专利名称：一种全光纤定位监测系统的制作方法
技术领域：
本发明属光纤传感领域，具体涉及一种新型的全光纤定位监测系统。
背景技术：
光纤传感技术是随着光导纤维和光纤通信技术发展而形成的一门崭新的传感技 术。由于光纤自身对应力、温度等物理量很敏感，利用光纤的这种特性可以满足分布式传感 的需要。全光纤定位监测是光纤作为分布式传感的一种典型应用，具有抗干扰性强、可靠 性高、隐蔽性好、防探测、易于安装和维护等特点。光纤定位监测系统可以用来对通信光缆 (包括海底光缆)、高压电网、输油管道、输气管道等基础设施进行的安全监测，是这些设施 实现技术性功能的保障，也可用于周界的安全防范，特别是有些系统结构可以实现实时监 测，在对系统的破坏或侵扰实施伊始就发现该行为，避免造成重大经济损失。在先技术之一，是基于光时域反射的定位监测技术，这种技术不能用来进行实时 监测，属“亡羊补牢”式的事后检测技术，当发现问题时，被监测测设施已遭破坏，这种技术 只能减少而不能避免损失。在先技术之二，监测系统中构造两个M-Z光纤干涉光路，两路方 别传输相反方向的光波，测量扰动发生后，光信号在正反方向传输到检测点的时间差，来确 定扰动发生的位置。这种技术中使用的光源是激光光源，由于其时间相干性强，光纤光路系 统稳定性差。在先技术之三，是基于全光纤白光干涉系统的监测技术，图1为利用频率缺 失点来进行定位监测的一种全光纤白光干涉系统结构。系统由宽带光源(8)、光纤分路器 (1)、光纤延迟线(5)、光纤分路器(2)、单芯光纤(6)、反馈装置(12)、探测器(9)、(10)构 成，该系统利用白光进行干涉。光路中存在一段单芯光纤(6)，利用反馈装置(12)的作用， 使从光纤(6)传输的光经反馈装置(12)作用后重新进入光纤(6)传输，获得的干涉信号从 1的端口 lb、Ic输出，进入探测器(9)、(10)。在这种系统中，干涉信号在某些相关频率点会 有缺失，从这些缺失的频率点来判断这些扰动发生的位置。但是如果扰动源未激发出所需 的频率范围，就无法获得频率缺失点，这种判断方法就会失效。
发明内容
本发明的目是提供一种新型的光纤定位监测系统。本发明可利用单模光纤受到外界扰动时传输光波相位等发生变化的效应，探测扰 动的发生，并确定扰动发生的位置。本发明的技术方案是通过相位载波的技术，对干涉系统主光路进行复用，获得来 自同一扰动源的两种干涉信号，通过这两种信号之间的关系来判断扰动发生的位置。本发明所提供的全光纤定位监测系统具体的实现方式如图2所示。其中1是3X3 或2X2光分路器，la、lb、Ic、Id、If分别是它的各端口；2是2X2或2X1光分路器，2a、2b、 2c,2d分别是它的各端口 ；3、4是2X2或2X 1光分路器，3a、3b、3c和4a、4b、4c分别是相 应的端口 ；5是光纤延迟线圈，6是做传感用的光缆或光纤，7是扰动点，8是光源，9、10是光 电转换装置，11是信号处理系统，12,13是相同的反射装置，14,15是相位调制器，fm2、fml分别为施加在其上的调制频率，17是相应的干涉主光路组合单元。本发明所提供的全光纤定位监测系统对干涉系统主光路17进行复用。从光分路 器1端口 la、lb输出的信号由两个干涉信号构成，其中一个干涉(I)，是由如下一对光路形 成的1 :8 — Ia — Id — 5 — 2c — 2a — 3b — 3a — 6 — 4a — 4c — 15 — 13 — 15 — 4c— 4a — 6 — 3a — 3b — 2a — 2d — If — lb (或 lc)2 — la — If —2d —2a —3b —3a —6 —4a —4c — 15 — 13 — 15 —4c —4a— 6 — 3a — 3b — 2a — 2c — 5 — Id — lb (或 lc)由于光路1、2的路径是共同的，只是光经过的先后顺序有所区别，因此，这两路自 动满足干涉条件，形成干涉。形成另一个干涉信号(II)的的相干光路对是3 :8 — Ia — Id — 5 — 2c — 2b — 4b — 4a — 6 — 3a — 3c — 14 — 12 — 14 — 3c— 3a — 6 — 4a — 4b — 2b — 2d — If — lb (或 lc)4 :8 — la — If — 2d — 2b — 4b — 4a — 6 — 3a — 3c — 14 — 12 — 14 — 3c — 3a— 6 — 4a — 4b — 2b — 2c — 5 — Id — lb (或 lc)同理，光路3、4也是自动满足干涉条件，形成另一路干涉信号。