光纤Fizeau干涉阵列分布式振动传感系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种光纤Fizeau干涉阵列分布式振动传感系统及方法，其中系统包括激光光源、第一光纤耦合器、第一光移频器、第二光移频器、第二光纤耦合器、延时器、光环形器和光纤Fizeau干涉阵列，该系统还包括光电探测器、数据采集与控制卡、第一射频信号源和第二射频信号源，激光光源发出的光经第一光纤耦合器分成两束光，第一束光和第二束光分别通过第一光移频器、第二光移频器产生频移并调制成频率不同的第一光脉冲和第二光脉冲，第二光脉冲再经过延时器延时后，与第一光脉冲在第二光纤耦合器处耦合成脉冲对，脉冲对通过光环形器进入光纤Fizeau干涉阵列，产生多个反射脉冲对，再回到光环形器；并在光电探测器处发生外差干涉。
【专利说明】
光纤F i zeau干涉阵列分布式振动传感系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及一种光纤Fizeau干涉阵列分布式振动 传感系统及方法。
【背景技术】
[0002] 分布式光纤振动传感是以光纤为传感元件和传输介质，实现对传感链路周边振动 信号进行探测的技术，其不但具有简单光纤传感技术灵敏度高、耐高温、抗腐蚀和抗电磁干 扰等优点特性，而且更能体现光纤分布延伸的优势，传感链路中任一点都能受到振动信号 的调制，从而实现振动信号的无漏点检测，干涉型分布式光纤振动传感技术是基于光波干 涉调制原理的振动传感技术，具有灵敏度高、动态范围大和响应频率高等突出优点，经过30 多年的发展，干涉型光纤振动传感技术取得了丰硕的研究成果，提出了Mach-Zehnder干涉 仪，Michelson干涉仪和Sagnac干涉仪以及MZI-MZI，SI-SI等多种复合干涉结构。
[0003] 现已研究的以Mach-Zehnder干涉仪和Michel son干涉仪等干涉结构为基础设计的 振动传感系统，均为单臂传感，参考光和信号光不在同一光路中行进所以两臂极易受到不 同环境噪声的干扰从而导致干涉条纹不稳定。Fizeau干涉是利用光在光学系统中传输时的 第一次反射光作为参考光，第二次反射光作为信号光，参考光和信号光沿着同一条光路行 进并发生干涉，Fizeau干涉中信号光与参考光在同一光路中行进从而克服了因不同外界干 扰(如振动、温度起伏等)导致的干涉条纹不稳定等问题。
[0004] 随着干涉型分布式光纤振动传感技术的逐渐成熟以及时分和波分复用技术的不 断发展，为了实现传感系统的网络化、大范围、准分布的测量，各种结构、规模和传感距离的 光纤振动传感阵列得到了广泛的研究，现已纵观目前各种复用型传感阵列技术，很难有一 种技术能够在探测距离、阵列规模、线阵直径以及测量灵敏度等方面同时具备优越的性能。
【发明内容】
[0005] 为克服Mach-Zehnder干涉仪和Michelson干涉仪等，因信号光与参考光在不同光 路中行进从而造成由不同外界干扰(如振动、温度起伏等)所导致的干涉条纹不稳定等问 题，提供一种光纤Fizeau干涉阵列分布式振动传感系统及方法。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007] 提供一种光纤Fizeau干涉阵列分布式振动传感系统，包括激光光源、第一光纤親 合器、第一光移频器、第二光移频器、第二光纤耦合器、延时器、光环形器和光纤Fizeau干涉 阵列，激光光源发出的光经第一光纤親合器分成两束光，第一束光和第二束光分别通过第 一光移频器、第二光移频器产生频移并调制成不同频率的第一光脉冲和第二光脉冲，第二 光脉冲再经过延时器延时后，与第一光脉冲在第二光纤耦合器处耦合成脉冲对，脉冲对通 过光环形器进入光纤Fizeau干涉阵列，产生多个反射脉冲对，再回到光环形器；
[0008] 该系统还包括光电探测器、数据采集与控制卡、第一射频信号源和第二射频信号 源，光电探测器与光环形器、数据采集与控制卡连接，第一射频信号源与第一光移频器连 接，第二射频信号源与第二光移频器连接;相邻两个反射脉冲对中前一个反射脉冲对中的 后一个脉冲作为参考光，后一个反射脉冲对中的前一个脉冲作为信号光，两者在光电探测 器处发生外差干涉，产生干涉拍频信号;干涉拍频信号经光电探测器输出给数据采集与控 制卡进彳丁解调。
