專利名稱：雙臂脈沖光干涉的相位敏感光時域反射計型光纖分布式擾動傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種雙臂脈沖光干涉的相位敏感光時域反射計型光纖分布式擾動傳感器。
背景技術(shù)：
光纖傳感器由于其高靈敏度、體積小、重量輕、本質(zhì)安全、電絕緣性、抗電磁干擾、 相對成本低、多功能性、可靠性高、硬件匹配光纖通信接口、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安防、油氣管線監(jiān)測、大型結(jié)構(gòu)監(jiān)測和通信線路監(jiān)測等領(lǐng)域具有重要意義。光纖分布式擾動傳感器可以對傳感光纖上任意一點處的擾動(時變信號)進行監(jiān)測，得到擾動信號的時域波形，根據(jù)擾動事件性質(zhì)進行判斷，給出報警信息；同時給出擾動事件發(fā)生的空間位置信息。目前，根據(jù)不同的工作原理，光纖分布式傳感器可以分為干涉儀型、光纖光柵型、光時域反射計型、光頻域反射計型以及強度調(diào)制型等。光纖光柵型分布式傳感器采用光纖光柵作為敏感元件，在一定長度的間隔之間鋪設(shè)光纖光柵，通過復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)準分布式傳感，因此，光纖光柵型分布式擾動傳感器的空間分辨率具有不連續(xù)性，且受到光纖光柵空間分布間隔的限制。同時，光纖光柵的集成基于波長復(fù)用，在一根光纖上可以復(fù)用的光纖光柵數(shù)量受到波長區(qū)間的限制，其測量長度的增加需要以增大光纖光柵間隔即降低空間分辨率為代價。除了空間分辨率和測量長度間的矛盾外，光纖光柵型分布式傳感器的成本也限制了其作為分布式擾動傳感器在大范圍環(huán)境中的應(yīng)用。傳統(tǒng)光時域反射計型分布式傳感器可以用來檢測外界環(huán)境中溫度或壓力的變化， 但其響應(yīng)時間較長，對于外界擾動的實時定位比較困難，不能應(yīng)用于對時變信號的分布式傳感，因此限制了其作為分布式擾動傳感器的應(yīng)用。光頻域反射計型分布式傳感器，基于非線性光學(xué)效應(yīng)，布里淵或拉曼散射，可以對外界的溫度和壓力進行傳感，但其傳感信號相對微弱，使得信號的檢測和解調(diào)相對困難，同時其器件成本也相對較高，限制了其在長距離擾動傳感中的應(yīng)用。強度調(diào)制型傳感器基于單模光纖和多模光纖中的模式耦合機理，可以實現(xiàn)對擾動的分布式傳感，但其靈敏度和精度較低，為了能夠在實際中應(yīng)用還需進一步解決增敏和提高精度的問題。目前，干涉儀型光纖分布式擾動傳感器主要基于馬赫-澤德干涉儀和薩格奈克干涉儀方案。其中，薩格奈克型光纖分布式擾動傳感器難以敏感緩慢變化的擾動所產(chǎn)生的相位調(diào)制，也無法通過平均或累加的方法提高信噪比。薩格奈克型光纖分布式擾動傳感器的響應(yīng)與擾動產(chǎn)生相位調(diào)制的頻率及擾動作用點均有關(guān)，靈敏度在整個光纖環(huán)上不完全一致，這是實際應(yīng)用中的不利因素。單薩格奈克干涉儀由于需要進行頻譜分析以確定頻譜中特征零點處的頻率值，要求外部振動所產(chǎn)生相位調(diào)制具有一定的帶寬。薩格奈克與其它干涉儀的復(fù)合方案由于光路復(fù)雜，成本相對較高，且調(diào)制解調(diào)技術(shù)復(fù)雜，這些問題均限制了薩格奈克型光纖分布式擾動傳感器的廣泛應(yīng)用。馬赫-澤德型光纖分布式擾動傳感器光路結(jié)構(gòu)簡單，單位置(單點)擾動定位算法易于實現(xiàn)，但現(xiàn)有的定位算法無法在多位置(多點)擾動同時發(fā)生的情況下進行擾動的定位，且由于長距離傳輸?shù)那闆r下，散射引起的寄生干涉和雜波干涉等將引起極大的定位誤差，這些問題極大地限制了該類傳感器的實用性。其中，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如

