专利名称：光纤分布式扰动传感器及其实现扰动定位的方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤传感器，尤其涉及一种光纤分布式扰动传感器及其实现扰动定位 的方法。
背景技术：
光纤传感器由于其抗电磁干扰、体积小、重量轻、敏感度高、易于组网、特别是可以 实现分布式测量等优良特性，在工业、民用和军事领域具有广泛的应用。其中，光纤分布 式扰动传感器在周界报警、输油管道监测和其它结构监测领域中具有重要意义。
目前，根据工作原理的区别，光纤分布式传感器有干涉仪型、光纤光栅型、光时域反 射计型、强度调制型以及散射型等多种类型。其中，干涉仪型分布式传感器具有实现原理 简单、灵敏度高、器件成本低、适于长距离传感用等优良特性，已经成为光纤分布式扰动 传感器的主要技术方案。
现有技术中，干涉仪型光纤分布式扰动传感器多采用双干涉仪结构，例如双马赫泽德 干涉仪结构、萨格奈克-马赫泽德千涉仪结构等。
如图1所示，是基于双马赫泽德干涉仪的光纤分布式扰动传感器的光路原理图。光源 发出的光波经由耦合器l分光， 一部分经过耦合器2注入传感臂L和参考臂U，在耦合器3处 发生干涉，通过光纤Ld传输，由光电探测器l接收，构成了第一干涉仪。耦合器l输出的另 一路光波经过光纤L。传输，从耦合器3处注入传感臂La和参考臂Lb，在耦合器2处发生干涉， 由光电探测器2接收，构成了第二干涉仪。以上光路中的光纤均为单模光纤。其中，*(t) 是扰动引起的相位调制，当扰动施加在传感臂时，以上两个马赫泽德干涉仪受到相同的相 位调制4)(t)，但由于两个干涉仪中扰动位置距离探测器的光纤长度不同，该扰动调制信号 到达两个探测器的时间不同，分别为L和t2，通过确定时间差t,- t2，可以获得扰动位置， 实现定位。
再参见图l，假设扰动发生在传感臂的x位置，则第一干涉仪(即耦合器3)的扰动信 号到达光电探测器l走过的光程为n(LfX+Ld)，第二干涉仪(即耦合器2)的扰动信号到达光 电探测器2走过的光程为nx，两个干涉仪的扰动信号达到探测器的时间差为
△ t = n (L-2x+Ld)/c (1)其中，n为光纤纤芯的有效折射率，c为光在真空中的速度。为了实现对扰动位置的定 位，只需测量At，通过下式即可计算出扰动位置x:
x = (La+Ld— cAt/n)/2 (2)
在后续的定位处理中，因为两个干涉仪的相位调制信号在理论上是完全相关的，仅仅 存在时延，通过计算互相关函数，确定出互相关函数最大值对应的时延，即可得到时间 差。
如图2所示，是基于双马赫泽德干涉仪型分布式扰动传感器的定位算法的原理图。
上述现有技术，基于双马赫泽德干涉仪型光纤分布式扰动传感器至少存在以下缺点 由于长距离传感降低成本的需要，传感器均采用单模光纤。由于单模光纤本身固有的 本征双折射和外界随机因素导致的诱导双折射，单模光纤中传输的光波的偏振态会发生随 机变化，从而使得发生干涉时，分别在传感臂和参考臂中传输光波的处于相同振动方向的 光矢量(电场矢量)分量的幅值发生随机变化，从而使干涉仪输出信号的幅值发生变化， 特别在两臂光波偏振态正交时，将不能发生干涉，干涉仪输出信号的幅值为0，使传感器完 全失效。
由于干涉仪输出信号幅度的不稳定性，可能使传感器在一定的时间范围内出现无输出 信号的失效情况，影响了传感器在实际监测应用中的可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种能保持干涉仪输出信号具有稳定的可用幅度的光纤分布式扰 动传感器及其实现扰动定位的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的
本发明的光纤分布式扰动传感器，包括第一干涉仪、第二干涉仪，所述第一干涉仪和 第二干涉仪的输出端分别连接有分光器，所述分光器的多路输出端分别连接有检偏器，所 述检偏器之后连接有光电探测器。
本发明的上述的光纤分布式扰动传感器实现扰动定位的方法，包括步骤
首先，将每个干涉仪的输出信号分成多路光波；