[0009]本发明所述的系统中，光纤Fizeau干涉阵列包括多对光纤反射点，每对光纤反射 点之间连接有光纤。
[0010]本发明所述的系统中，光纤反射点为光纤布拉格光栅或者啁嗽光栅，或者光纤反 射点为由激光照射光纤造成的折射率突变点。
[0011] 本发明所述的系统中，第一光移频器和第二光移频器为声光调制器。
[0012] 本发明所述的系统中，延时器为延时光纤，延时光纤的长度为每对光纤反射点之 间的光纤长度的两倍。
[0013] 本发明还提供一种光纤F i zeau干涉阵列分布式振动传感方法，包括以下步骤：
[0014] 产生频率不同的第一光脉冲和第二光脉冲；
[0015] 对第二光脉冲进行延时，延时后的第二光脉冲与第一光脉冲合束形成光脉冲对；
[0016] 光脉冲入射到光纤Fizeau干涉阵列，产生多个反射脉冲对；
[0017] 相邻两个反射脉冲对中前一个反射脉冲对中的后一个脉冲作为参考光，后一个反 射脉冲对中的前一个脉冲作为信号光，两者发生外差干涉，产生干涉拍频信号；
[0018] 输出干涉拍频信号并进行解调。
[0019] 本发明产生的有益效果是:本发明中将光源发出的光调制成双脉冲对，入射到光 纤Fizeau干涉阵列，产生多个反射脉冲对，利用相邻两个反射脉冲对中前一个反射脉冲对 中的后一个脉冲作为参考光、后一个反射脉冲对中的前一个脉冲作为信号光承载相邻反射 点之间光纤上所受到的振动所引起的相位扰动，通过控制脉冲间距与相邻反射点之间光纤 长度相同从而实现参考光与信号光的干涉，避免了采用非平衡干涉臂进行干涉所带来的系 统噪声并减小了传感器的体积，通过采用Fizeau干涉结构使得参考光与信号光在同一光路 中进行传输，从而克服了传统干涉结构中参考光与信号光传输在不同光路中传输从而因不 同外界干扰导致的干涉条纹不稳定等问题;并在单根光纤上复用大规模传感器，在探测距 离、阵列规模以及测量灵敏度等性能方面都进行了改善和提高。
【附图说明】
[0020] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0021] 图1为本发明实施例的结构示意图；
[0022] 图2是系统测量结果与检波器检测结果的对比图；
【具体实施方式】
[0023]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不 用于限定本发明。
[0024]图1为本发明一实施例的结构不意图，光纤Fizeau干涉阵列分布式振动传感系统 包括激光光源1、第一光纤親合器2、第一光移频器4、第二光移频器7、第二光纤親合器11、延 时器、光环形器13和光纤Fizeau干涉阵列14,激光光源1发出的光经第一光纤親合器2分成 两束光，第一束光和第二束光分别通过第一光移频器4、第二光移频器7产生频移并调制成 频率不同的第一光脉冲和第二光脉冲，第二光脉冲再经过延时器延时后，与第一光脉冲在 光环形器13处親合成脉冲对，脉冲对进入光纤Fizeau干涉阵列14,经光纤Fizeau干涉阵列 14的多个光纤反射点反射后产生多个反射脉冲对，并经Fizeau干涉阵列14反射回到光环形 器13。
[0025] 该系统还包括光电探测器15、数据采集与控制卡17、第一射频信号源8和第二射频 信号源9,光电探测器15与光环形器13、数据采集与控制卡17连接，第一射频信号源8与第一 光移频器4连接，第二射频信号源9与第二光移频器7连接。反射后的脉冲对经过光环形器13 进入光电探测器15,在光电探测器15处发生外差干涉，产生干涉拍频信号;干涉拍频信号经 光电探测器15输出给数据采集与控制卡17进行解调。
[0026] 其中，第一光移频器4和第二光移频器7选用声光调制器。延时器可选用延时光纤 10,延时光纤10的长度为每对光纤反射点之间的光纤长度的两倍。
[0027] 第一束探测光通过第一连接光纤3进入第一光移频器4频移并调制成频率为fi+u 的光脉冲后通过第二连接光纤5注入到第二光纤耦合器11 (3dB)的第一个端口 11.1;第二束 探测光通过第三连接光纤6进入第二光移频器7产生频移并调制成频率f2+u为的光脉冲后 通过延时光纤10进行延时注入到第二光纤耦合器的第二个端口 11.2。
