专利名称：双臂脉冲光干涉的相位敏感光时域反射计型光纤分布式扰动传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感器技术领域，特别涉及一种双臂脉冲光干涉的相位敏感光时域反射计型光纤分布式扰动传感器。
背景技术：
光纤传感器由于其高灵敏度、体积小、重量轻、本质安全、电绝缘性、抗电磁干扰、 相对成本低、多功能性、可靠性高、硬件匹配光纤通信接口、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安防、油气管线监测、大型结构监测和通信线路监测等领域具有重要意义。光纤分布式扰动传感器可以对传感光纤上任意一点处的扰动(时变信号)进行监测，得到扰动信号的时域波形，根据扰动事件性质进行判断，给出报警信息；同时给出扰动事件发生的空间位置信息。目前，根据不同的工作原理，光纤分布式传感器可以分为干涉仪型、光纤光栅型、光时域反射计型、光频域反射计型以及强度调制型等。光纤光栅型分布式传感器采用光纤光栅作为敏感元件，在一定长度的间隔之间铺设光纤光栅，通过复用技术实现准分布式传感，因此，光纤光栅型分布式扰动传感器的空间分辨率具有不连续性，且受到光纤光栅空间分布间隔的限制。同时，光纤光栅的集成基于波长复用，在一根光纤上可以复用的光纤光栅数量受到波长区间的限制，其测量长度的增加需要以增大光纤光栅间隔即降低空间分辨率为代价。除了空间分辨率和测量长度间的矛盾外，光纤光栅型分布式传感器的成本也限制了其作为分布式扰动传感器在大范围环境中的应用。传统光时域反射计型分布式传感器可以用来检测外界环境中温度或压力的变化， 但其响应时间较长，对于外界扰动的实时定位比较困难，不能应用于对时变信号的分布式传感，因此限制了其作为分布式扰动传感器的应用。光频域反射计型分布式传感器，基于非线性光学效应，布里渊或拉曼散射，可以对外界的温度和压力进行传感，但其传感信号相对微弱，使得信号的检测和解调相对困难，同时其器件成本也相对较高，限制了其在长距离扰动传感中的应用。强度调制型传感器基于单模光纤和多模光纤中的模式耦合机理，可以实现对扰动的分布式传感，但其灵敏度和精度较低，为了能够在实际中应用还需进一步解决增敏和提高精度的问题。目前，干涉仪型光纤分布式扰动传感器主要基于马赫-泽德干涉仪和萨格奈克干涉仪方案。其中，萨格奈克型光纤分布式扰动传感器难以敏感缓慢变化的扰动所产生的相位调制，也无法通过平均或累加的方法提高信噪比。萨格奈克型光纤分布式扰动传感器的响应与扰动产生相位调制的频率及扰动作用点均有关，灵敏度在整个光纤环上不完全一致，这是实际应用中的不利因素。单萨格奈克干涉仪由于需要进行频谱分析以确定频谱中特征零点处的频率值，要求外部振动所产生相位调制具有一定的带宽。萨格奈克与其它干涉仪的复合方案由于光路复杂，成本相对较高，且调制解调技术复杂，这些问题均限制了萨格奈克型光纤分布式扰动传感器的广泛应用。马赫-泽德型光纤分布式扰动传感器光路结构简单，单位置(单点)扰动定位算法易于实现，但现有的定位算法无法在多位置(多点)扰动同时发生的情况下进行扰动的定位，且由于长距离传输的情况下，散射引起的寄生干涉和杂波干涉等将引起极大的定位误差，这些问题极大地限制了该类传感器的实用性。其中，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如
图1所示。激光器发出的光经过耦合器C1分成两束光，分别沿顺时针和逆时针方向经过由耦合器c2、C3和它们之间的两根敏感光纤构成的马赫-泽德干涉仪，在耦合器C3和C2处发生干涉并通过探测器PA和探测器PD1接收干涉信号。以上光路中的光纤均为单模光纤。当扰动作用于传感臂上时，应力会引起光纤长度和传播常数的变化，从而在信号臂和参考臂上产生一个相位差的变化。当光纤长度变化AL， 传播常数变化Δ β时，相位差力识可以表示为&φ = β!^ + ΙΛβ。逆时针和顺时针方向传播的干涉光通过PD1和PD2接收到的信号可以分别表示
为
权利要求
1.一种双臂脉冲光干涉的相位敏感光时域反射计型光纤分布式扰动传感器，其特征在于，所述传感器包括光源、驱动器、光调制器、分光耦合单元、探测器以及两臂传感光纤；其中，光调制器的两输入端分别连接光源和驱动器，光调制器的输出端连接分光耦合单元，分光耦合单元还同时连接探测器和两臂传感光纤；光源发出的光经过光调制器的调制后成为具有一定相位的光脉冲，所述光脉冲经过分光耦合单元分别注入两臂传感光纤；两臂传感光纤中光传输后返回后向散射光再次经过分光耦合单元发生干涉，探测器根据接收到的干涉信号来检测和定位扰动。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述光源为窄线宽、大功率、低频漂的激光器。
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述分光耦合单元为耦合器、环形器、 分束器或半反半透膜。
4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，在电路上加入电容实现隔离直流电，或通过有源和/或无源的高通滤波方式实现隔离直流电。
5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述光调制器为声光调制器、电光调制器或内调制装置。
6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述两臂传感光纤位于同一光缆中。
7.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，对扰动的干涉信号进行调制解调，提取出三角函数内的相位信息。
8.根据权利要求7所述的传感器，其特征在于，所述调制解调为PGC调制解调。
9.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，通过小波去噪、微弱信号去噪、或滤波算法来抑制噪声。
10.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述探测器根据在光脉冲的起始位置测量光脉冲发出时刻与收到扰动发生位置返回的散射光干涉信号时刻之间的时间延迟计算定位出扰动发生位置。
全文摘要
本发明涉及光纤传感器技术领域，提出了一种双臂脉冲光干涉的相位敏感光时域反射计型光纤分布式扰动传感器。本发明中的双臂脉冲光干涉的相位敏感光时域反射计型光纤分布式扰动传感器采用窄线宽、大功率、低频漂的激光器，通过两个传感臂脉冲宽度区域内的后向瑞利散射光相干，基于相位敏感光时域反射技术，通过扰动前后信号比较，可实现单点或多点同时扰动信号定位；通过提取出三角函数内相位信息并进行大数累加或平均，等效提高了系统的灵敏度；通过平方或求幂的方式等效提高了系统的灵敏度；最后，优选采用PGC算法提取相位信息，可以消除散射信号随机变化的影响，等效提高了系统的灵敏度。
文档编号G01D5/353GK102538846SQ20111041866
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月14日 优先权日2011年12月14日
发明者李勤, 李立京, 林文台, 王夏霄, 许文渊, 邬战军, 钟翔 申请人:北京航空航天大学