基於馬赫-澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統及傳感方法
2023-06-04 15:24:31 2
專利名稱：基於馬赫-澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統及傳感方法
技術領域：
本發明屬於傳感技術領域，涉及一種基於馬赫-澤德幹涉儀的光纖振動傳感 系統及傳感方法。
背景技術：
光纖傳感器可用於通訊、工程、物理參數測量等領域，隨著技術和需求的發 展，它由單點檢測逐漸發展成為多點準分布式和全分布式4全測。全分布式光纖傳 感測量是利用光纖的一維空間連續特性進行測量的技術，整個光纖長度上的任意 一點都是敏感點，屬於"海量"測量，檢測沒有盲區，並包容了光纖的不受電磁 幹擾，靈壽文度高，可靠性高，耐腐蝕，體積小等諸多優點，因此成為目前國內外 研究的熱點。全分布式光纖振動傳感是分布式光纖傳感的一個重要分支，利用光 纖的應力敏感特性，連續實時地監測作用於光纖上的壓力或光纖附近的振動幹涉 型光纖傳感器具有極高的探測靈敏度。但是在分布式傳感中如何實現準確定位是 一個難題，目前針對於幹涉型分布式光纖傳感器的設計，大多是基於薩格納克、 馬赫-澤德和麥可遜等幹涉儀復用的方法，而傳統的這些系統結構複雜、信號 處理困難，而且不易處理對於外界擾動對於參考臂的影響而照成的誤報。發明內容本發明所要解決的技術問題是提供一種基於馬赫-澤德幹涉儀的光纖振動 傳感系統及傳感方法。為解決上述技術問題，本發明釆用如下技術方案。一種基於馬赫-澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統，包括感應模塊，檢測模塊， 採集模塊，處理模塊；感應模塊用以感應外界的振動；檢測模塊與感應模塊相連， 用以檢測振動的相關數據；釆集模塊與檢測模塊相連，用以採集檢測模塊檢測到 的數據；處理模塊與採集模塊相連，用以對採集到的數據進行處理。作為本發明的一種優選方案，所述感應模塊為感應光纜。作為本發明的另一種優選方案，所述檢測模塊包括光源，第一耦合器，第二 耦合器，第三耦合器，第四耦合器，第五耦合器，第一延時光纖，第二延時光纖，第一探測器，第二探測器；光源用以發出光信號；第一耦合器用以接收來自光源 的光信號，並將所述光信號分為2路光信號；第二耦合器用以接收來自第一耦合 器的一路光信號；第三耦合器用以接收來自第一耦合器的另一路光信號；第一延 時光纖與第二耦合器和第四耦合器相連，用以傳輸光信號；第二延時光纖與第三 耦合器和第五耦合器相連，用以傳輸光信號；第四耦合器與感應光纜的一端相連； 第五耦合器與感應光纜的另一端相連；第一探測器一端與第二耦合器相連，另一 端與採集模塊相連；第二探測器一端與第三耦合器相連，另一端與採集模塊相連。 作為本發明的再一種優選方案，所述光源為為DFB-LD雷射器；所述第一耦 合器，第二耦合器，第三耦合器，第四耦合器，第五耦合器均為2x2光纖耦合 器。作為本發明的再一種優選方案，所述採集模塊為高速數據採集卡。 作為本發明的再一種優選方案，所述處理模塊為計算機。 基於馬赫-澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統的傳感方法，包括以下步驟 步驟一，光源發出直流單色光，通過第一耦合器後分別進入第二耦合器和第 三耦合器；步驟二，進入第二耦合器的光一路通過第一延時光纖進入第四耦合器，再通 過感應光纜進入第五耦合器中，然後不通過第二延時光纖直接到達第三耦合器；步驟三，進入第二耦合器的光另一路不通過第一延時光纖直接進入笫四耦合 器，再通過感應光纜進入第五耦合器中，然後通過第二延時光纖到達第三耦合器；步驟四，步驟三所述的到達第三耦合器的光與步驟二所述的到達第三耦合器 的光在第三耦合器處發生幹涉；步驟五，與步驟二同時發生，進入第三耦合器的光一路通過第二延時光纖進 入第五耦合器，再通過感應光纜進入第四耦合器中，然後不通過第一延時光纖直 接到達第二耦合器；步驟六，進入第三耦合器的光另一路不通過第二延時光纖直接進入第五耦合 器，再通過感應光纜進入第四耦合器中，然後通過第 一延時光纖到達第二耦合器；步驟七，步驟六所述的到達第二耦合器的光與步驟五所述的到達第二耦合器 的光在第二耦合器處發生幹涉。本發明的有益效果在於本發明的傳感部分完全無源，檢測靈敏度和定位精 度高，結構筒單，成本^<,不受環境幹擾和限制，而且能夠分辨光纖上同時出現 的多點振動。
