一种针对微弱信号检测的光纤干涉系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型属于光纤传感【技术领域】，具体为一种针对微弱信号检测的光纤干涉系统。本系统除包括干涉光源、光纤干涉组件、感应光纤和反馈装置外，还包括相位调制器，其可用于在被测微弱信号带宽以外的某一频率引入大幅度的相位调制信号，间接使微弱信号达到实用新型装置的满幅，满足解调算法中必须使用满幅信号进行直流补偿，归一化及耦合器初始相位计算的要求，实现对相位信号的准确解调。本实用新型大大提高了光纤分布式干涉系统的普适性；可广泛应用于电力传输线，天然气管道和石油管道的安全监测领域；也可以应用于大型建筑物例如水坝，隧道，矿井等的安全监测。
【专利说明】—种针对微弱信号检测的光纤干涉系统
【技术领域】
[0001]本实用新型属于光纤传感【技术领域】，具体涉及一种针对微弱信号检测的光纤干涉系统。
【背景技术】
[0002]维护基础设施的安全是社会稳定，经济快速发展的一个基本要求。当前，我国对于油气管道，电网等基础设施的监测主要依据设施自身的一些生产参数(压力突降，中间站油罐液位的不正常变化)和人工巡视，路人的报告等手段。这些手段技术含量低，普遍存在效率低，实时性差，反应时间长，抗干扰能力差等缺陷，常常是监测设施遭到破坏后才能报警，实用性受自然和人为双重因素的制约。这种“亡羊补牢式”的事后检测技术，只可能减少而不能避免损失。特别是受电磁干扰的影响，对长距离管线的监测，不可能实施可靠电的方式进行传感监测。因此，光纤传感技术将成为进行电力，油气管道等行业的安全监测的主要技术手段。
[0003]对于干涉型光纤传感器，其基本的传感机理是，在待测场能量的作用下，使光纤中传播的光波发生相位变化，再以干涉测量技术把相位变化转换为振幅变化，实现待测物理量的测量。正由于采用了干涉技术，在实际应用中，必须首先采用适当的信号处理技术将外界扰动引起的相位差信号从干涉信号中提取出来。目前，应用较多的是基于3X3耦合器相位调制和解调技术进行的相位检测方法。
[0004]图1是一种基于3X3 f禹合器相位调制和解调的分布式光纤传感系统。图1中，干涉光源，光纤干涉组件，反馈装置，探测器及信号处理单元构成该光纤传感系统。光纤干涉组件由第一光纤分路器，光纤延迟线，第二光纤分路器连接组成。其中，第一光纤分路器是一个3X3光纤稱合器,光从光纤干涉组件的3X3稱合器的一端口输入,亦从干涉组件的3 X 3耦合器的其他端口和输出，并最终进入探测器及信号处理单元。
[0005]图2为另一种采用3X3耦合器进行相位调制和解调的基于波分复用技术的光纤分布式监测定位干涉系统。其采用波分复用的技术，使得如图1所示的两个不同波长的干涉系统可以复用光源，光纤干涉组件和传感光纤。通过基于3X3耦合器的信号解调算法，使同一扰动获得两个不同的相位差信号。图2中，干涉系统由干涉光源，光纤干涉组件，感应光纤，反馈装置，探测器及信号处理单元构成。光纤干涉组件由第一光纤分路器，光纤延迟线和第二光纤分路器连接组成。其中，第一光纤分路器是一个3X3光纤耦合器。第二光纤分路器是一 2 X 2光纤耦合器，反馈装置由第一波分复用器，第一光纤，第一反射装置，第二光纤和第二反射装置构成。其中第一波分复用器为一波分复用器。因此，光纤干涉组件和感应光纤，第一波分复用器，第一光纤和第一反射装置共同形成光波λ I的干涉光路；光纤干涉组件和感应光纤，第一波分复用器，第二光纤和第二反馈装置共同形成光波λ2的干涉光路。光从光纤干涉组件的3X3稱合器的一端口输入,亦从干涉组件的3X3稱合器的其它端口输出，分别进入第二波分复用器和第三波分复用器，并最终进入探测器及信号处理单元。[0006]对于图1或图2所示干涉系统，通过基于3X3耦合器的相位调制和解调的方法，可以将相位信号从干涉信号中恢复出来，从而获得外界扰动信息。在相位解调的过程中，直流补偿和归一化过程均需要满足外界扰动信号达到干涉仪的满幅的要求。因此对于无法满足该要求的微弱信号，系统就无法对其进行准确的相位解调，从而导致扰动位置的错误判断，使系统的测量能力受到了限制。同时，考虑到3X3耦合器无法满足对称结构，SP
