動(dòng)后的干涉信號(hào)。圖3b為FFT變換后的干擾信號(hào)。
圖4為處理后的信號(hào)，其中
圖4a為小波去噪及鄰域平均后的信號(hào)。圖4b為分段最小二乘法擬合后信號(hào)。
具體實(shí)施例方式
參見圖1， 一種抑制傳感器死區(qū)的分布式光纖sagnac定位傳感器，設(shè)置有光 源l、光隔離器2，光隔離器2是保證光束單向傳輸?shù)囊环N器件，防止光路中出 現(xiàn)的反射光對光源帶來的危害。包括分別帶有多個(gè)端口的第一光纖耦合器3和第 二光纖耦合器6，第一光纖耦合器3和第二光纖耦合器6皆為單模光纖耦合器， 兩個(gè)光纖耦合器的端口分別對稱分布在光纖耦合器的兩側(cè)，第一光纖耦合器3 共有六個(gè)端口，為3X3結(jié)構(gòu)，其中有端口 306空置，第二光纖耦合器6共有四個(gè)端口，為2X2結(jié)構(gòu)，其中有一個(gè)端口 602空置。第一光纖耦合器3的端口 302 為進(jìn)光端口，光源1發(fā)出的光經(jīng)過光隔離器2后，射入第一光纖耦合器3的進(jìn) 光端口 302。第一光纖耦合器3的另外兩個(gè)端口 303、 304通過延遲光纖4相互 連接，第一光纖耦合器3的端口301其前方設(shè)有光電探測單元7，光電探測單元 7與A/D變換數(shù)字采集卡電連接，A/D變換數(shù)字采集卡與計(jì)算機(jī)8電連接，光電 探測單元7包括依次電連接的光電探測器、前置放大器和高通濾波電路，光電探 測器可選用PIN光電二極管，光信號(hào)進(jìn)入光電探測器后，被光電探測器轉(zhuǎn)換為 電信號(hào)，再依次經(jīng)過前置放大器和高通濾波電路，傳送至A/D變換數(shù)字采集卡。 還包括有傳感光纖5，第一光纖耦合器3的端口 305與傳感光纖5的一個(gè)端口連 接，傳感光纖5的另一個(gè)端口與第二光纖耦合器6的端口601連接，第二光纖耦 合器上還有兩個(gè)端口 603、 604通過光纖連接。
光源l發(fā)出的光，經(jīng)過光隔離器2后進(jìn)入第一光纖耦合器3，由于第一光纖 耦合器3的分光作用， 一部分光從端口 304進(jìn)入延遲光纖4，還有一部分光進(jìn)入 傳感光纖5。進(jìn)入傳感光纖的光從第二光纖耦合器6的端口 601進(jìn)入后分別從端 口 603與端口 604出射，因這兩端口已相連則這兩端的光又全都從相對的端口 604與603進(jìn)入第二光纖耦合器6，部分光從端口 601出射，出射的光又從傳感 光纖5到達(dá)第一光纖耦合器3，經(jīng)第一光纖耦合器3的分光作用一部分從303進(jìn) 入延遲光纖4，從端口 303進(jìn)入延遲光纖4的光又從端口 304進(jìn)入第一光纖耦合 器3;從端口 304進(jìn)入延遲光纖4的光從端口 303進(jìn)入第一光纖耦合器后一部分 光從端口 305進(jìn)入傳感光纖5后經(jīng)第二光纖耦合器6的反射，沿傳感光纖5從端 口 305進(jìn)入第一光纖耦合器3與前一路光發(fā)生干涉，干涉信號(hào)從第一光纖耦合器 的端口 301出射，被光電探測單元7接收變?yōu)殡娦盘?hào)，后送入計(jì)算機(jī)8進(jìn)行信號(hào) 解調(diào)。由于第一光纖耦合器3的分光作用，在整個(gè)光路中除了這兩路相干光外還 存在其他的相干光，但每經(jīng)過一次第一光纖耦合器3的分光，信號(hào)的強(qiáng)度就要降 低，使得這些剩余相干光的干涉信號(hào)與主相干光的干涉信號(hào)值相比很小，可以忽 略不計(jì)，這樣整個(gè)干涉系統(tǒng)可以只考慮主相干光。
當(dāng)傳感光纖5上某一點(diǎn)受到外界擾動(dòng)時(shí)，擾動(dòng)會(huì)對通過該點(diǎn)的光產(chǎn)生-.個(gè)相
位擾動(dòng)，表示為p(/) = p。 sin(W +力，p。為擾動(dòng)相位的幅值，y為常數(shù)，《是 擾動(dòng)信號(hào)頻率，相干光中每路光分別通過擾動(dòng)點(diǎn)的次數(shù)為兩次，則干涉信號(hào)可表示為:/ = B cos(p(M, x) + 0(>3，jc) — ^02，jc) — X) +
式中B為不同的常數(shù)，A-為光路固有的相位差，tl、 t2、 t3、 t4是光路上同
一點(diǎn)不同的擾動(dòng)時(shí)刻。由于在沒有擾動(dòng)時(shí)系統(tǒng)輸出的信號(hào)存在一定的波動(dòng)，若干 涉信號(hào)的變化幅度小于此噪聲，則信號(hào)湮沒在噪聲當(dāng)中，這就是傳感死區(qū)現(xiàn)象。 而當(dāng)擾動(dòng)點(diǎn)位于光路的中點(diǎn)位置，即t2-t3時(shí)得到的相位差最小。因此要消除死 區(qū)現(xiàn)象，就必須使擾動(dòng)時(shí)刻t4與tl分開足夠大，而使最小擾動(dòng)相位差值增大。
通過增加延遲光纖的長度L2可使t4 (r4 = rl + ^^，其中x為擾動(dòng)點(diǎn)位置，v