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一 步詳細說明圖1為本發明的系統框圖；圖2為本發明的系統原理示意圖；圖3為P點發生振動事件時的光波傳播路徑圖。主要組件符號說明1、第一耦合器； 2、第二耦合器；3、第三耦合器； 4、第四耦合器；5、第五耦合器； 6、第一延時光纖；7、第二延時光纖； 8、第一探測器；9、第二探測器； 10、感應光纜。
具體實施方式
本發明是一種基於環形馬赫-澤德幹涉儀結構的多防區定位型光纖振動傳感 系統及傳感方法，通過加入兩段延時光纖將其中的參考光纖部分省去，耦合器組 成的分光單元在幹涉儀光路中引入環結構，將直線型幹涉儀轉化為環型迴路，使 得一個馬赫-澤德幹涉儀中相向傳輸兩路光波，相當於構成雙馬赫-澤德幹涉儀。當振動作用於感應光纜時，相向傳輸的兩路直流光波同時產生相同的相位信號並 沿不同的路徑傳輸至光接收單元，採用直流光動態定位技術分析接收信號即可實 時獲得振動信號的空間位置和頻率、幅度等特性參數。本發明僅需在監控區域周 圍鋪設一條普通光纜就能夠保證在長距離範圍內連續、實時地對幹擾(挖掘、入侵、破壞等)進行分布式檢測。本發明的系統結構圖如圖1所示，兩路相關信號分別為光路(1) 1-2-6-4-10-5-3;(2) 1-2+10-5-7-3; 此二路光的幹涉信號被光電探測器9接收；(3 ) 1-3-7-5-10-4-2; (4) 1-3-5-10-6-4-2; 此二路光的幹涉信號被光電探測器8接收。實施例一本實施例是一種基於馬赫-澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統，如圖l所示， 包括感應模塊，檢測模塊，採集模塊，處理模塊；感應模塊用以感應外界的振動； 檢測模塊與感應模塊相連，用以檢測振動的相關數據；採集模塊與檢測模塊相連， 用以採集檢測模塊檢測到的數據；處理模塊與採集模塊相連，用以對採集到的數 據進行處理。所述感應模塊為感應光纜。所述檢測模塊包括光源，第一耦合器，第二耦合 器，第三耦合器，第四耦合器，第五耦合器，第一延時光纖，第二延時光纖，第 一探測器，第二探測器；光源用以發出光信號；第一耦合器用以接收來自光源的 光信號，並將所述光信號分為2路光信號；第二耦合器用以接收來自第一耦合器 的一路光信號；第三耦合器用以接收來自第一耦合器的另一路光信號；第一延時 光纖與第二耦合器和第四耦合器相連，用以傳輸光信號；第二延時光纖與第三耦 合器和第五耦合器相連，用以傳輸光信號；第四耦合器與感應光纜的一端相連； 第五耦合器與感應光纜的另一端相連；第一探測器一端與第二耦合器相連，另一 端與採集模塊相連；第二探測器一端與第三耦合器相連，另一端與採集模塊相連。 所述光源為為DFB-LD雷射器；所述第一耦合器，第二耦合器，第三耦合器，第 四耦合器，第五耦合器均為2 x 2光纖耦合器。所述採集模塊為高速數據採集卡。 所述處理模塊為計算機。基於馬赫-澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統的傳感方法，包括以下步驟步驟一，光源發出直流單色光，通過第一耦合器後分別進入第二耦合器和第 三耦合器；步驟二，進入第二耦合器的光一路通過第一延時光纖進入第四耦合器，再通過感應光纜進入第五耦合器中，然後不通過第二延時光纖直接到達第三耦合器； 步驟三，進入第二耦合器的光另一路不通過第一延時光纖直接進入第四耦合器，再通過感應光纜進入第五耦合器中，然後通過第二延時光纖到達第三耦合器； 步驟四，步驟三所述的到達第三耦合器的光與步驟二所述的到達第三耦合器的光在第三耦合器處發生幹涉；步驟五，與步驟二同時發生，進入第三耦合器的光一路通過第二延時光纖進 入第五耦合器，再通過感應光纜進入第四耦合器中，然後不通過第一延時光纖直 接到達第二耦合器；步驟六，進入第三耦合器的光另一路不通過第二延時光纖直接進入第五耦合 器，再通過感應光纜進入第四耦合器中，然後通過第一延時光纖到達第二耦合器；步驟七，步驟六所述的到達第二耦合器的光與步驟五所述的到達第二耦合器 的光在第二耦合器處發生幹涉。實施例二本實施例描述的是採用長程馬赫-澤德幹涉儀結構設計的光纖振動傳感系 統。當外界振動信號作用於感應光纜時，傳輸的光信號受到相位調製，表現為輸 出幹涉信號的光強變化，利用光相位調製型傳感的高靈敏度特性，使傳感系統適 用於微弱信號的探測。為了克服傳統幹涉儀相干長度有限的不足，本實施例採用單色性極好的Dra雷射器作為光源。傳感系統的直流定位原理如圖2、圖3所示，第四耦合器4為感應光纜10的起 點，第五耦合器5為感應光纜10的終點，P為振動發生位置，其中，從第四耦合器 4到第五耦合器5之間的感應光纜總長為L，光波在光纖中的傳播速度V^/n已知， 這裡，c為光速，n為光纖芯折射率。