sm(%iZ^L)^±^ ,也需要对3X3耦合器的初始相位进行准确计算，实现对相位信号的准 2 2
确解调。
【发明内容】
[0007]为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种针对微弱信号检测的光纤干涉系统。其可对外界微弱扰动信号实现准确的相位解调，结构简单，工作状态稳定，同时定位精度高。
[0008]本实用新型提供的一种针对微弱信号检测的光纤干涉系统，其包括干涉光源、光纤干涉组件、相位调制器、反馈装置和探测器及信号处理单元；所述光纤干涉组件由第一光纤分路器、光纤延迟线和第二光纤分路器连接组成，所述第一光纤分路器是3 X 3光纤耦合器，第二光纤分路器是 2X 2光纤耦合器；其中:当所述反馈装置由反射装置单独构成时，在所述光纤干涉组件和反馈装置之间的感应光纤上串接相位调制器；当所述反馈装置由一波分复用器通过第一光纤和第二光纤分别连接两个反射装置而构成时，在所述光纤干涉组件和反馈装置之间的感应光纤上串接相位调制器，或者在第一光纤和第二光纤上分别串接相位调制器。
[0009]本实用新型中，上述相位调制器上所加载的相位信号需要达到干涉系统的满幅，实现对相位信号的准确解调。
[0010]本实用新型提供的针对微弱信号的光纤分布式干涉系统的有益效果在于:结构简单，工作状态稳定，定位精度高，具有更加广泛的应用前途。其根据微弱信号的特点，对相位解调进行改进，在被测微弱信号带宽以外的某一频率引入大幅度的相位调制信号，可间接使微弱信号达到实用新型装置的满幅，满足解调算法中必须使用满幅信号进行直流补偿，归一化及3X3耦合器初始相位计算的要求，实现对相位信号的准确解调，消除了检测信号微弱带来的无法检测定位的问题，大大提高了光纤分布式干涉系统的普适性。该光纤干涉系统可广泛应用于电力传输线，天然气管道和石油管道的安全监测领域；也可以应用于大型建筑物例如水坝，隧道，矿井等的安全监测。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为基于3X3耦合器相位调制和解调的分布式光纤传感系统示意图。
[0012]图2为采用3X3耦合器进行相位调制和解调的基于波分复用技术的光纤分布式监测定位干涉系统示意图。
[0013]图3为本实用新型中改进的分布式光纤定位干涉系统示意图。
[0014]图4为本实用新型中改进的基于波分复用的一种光纤定位干涉系统示意图。
[0015]图5为本实用新型中的基于波分复用的另一种光纤定位干涉系统示意图。[0016]图中标号:1-第一光纤分路器；2_第二光纤分路器；3_光纤延迟线；4_感应光纤；5-反馈装置；6_光纤干涉组件；7_探测器及信号处理单元；8_干涉光源；9_波分复用器；10-第一光纤；11-第一反射装置；12-第二光纤；13-第二反射装置；14-第一相位调制器；15-第二相位调制器；16_第三相位调制器；17_第四相位调制器。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图和实施例对本实用新型进一步详细说明。
[0018]实施例1
[0019]如图3所示是本实用新型中改进的分布式光纤定位干涉系统示意图。其系统是基于图1所示分布式光纤传感系统进行改进得到。
[0020]干涉光源8，光纤干涉组件6，反馈装置5和探测器及信号处理单元7构成该光纤传感系统。光纤干涉组件6由第一光纤分路器1，光纤延迟线3和第二光纤分路器2连接组成。其中，第一光纤分路器I是一个3X3光纤I禹合器,la, lb, Ic是第一光纤分路器I的同向端口，Id, If属另一组同向端口。第二光纤分路器2是一个2X2光纤I禹合器,2c, 2d是第二光纤分路器2的一组同向端口，2a属另一组同向端口。光从光纤干涉组件6的3X3 f禹合器I的端口 Ia输入，亦从干涉组件11的3X3耦合器I的端口 Ib和Ic输出，并最终进入探测器及信号处理单元7。
