專(zhuān)利名稱(chēng)：基于波分復(fù)用的長(zhǎng)距離分布式光纖定位干涉結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種長(zhǎng)距離分布式光纖定位干涉結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
維護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施的安全是社會(huì)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的一個(gè)基本要求。當(dāng)前，我國(guó)對(duì)于 油氣管道、電網(wǎng)、通信網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施的長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)主要是依據(jù)設(shè)施自身的一些生產(chǎn)參數(shù)(如 壓力突降、中間站油罐液位的不正常變化)和人工巡視、路人的報(bào)告等手段。這些手段技術(shù) 含量低，普遍存在效率低、實(shí)時(shí)性差、反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、抗干擾能力差等缺陷，常常是監(jiān)測(cè)設(shè)施遭 受破壞后才能報(bào)警，實(shí)用性受自然和人為雙重因素的制約。這種“亡羊補(bǔ)牢式”的事后檢測(cè) 技術(shù)，只能減少而不能避免損失。對(duì)長(zhǎng)距離管線的監(jiān)測(cè)，特別是受電磁干擾的影響，依靠電 的方式進(jìn)行傳感監(jiān)測(cè)難以實(shí)施。因此，光纖傳感技術(shù)將成為進(jìn)行電力、通信和油氣管道等行 業(yè)的安全監(jiān)測(cè)和預(yù)防人為破壞的主要技術(shù)手段。在先技術(shù)之一，是基于全光纖白光干涉系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，在這種系統(tǒng)中，干涉信號(hào) 在某些相關(guān)頻率點(diǎn)會(huì)有缺失，從這些缺失的頻率點(diǎn)來(lái)判斷這些擾動(dòng)發(fā)生的位置。但是如果 擾動(dòng)源未激發(fā)出所需的頻率范圍，就無(wú)法獲得頻率缺失點(diǎn)，這種判斷方法就會(huì)失效。

圖1為 利用頻率缺失點(diǎn)來(lái)進(jìn)行定位監(jiān)測(cè)的一種全光纖白光干涉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)由寬帶光源8、光纖 分路器1、光纖延遲線5、光纖分路器2、單芯光纖6、反饋裝置3、探測(cè)器9、10、信號(hào)處理單元 16構(gòu)成，該系統(tǒng)利用白光進(jìn)行干涉。光路中存在一段單芯光纖6，利用反饋裝置3的作用， 使從光纖6傳輸?shù)墓饨?jīng)反饋裝置3作用后重新進(jìn)入光纖6傳輸，獲得的干涉信號(hào)從1的端 口 lb、lc輸出，進(jìn)入探測(cè)器9、10。17是由分路器1、2和延遲線5構(gòu)成的干涉單元。在先技術(shù)之二，解決了在先技術(shù)一中存在的擾動(dòng)源激發(fā)頻率范圍問(wèn)題。如圖2所 示，該技術(shù)在單芯光纖6的末端加一個(gè)調(diào)制模塊15。調(diào)制模塊15的作用是將外界振動(dòng)信號(hào) 調(diào)制到不同的載波頻段上，具體實(shí)現(xiàn)方式是通過(guò)分路器4加兩段有一定長(zhǎng)度差異的光纖13 和14，這兩段光纖的長(zhǎng)度差為/產(chǎn)生的時(shí)延為τ2.；在兩路光纖上通過(guò)相位調(diào)制器18.、19 加載不同頻率的載波信號(hào)；兩光纖光路的尾端加反饋裝置11、12。這樣，通過(guò)相位生成載波 復(fù)用一套光纖干涉系統(tǒng)，得到同一振動(dòng)對(duì)應(yīng)不同光路位置的兩路相位信號(hào)，比較兩路相位 信號(hào)的頻譜特性，消去振動(dòng)信息對(duì)位置信息的干擾，可獲得準(zhǔn)確的振動(dòng)位置信息。通過(guò)比較兩者頻譜上的幅度，消除了擾動(dòng)信號(hào)幅度、頻率成分變化對(duì)定位的影響。