[0028]由第二光纤親合器11 (3dB)将第一端口与第二端口输入的光脉冲合束后形成光脉 冲对的从第二光纤耦合器ll(3dB)的第三端口 11.3输出后通过第四段连接光纤12入射到 光环形器13的第一端口 13.1，光环形器的第二端口 13.2输出的光脉冲对入射到光纤Fizeau 干涉阵列14。
[0029] 光纤Fizeau干涉阵列包括多对光纤反射点，每对光纤反射点之间连接有光纤。光 纤反射点可为光纤布拉格光栅或者啁嗽光栅，或者光纤反射点为由激光照射光纤造成的折 射率突变点。
[0030] 本发明的一个实施例中，光纤Fizeau干涉阵列是采用在线制备超弱光栅的方法利 用光纤拉丝与在线制栅专用平台制作而成，其内共刻写1005个布拉格光栅，布拉格光栅之 间的间隔为l〇m，光栅的反射率为_35dB--40dB。
[0031] 光环形器的第三端口 13.3与光电探测器15连接，光电探测器15的电输出口通过第 五连接光纤16连接到数据采集与控制卡17的输入口 17.3，数据采集与控制卡的第一控制口 17.1与第一个射频信号源8的控制输入口8.1连接实现对第一射频信号源的控制，信号处理 与控制卡的第二控制口 17.2与第二个射频信号源9的控制输入口9.1连接实现对第二射频 信号源的控制。
[0032] 第一射频信号源8的射频输出口 8.2连接到第一光移频器的射频输入口 4.3;第二 射频信号源9的射频输出口 9.2连接到第二光移频器的射频输入口 7.3。
[0033] 本发明采用频率不同的两束脉冲发生外差干涉，通过对拍频信号进行解调，获得 外界振动信号，可应用于干涉型光纤水听器的设计中，利用外差检测方法解调可以有效提 高光纤水听器的系统检测灵敏度以及动态范围，同时可以克服环境扰动并且系统可携带信 号带宽大。
[0034] 利用上述实施例光纤Fizeau干涉阵列分布式振动传感系统实现的传感方法，主要 包括以下步骤：
[0035] 激光光源1输出的光发出的光经过第一光纤耦合器2分成两束探测光，分别为第一 束探测光和第二束探测光；
[0036] 第一束探测光通过第一连接光纤3进入第一光移频器4产生频移并调制成频率为 fi+u的光脉冲后通过第二连接光纤5注入到第二光纤耦合器11的第一个端口 11.1;第二束 探测光通过第三连接光纤6进入第二光移频器7器产生频移并调制成频率为f2+u的光脉冲 后通过延时光纤10注入到第二光纤耦合器的第二个端口 11.2。
[0037] 由第二光纤親合器将第一端口与第二端口输入的光脉冲合束后的通过第四段连 接光纤12入射到光环形器13的第一端口 13.1，光环形器的第二端口 13.2输出的光脉冲入射 到光纤Fizeau干涉阵列14;
[0038]由第一个布拉格光栅反射的光脉冲对回到光环形器，从光环形器的第三端口出射 经过第五段连接光纤进入光电探测器，其电场强度表示为：
[0039]
[0040] Ei-2为由第一个布拉格光栅反射的光时域反射脉冲对中的后一个脉冲的电场强 度，c为真空中的光速，L为延时线的长度，识2为连接光纤以及延时光纤引入的总相位。
[0041] 由第二个布拉格光栅反射的光脉冲对回到光环形器，两反射点之间的光纤长度为 1;从环形器的第三端口出射经过第五段连接光纤进入光电探测器，其电场强度表示为：
[0042]
[0043] E2-1为由第二个布拉格光栅反射的光时域反射脉冲对中的前一个脉冲的电场强 度，c为真空中的光速，1为第一个光纤反射点与第二个光纤反射点之间光纤的长度，n rff为 第一个光纤反射点和第二个光纤反射点之间光纤的有效折射率，Φ1为连接光纤引入的总 相位。
[0044] 延时光纤长度与相邻布拉格光栅之间的光纤长度满足如下关系：
[0045] 1 = 21
[0046] 由第一个布拉格光栅反射的第一个脉冲对中的后一个光脉冲与第二个布拉格光 栅反射的脉冲对中的前一个脉冲在光电探测器处形成同步外差干涉，干涉后的两路探测光 在平衡探测器中的响应II, 2可表示为：
[0047]
[0048]探测器的输出I为：
[0049]
[0050] 这里忽略了科-％的固定相位差。
[0051] 当第一个布拉格光栅与第二个布拉格光栅之间的光纤受到振动时，nrff会发生变 化，由上式可知干涉拍频信号cl的光强发生改变。光电探测器、数据采集与控制卡接收到干 涉拍频信号cl并经过解调后还原出第一个光纤反射点与第二个光纤反射点之间的光纤所 受到的外界振动。实验中，在振动点处放置一个检波器对振动信号进行检测，图2是系统测 量结果与检波器检测结果的对比图，由图中可以看出系统的所受的外界振动信号被解调出 来，与检波器所检测的振动信号一致。
