专利名称：可用时间延迟估计的白光干涉定位监测装置和方法
技术领域：
本发明属于光纤传感技术领域，是一种光纤扰动定位监测装置和方法，具体涉及一种白光干涉光路结构，可通过时延估计方法从干涉信息中提取出扰动位置信息，实现定位功能。
背景技术：
光纤传感器是以光学理论为基础，将非光量转化为光量进行测量。以光纤作为信息传递媒介的传感器具有一系列其他传感器无法比拟的优点不受电磁场干扰，能应用在强电磁场的场合；不会产生电磁骚扰；感应端无需供电，使用、维护方便；耐腐蚀、本质安全等等。全光纤定位监测就是光纤作为分布式传感的一种典型应用。这种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。但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，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。图l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l、光纤延迟线5、光纤分路器2、单芯光纤6、反馈装置15、探测器9、 10、信号处理单元19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15的作用，使从光纤6传输的光经反馈装置15作用后重新进入光纤6传输，获得的干涉信号从l的端口lb、 lc输出，进入探测器9、 10。 17是由光纤分路器1、 2和光纤延迟线5构成的干涉单元。
发明内容
4本发明的目的在于提供一种光纤光路系统稳定性好，定位精度高的白光干涉定位监测装置与方法。
本发明通过构建白光干涉结构，获得来自同一扰动源的两种干涉信号，可采用时延估计方法，对这两种干涉信号进行处理，实现扰动点位置的确定。如图2所示。
图2中，包含干涉单元17、 18。干涉单元17与图1中的干涉单元相同，干涉单元18与干涉单元17相同，是由光纤分路器ll、光纤分路器12、光纤延迟线13构成。光纤分路器l、 11是3X3光纤分路器，光纤分路器2、 12、 3、 4是2X2或2X1光纤分路器，3a、3b、 3c是分路器3的端口， 4a、 4b、 4c是分路器4的端口。 16是与15相同的反馈装置，14是光电转换及信息处理单元。该处理单元14分别与光纤分路器l的lb、 lc端口，光纤分路器11的llb、 llc端口连接；光纤分路器3的3a端口与光纤分路器2的2a端口连接，光纤分路器4的4c端口与光纤分路器12的12a端口连接，光纤分路器3的3c端口通过光纤6与光纤分路器4的4c端口连接；光纤分路器3的3b端口与反馈装置16连接，光纤分路器4的4b端口与反馈装置15连接；光纤分路器1的ld端口与光纤分路器2的2c端口连接，连接线上有光纤延迟线5;光纤分路器l的lf端口与光纤分路器2的2d端口连接；光纤分路器ll的llf端口与光纤分路器12的12d端口连接，光纤分路器ll的lld端口与光纤分路器12的12c端口连接，连接线上有关线延迟线13。端口 la、 lla为光源输入端口，端口 lb、 lc、 llb、 llc是干涉信号输出端口。
光源为宽带光源，经下述两条路径I和II传输的光可以相干，形成一种干涉A，经端口 lb(或lc)输出；
路径I : la—Id—5—2c—2a—3a—3c—6—4c—4b—15—4b—4c—6—3c—3a—2a—2d—lf ;
路径II: la—If—2d—2a—3a—3c—6—4c—4b—15—4b—4c—6—3c—3a—2a—2c—5—ld g
经下述两条路径III和IV传输的光可以相干，形成另一种的干涉B，经端口llb(或llc)
输出
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 。
还存在以下四个光程相近的两组路径在本发明中，希望仅存在A、 B这两种干涉，必须保证这两组路径不会发生干涉。由于采用的是宽谱光源，其消相干长度只有几十微米，很容易实现这两组路径的不相干。
上述关于路径的描述中，所用的标号表示该标号所对应的部件，箭头方向表示传输光的传输方向。
当在光纤6上的有扰动时，利用时延估计方法对A、 B这两种干涉形成的信号进行处理，具体分析如下。