每個(gè)頻率點(diǎn)都可以求得 的值，從
而得到外界振動(dòng)信號(hào)在傳感光纖上的位置信息。由于計(jì)算所用的頻率點(diǎn)沒(méi)有特殊要求，因 而可以解決在先技術(shù)一中存在頻率限制的問(wèn)題。又由于利用了頻譜上若干個(gè)點(diǎn)求得4的平 均值，消除信號(hào)測(cè)量的引入的誤差所造成的差異性，也大大提高定位的精確性。但在先技術(shù)二中，由于需要使用了相位生成載波調(diào)制技術(shù)，信號(hào)的解調(diào)變得相對(duì) 復(fù)雜，特別是通常擾動(dòng)引起的干涉信號(hào)帶寬很寬，要精確地還原干涉相位，不僅要求帶通濾 波器的帶寬很寬，且對(duì)平坦度和相移特性都有很高的要求，信號(hào)處理的難度和復(fù)雜程度較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種環(huán)境適用性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的可用于長(zhǎng)距離分布式監(jiān)測(cè) 的基于波分復(fù)用的分布式光纖定位干涉結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提出的基于波分復(fù)用的分布式光纖定位干涉結(jié)構(gòu)，使用波分復(fù)用技術(shù)，使 得同一擾動(dòng)，獲得兩種不同的干涉信號(hào)，可以利用比較兩路相位信號(hào)的頻譜特性的方法，確 定擾動(dòng)發(fā)生的位置。具體如圖3所示。包括光纖干涉組件20、感應(yīng)光纖6、第一波分復(fù)用器 21、第一光纖22、第二光纖23、第一反饋裝置11、第二反饋裝置12 ；兩個(gè)不同波長(zhǎng)的光λ工、 λ 2從同一根感應(yīng)光纖6中注入，這兩個(gè)注入光沿這根被復(fù)用的感應(yīng)光纖6傳輸?shù)焦饫w的端 口，被第一波分復(fù)用器件21分開(kāi)，分別沿各自的獨(dú)立路徑第一光纖22、第二光纖23到達(dá)各 自的反射終端——第一反饋裝置11、第二反饋裝置12 ；這兩個(gè)獨(dú)立光纖路徑第一光纖22、 第二光纖23之間長(zhǎng)度差為厶，產(chǎn)生的時(shí)延為τ 3。圖3中，光纖干涉組件20和感應(yīng)光纖6、第一波分復(fù)用器21、第一光纖22、第一反 饋裝置11共同形成光波λ i的干涉光路；光纖干涉組件20和感應(yīng)光纖6、第一波分復(fù)用器 21、第二光纖23、第二反饋裝置12共同形成光波λ 2的干涉光路。光從光纖干涉組件20輸 入，干涉信號(hào)亦從光纖干涉組件20輸出。光波A1的干涉信號(hào)中攜帶有擾動(dòng)點(diǎn)7距離反饋裝置11長(zhǎng)度信息，光波λ2的干 涉信號(hào)中攜帶有擾動(dòng)點(diǎn)7距離反饋裝置12長(zhǎng)度信息，這兩個(gè)長(zhǎng)度差(即為第一光纖22和第 二光纖23的長(zhǎng)度差)的存在，使得擾動(dòng)點(diǎn)7的位置可以通過(guò)比較兩個(gè)光波干涉獲得的相位 信號(hào)的頻譜特性，獲得準(zhǔn)確的振動(dòng)位置信息。圖4是實(shí)現(xiàn)這一干涉結(jié)構(gòu)的一種具體方式。光纖干涉組件20由第一光纖分路器Μ、第二光纖分路器25、第二波分復(fù)用器26、 第三波分復(fù)用器27、光纖延遲線5、第三光纖分路器觀構(gòu)成。其中，第一光纖分路器M是 一 Ν*Μ光纖分路器(Ν、Μ為整數(shù))，24aU24a2,…MaN是第一光纖分路器M的N個(gè)同向端 口，24bU24b2屬另一組同向端口。第二光纖分路器25是一 P*Q光纖分路器(P、Q為整數(shù))， 25aU25a2,…25aP是第二光纖分路器25的P個(gè)同向端口，25bU25b2屬另一組同向端口。 第二波分復(fù)用器26為一波分復(fù)用器，26b,26c是其獨(dú)立波長(zhǎng)端口，26a是復(fù)用波長(zhǎng)端口。