[发明专利]基于双调制马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感技术，具体涉及一种基于双调制马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统。

背景技术

对于管道、通信线路特别是军用通信线路以及边境线等对安全需要较高的场所，一般采用分布式光纤传感的方式实现整个线路的无盲区防护。目前对于光纤传感做的较为成熟的产品的光路一般都是采用萨格奈克（Sagnac）环的方式，由于采用萨格奈克（Sagnac）环的方式实现防护的定位误差随着防护距离的增加而成比例的增加，因此不适合长距离防护。如果用众多的萨格奈克（Sagnac）环来组成传感单元构成传感网络来增加传感距离，从而造成整个系统复杂度的提高和建设成本的提高，不适合实际需要。

为了解决上述萨格奈克（Sagnac）在长距离防护中的缺陷，一般采用马赫-泽德干涉仪实现低成本长距离无盲区防护的目的。马赫-泽德干涉仪具有光路结构简单、检测扰动信号的动态范围大、系统灵敏度高、对事件的响应快、实现防护的距离长、定位精度高、可实现多点检测和定位等优点。它是分布式光纤传感发展的一个重要方向。

目前马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统的实现方式是这样的：将传感光缆沿要防护的线路铺设，将调制信号加载到光路上。可以采用单光源或双光源的方式。采用单光源的方式需要将近端光源发出的光通过一根通信光纤送到对端作为对端干涉仪的光输入，同时通过波分复用使用同一根光纤将相干信号引回。然后将两路相干信号分别经过光电转换后进行解调和其它信号处理。采用双光源的方式需要将主机和从机分别放置在干涉仪的两端，在主机或从机侧加载调制信号，主机对从机的控制通过一根通信光纤实现，使用同一个光纤通过波分复用将从机解调后的信号引回到主机，经过综合考虑时钟同步模块的测距结果进行定位。无论采用单光源或双光源的方式对于靠近调制信号一侧，调制信号从加载到光路上经过光传输到同侧主机的3dB耦合器、光电转换、电路延迟到达解调模块的时间延迟很短，只要将调制信号进行适当的延迟后作为解调信号，调制信号和解调信号之间的相位很小不足以使解调结果变形。对于远离调制信号端的一侧和靠近调制信号一侧的情况完全不同，当调制信号加载到光路上后，经过上百公里的长距离传输、光电转换、电路延迟到达解调模块信号的相位是未知的，如果将其直接与解调信号相乘实现解调，调制信号和解调信号之间的相位差是随机的，这种随机相位可能为π、可能为π/2、也可能为0到2π范围的任何一个值，如果相位差为π直接造成无法解调出振动信号，从而无法定位。该缺陷直接限制了马赫-泽德干涉仪在实际中的应用。

发明内容

本发明的目的在于设计一种基于双调制马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统，光纤干涉仪两端的主机和从机发出的调制信号分别加载到靠近干涉仪的相位调制器上，通过将调制信号进行适当的延迟作为解调信号来实现信号的解调，远端经过解调后的信号通过一根独立的光纤传输到近端在近端进行相关的信号处理和定位运算，从而确定扰动的位置。

本发明设计的基于双调制马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统采用如下技术方案：包括马赫-泽德干涉仪、以及设置在干涉仪两端的主机和从机，主机和从机均包括光源、PIN和通信模块，主机的通信模块和从机的通信模块通过一根通信光纤相连，本系统还包括2个耦合器、4个光环形器、2个相位调制器及2根传感光纤；主机的光源发出的光经第一耦合器分成两路，一路依次经过第一光环形器的第二号端口和第三号端口、第二光环形器的第一号端口和第二号端口、第一传感光纤到第二耦合器，另一路依次经过第二传感光纤、第四光环形器的第二号端口和第三号端口、第二相位调制器、第三光环形器的第一号端口和第二号端口到第二耦合器，两路光信号耦合后的信号连接从机的PIN形成第一马赫-泽德干涉仪；同样从机的光源发出的光经过第二耦合器分成两路，一路依次经过第一传感光纤、第二光环形器的第二号端口和第三号端口、第一相位调制器、第一光环形器的第一号端口和第二号端口到第一耦合器，另一路依次经过第三光环形器的第二号端口和第三号端口、第四光环形器的第一号端口和第二号端口、第二传感光纤到第一耦合器，两路信号在第一耦合器发生耦合，耦合后的信号连接主机的PIN，构成第二马赫-泽德干涉仪。本发明将调制信号从主、从机发出分别加载到第一、第二相位调制器实现双调制，被调制的信号相干后在光源的对端实现相干信号的采样和解调，由于调制信号和解调信号是从同一个端机发出的同一个信号，在实现解调的过程中只要将调制信号进行一个小的延迟后作为解调信号基本就能实现被调制的信号经过传输和电路延迟到达解调模块的时间延迟，从而解决由于调制和解调信号之间相位差太大造成解调结果严重变形的弊端。