Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分布光纤传感系统及其时域定位方法

摘要

本发明公开了一种Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分布光纤传感系统及其时域相关定位方法。本系统由3个光纤耦合器与4根光纤构成的Sagnac干涉仪和Mach-Zehnder干涉仪的嵌套结构组成。Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分别与一个相干光源和两个光电探测器相连。本时域相关定位方法利用Sagnac干涉仪和Mach-Zehnder干涉仪检测到的扰动信号的互相关运算来确定扰动传播到传感光纤一端所用的时间。互相关曲线的最大值点的延迟时间对应该时间，由该时间确定扰动位置。本发明解决了传统Sagnac干涉仪分布光纤传感系统在定位距离受限和定位精度上的不足。

说明书

技术领域

本发明涉及一种分布光纤传感系统及其时域定位方法。是一种适用于油、气管道泄漏检测或光纤围栏的Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分布光纤传感系统及其时域相关定位方法。

背景技术

近来出于对各种油、气运输管道的运行安全和国防或民用周界安全防范的需要，分布光纤传感系统的研究越来越受到人们的重视，其中利用干涉技术的分布光纤传感系统是近期研究的热点。

典型的干涉形式主要有Sagnac干涉仪和Mach-Zehnder干涉仪。Sagnac干涉仪分布光纤传感系统利用单光路进行双光束干涉，对环境变化不敏感，在管道泄漏检测方面已实用化，但由于其采用泄漏信号频谱的零点频率法定位，系统的信号解调比较复杂，而且检测距离受限于泄漏信号的频谱宽度。Mach-Zehnder干涉仪分布光纤传感系统采用互相关运算确定时延的定位技术，信号解调简单，但由于Mach-Zehnder干涉仪需要双向工作，需要两个激光器，成本高；或通过耦合器把一个激光器输出的激光分为两束，让其中一束经过很长的一段传输光纤输送到Mach-Zehnder干涉仪的另一端，造成铺设和使用不便。

发明内容

本发明的目的在于克服Sagnac干涉仪与Mach-Zehnder干涉仪的不足，提供一种Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分布光纤传感系统及其时域定位方法。

为达到上述目的，本发明的构思是：本发明的分布光纤传感系统由3个光纤耦合器与4根光纤构成的Sagnac干涉仪和Mach-Zehnder干涉仪的嵌套结构(简称Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪)组成。Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分别与一个相干光源和两个光电探测器相连。只有Sagnac干涉光纤环的一半作为传感光纤，其长度远远大于Mach-Zehnder干涉仪中两根连接光纤的长度。

所述的Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分布光纤传感系统的时域定位方法，其特征在于利用Sagnac干涉仪和Mach-Zehnder干涉仪的输出信号的互相关运算确定扰动传播到传感光纤一端所用的时间。互相关曲线的最大值点的延迟时间对应该时间，由该时间确定扰动位置。

本发明可用于油、气运输管道的泄漏检测，也可用于周界防卫，即光纤围栏。所述的光纤围栏的铺设方式可以为埋在地下或墙头，也可以为铺设地表或安装于栅栏上。

工作原理与特点：当传感光纤在距离第一耦合器1处受到扰动，扰动引起传感光纤中传输的光的相位被调制，设扰动引起的相位调制为为其幅度，ω_s为其角频率。由于传感光纤长度远远大于两根连接光纤的长度，在第一耦合器处产生由扰动导致的干涉信号，其交流输出可表示为E_s0为光到达第一光电探测器的电场幅值，τ为光沿传感光纤传播所用的时间，τ_r为扰动传播到第三耦合器所用的时间。同时，传感光纤中携带相位调制信息的光沿Mach-Zehnder干涉仪的传感臂传播，在第三耦合器处与沿Mach-Zehnder干涉仪的参考臂传播来的光相遇，产生由该扰动导致的干涉信号，其交流输出可表示为E_m0为光到达第二光电探测器的电场幅值。当较小时，两个干涉议的交流输出都类似余弦函数，两者是相关的，通过信号处理系统计算它们的互相关，互相关的最大值点的延迟时间对应扰动传播到第一耦合器所用的时间τ_l＝τ-τ_r，进而由l＝cτ_l/n得到扰动距离第一耦合器的距离l，其中c为光在真空中的传播速度，n为光纤纤芯的折射率。

由于信号和噪声之间是不相关的，因此，利用互相关运算定位，还能去除系统的随机噪声，提高定位精度。

根据上述发明内容，本发明采用下述技术方案：

一种Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分布光纤传感系统，包括一个光源、一个信号处理系统、一个Sagnac干涉仪和一个Mach-Zehnder干涉仪，其特征在于所述Sagnac干涉仪和Mach-Zehnder干涉仪通过一个第二耦合器形成嵌套结构；所述嵌套结构是：由一个第一耦合器的p2端口通过一根传感光纤与所述第二耦合器的p2端口相连，所述第二耦合器的p1端口通过一根非传感光纤与所述第一耦合器的p3端口相连，构成所述Sagnac干涉仪；所述第一耦合器的p2端口通过传感光纤、所述第二耦合器的p2端口、P4端口、第一连接光纤与第三耦合器的p2端口相连，构成所述Mach-Zehnder干涉仪的干涉臂，所述第一耦合器的p3端口通过非传感光纤、所述第二耦合器的p1端口、P3端口、第二连接光纤与第三耦合器的p3端口相连，构成所述Mach-Zehnder干涉仪的参考臂；所述光源经由所述第一耦合器的p1端口输入所述Sagnac干涉仪；所述Sagnac干涉仪的输出经由所述第一耦合器的p4端口先进入一个第一光电探测器，经一个数据采集系统，最后进入所述信号处理系统；所述Mach-Zehnder干涉仪的输出经由所述第三耦合器的p1端口先进入一个第二光电探测器，也经所述数据采集系统，最后进入信号处理系统。