[0052] 双光脉对冲进入Fizeau干涉阵列经过第三个布拉格光栅以及第四个布拉格光栅 后会重复以上步骤，产生干涉拍频信号c2,由于干涉拍频信号cl和干涉拍频信号c2的接收 时间不一样，所以可以分别测到不同相邻布拉格光栅之间的光纤的干涉拍频信号，从而依 次解调出不同相邻布拉格光栅之间光纤上所受到的外界振动。
[0053]综上，本发明中将光源发出的光调制成双脉冲对，利用相邻两个反射脉冲对中前 一个反射脉冲对中的后一个脉冲作为参考光、后一个反射脉冲对中的前一个脉冲作为信号 光承载相邻反射点之间光纤上所受到的振动所引起的相位扰动，通过控制脉冲间距与相邻 反射点之间光纤长度相同从而实现参考光与信号光的干涉，避免了采用非平衡干涉臂进行 干涉所带来的系统噪声并减小了传感器的体积，通过采用Fizeau干涉结构使得参考光与信 号光在同一光路中进行传输，从而克服了传统干涉结构中参考光与信号光传输在不同光路 中传输从而因不同外界干扰导致的干涉条纹不稳定等问题，并在单根光纤上复用大规模 传感器，在探测距离、阵列规模以及测量灵敏度等性能方面都进行了改善和提高。
[0054]应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换， 而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
【主权项】
1. 一种光纤Fizeau干涉阵列分布式振动传感系统，其特征在于，包括激光光源、第一光 纤耦合器、第一光移频器、第二光移频器、第二光纤耦合器、延时器、光环形器和光纤Fizeau 干涉阵列，激光光源发出的光经第一光纤親合器分成两束光，第一束光和第二束光分别通 过第一光移频器、第二光移频器产生频移并调制成频率不同的第一光脉冲和第二光脉冲， 第二光脉冲再经过延时器延时后，与第一光脉冲在第二光纤親合器处親合成脉冲对，脉冲 对通过光环形器进入光纤Fizeau干涉阵列，产生多个反射脉冲对，再回到光环形器； 该系统还包括光电探测器、数据采集与控制卡、第一射频信号源和第二射频信号源，光 电探测器与光环形器、数据采集与控制卡连接，第一射频信号源与第一光移频器连接，第二 射频信号源与第二光移频器连接;相邻两个反射脉冲对中前一个反射脉冲对中的后一个脉 冲作为参考光，后一个反射脉冲对中的前一个脉冲作为信号光，两者在光电探测器处发生 外差干涉，产生干涉拍频信号;干涉拍频信号经光电探测器输出给数据采集与控制卡进行 解调。2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，光纤Fizeau干涉阵列包括多对光纤反射 点，每对光纤反射点之间连接有光纤。3. 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，光纤反射点为光纤布拉格光栅或者啁嗽光 栅，或者光纤反射点为由激光照射光纤造成的折射率突变点。4. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，第一光移频器和第二光移频器为声光调制 器。5. 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，延时器为延时光纤，延时光纤的长度为每 对光纤反射点之间的光纤长度的两倍。6. -种光纤Fizeau干涉阵列分布式振动传感方法，其特征在于，包括以下步骤： 产生频率不同的第一光脉冲和第二光脉冲； 对第二光脉冲进行延时，延时后的第二光脉冲与第一光脉冲合束形成光脉冲对； 光脉冲入射到光纤Fizeau干涉阵列，经反射后，产生多个反射脉冲对； 相邻两个反射脉冲对中前一个反射脉冲对中的后一个脉冲作为参考光，后一个反射脉 冲对中的前一个脉冲作为信号光，两者发生外差干涉，产生干涉拍频信号； 输出干涉拍频信号并进行解调。
【文档编号】G01H9/00GK105973450SQ201610277420
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】周次明, 李怡, 范典, 周爱, 文泓桥, 姜德生
【申请人】武汉理工大学