设扰动点7到反馈装置16的光纤长度为Li，到反馈装置15的长度为L2，光纤延迟
线5、 13的延迟近似相等，即71 72=7，扰动引起的相位变化为p(f)，由此引起的经端口
lb、 lc输出的相干涉光的相位差为
<formula>formula see original document page 6</formula>
经端口llb、 llc输出的相干涉光的相位差为<formula>formula see original document page 6</formula>
其中，n为光纤的有效折射系数，c为光在真空中的传播速度。当"0时，^(0 = 0。
以上为简化分析，可忽略器件间连接光纤较短段带来的时延，如反馈装置16与端口 3b、反馈装置15与端口4b间的时延。由于构成干涉的光路相似性，决定了两种干涉信号具有
初始相位相同的输出端口。设lb、 llb初始相位相同，为"，贝ij， lc、 llc初始相位相同，设为^。端口lb、 lc、 llb、 llc输出信号经光电转换后的干涉项分别表示为<formula>formula see original document page 6</formula>其中，A,、 ^为与光强及光路结构、及光电转换等电路参数相关的常系数:设，雄)Dl(, — r)
(4)
则，当？<0时，>9(,)=0。式(1) (2)可表示为
aj,、 "丄i 、 +2丄，)、c c
c c
设丄曲=min(A，Z2)，考察部分A^(0、 时域信号A^(/) 、 A^p(0'
',… 「"A "(A +2Zm,n)，
(5)
(6)
0，
o，
严2 "(Z2 +2Zmm)]
(7)
(8)
可看出这两个信号之间存在延迟的关系，巨口，
c
因此，可以对相位差M。W、 A^,)信号采用时延估计方法，获得
n丄，一W丄，
(9)
，结合L、
L2两段的总长度，便可确定扰动发生的位置。相位信息A^(0可从端口 1b、 lc输出的干涉信号经相位还原算法获得，相位信息A^W可从端口2b、 2c输出的干涉信号经相位还原算法获得。
也可以直接对干涉信号采用时延估计方法，获得"丄2—"丄'
相位差时延关系决定了干涉信号间亦具有时延关系，即
其中，k为常数。
L))
确定扰动位置，这是由于，
(io)
从式(7)、 (8)可看出，当L,很小，即扰动点很接近反馈装置16时，相位差信号中存在延迟关系的数据量很小，会影响到延估计算法的实施。为确保扰动位置在空间上与反馈装置15、 16很接近时，延迟估计能有效进行，可在端口3c、 4c附近各加一段光纤延迟线，如图3所示。20、 21即为光纤延迟线。
综上所述，扰动点位置的定位检测方法如下(1)分别从A、 B这两种干涉获得的信息截取一对具有延迟特性的信号。该对信号可以是直接从经光电转换输出的A、 B这两种干涉形成的干涉信号中截取；也可先由A、
B这两种干涉获得的干涉信号分别经一定的相位还原算法解算出相应的相位差信号A^,(f)、再从相位差信号截取。
(2) 对截取的这一对数据使用时间延迟估计方法计算出它们之间的延迟，即 。时间延迟估计方法可以是自适应最小均方差法(LMS)、广义相关法、相位数据
法，或是其它的估计方法。
(3) 用《和Li、 L2两段的总长度，确定I^或L2，即扰动发生的位置。
本发明采用白光干涉技术构建了可以用时延估计方法获得扰动位置信息的光纤传感结构。该结构可得到来自同一扰动的两种干涉信号，可通过时延估计方法从光信息中提取出扰动位置信息，实现定位功能。由于系统采用宽带光源，易获得相似性很好的、具有一定延迟、携带扰动位置信息的干涉信号，定位精度高。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，光路不易受温度、偏振的影响，光路稳定性高。
本发明是白光干涉系统，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l、 2、 3、 4、 11、 12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。反馈装置15、 16可以是平面镜或是法拉第旋转镜。
在光路的具体构成中，分路器l、 2、 3、 4、 11、 12还可以选用其他分支数的分路器构成类似的干涉光路。千涉信号的输出端口也可以通过诸如环形器等光学器件从光信号输入端口 (如端口la和lla)获得。