然后，根据两个干涉仪的输出信号的多路光波进行扰动定位。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的光纤分布式扰动传感器及其实 现扰动定位的方法，由于第一干涉仪和第二干涉仪的输出信号首先经过分光器和检偏器分 成多路光波；然后，对两个干涉仪的输出信号的多路光波处理，进行扰动定位。能保持干
涉仪的输出信号具有稳定的可用幅度。
图l为现有技术中基于双马赫泽德干涉仪型分布式扰动传感器的光路原理图； 图2为现有技术中基于双马赫泽德干涉仪型分布式扰动传感器的定位算法的原理图; 图3为本发明的光纤分布式扰动传感器的光路原理图； 图4为本发明的光纤分布式扰动传感器实现扰动定位的方法的原理图。
具体实施例方式
本发明的光纤分布式扰动传感器，其较佳的具体实施方式
是，包括第一干涉仪、第二 干涉仪，第一干涉仪和第二干涉仪的输出端分别连接有分光器，分光器的多路输出端分别 连接有检偏器，检偏器之后连接有光电探测器。
分光器的输出端可以有三路，相应的，每个分光器连接有3个检偏器，3个检偏器的偏 振角度相差分别为0士10度、60±10度、-60±10度，或0土10度、60±10度、120±10 度。根据需要，也可以有多路，对于n路情况，每个检偏器的偏振角度依次分别相差为 180/n度。
第一干涉仪和第二干涉仪均为马赫泽德干涉仪。
每个分光器之后的多个光电探测器之后可以连接有平方加和单元，平方加和单元的输 出端通过高通滤波(滤掉直流量)与计算互相关函数单元连接。平方加和单元可以包括 光电探测器之后分别连接有平方单元，多个平方单元分别与相加单元连接。
光电探测器与平方单元之间可以连接有放大滤波单元；平方加和单元与计算互相关函 数单元之间连接有滤波单元。
上述的分光器包括以下至少一种器件1X3单模光纤耦合器件、半反半透膜空间光学 器件等，或其它的分光器件；
上述的检偏器可以包括以下至少一种器件波片类型检偏器件、棱镜器件等，或其它 的器件。
本发明的光纤分布式扰动传感器实现扰动定位的方法，其较佳的具体实施方式
是，包
括步骤
首先，将每个干涉仪的输出信号分成多路光波；然后，根据两个干涉仪的输出信号的 多路光波进行扰动定位。
具体可以将干涉仪的多路光波经过平方加和后，再进行互相关函数计算，实现扰动定位。多路偏振光可以首先经过放大滤波后，再进行平方加和；然后，再经过滤波滤去支流 分量后，再进行互相关函数计算；
经过滤波滤去支流分量后的信号为/ = ^ CGS(2p —P)，式中，j为信号幅值；P
为相位调制信号；"为偏振态随机变化产生的随机相位差。
本发明在现有的双马赫泽德干涉仪型光纤分布式扰动传感器的基础上，在光路结构中 的干涉仪输出后面增加了检偏器，并在信号检测与处理方面做了相应的改变。 下面通过具体实施例对本发明进行详细的阐述
如图3所示，是本发明的具体实施例的光路原理图，光源发出的光波经由耦合器l分 光， 一部分经过耦合器2注入传感臂La和参考臂U，在耦合器3处发生干涉，通过光纤Ld传 输，构成了第一干涉仪；
耦合器1输出的另一路光波经过光纤L。传输，从耦合器3处注入传感臂La和参考臂Lb，在 耦合器2处发生干涉，并输出，构成了第二干涉仪。
以上光路中的光纤均为单模光纤。第一干涉仪和第二干涉仪均为马赫泽德干涉仪。
其中，》(t)是扰动引起的相位调制，当扰动施加在传感臂时，以上两个马赫泽德干 涉仪受到相同的相位调制4)(t)。现有技术中，第一干涉仪的光路输出信号和第二干涉仪的 光路输出信号直接被光电探测器接收，由于在两个干涉仪中扰动导致的相位调制信号到达
两个光电探测器的时间不同，分别为ta和t2，通过确定时间差ta- t2，可以获得扰动位置，
实现定位。
上述的具体实施例中，为了解决干涉仪输出的光路信号幅值不可用的问题，两个干涉 仪的光路输出信号，没有直接进入光电探测器，而是通过分光器分别被分为等幅值的三
路，并分别进入检偏器，其中，三路的检偏器的偏振角度相差分别为O度，60度和-60度。 经过检偏器以后的三路光信号，分别进入光电探测器，转化为电信号。
如图4所示，是上述的实施例中的信号检测与处理原理图。光电探测器输出的电信号 为消除噪声和干扰经过滤波和放大等调理后，分别平方，然后相加。相加后输出的电信号 经过高通滤波滤去直流分量，经过滤波的信号L、 L分别作为第一、二个马赫泽德干涉仪的 输出信号，由于两路信号的处理完全相同，不破坏两个干涉仪中的扰动导致的相位调制信 号之间的相关性，进行互相关计算，可以实现定位。