第 三波分復(fù)用器27是另一波分復(fù)用器，27b,27c是其獨(dú)立波長(zhǎng)端口，27a是復(fù)用波長(zhǎng)端口。第 三光纖分路器觀是一工作波長(zhǎng)包括λ:、入2的光纖分路器，28blJ8l32是其同向端口，28a 是另一方向端口。波長(zhǎng)λ 的第一光從光纖分路器M的Mal輸入，光從端口 24bl、Ml32 輸出；波長(zhǎng)人2的光從第二光纖分路器25的25al輸入，光從端口 2恥1、25132輸出。從端口 Mbl、25bl輸出的波長(zhǎng)分別為λ^ λ2的光從第二經(jīng)波分復(fù)用器沈的端口 26b、26c輸入， 兩波長(zhǎng)匯合的光從端口 26a輸出，復(fù)用端口 26a與^bl間的路徑；從端口 24b2、25l32輸出 的波長(zhǎng)分別為λ ρ λ 2的光從經(jīng)第三波分復(fù)用器27的端口 27b、27c輸入，兩波長(zhǎng)匯合的光 從端口 27a輸出，復(fù)用端口 26￡1與觀132間的路徑。從端口 28blJ8l32輸入的光，經(jīng)28a輸 出，注入到感應(yīng)光纖6中。在該干涉結(jié)構(gòu)中，波長(zhǎng)λ工的光產(chǎn)生的干涉信號(hào)從第一光纖分路 器對(duì)的端口 Mal、2^2、…MaN輸出，波長(zhǎng)λ 2的光產(chǎn)生的干涉信號(hào)從第二光纖分路器25 的端口 25al、2fe2、…25aP輸出。從X1* λ 2產(chǎn)生的干涉信號(hào)中分別解調(diào)出相應(yīng)的相位信號(hào)，即可根據(jù)通過(guò)比較這兩個(gè)相位信號(hào)的頻譜特性確定擾動(dòng)的位置。具體工作原理及解 算過(guò)程如下。如圖5所示在監(jiān)控光纖的擾動(dòng)點(diǎn)7處施加一個(gè)振動(dòng)信號(hào)樹(shù)力，光在反饋裝置R處 返回。由于任何一個(gè)復(fù)雜的振動(dòng)都可以分解為不同頻率的簡(jiǎn)諧振動(dòng)的疊加，所以考慮單一 頻率為 的振動(dòng)信號(hào)。假設(shè)在時(shí)刻t，由于光彈效應(yīng)，單一振動(dòng)角頻率為的振動(dòng)信號(hào)引起
的傳輸光波相位變化為,則
權(quán)利要求
1.基于波分復(fù)用的長(zhǎng)距離分布式光纖定位干涉結(jié)構(gòu)，其特征在于該干涉結(jié)構(gòu)包括光 纖干涉組件、感應(yīng)光纖、第一波分復(fù)用器、第一光纖、第二光纖、第一反饋裝置、第二反饋裝 置；兩個(gè)不同波長(zhǎng)的光λ i、λ 2從同一根感應(yīng)光纖中注入，這兩個(gè)注入光沿這根被復(fù)用的感 應(yīng)光纖傳輸?shù)焦饫w的端口，被第一波分復(fù)用器件分開(kāi)，分別沿各自的獨(dú)立路徑第一光纖、第 二光纖到達(dá)各自的反射終端一第一反饋裝置、第二反饋裝置；這兩個(gè)獨(dú)立光纖路徑第一 光纖、第二光纖之間長(zhǎng)度差為厶，產(chǎn)生的時(shí)延為^；其中，光纖干涉組件和感應(yīng)光纖、波分 復(fù)用器、第一光纖、第一反饋裝置形成光波λ,的干涉光路；光纖干涉組件和感應(yīng)光纖、波分 復(fù)用器、第二光纖、第二反饋裝置形成光波λ 2的干涉光路；光從光纖干涉組件輸入，干涉信 號(hào)亦從光纖干涉組件輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于波分復(fù)用的長(zhǎng)距離分布式光纖定位干涉結(jié)構(gòu)，其特征在 于，所述光纖干涉組件由第一光纖分路器、第二光纖分路器、第二波分復(fù)用器、第三波分復(fù) 用器、光纖延遲線、第三光纖分路器構(gòu)成；其中，第一光纖分路器是一 Ν*Μ光纖分路器，N、M 為整數(shù)，24aU24a2,…MaN是第一光纖分路器的N個(gè)同向端口，24bU24b2是第一光纖分 路器的另一組同向端口 ；第二光纖分路器是一 P*Q光纖分路器，P、Q為整數(shù)，2fel、25a2、… 25aP是第二光纖分路器的P個(gè)同向端口，2^1、251d2第二光纖分路器的另一組同向端口 ；第 