图l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。
图2是本发明的一种具有定位监测功能的白光干涉结构。它可以用时间延迟估计方法
获得扰动信号的位置信息。
图3是扰动位置会发生在空间上与反馈装置15、 16很接近时所采用的结构。该结构
在端口3c、 4c附近各加一段光纤延迟线，以确保时间延迟估计方法的有效进行。图4是实施例中光源的连接方法。端口22a、 22b分别连接到端口 la、 lla。图5是实施例的数据测量与处理。其中，(a)是获得的两路相干信号，(b)是自适应时
延估计得到权矢量分布曲线，(c)是时延估计跟踪曲线。图中标号
1、 11是3X3光纤分路器，la、 lb、 lc、 ld、 lf和lla、 llb、 llc、 lld、 llf分别是相应的端口。 2和12是2X2或2X1光纤分路器，2a、 2c、 2d和12a、 12c、 12d分别是相应的端口。 3、 4是2X2或2X1分路器，3a、 3b、 3c和4a、 4b、 4c分别是怖应的端口。 5、 13、 20、21是光纤延迟线圈，^、 r,为分别为光纤延迟线5、 13的时延。6是做传感用的光缆或光纤，7是扰动点。8是光源。端口la、 lla为光源的输入端口。 14为光电转换及信息处理单元。17、 18为干涉单元，干涉单元17是由分路器1、 2和延迟线5构成，干涉单元18由光纤分路器ll、光纤分路器12、光纤延迟线13构成。19为信号处理单元。24是光源，23是光隔离器，22是光分路器，22a、 22b、 22c是光分路器22的端口 。
具体实施例方式
在本实施方式中，连接光路如图3所示，光输入采用图4的连接方法，光源经光隔离器23后，经分路器22分光，端口22a、 22b输出的光分别从端口 la、 lla，注入分路器1和11。所用的光源24为电子集团总公司44研究所生产的S03-B型超辐射发光管(SLD)。光纤延迟线20、 2的长度皆为3km。光纤延迟线20、 21之间的光纤6的长度为22km。光纤延迟线所用的光纤为美国"康宁"生产的G652型单模光纤。千涉系统中使用的3X3分路器为均分的光纤分路器，光纤分路器均为武汉邮电研究院生产的单模光纤分路器。光电转换及信息处理单元14中使用的光电转换器件为44所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器。
本实施例中，从端口lb、 llb输出的干涉信号为具有相等初始相位的干涉信号，这两个输出信号经光电转换、采样后，根据系统的特性参数截取一定长度的数据，用自适应最小均方差法(LMS)进行延时估计。
由于信号具有一定的带宽，自适应时延估计方法用一时延滤波器 (w)来实现信号的延迟效应，时延滤波器/2、.(《)可以用有限冲击响应滤波器来逼近，通过估计滤波器的参数来估计时延。的峰值坐标即对应于两信号之间的时间延迟。
自适应滤波器在自适应迭代中逐步实现对相移滤波器/a")的模拟。取其中一个干涉
信号，通过自适应滤波器将其延迟，即加工成新的延迟信号，将该信号不断地与另一干涉信号比较相似性。当自适应滤波器收敛时，获得最大相似性，此时，自适应滤波器权矢量气p,的峰值坐标即是估计的时间延迟。
本实施例中利用NI的数据采集卡和Labview软件对信号进行采集处理，实验中采样频率f为100M。在距离延迟线20光纤长度12km处施加扰动。图5(a)是两路干涉输出信号。由于光纤延迟线20、 21的长度为L^3km，所取最大数据长度为2nLf/c 3000 ，综合考虑光纤延迟线的长度和实验，确定数据长度选为2770，自适应滤波器的长度为1900，步长因子u为0.000135。经自适应时延估计得到的权矢量分布曲线和时延估计跟踪曲线如图5(b)、图5(c)所示，时延估计值为9.6/ff，即"丄2—叫=96/^，计算得扰动点距延迟线20的光纤长度为
c
12.0081km，与实际扰动发生位置相符。
权利要求
