專利名稱：可用時間延遲估計的白光干涉定位監(jiān)測裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光纖傳感技術領域，是一種光纖擾動定位監(jiān)測裝置和方法，具體涉及一種白光干涉光路結(jié)構(gòu)，可通過時延估計方法從干涉信息中提取出擾動位置信息，實現(xiàn)定位功能。
背景技術：
光纖傳感器是以光學理論為基礎，將非光量轉(zhuǎn)化為光量進行測量。以光纖作為信息傳遞媒介的傳感器具有一系列其他傳感器無法比擬的優(yōu)點不受電磁場干擾，能應用在強電磁場的場合；不會產(chǎn)生電磁騷擾；感應端無需供電，使用、維護方便；耐腐蝕、本質(zhì)安全等等。全光纖定位監(jiān)測就是光纖作為分布式傳感的一種典型應用。這種光纖定位監(jiān)測系統(tǒng)可以用來對通信光纜(包括海底光纜)、高壓電網(wǎng)、輸油管道、輸氣管道等基礎設施進行的安全監(jiān)測，是這些設施實現(xiàn)技術性功能的保障，也可用于周界的安全防范。特別是有些系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)實時監(jiān)測，在對系統(tǒng)的破壞或侵擾實施伊始就發(fā)現(xiàn)該行為，避免造成重大經(jīng)濟損失。
在先技術之一，是基于光時域反射的定位監(jiān)測技術，這種技術不能用來進行實時監(jiān)測，屬"亡羊補牢"式的事后檢測技術，當發(fā)現(xiàn)問題時，被監(jiān)測設施已遭破壞，這種技術只能減少而不能避免損失。在先技術之二，監(jiān)測系統(tǒng)中構(gòu)造兩個M—Z光纖干涉光路，兩路方別傳輸相反方向的光波，測量擾動發(fā)生后，光信號在正反方向傳輸?shù)綑z測點的時間差，來確定擾動發(fā)生的位置。但這種技術中使用的光源是激光光源，由于其時間相干性強，光纖光路系統(tǒng)穩(wěn)定性差。在先技術之三，是基于全光纖白光干涉系統(tǒng)的監(jiān)測技術，在這種系統(tǒng)中，干涉信號在某些相關頻率點會有缺失，從這些缺失的頻率點來判斷這些擾動發(fā)生的位置。但是如果擾動源未激發(fā)出所需的頻率范圍，就無法獲得頻率缺失點，這種判斷方法就會失效。圖l為利用頻率缺失點來進行定位監(jiān)測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l、光纖延遲線5、光纖分路器2、單芯光纖6、反饋裝置15、探測器9、 10、信號處理單元19構(gòu)成，該系統(tǒng)利用白光進行干涉。光路中存在一段單芯光纖6，利用反饋裝置15的作用，使從光纖6傳輸?shù)墓饨?jīng)反饋裝置15作用后重新進入光纖6傳輸，獲得的干涉信號從l的端口lb、 lc輸出，進入探測器9、 10。 17是由光纖分路器1、 2和光纖延遲線5構(gòu)成的干涉單元。

發(fā)明內(nèi)容
4本發(fā)明的目的在于提供一種光纖光路系統(tǒng)穩(wěn)定性好，定位精度高的白光干涉定位監(jiān)測裝置與方法。
本發(fā)明通過構(gòu)建白光干涉結(jié)構(gòu)，獲得來自同一擾動源的兩種干涉信號，可采用時延估計方法，對這兩種干涉信號進行處理，實現(xiàn)擾動點位置的確定。如圖2所示。
圖2中，包含干涉單元17、 18。干涉單元17與圖1中的干涉單元相同，干涉單元18與干涉單元17相同，是由光纖分路器ll、光纖分路器12、光纖延遲線13構(gòu)成。光纖分路器l、 11是3X3光纖分路器，光纖分路器2、 12、 3、 4是2X2或2X1光纖分路器，3a、3b、 3c是分路器3的端口， 4a、 4b、 4c是分路器4的端口。 16是與15相同的反饋裝置，14是光電轉(zhuǎn)換及信息處理單元。該處理單元14分別與光纖分路器l的lb、 lc端口，光纖分路器11的llb、 llc端口連接；光纖分路器3的3a端口與光纖分路器2的2a端口連接，光纖分路器4的4c端口與光纖分路器12的12a端口連接，光纖分路器3的3c端口通過光纖6與光纖分路器4的4c端口連接；光纖分路器3的3b端口與反饋裝置16連接，光纖分路器4的4b端口與反饋裝置15連接；光纖分路器1的ld端口與光纖分路器2的2c端口連接，連接線上有光纖延遲線5;光纖分路器l的lf端口與光纖分路器2的2d端口連接；光纖分路器ll的llf端口與光纖分路器12的12d端口連接，光纖分路器ll的lld端口與光纖分路器12的12c端口連接，連接線上有關線延遲線13。端口 la、 lla為光源輸入端口，端口 lb、 lc、 llb、 llc是干涉信號輸出端口。