为了使光路3、4不和1、2发生干涉，必须使3、4路径和1、2路径的长度差大于光 源的消相干长度。对于白光干涉系统来说，光源的消相干长度只有几十微米，因此，很容易 实现这两组路径的不相干。本发明所提供的全光纤定位监测系统在两组干涉光路中分别接入了相位调制器 14、15。当没有这两个相位调制器时，经9或10的输出的交流量可以表示为P = P^P2(1)= P1Cos [ Φ01+Δ φ J +P2Cos [ φ 02+ Δ φ2]其中，Pp P2是干涉I、II交流分量，Pl、P2为相应的幅度，ΦQ1、Φ Q2为相应的初始 相位，Δ φρ Δ Φ2为相应的由感应光纤受扰动产生的相位信号。这两个干涉信号PpPJg 叠在一起无从分开。必须将P” P2分开，才可以实现这两个信号携带信息的比较。在光路 中接入相位调制器14、15，利用相位载波技术则可以达到这一目的。当在相位调制器14、15 上分别施加频率fm2、fffll的余弦调制，此时有，P = P^P2(2)= P1Cos [ Φ01+Δ φ j+ φ Iii1COS (2 η fmlt) ] +p2cos [ φ 02+ Δ φ2+φ m2cos (2 η fm2t)]P^i = 1、2)用Jn阶贝塞尔函数展开后，变为Pi = PiCos [ Φ 0i+Δ φ j+φ micos (2 π fmit)]= PiCos ( Φ 0i+ Δ φ ^ [J0 ( φ mi) +2J2 ( Φ mi) cos (4 π fmit) + Λ ] +(3)PiSin (Φ0 +Δ φ ^ [2^ ( Φ mi) cos (2 π fmit) +2J3 ( Φ mi) cos (6 π fmit) + Λ ]从上可以看出，ZpJiQJsir^cKi+Aφ J1 ( φω ) cos (2 π fmit)的频谱是将时域 信号8 ι(ΦΜ+Δ φη )的频谱特征从O频率附近平移到频率fmi处，当。与^间距足够大， 就可以将其相应的干涉子系统信号的频谱特征通过谱的平移彻底分开。通过同步解调技术，对不同的载波信号采用相应的参考频率，即提取出相应的干涉信号变量Pil = 2Ρ Λ(Φω )8 η(Φ0 +Δ φ(i = 1,2)(4)因而，通过这种相位载波复用技术可以将对单芯光缆6扰动产生的干涉信号I、II 分开。进一步，通过传统的相位解调方法可以获得相应的相位变化信息Δ φρ Δ φ2。上述的分析只涉及到一种信号解调方案，类似的信号解调的技术还有多种，且较 为成熟。信号解调的过程可以通过硬件实现，也可以用软件来实现。系统在获得Δ φ ρ Δ φ2后，即可通过对Δ φ ρ Δ Φ2之间的相互关联性获得扰动 点的位置信息。例如，可以利用两者时域中的起跳点的延迟关系。设扰动点7距分路器3 的端口 3a距离为Li，距分路器3的端口 3a距离为L2，扰动引起的相位变化为树0，为简化
分析，忽略系统器件间连接光纤较短段带来的时延，则有
邠—竺)+冲-竺-如邠-+冲(5)
CCCC
从二 坠)+树-坠…+冲-^增-^^U) (6)
CCCC其中，τ为延迟线圈5带来的时延，η为光纤的有效折射系数，c为真空中的光速。
比较(5)、(6)式可得，Δ Φρ Δ φ2的起跳点之间存在时间延迟Δ =·^^，如图3所示。
c
则通过对时间延迟的测量可以计算出扰动点的位置。图2(b)是本系统的另一种结构示意图，该结构中的分路器1使用的是2X2分路
ο本发明所提供的全光纤定位监测系统采用白光干涉系统，使用的光源是时间相干 性差，空间相干性好的宽带光源，可以是超辐射发光二极管(SLD)、ASE光源。分路器1、2、3、 4可以是均分或非均分的，可以是光纤耦合器，或是其他类型的光分路器。3、4可以是1X2 分路器，也可以是2X2分路器。反射装置12、13可以是平面镜或是法拉第旋转镜，相位调 制器14、15可以是将光纤绕在压电陶瓷上制作而成，也可以是铌酸锂(LiNbO3)调制器。本发明所提供的全光纤定位监测系统，通过相位载波技术对干涉主光路进行复 用，等效于两套干涉系统的组合效果。本系统在光路上仅需对一套的干涉系统光路稍加改 进即可实现。本系统从共同的光输出端口获得两个信息相关的干涉信号，通过对这两个干 涉信号间相互关系的分析，获得扰动的位置信息。由于系统对主干涉光路进行复用，等效干 涉系统的主要参数有很好的一致性，因此干涉信号之间的相关性好，有利于扰动点的定位， 系统的准确性高。本发明的另一优点是使用全光纤白光干涉结构，大大降低了激光光纤干 涉系统中由于激光的强时间相干性带来的系统不稳定。