[0021]本实施例中，在感应光纤4任意位置上串接第一相位调制器14，可以在外界微弱扰动信号带宽以外的某一频率引入大幅度的相位调制信号，间接使微弱信号达到实用新型装置的满幅。
[0022]上述改进的分布式光纤定位干涉系统存在的干涉光的传输路径为:干涉光源8通过第一光纤分路器I的端口 Ia进入光纤干涉组件6。在光纤干涉组件6中，光被分为顺时针传播和逆时针传播的两束光，其中顺时针传播的光从第一光纤分路器I的端口 Ia经过光纤延迟线3 (TDFl)到达第二光纤分路器2的端口 2c，逆时针传播的光从第一光纤分路器I的端口 If到达第二光纤分路器2的端口 2d。这两束光同时从第二光纤分路器2的端口 2a，通过第一相位调制器14进入感应光纤4。在感应光纤的尾端，通过由法拉第旋转镜构成的反馈装置5。经反馈装置5反射的光重新注入感应光纤4和光纤干涉组件6，并在第一光纤分路器I发生干涉。
[0023]图4、图5为经改进后的基于图2所示的波分复用技术的光纤分布式监测定位干涉系统。
[0024]图4、图5中，系统由干涉光源8，光纤干涉组件6，第二相位调制器15，感应光纤4，反馈装置5，探测器及信号处理单元7构成。光纤干涉组件6由第一光纤分路器1，光纤延迟线3，第二光纤分路器2连接组成。其中，第一光纤分路器I是一个3X3光纤耦合器，la, lb, Ic是第一光纤分路器I的同向端口，Id, If属另一组同向端口。第二光纤分路器2是一 2X2光纤I禹合器,2c, 2d是第二光纤分路器2的一组同向端口，2a属另一组同向端口。反馈装置12由波分复用器9，第一光纤10，第一反射装置11，第二光纤12和第二反射装置13构成。其中波分复用器9为一波分复用器，9a使其复用波长端口，9b和9c是其独立波长端口。因此，光纤干涉组件6和感应光纤4，波分复用器9，第一光纤10，第一反射装置11共同形成光波λ i的干涉光路；光纤干涉组件6和感应光纤4，波分复用器9，第二光纤12，第二反馈装置13共同形成光波λ 2的干涉光路。光从光纤干涉组件6输入，亦从光纤干涉组件6的端口 Ib和Ic输出，进入探测器及信号处理单元7。本实用新型中，进一步的，通过在感应光纤4的任意位置上串接第二相位调制器15 (图4);或者在反馈装置5中第一光纤10和第二光纤12任意位置处分别串接第三相位调制器16和第四相位调制器17(图5)，使得被测微弱信号带宽以外的某一频率引入大幅度的相位调制信号，间接使在监控线路上扰动点D上施加的微弱信号达到实用新型装置的满幅。
[0025]本实用新型通过采用以下提出的基于3X3耦合器的相位还原算法，获得外界扰动引起的相位差信号。即:
[0026]在干涉系统中引入相位调制器，并在该相位调制器上加载的大幅度的相位信号Φ COS (ω t)，使干涉信号达到干涉系统的满幅。当监控线路D处有微弱信号扰动时，那么在光接收端产生的具有一定相位差的干涉信号，经过光电转换及直流滤除后，探测器及信号处理单元探测到的干涉信号的交流分量分别为:
[0027]
【权利要求】
1.一种针对微弱信号检测的光纤干涉系统，其特征在于:其包括干涉光源、光纤干涉组件，相位调制器、反馈装置和探测器及信号处理单元；所述光纤干涉组件由第一光纤分路器、光纤延迟线和第二光纤分路器连接组成，所述第一光纤分路器是3x3光纤耦合器，第二光纤分路器是2x2光纤耦合器；其中: 当所述反馈装置由反射装置单独构成时，在所述光纤干涉组件和反馈装置之间的感应光纤上串接相位调制器； 当所述反馈装置由一波分复用器通过第一光纤和第二光纤分别连接两个反射装置而构成时，在所述光纤干涉组件和反馈装置之间的感应光纤上串接相位调制器，或者在第一光纤和第二光纤上分别串接相位调制器。
【文档编号】G01D5/26GK203704952SQ201320837696
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2013年12月18日 优先权日:2013年12月18日
【发明者】贾波, 肖倩, 吴媛, 卞庞 申请人:复旦大学