光源為寬帶光源，經(jīng)下述兩條路徑I和II傳輸?shù)墓饪梢韵喔?，形成一種干涉A，經(jīng)端口 lb(或lc)輸出；
路徑I : la—Id—5—2c—2a—3a—3c—6—4c—4b—15—4b—4c—6—3c—3a—2a—2d—lf ;
路徑II: la—If—2d—2a—3a—3c—6—4c—4b—15—4b—4c—6—3c—3a—2a—2c—5—ld g
經(jīng)下述兩條路徑III和IV傳輸?shù)墓饪梢韵喔桑纬闪硪环N的干涉B，經(jīng)端口llb(或llc)
輸出
III: 11a—lid—13 —12c—12a—4a—4c—6—3c—3b—16—3b—3c—6—4c—4a—12a—12d—llf ;
IV: 11a— 1 If— 12d— 12a—4a—4c—6—3c—3b—16—3b—3c—6—4c—4a— 12a—12c—13—lid 。
還存在以下四個光程相近的兩組路徑在本發(fā)明中，希望僅存在A、 B這兩種干涉，必須保證這兩組路徑不會發(fā)生干涉。由于采用的是寬譜光源，其消相干長度只有幾十微米，很容易實現(xiàn)這兩組路徑的不相干。
上述關于路徑的描述中，所用的標號表示該標號所對應的部件，箭頭方向表示傳輸光的傳輸方向。
當在光纖6上的有擾動時，利用時延估計方法對A、 B這兩種干涉形成的信號進行處理，具體分析如下。
設擾動點7到反饋裝置16的光纖長度為Li，到反饋裝置15的長度為L2，光纖延遲
線5、 13的延遲近似相等，即71 72=7，擾動引起的相位變化為p(f)，由此引起的經(jīng)端口
lb、 lc輸出的相干涉光的相位差為
<formula>formula see original document page 6</formula>
經(jīng)端口llb、 llc輸出的相干涉光的相位差為<formula>formula see original document page 6</formula>
其中，n為光纖的有效折射系數(shù)，c為光在真空中的傳播速度。當"0時，^(0 = 0。
以上為簡化分析，可忽略器件間連接光纖較短段帶來的時延，如反饋裝置16與端口 3b、反饋裝置15與端口4b間的時延。由于構(gòu)成干涉的光路相似性，決定了兩種干涉信號具有
初始相位相同的輸出端口。設lb、 llb初始相位相同，為"，貝ij， lc、 llc初始相位相同，設為^。端口lb、 lc、 llb、 llc輸出信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的干涉項分別表示為<formula>formula see original document page 6</formula>其中，A,、 ^為與光強及光路結(jié)構(gòu)、及光電轉(zhuǎn)換等電路參數(shù)相關的常系數(shù):設，雄)Dl(, — r)
(4)
則，當？<0時，>9(,)=0。式(1) (2)可表示為
aj,、 "丄i 、 +2丄，)、c c
c c
設丄曲=min(A，Z2)，考察部分A^(0、 時域信號A^(/) 、 A^p(0'
',… 「"A "(A +2Zm,n)，
(5)
(6)
0，
o，
嚴2 "(Z2 +2Zmm)]
(7)
(8)
可看出這兩個信號之間存在延遲的關系，巨口，
c
因此，可以對相位差M。W、 A^,)信號采用時延估計方法，獲得
n丄，一W丄，
(9)
，結(jié)合L、
L2兩段的總長度，便可確定擾動發(fā)生的位置。相位信息A^(0可從端口 1b、 lc輸出的干涉信號經(jīng)相位還原算法獲得，相位信息A^W可從端口2b、 2c輸出的干涉信號經(jīng)相位還原算法獲得。
也可以直接對干涉信號采用時延估計方法，獲得"丄2—"丄'
相位差時延關系決定了干涉信號間亦具有時延關系，即