图1 现有技术的一种全光纤白光干涉系统结构。图2 本发明所的全光纤定位监测系统结构示意图，其中，1是3X3或2X2光分路器，2是2X2或2X1光分路器，3、4是2X2或2X1 光分路器，5是光纤延迟线圈，6是光缆或光纤，7是扰动点，8是光源，9、10是光电转换装置，
511是信号处理系统，12、13是反射装置，14、15是相位调制器，17是相应的干涉主光路组合单元。图3 解调出来的的两种干涉信号的延迟关系示意图。图4 实施例结构示意图，其中6是感应光缆、18是需要防范的区域。
具体实施方案以下结合具体的实施例，对本发明做进一步的阐述。实施例仅用于对本发明做说 明而不是对本发明的限制。实施例1本实施例中，在需要防范的区域18周围布设了一圈感应光缆6，形成一光纤周界， 系统的布设如图4所示。所用的光源8为S03-B型超辐射发光管(SLD)，干涉系统中使用的3X3分路器为 均分的光纤分路器，光纤分路器均为单模光纤分路器。延迟线圈5所用的光纤为G652型单 模光纤。感应光缆6为野战光纤，跳线为FC/PC型单模光纤跳线，光电探测器9、10为型号 为GT322C500的InGaAs光电探测器。两相位调制器上施加的频率分别为100kHz，150kHz。 当感应光缆6感应到扰动时，信号处理系统11对光电探测器8、9输入的信号进行解调、相 位还原，最后判断扰动发生的位置及性质。光缆6的总长度为10km，当测得的两干涉信号延 迟为At = 200ns，通过系统根据发明内容所提供的计算方法，测得扰动位置距离分路器3 的端口 3c的距离为5020m。
权利要求
一种全光纤定位监测系统，其干涉主光路组合单元(17)中包括光分路器(1)、(2)，光纤延迟线圈(5)，其特征在于，还包括光分路器(3)、(4)，相位调制器(14)、(15)和反射装置(12)、(13)。
2.如权利要求1所述的全光纤定位监测系统，其特征在于，相位调制器(14)、(15)上 分别施加调制频率fm2、fml。
3.如权利要求1所述的全光纤定位监测系统，其特征在于从光分路器(1)输出两对干 涉信号，通过相位载波技术，对干涉主光路组合单元(17)进行复用。
4.如权利要求1所述的全光纤定位监测系统，其特征在于光源(8)是白光干涉光源。
5.如权利要求4所述的全光纤定位监测系统，其特征在于光源(8)是超辐射发光二极管。
6.如权利要求1所述的全光纤定位监测系统，其特征在于光分路器(1)、(2)、(3)、(4) 是均分或非均分的，或是光纤耦合器，或是其他类型的光分路器。
7.如权利要求1所述的全光纤定位监测系统，其特征在于光分路器(1)是3X3光分路 器，或是2X2光分路器。
8.如权利要求1所述的全光纤定位监测系统，其特征在于光分路器(2)、(3)、(4)是 2 X 2光分路器，或是2 X 1光分路器。
9.如权利要求1所述的全光纤定位监测系统，其特征在于相位调制器(14)、(15)是将 光纤绕在压电陶瓷上制作而成，或是铌酸锂(LiNbO3)调制器。
10.如权利要求1所述的全光纤定位监测系统，其特征在于反射装置(12)、(13)是平 面镜，或是法拉第旋转镜。
全文摘要
本发明属光纤传感领域，涉及一种新型的全光纤定位监测系统。尤其是一种全光纤白光干涉系统。本系统在一套干涉系统上通过相位载波复用，实现两套系统组合作用的效果，即获得来自同一扰动源的两种干涉信号，通过这两种信号之间的关系来判断扰动发生的位置，由于系统对主干涉光路进行复用，等效干涉系统的主要参数有很好的一致性，因此干涉信号之间的相关性好，有利于扰动点的定位，系统的准确性高。
文档编号G01D5/26GK101922946SQ200910053268
公开日2010年12月22日 申请日期2009年6月17日 优先权日2009年6月17日
发明者肖倩, 贾波 申请人:复旦大学