所述第一耦合器、第二耦合器和第三耦合器都是3dB耦合器，且它们的p1端口与p2端口及p3端口与p4端口是直通的，p1端口与p3端口及p2端口与p4端口是交叉耦合的。

只有Sagnac干涉光纤环的一半作为传感光纤，其长度远远大于第一连接光纤和第二连接光纤的长度，且第一连接光纤和第二连接光纤的长度相等。

所述数据采集系统对第一光电探测器和第二光电探测器的数据是实时、同步采集的。

一种Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分布光纤传感系统时域定位方法，用于对所述Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分布光纤传感系统时域相关定位，其特征在于首先由数据采集系统同步采集Sagnac干涉仪和Mach-Zehnder干涉仪的输出信号；然后信号处理系统计算两路干涉信号的互相关函数；由互相关曲线的最大值点的延迟时间确定扰动传播到第一耦合器所用的时间τ_l；最后算得扰动距离第一耦合器的距离l＝cτ_l/n，其中c为光在真空中的传播速度，n为光纤纤芯的折射率。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出特点和显著优点：本发明采用Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分布光纤传感系统结构和时域相关法对扰动进行检测与定位，对扰动频谱宽度无限制，定位距离长，定位精度高，且只需在一端提供光源。

附图说明

图1为Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分布光纤传感系统结构图。

图2(a)和图2(b)分别为扰动引起的Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分布光纤传感系统的实测输出和相应的互相关曲线。

具体实施方式

本发明优选实施例，结合附图说明如下：

实施例一：参见图1。本Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分布光纤传感系统包括一个光源1、一个信号处理系统12、一个Sagnac干涉仪和一个Mach-Zehnder干涉仪，所述Sagnac干涉仪和Mach-Zehnder干涉仪通过一个第二耦合器3形成嵌套结构；所述嵌套结构是：由一个第一耦合器2的p2端口通过一根传感光纤5与所述第二耦合器3的p2端口相连，所述第二耦合器3的p1端口通过一根非传感光纤6与所述第一耦合器(2)的p3端口相连，构成所述Sagnac干涉仪；所述第一耦合器2的p2端口通过传感光纤5、所述第二耦合器3的p2端口、P4端口、第一连接光纤7与第三耦合器4的p2端口相连，构成所述Mach-Zehnder干涉仪的干涉臂，所述第一耦合器2的p3端口通过非传感光纤6、所述第二耦合器3的p1端口、P3端口、第二连接光纤8与第三耦合器4的p3端口相连，构成所述Mach-Zehnder干涉仪的参考臂；所述光源1经由所述第一耦合器2的p1端口输入所述Sagnac干涉仪；所述Sagnac干涉仪的输出经由所述第一耦合器2的p4端口先进入一个第一光电探测器9，经一个数据采集系统11，最后进入所述信号处理系统12；所述Mach-Zehnder干涉仪的输出经由所述第三耦合器4的p1端口先进入一个第二光电探测器10，也经所述数据采集系统11，最后进入信号处理系统12。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：所述第一耦合器2、第二耦合器3和第三耦合器4都是3dB耦合器，且它们的p1端口与p2端口及p3端口与p4端口是直通的，p1端口与p3端口及p2端口与p4端口是交叉耦合的。

只有Sagnac干涉光纤环的一半作为传感光纤5，其长度远远大于第一连接光纤7和第二连接光纤8的长度，且第一连接光纤7和第二连接光纤8的长度相等。

所述数据采集系统11对第一光电探测器9和第二光电探测器10的数据是实时、同步采集的。

实施例三：本Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分布光纤传感系统时域定位方法，用于对上述系统时域相关定位，操作步骤为：首先由数据采集系统11同步采集Sagnac干涉仪和Mach-Zehnder干涉仪的输出信号；然后信号处理系统12计算两路干涉信号的互相关函数；由互相关曲线的最大值点的延迟时间确定扰动传播到第一耦合器2所用的时间τ_l；最后算得扰动距离第一耦合器2的距离l＝cτ_l/n，其中c为光在真空中的传播速度，n为光纤纤芯的折射率。

实施例四：参见图1-图2。本Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分布光纤传感系统是：光源1选用法国ILXLIGHTWAVE公司型号为LM980200的波长可调激光器，三个耦合器2、3、4为上海翰宇光纤通信技术有限公司生产的2x2耦合器，分光比为50∶50。所有光纤均采用G.652标准单模光纤。传感光纤5和非传感光纤6的长度均为162.5m，两根连接光纤7、8的长度均为1.5m。两个光电测探器9、10为深圳飞通公司生产的PIN-TIA探测器。数据采集系统11采用英国PICO公司的示波器PicoScope 5203。信号处理系统12采用一台普通微型计算机，用Matlab软件编程计算两个干涉信号的互相关，确定扰动传播到第一耦合器2所用的时间τ_l和扰动距离第一耦合器2的距离l。

利用频率为20kHz，幅度为1v的正弦信号驱动自制的PZT光纤相位调制器模拟一个扰动。在传感光纤5上距离第一耦合器2为151.75m的位置加入PZT调制器，产生的干涉输出和对应的互相关曲线如图2所示。从图2可看出，两个干涉信号波形相同，只是时间上有所延迟。互相关曲线的最大值点的延迟时间为0.76微秒，即扰动传播到第一耦合器2所用的时间τ_l＝0.76微秒；据此确定扰动距离第一耦合器2的距离l＝cτ_l/n＝154.05米，这里取c＝3x10⁸米/秒，n＝1.48，绝对误差为2.3米，相对误差为1.5％。