其中，k為常數(shù)。
L))
確定擾動位置，這是由于，
(io)
從式(7)、 (8)可看出，當L,很小，即擾動點很接近反饋裝置16時，相位差信號中存在延遲關系的數(shù)據(jù)量很小，會影響到延估計算法的實施。為確保擾動位置在空間上與反饋裝置15、 16很接近時，延遲估計能有效進行，可在端口3c、 4c附近各加一段光纖延遲線，如圖3所示。20、 21即為光纖延遲線。
綜上所述，擾動點位置的定位檢測方法如下(1)分別從A、 B這兩種干涉獲得的信息截取一對具有延遲特性的信號。該對信號可以是直接從經(jīng)光電轉(zhuǎn)換輸出的A、 B這兩種干涉形成的干涉信號中截?。灰部上扔葾、
B這兩種干涉獲得的干涉信號分別經(jīng)一定的相位還原算法解算出相應的相位差信號A^,(f)、再從相位差信號截取。
(2) 對截取的這一對數(shù)據(jù)使用時間延遲估計方法計算出它們之間的延遲，即 。時間延遲估計方法可以是自適應最小均方差法(LMS)、廣義相關法、相位數(shù)據(jù)
法，或是其它的估計方法。
(3) 用《和Li、 L2兩段的總長度，確定I^或L2，即擾動發(fā)生的位置。
本發(fā)明采用白光干涉技術構(gòu)建了可以用時延估計方法獲得擾動位置信息的光纖傳感結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可得到來自同一擾動的兩種干涉信號，可通過時延估計方法從光信息中提取出擾動位置信息，實現(xiàn)定位功能。由于系統(tǒng)采用寬帶光源，易獲得相似性很好的、具有一定延遲、攜帶擾動位置信息的干涉信號，定位精度高。本發(fā)明的另一優(yōu)點是使用全光纖白光干涉結(jié)構(gòu)，大大降低了激光光纖干涉系統(tǒng)中由于激光的強時間相干性帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定，光路不易受溫度、偏振的影響，光路穩(wěn)定性高。
本發(fā)明是白光干涉系統(tǒng)，使用的光源是時間相干性差，空間相干性好的寬帶光源，可
以是超輻射發(fā)光二極管(SLD)、 ASE光源。分路器l、 2、 3、 4、 11、 12可以是均分或非均分的，可以是光纖耦合器，或是其他類型的光分路器。反饋裝置15、 16可以是平面鏡或是法拉第旋轉(zhuǎn)鏡。
在光路的具體構(gòu)成中，分路器l、 2、 3、 4、 11、 12還可以選用其他分支數(shù)的分路器構(gòu)成類似的干涉光路。千涉信號的輸出端口也可以通過諸如環(huán)形器等光學器件從光信號輸入端口 (如端口la和lla)獲得。


圖l為利用頻率缺失點來進行定位監(jiān)測的一種全光纖白光干涉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
圖2是本發(fā)明的一種具有定位監(jiān)測功能的白光干涉結(jié)構(gòu)。它可以用時間延遲估計方法
獲得擾動信號的位置信息。
圖3是擾動位置會發(fā)生在空間上與反饋裝置15、 16很接近時所采用的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)
在端口3c、 4c附近各加一段光纖延遲線，以確保時間延遲估計方法的有效進行。圖4是實施例中光源的連接方法。端口22a、 22b分別連接到端口 la、 lla。圖5是實施例的數(shù)據(jù)測量與處理。其中，(a)是獲得的兩路相干信號，(b)是自適應時
延估計得到權(quán)矢量分布曲線，(c)是時延估計跟蹤曲線。圖中標號
1、 11是3X3光纖分路器，la、 lb、 lc、 ld、 lf和lla、 llb、 llc、 lld、 llf分別是相應的端口。 2和12是2X2或2X1光纖分路器，2a、 2c、 2d和12a、 12c、 12d分別是相應的端口。 3、 4是2X2或2X1分路器，3a、 3b、 3c和4a、 4b、 4c分別是怖應的端口。 5、 13、 20、21是光纖延遲線圈，^、 r,為分別為光纖延遲線5、 13的時延。6是做傳感用的光纜或光纖，7是擾動點。8是光源。端口la、 lla為光源的輸入端口。 14為光電轉(zhuǎn)換及信息處理單元。17、 18為干涉單元，干涉單元17是由分路器1、 2和延遲線5構(gòu)成，干涉單元18由光纖分路器ll、光纖分路器12、光纖延遲線13構(gòu)成。19為信號處理單元。24是光源，23是光隔離器，22是光分路器，22a、 22b、 22c是光分路器22的端口 。