1.一种可用时间延迟估计的白光干涉定位监测装置，其特征在于采用如下白光干涉结构，它包括第一干涉单元(17)和第二干涉单元(18)，其中第一干涉单元(17)由第一光纤分路器(1)、第二光纤分路器(2)和第一光线延迟线(5)构成，第二干涉单元(18)由第三光纤分路器(11)、第四光纤分路器(12)和第二光纤延迟线(13)构成；此外，还包括第五光纤分路器(3)、第六光纤分路器(4)、光电转换及信息处理单元(14)、第一反馈装置(15)、第二反馈装置(16)；光纤分路器(1、11)是3×3光纤分路器，光纤分路器(2、12、3、4)是2×2或2×1光纤分路器，3a、3b、3c是第五光纤分路器(3)的端口，4a、4b、4c是第六光纤分路器(4)的端口；光电转换及信息处理单元(14)分别与第一光纤分路器(1)的1b、1c端口，第三光纤分路器(11)的11b、11c端口连接；第五光纤分路器(3)的3a端口与第二光纤分路器(2)的2a端口连接，第六光纤分路器(4)的4c端口与第四光纤分路器(12)的12a端口连接，第五光纤分路器(3)的3c端口通过光纤6与第六光纤分路器(4)的4c端口连接；第五光纤分路器(3)的3b端口与第二反馈装置(16)连接，第六光纤分路器(4)的4b端口与第一反馈装置(15)连接；第一光纤分路器(1)的1d端口与第二光纤分路器(2)的2c端口连接，连接线上有第一光纤延迟线(5)；第一光纤分路器(1)的1f端口与第二光纤分路器(2)的2d端口连接；第三光纤分路器(11)的11f端口与第四光纤分路器(12)的12d端口连接，第三光纤分路器(11)的11d端口与第四光纤分路器(12)的12c端口连接，连接线上有第二光纤延迟线(13)；端口1a、11a为光源输入端口，端口1b、1c、11b、11c是干涉信号输出端口。
2. 根据权利要求1所述的可用时间延迟估计的白光千涉定位监测装置，其特征在于 在第五光纤分路器(3)的3C端口附近设置有第三光纤延迟线(20)，在第六光纤分路器(4)的4C端口附近设置有第四光纤延迟线(21)。
3. —种可用时间延迟估计的白光干涉定位监测方法，基于权利要求1所述的白光定 位检测装置，其特征在于具体步骤如下(1) 分别从A、 B两种千涉获得的信息截取一对具有延迟特性的信号；该对信号直 接从经光电转换输出的A、 B两种干涉形成的干涉信号中截取，或者先由A、 B两种干涉获得的干涉信号分别经相位还原算法解算岀相应的相位差信号A^(0、 A^W，再从相位差信号截取；(2) 对截取的这一对数据使用时间延迟估计方法计算出它们之间的延迟，即 ;所述的时间延迟估计方法为自适应最小均方差法、广义相关法或相位数据法； c(3)用"、i丄'和Lt、 L2两段的总长度，确定L!或L2，即得扰动发生的位置；c所述A、 B两种干涉形成如下经下述两条路径I和II传输的光相干，形成干涉，记为A，经端口 lb或lc输出；路^g I : la—Id—5—2c—2a—3a—3c—6—4c—4b—15—4b—4c—6—3c—3a—2a —2d—lf路径II: la—If—2d—2a—3a—3c—6—4c—4b—15—4b—4c—6—3c—3a—2a—2c —5—ld经下述两条路径m和iv传输的光相干，形成干涉，记为B，经端口 llb或llc输出 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为光纤的有效折射系数，c为光在真空中的传播速度，Ll为扰动点到第二反 馈装置(16)的光纤长度，L2为扰动点到第一反馈装置(15)的光纤长度；上述关于路径 的描述中，所用的标号表示该标号所对应的部件，箭头方向表示传输光的传输方向。
全文摘要
本发明属于光纤传感技术领域，具体为一种可用时间延迟估计的白光干涉定位监测装置与方法。本发明采用白光干涉技术构建了光纤传感结构。该结构可得到来自同一扰动的两种干涉信号，可通过时延估计方法从光信息中提取出扰动位置信息，实现定位功能。由于系统采用宽带光源，易获得相似性很好的、具有一定延迟、携带扰动位置信息的干涉信号，定位精度高。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，光路不易受温度、偏振的影响，光路稳定性高。
文档编号G01H9/00GK101625257SQ20091005581
公开日2010年1月13日 申请日期2009年7月31日 优先权日2009年7月31日
发明者锲 徐, 倩 肖, 许海燕, 波 贾 申请人:复旦大学