经过以上处理后的信号L、 12可以不受偏振态随机变化的影响，其幅值能够保持在一 定范围内，不出现降低为O的可能性，从而消除某时刻输出信号为O，传感器失效的问题。
通常，所采用的光源为单纵模窄带光源(线宽约100kHz)，其输出光波可以认为是全
6偏振光(实际光源发出的光波偏振度接近100%)，不失一般性，可以将光源发出的光波视 为任意椭圆偏振光，首先分析第一个干涉仪中的光波，第二个干涉仪中的光波具有同样的
数学表达。设在干涉仪两臂中正向传输的光波的电场矢量为A和^，其方位角和椭率角为
《、《和&和^。其琼斯矢量为
cos《cos 4 — y sin《,sin & sin《cos ￡; + j' cos《sin ^
cos《cos fr - j' sin《sin ￡^ sin《cos + y cos《sin sr
(5)
(6)
发生干涉时，干涉光的强度 其中，干涉项为
(7)
2狀
Va2 +62 cos(p-《)
(8)
苴中 "=c。s(《-《)c。s(&-6 = sin(《-《)sin(《s,+￡;)
当传感光纤受到微扰动时，两个干涉仪的输出信号为 /, 二4+^cos[p(。-《] (9)
/2=4+JS2cOS[—2)-《2] (10)
其中，A为直流偏置，B为干涉项的幅值，^")和^")分别为微扰动引起的相位调 制，^和,2是时间，A—^为时间差，通过确定^—^可以得到扰动位置。
对于增加检偏器的情况，干涉仪输出的光波分光后经过与x轴的夹角为e的检偏器，此 时的干涉仪输出光强中的干涉信号为
g巾
(11)
tan《=
6 (12) a = cos_ )cos (《—《)+ cos (4 + ￡"r) cos (《+《-2^)
6 = sin+ ^ ) sin (《-《)+ sins _ ^ ) sin (《+《_ 26)
(13)
(14)对于三路输出信号平方后加和，得到
3 2 3厂i i 画
《《X (a + ^ sin 0) = ￡X E ^ (《化2) + 7 (《_《)cos+ "A sin 2P
滤掉直流项后
1 3 「 "1
/ =;五X2 Z (《_《)cos+ 2aA sin = j cos(2p _ 〃)
2 i=1L、 (16)
(15)
乂 =—五X
2 s "
2卩3 、2
一"l _+》A U=i 乂
(17)
tan / = < + ^ +《_ ^ _《_ ^
其中，』为信号幅值，P为相位调制信号，"为偏振态随机变化产生的随机相位差。
(注^会影响定位精度，如果为了提高定位精度，还可以采取其他办法同时消除^。但 是本发明要解决的是保持信号可用幅度的问题，不解决提高定位精度的问题，所以在本发
明中没有消除"。)
对于两个干涉仪，经过分光器件，分别经过三路检偏器后平方、加和滤去直流项的输 出信号为
A =4cos(2^_ A) (19) /2 =^2cos(2p2-々2) (20) 将以上L、 12作为干涉仪的最终输出进行互相关计算，实现定位。
本发明中，将干涉仪的光路输出信号经过分光器件后等分成为三路光，分别经过相差 角度为0度，60度和-60度(或0度，60度，120度)的检偏器，进入光电探测器转化为电信 号，通过滤波和放大等信号调理后，进行平方和加和计算，滤去直流量后作为最终干涉输 出信号进行互相关计算，进行扰动定位。通过以上步骤，可以使最终的干涉信号始终保持 在一定的幅值范围内，保持其可用性，消除为0的可能性，解决现有双干涉仪型分布式扰动 传感器由于光波偏振态的随机变化导致的信号幅值变化为O时传感器失效的问题；
在解决现有双干涉仪型分布式扰动传感器干涉仪最终输出的电信号幅值变化为O时传 感器失效的问题的同时，保持了对两个干涉仪输出信号处理的一致性，不丧失其相关性从而不影传感器的定位精度；
由于本发明的信号处理方案是针对干涉仪的光路输出进行处理，因此不受传感光纤长
度的影响，适合于传感光纤为任何长度的情况。
实际上，干涉型传感器采用单模光纤时，均存在干涉输出信号随机变化的问题，并且 可能在一定时间范围内其干涉输出信号的幅值为O，使传感器失效。