具體實施例方式
在本實施方式中，連接光路如圖3所示，光輸入采用圖4的連接方法，光源經(jīng)光隔離器23后，經(jīng)分路器22分光，端口22a、 22b輸出的光分別從端口 la、 lla，注入分路器1和11。所用的光源24為電子集團總公司44研究所生產(chǎn)的S03-B型超輻射發(fā)光管(SLD)。光纖延遲線20、 2的長度皆為3km。光纖延遲線20、 21之間的光纖6的長度為22km。光纖延遲線所用的光纖為美國"康寧"生產(chǎn)的G652型單模光纖。千涉系統(tǒng)中使用的3X3分路器為均分的光纖分路器，光纖分路器均為武漢郵電研究院生產(chǎn)的單模光纖分路器。光電轉(zhuǎn)換及信息處理單元14中使用的光電轉(zhuǎn)換器件為44所生產(chǎn)的型號為GT322C500的InGaAs光電探測器。
本實施例中，從端口lb、 llb輸出的干涉信號為具有相等初始相位的干涉信號，這兩個輸出信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、采樣后，根據(jù)系統(tǒng)的特性參數(shù)截取一定長度的數(shù)據(jù)，用自適應最小均方差法(LMS)進行延時估計。
由于信號具有一定的帶寬，自適應時延估計方法用一時延濾波器 (w)來實現(xiàn)信號的延遲效應，時延濾波器/2、.(《)可以用有限沖擊響應濾波器來逼近，通過估計濾波器的參數(shù)來估計時延。的峰值坐標即對應于兩信號之間的時間延遲。
自適應濾波器在自適應迭代中逐步實現(xiàn)對相移濾波器/a")的模擬。取其中一個干涉
信號，通過自適應濾波器將其延遲，即加工成新的延遲信號，將該信號不斷地與另一干涉信號比較相似性。當自適應濾波器收斂時，獲得最大相似性，此時，自適應濾波器權(quán)矢量氣p,的峰值坐標即是估計的時間延遲。
本實施例中利用NI的數(shù)據(jù)采集卡和Labview軟件對信號進行采集處理，實驗中采樣頻率f為100M。在距離延遲線20光纖長度12km處施加擾動。圖5(a)是兩路干涉輸出信號。由于光纖延遲線20、 21的長度為L^3km，所取最大數(shù)據(jù)長度為2nLf/c 3000 ，綜合考慮光纖延遲線的長度和實驗，確定數(shù)據(jù)長度選為2770，自適應濾波器的長度為1900，步長因子u為0.000135。經(jīng)自適應時延估計得到的權(quán)矢量分布曲線和時延估計跟蹤曲線如圖5(b)、圖5(c)所示，時延估計值為9.6/ff，即"丄2—叫=96/^，計算得擾動點距延遲線20的光纖長度為
c
12.0081km，與實際擾動發(fā)生位置相符。
權(quán)利要求
1.一種可用時間延遲估計的白光干涉定位監(jiān)測裝置，其特征在于采用如下白光干涉結(jié)構(gòu)，它包括第一干涉單元(17)和第二干涉單元(18)，其中第一干涉單元(17)由第一光纖分路器(1)、第二光纖分路器(2)和第一光線延遲線(5)構(gòu)成，第二干涉單元(18)由第三光纖分路器(11)、第四光纖分路器(12)和第二光纖延遲線(13)構(gòu)成；此外，還包括第五光纖分路器(3)、第六光纖分路器(4)、光電轉(zhuǎn)換及信息處理單元(14)、第一反饋裝置(15)、第二反饋裝置(16)；光纖分路器(1、11)是3×3光纖分路器，光纖分路器(2、12、3、4)是2×2或2×1光纖分路器，3a、3b、3c是第五光纖分路器(3)的端口，4a、4b、4c是第六光纖分路器(4)的端口；光電轉(zhuǎn)換及信息處理單元(14)分別與第一光纖分路器(1)的1b、1c端口，第三光纖分路器(11)的11b、11c端口連接；第五光纖分路器(3)的3a端口與第二光纖分路器(2)的2a端口連接，第六光纖分路器(4)的4c端口與第四光纖分路器(12)的12a端口連接，第五光纖分路器(3)的3c端口通過光纖6與第六光纖分路器(4)的4c端口連接