二波分復(fù)用器為一波分復(fù)用器，26b,26c是其獨(dú)立波長(zhǎng)端口，26a是復(fù)用波長(zhǎng)端口 ；第三波 分復(fù)用器是另一波分復(fù)用器，27b,27c是其獨(dú)立波長(zhǎng)端口，27a是復(fù)用波長(zhǎng)端口 ；第三光纖 分路器是一工作波長(zhǎng)包括λ 、λ 2的光纖分路器，28b 1、是其同向端口，28a是另一方向 端口 ；波長(zhǎng)X1的光從第一光光纖分路器的端口 Mal輸入，從端口 24bl、Ml32輸出；波長(zhǎng) λ 2的光從第二光纖分路器的端口 25al輸入，從端口 2釙1、25132輸出；從端口 24bl、25bl 輸出的波長(zhǎng)分別為λρ λ 2的光從第二經(jīng)波分復(fù)用器的端口 26b、26c輸入，兩波長(zhǎng)匯合的 光從端口 26a輸出，復(fù)用端口 26a與^bl間的路徑；從端口 24b2、25l32輸出的波長(zhǎng)分別為 入、λ 2的光從經(jīng)第三波分復(fù)用器的端口 27b、27c輸入，兩波長(zhǎng)匯合的光從端口 27a輸出， 復(fù)用端口 26^1與觀132間的路徑；從端口 28blJ8l32輸入的光，經(jīng)端口 28a輸出，注入到感 應(yīng)光纖中；在該干涉結(jié)構(gòu)中，波長(zhǎng)X1的光產(chǎn)生的干涉信號(hào)從第一光纖分路器的端口 2如1、 24a2,…MaN輸出，波長(zhǎng)λ 2的光產(chǎn)生的干涉信號(hào)從第二光纖分路器的端口 25al、2fe2、…輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于波分復(fù)用的長(zhǎng)距離分布式光纖定位干涉結(jié)構(gòu)，其特征在 于，所述光纖干涉組件由第四光纖分路器、第三光纖分路器以及光纖延遲線構(gòu)成；第四光纖 分路器是一 R*S光纖分路器，R、S為整數(shù)，29alJ9a2、…^aR是第四光纖分路器的R個(gè)同 向端口，29blJ%2第四光纖分路器的另一組同向端口 ；該方式中，光纖干涉組件中所有的 器件都被復(fù)用；端口 ^bl經(jīng)光纖延遲線與端口 ^bl相連，端口 與端口 相連，從 端口 28blJ8l32輸入的光，經(jīng)端口 28a輸出，注入到感應(yīng)光纖中；含有入工和λ2兩種波長(zhǎng)成分的光從端口 ^al輸入，兩種波長(zhǎng)產(chǎn)生的干涉都從端口 29al、29a2、…29aR 輸出。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種可用于長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)的分布式光纖定位結(jié)構(gòu)與方法，具體涉及一種基于波分復(fù)用的分布式光纖定位干涉技術(shù)，其在同一根感應(yīng)光纖中注入兩個(gè)不同波長(zhǎng)的光，光傳輸?shù)焦饫w端口，經(jīng)一波分復(fù)用器件將兩種波長(zhǎng)成份分開(kāi)，分別沿各自的獨(dú)立光纖路徑到達(dá)各自的反射終端，兩個(gè)光波分別形成不同的干涉。通過(guò)比較兩個(gè)干涉獲得的相位信號(hào)的頻譜特性，獲得擾動(dòng)位置信息。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，后端對(duì)信號(hào)處理無(wú)特殊要求，利用比較頻譜特性獲得位置信息不僅消除了擾動(dòng)信號(hào)幅度變化對(duì)檢測(cè)的影響，且可利用多個(gè)頻率點(diǎn)獲得的位置值進(jìn)行平均，獲得高的定位精度。
文檔編號(hào)H04B10/08GK102064884SQ20101055850
公開(kāi)日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2010年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月25日
發(fā)明者張毅, 肖倩, 許海燕, 賈波 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)