现有干涉仪型光纤分布式扰动传感器，由于传感光纤的距离较长(十几至几十公 里)，传感光路通常采用成本相对较低的单模光纤，因此，随机变化的外界因素导致的诱 导双折射以及光纤本身存在的本征双折射会导致单模光纤中传输的光波的偏振态发生随机 变化，由此会导致传感臂和信号臂的光波的偏振态存在区别，只有相同偏振态(振动方 向)的光矢量(电场矢量)分量之间才会发生干涉，从而干涉信号的幅度发生随机变化， 甚至当两臂的光波的偏振态处于正交情况，发生不能干涉的情况，干涉输出信号的幅度为o 的情况，严重影响了光纤分布式扰动传感器的实际可靠性。
本发明的光纤分布式扰动传感器能保持干涉仪输出信号具有稳定的可用幅度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任 何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都 应涵盖在本发明的保护范围之内。
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权利要求
1、一种光纤分布式扰动传感器，包括第一干涉仪、第二干涉仪，其特征在于，所述第一干涉仪和第二干涉仪的输出端分别连接有分光器，所述分光器的多路输出端分别连接有检偏器，所述检偏器之后连接有光电探测器。
2、 根据权利要求l所述的光纤分布式扰动传感器，其特征在于，所述分光器的输出端 有三路，相应的，每个分光器连接有3个检偏器。
3、 根据权利要求2所述的光纤分布式扰动传感器，其特征在于，所述3个检偏器的偏 振角度相差分别为0士10度、60±10度、-60±10度;或0士10度、60±10度、120±10度。
4、 根据权利要求l、 2或3所述的光纤分布式扰动传感器，其特征在于，所述的第一干 涉仪和第二干涉仪分别为马赫泽德干涉仪。
5、 根据权利要求l、 2或3所述的光纤分布式扰动传感器，其特征在于，所述分光器之 后的多个光电探测器之后连接有平方加和单元，所述平方加和单元的输出端与计算互相关 函数单元连接。
6、 根据权利要求5所述的光纤分布式扰动传感器，其特征在于，所述平方加和单元包 括所述光电探测器之后分别连接有平方单元，多个平方单元分别与相加单元连接；所述光电探测器与所述平方单元之间连接有放大滤波单元；所述平方加和单元与所述 计算互相关函数单元之间连接有滤波单元。
7、 根据权利要求l、 2或3所述的光纤分布式扰动传感器，其特征在于，所述分光器包 括以下至少一种器件1X3单模光纤耦合器、半反半透膜空间光学器件；所述检偏器包括以下至少一种器件波片类型检偏器件、棱镜器件。
8、 一种权利要求1至7任一项所述的光纤分布式扰动传感器实现扰动定位的方法，其特征在于，包括步骤首先，将每个干涉仪的输出信号分成多路光波；然后，根据两个干涉仪的输出信号的多路光波进行扰动定位。
9、 根据权利要求8所述的光纤分布式扰动传感器实现扰动定位的方法，其特征在于， 将所述干涉仪经分光器及多路检偏器输出的多路光波经过光电探测器转化为电信号，光电 探测器输出的电信号经过放大滤波调理后，进行平方加和计算，滤掉直流量后，再进行互 相关函数计算，实现扰动定位。
10、 根据权利要求9所述的光纤分布式扰动传感器实现扰动定位的方法，其特征在 于，所述经过滤波滤去支流分量后的信号为/ =^ CGS(2p —P)，式中，^为信号幅值；^为相位调制信号；"为偏振态随机变化引起的随机相位差。
全文摘要
本发明公开了一种光纤分布式扰动传感器及其实现扰动定位的方法，将干涉仪的光路输出信号经过分光器件后等分成为三路光，并分别经过偏振角度相差分别为0度、60度和-60度的检偏器，进入光电探测器转化为电信号，通过滤波和放大等信号调理后，进行平方加和计算，经过滤波去掉直流量，作为最终干涉输出信号进行互相关计算，进行扰动定位。可以使最终的干涉信号始终保持在一定的幅值范围内，保持其可用性，消除为0的可能性。解决了现有的双干涉仪型分布式扰动传感器由于光波偏振态的随机变化导致的干涉仪光路输出信号幅值变化为0时传感器失效的问题。
文档编号G01D5/26GK101464166SQ20091007626
公开日2009年6月24日 申请日期2009年1月8日 优先权日2009年1月8日
发明者晞 张, 张春熹, 彦 李, 琛 李, 李立京, 杨玉生, 林文台, 生 梁 申请人:北京航空航天大学