；第五光纖分路器(3)的3b端口與第二反饋裝置(16)連接，第六光纖分路器(4)的4b端口與第一反饋裝置(15)連接；第一光纖分路器(1)的1d端口與第二光纖分路器(2)的2c端口連接，連接線上有第一光纖延遲線(5)；第一光纖分路器(1)的1f端口與第二光纖分路器(2)的2d端口連接；第三光纖分路器(11)的11f端口與第四光纖分路器(12)的12d端口連接，第三光纖分路器(11)的11d端口與第四光纖分路器(12)的12c端口連接，連接線上有第二光纖延遲線(13)；端口1a、11a為光源輸入端口，端口1b、1c、11b、11c是干涉信號輸出端口。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可用時間延遲估計的白光千涉定位監(jiān)測裝置，其特征在于 在第五光纖分路器(3)的3C端口附近設置有第三光纖延遲線(20)，在第六光纖分路器(4)的4C端口附近設置有第四光纖延遲線(21)。
3. —種可用時間延遲估計的白光干涉定位監(jiān)測方法，基于權(quán)利要求1所述的白光定 位檢測裝置，其特征在于具體步驟如下(1) 分別從A、 B兩種千涉獲得的信息截取一對具有延遲特性的信號；該對信號直 接從經(jīng)光電轉(zhuǎn)換輸出的A、 B兩種干涉形成的干涉信號中截取，或者先由A、 B兩種干涉獲得的干涉信號分別經(jīng)相位還原算法解算岀相應的相位差信號A^(0、 A^W，再從相位差信號截?。?2) 對截取的這一對數(shù)據(jù)使用時間延遲估計方法計算出它們之間的延遲，即 ;所述的時間延遲估計方法為自適應最小均方差法、廣義相關法或相位數(shù)據(jù)法； c(3)用"、i丄'和Lt、 L2兩段的總長度，確定L!或L2，即得擾動發(fā)生的位置；c所述A、 B兩種干涉形成如下經(jīng)下述兩條路徑I和II傳輸?shù)墓庀喔桑纬筛缮?，記為A，經(jīng)端口 lb或lc輸出；路^g I : la—Id—5—2c—2a—3a—3c—6—4c—4b—15—4b—4c—6—3c—3a—2a —2d—lf路徑II: la—If—2d—2a—3a—3c—6—4c—4b—15—4b—4c—6—3c—3a—2a—2c —5—ld經(jīng)下述兩條路徑m和iv傳輸?shù)墓庀喔?，形成干涉，記為B，經(jīng)端口 llb或llc輸出 III: 11a—lid—13 —12c—12a—4a—4c—6—3c—3b—16—3b—3c—6—4c—4a— 12a—12d—llfIV: 11a—llf—12d—12a—4a—4c—6—3c—3b—16—3b—3c—6—4c—4a—12a— 12c—13 —lid其中，n為光纖的有效折射系數(shù)，c為光在真空中的傳播速度，Ll為擾動點到第二反 饋裝置(16)的光纖長度，L2為擾動點到第一反饋裝置(15)的光纖長度；上述關于路徑 的描述中，所用的標號表示該標號所對應的部件，箭頭方向表示傳輸光的傳輸方向。
全文摘要
本發(fā)明屬于光纖傳感技術領域，具體為一種可用時間延遲估計的白光干涉定位監(jiān)測裝置與方法。本發(fā)明采用白光干涉技術構(gòu)建了光纖傳感結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可得到來自同一擾動的兩種干涉信號，可通過時延估計方法從光信息中提取出擾動位置信息，實現(xiàn)定位功能。由于系統(tǒng)采用寬帶光源，易獲得相似性很好的、具有一定延遲、攜帶擾動位置信息的干涉信號，定位精度高。本發(fā)明的另一優(yōu)點是使用全光纖白光干涉結(jié)構(gòu)，大大降低了激光光纖干涉系統(tǒng)中由于激光的強時間相干性帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定，光路不易受溫度、偏振的影響，光路穩(wěn)定性高。
文檔編號G01H9/00GK101625257SQ20091005581
公開日2010年1月13日 申請日期2009年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月31日
發(fā)明者鍥 徐, 倩 肖, 許海燕, 波 賈 申請人:復旦大學