v
為光在光纖中的傳播速度)與tl差值增大，可估算出L2^44.44m就可以消除死區(qū)。
干涉信號(hào)中的相位差可表示為
A 。 . , ,d + ^2 + f3 + M、 A 、 x
Ap = 2 sm —^ cos(ty(/--) + cos _
2v 4 v
A/為相位常數(shù)， 一般的擾動(dòng)產(chǎn)生的相位調(diào)制信號(hào)是一寬頻信號(hào)，當(dāng)
工=工+ ^冗時(shí)或^ =似冗時(shí)(N,M為整數(shù))，Ap為零，此時(shí)干涉信號(hào)的強(qiáng)度 v2 2v
為零，滿足上述第一個(gè)條件的頻率值稱為零頻點(diǎn)。由于擾動(dòng)信號(hào)在50KHZ以上
能量很弱，所以只要使^-M;r決定的偽零頻點(diǎn)大于50KHZ既L2《4000m或
2v
濾除此式?jīng)Q定的偽零頻點(diǎn)，系統(tǒng)中選擇的L2長度為2000m，從圖2中可以看到
該傳感器消除了傳感死區(qū)。從信號(hào)頻譜上尋找零頻點(diǎn)y;就可以確定擾動(dòng)點(diǎn)
的位置
權(quán)利要求
1、一種抑制傳感器死區(qū)的分布式光纖sagnac定位傳感器，其特征在于包括第一光纖耦合器和第二光纖耦合器，所述第一光纖耦合器的進(jìn)光端口為第二端口，出光端口為第一、第三、第四、第五、第六端口；第一光纖耦合器的第三、第四端口通過延遲光纖相互連接，所述第一光纖耦合器的第一端口其前方設(shè)有光電探測單元，所述光電探測單元的輸出信號(hào)接入A/D變換數(shù)字采集卡，所述A/D變換數(shù)字采集卡與計(jì)算機(jī)電連接；還包括有傳感光纖，所述第一光纖耦合器的第五端口與傳感光纖的一個(gè)端口連接，所述傳感光纖的另一個(gè)端口與所述第二光纖耦合器的一個(gè)端口連接，所述第二光纖耦合器上還有另外的兩個(gè)端口之間通過光纖連接；所述第一光纖耦合器的第二端口前方設(shè)有參考光源，參考光源與第二端口之間設(shè)有光隔離器。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抑制傳感器死區(qū)的分布式光纖sagnac定位傳 感器，其特征在于所述第一光纖耦合器共有六個(gè)端口，為3X3結(jié)構(gòu)，其中有 一個(gè)端口空置。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抑制傳感器死區(qū)的分布式光纖sagnac定位傳 感器，其特征在于所述第二光纖耦合器共有四個(gè)端口，為2X2結(jié)構(gòu)，其中有 一個(gè)端口空置。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抑制傳感器死區(qū)的分布式光纖sagnac定位傳 感器，其特征在于所述第一光纖耦合器和第二光纖耦合器皆為單模光纖耦合器。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抑制傳感器死區(qū)的分布式光纖sagnac定位傳 感器，其特征在于所述光電探測單元包括依次電連接的光電探測器、甜置放大 器和高通濾波電路，光信號(hào)進(jìn)入光電探測器后，被光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再 依次經(jīng)過前置放大器和高通濾波電路，傳送至A/D變換數(shù)字采集卡。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種抑制傳感器死區(qū)的分布式光纖sagnac定位傳感器，其特征在于包括第一光纖耦合器和第二光纖耦合器，所述第一光纖耦合器的進(jìn)光端口為第二端口，出光端口為第一、第三、第四、第五、第六端口；第一光纖耦合器的第三、第四端口通過延遲光纖相互連接，所述第一光纖耦合器的第一端口其前方設(shè)有光電探測單元，所述光電探測單元的輸出信號(hào)接入A/D變換數(shù)字采集卡，所述A/D變換數(shù)字采集卡與計(jì)算機(jī)電連接；還包括有傳感光纖、第二光纖耦合器；所述第一光纖耦合器的第二端口前方設(shè)有參考光源，參考光源與第二端口之間設(shè)有光隔離器。本發(fā)明減少了插入損耗，通過合理的選擇延遲光纖的長度既可以抑制傳感光纖中的傳感死區(qū)，又可以消除信號(hào)解調(diào)中出現(xiàn)的偽零頻點(diǎn)，并提高了信噪比。
文檔編號(hào)G01D5/26GK101581586SQ20091011712
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月23日
發(fā)明者勇 劉, 吳曉松, 夏營威, 龍 張, 靈 朱, 震 朱, 李志剛, 安 王, 范彥平 申請人:中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所