圖1所示。激光器發(fā)出的光經(jīng)過耦合器C1分成兩束光，分別沿順時針和逆時針方向經(jīng)過由耦合器c2、C3和它們之間的兩根敏感光纖構(gòu)成的馬赫-澤德干涉儀，在耦合器C3和C2處發(fā)生干涉并通過探測器PA和探測器PD1接收干涉信號。以上光路中的光纖均為單模光纖。當(dāng)擾動作用于傳感臂上時，應(yīng)力會引起光纖長度和傳播常數(shù)的變化，從而在信號臂和參考臂上產(chǎn)生一個相位差的變化。當(dāng)光纖長度變化AL， 傳播常數(shù)變化Δ β時，相位差力識可以表示為&φ = β!^ + ΙΛβ。逆時針和順時針方向傳播的干涉光通過PD1和PD2接收到的信號可以分別表示
為
權(quán)利要求
1.一種雙臂脈沖光干涉的相位敏感光時域反射計型光纖分布式擾動傳感器，其特征在于，所述傳感器包括光源、驅(qū)動器、光調(diào)制器、分光耦合單元、探測器以及兩臂傳感光纖；其中，光調(diào)制器的兩輸入端分別連接光源和驅(qū)動器，光調(diào)制器的輸出端連接分光耦合單元，分光耦合單元還同時連接探測器和兩臂傳感光纖；光源發(fā)出的光經(jīng)過光調(diào)制器的調(diào)制后成為具有一定相位的光脈沖，所述光脈沖經(jīng)過分光耦合單元分別注入兩臂傳感光纖；兩臂傳感光纖中光傳輸后返回后向散射光再次經(jīng)過分光耦合單元發(fā)生干涉，探測器根據(jù)接收到的干涉信號來檢測和定位擾動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述光源為窄線寬、大功率、低頻漂的激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述分光耦合單元為耦合器、環(huán)形器、 分束器或半反半透膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，在電路上加入電容實現(xiàn)隔離直流電，或通過有源和/或無源的高通濾波方式實現(xiàn)隔離直流電。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述光調(diào)制器為聲光調(diào)制器、電光調(diào)制器或內(nèi)調(diào)制裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述兩臂傳感光纖位于同一光纜中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，對擾動的干涉信號進行調(diào)制解調(diào)，提取出三角函數(shù)內(nèi)的相位信息。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器，其特征在于，所述調(diào)制解調(diào)為PGC調(diào)制解調(diào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，通過小波去噪、微弱信號去噪、或濾波算法來抑制噪聲。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述探測器根據(jù)在光脈沖的起始位置測量光脈沖發(fā)出時刻與收到擾動發(fā)生位置返回的散射光干涉信號時刻之間的時間延遲計算定位出擾動發(fā)生位置。
全文摘要
本發(fā)明涉及光纖傳感器技術(shù)領(lǐng)域，提出了一種雙臂脈沖光干涉的相位敏感光時域反射計型光纖分布式擾動傳感器。本發(fā)明中的雙臂脈沖光干涉的相位敏感光時域反射計型光纖分布式擾動傳感器采用窄線寬、大功率、低頻漂的激光器，通過兩個傳感臂脈沖寬度區(qū)域內(nèi)的后向瑞利散射光相干，基于相位敏感光時域反射技術(shù)，通過擾動前后信號比較，可實現(xiàn)單點或多點同時擾動信號定位；通過提取出三角函數(shù)內(nèi)相位信息并進行大數(shù)累加或平均，等效提高了系統(tǒng)的靈敏度；通過平方或求冪的方式等效提高了系統(tǒng)的靈敏度；最后，優(yōu)選采用PGC算法提取相位信息，可以消除散射信號隨機變化的影響，等效提高了系統(tǒng)的靈敏度。
文檔編號G01D5/353GK102538846SQ20111041866
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者李勤, 李立京, 林文臺, 王夏霄, 許文淵, 鄔戰(zhàn)軍, 鐘翔 申請人:北京航空航天大學(xué)