[发明专利]干涉型光纤分布式扰动传感器及其扰动定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤分布式扰动传感器技术领域，尤其涉及一种干涉型光纤分布式扰动传感器及其扰动定位方法。

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传感技术。

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。

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。

综上，在光纤分布式传感器中，干涉仪型分布式传感器具有实现原理简单、灵敏度高、响应速度快、硬件成本低、适于长距离传感等优良特性，已经成为光纤分布式扰动传感器的主要技术方案。

目前，干涉仪型光纤分布式扰动传感器的理论方案主要包括单萨格奈克型、双马赫-泽德型、双萨格奈克型、萨格奈克+迈克尔逊型和萨格奈克+马赫-泽德型，双波长萨格奈克型，双调制频率萨格奈克型等。

单萨格奈克型光纤分布式传感器可以通过确定扰动信号在频率的零点实现扰动定位，但其定位算法相对复杂，同时，要求扰动信号具有较宽的频谱范围，因此在实际应用中有较大限制。

将萨格奈克干涉仪和马赫-泽德干涉仪或迈克尔逊干涉仪结合，可以实现对单点扰动位置信息的提取，实现分布式扰动传感。但该类光纤分布式传感器的缺点在于，在萨格奈克干涉仪中为了抑制干涉噪声，需要采用宽谱光源；但是在马赫-泽德或迈克尔逊干涉仪中，由于两个干涉臂光程差的存在，只能使用窄带光源，因此光源选择上的矛盾限制了其性能的提高以及实用化。

为了在时域中实现萨格奈克干涉仪对时变扰动的定位，可以通过两个萨格奈克干涉仪、或同时具有两个工作波长的一个萨格奈克干涉仪、或同时工作在两个调制频率的一个萨格奈克干涉仪。但是在此类方案中，需要采用两个光源及探测器，且需要波分复用器和不同频率的调制器等器件，增加了系统的硬件成本和结构的复杂性，降低了传感器的实用性。

传统的双马赫-泽德型光纤分布式传感器光路结构简单，硬件成本低，不存在信号频谱范围的限制，通过相关时延算法可以实现扰动的定位。如图1所示，为基于双马赫-泽德干涉仪的光纤分布式扰动传感器的光路原理图。激光器发出的光经过耦合器C₁分成两束，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处分别发生干涉并通过探测器PD₂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ΔL、传播常数变化Δβ时，相位差可以表示为：