設第四耦合器4和P兩點之間的光纖長度為Z, 則第五耦合器5至P之間的光纖長度為L-Z，當感應光纜10在P點發生一振動事件 時，感應光纜中順時針方向CW傳播和逆時針方向CCW傳播的兩束直流光波同時受8到相同的相位調製，並繼續沿各自的方向向前傳#":延CW方向的傳播J各徑P - 5為丄cw二丄一 z (1)延CCW方向的傳播路徑P - 4為丄c騰'=z (2)由於傳輸路徑不同，兩束光波到達監測終端的時間不同，兩路信號波形之間的時間差為a:r = (z_2z)/r (3)測量出a:t即可利用公式z = (z_ArJ)/2 (4)求出振動發生點p的位置。 實施例三光信號由雷射器輸出進入第一耦合器l後分為兩路，分別進入第二耦合器2 和第三耦合器3中，其中進入第二耦合器2中可以發生幹涉的兩路光信號如下第 一路光信號進入第二耦合器2中的光一路通過第 一延時光纖6進入第四耦 合器4，再進入傳感光纜IO，通過傳感光纜1G進入第五耦合器5，然後不通過第二 延時光纖7直接到達第三耦合器3;第二路光信號進入第二耦合器2中的另一路光不通過第一延時光纖6直接進 入第四耦合器4，再進入傳感光纜IO，通過傳感光纜10進入第五耦合器5，再通過 第二延時光纖7到達第三耦合器3。兩路光信號在第三耦合器3處發生幹涉。當P點處發生振動時，設第一延時光纖6和第二延時光纖7的長度為blkm,則 兩路光信號存在一個時間差"丄 (5)則兩路光信號可以表示為formula see original document page 10其中，/。為原波，F(O表示外界擾動對光纖造成擾動的波。在第二探測器9處探測到的振動可以表示為formula see original document page 10其中，第二探測器9所接收的一束光的幅度為￡(/)，兩束光初始相位差為^。光信號由雷射器輸出進入第 一耦合器l後分為兩路，分別進入第二耦合器2 和第三耦合器3中，其中進入第三耦合器3中可以發生幹涉的兩路光信號如下第三路光信號進入第三耦合器3中的光一路通過第二延時光纖7進入第五耦 合器5,再進入傳感光纜1Q,光信號通過傳感光纜1Q進入第四耦合器4，然後不通 過第一延時光纖6直接到達第二耦合器2;第四路光信號進入第三耦合器3的另一路光不通過第二延時光纖7直接進入 第五耦合器5，再進入傳感光纜IO，通過傳感光纜10進入第四耦合器4，然後通過 第一延時光纖6到達第二耦合器2;兩路光信號在第二耦合器2處發生幹涉，其幹涉原理與第一路、第二路相同。將通過探測獲得的兩路幹涉信號的時間差帶入公式(4)中進行定位。傳感 系統中由於第一延時光纖6和第二延時光纖7的實際長度存在差異，因此系統需要 使用相干性高的光源。本系統使用1310nm， 1. 25G;fi擬傳輸用DFB-LD雷射器，其 相干長度為5. 7米，因此系統需要使第一延時光纖6和第二延時光纖7之間的距離 差在5. 7米以內。本發明通過兩段等長的延時光纖代替傳統的雙M-Z幹涉儀結構，使得本系統 克服了原系統的以下兩個問題1、 由於參考光纖和傳感光纖的實際長度上的差異性而導致系統對於雷射器 的幹涉要求過高。2、 由於參考光纖和傳感光纖都敷設在系統外部，使得同一外部擾動可能會 同時影響到參考光纖和傳感光纖而使得系統的探測並不準確。本發明使用一根傳感光纜對防區進行振動入侵探測，省去了參考光纖，從而減少了參考光纖的擾動對探測的影響，因此具有很高的靈敏度；相對於傳統的光 纖振動入侵探測系統而言，本發明可以進行空間定位，對振動的探測更為準確， 也使得施工更為簡易，同時實現了監控區域的定位"t艮警。本發明的傳感部分完全無源，檢測靈敏度和定位精度高，結構簡單，成本低， 不受環境幹擾和限制，而且能夠分辨光纖上同時出現的多點振動。這裡本發明的描述和應用是說明性的，並非想將本發明的範圍限制在上述實 施例中。這裡所披露的實施例的變形和改變是可能的，對於那些本領域的普通技 術人員來說實施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領域技術人員應該清楚 的是，在不脫離本發明的精神或本質特徵的情況下，本發明可以以其他形式、結 構、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件來實現。
權利要求
1.一種基於馬赫-澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統，其特徵在於，包括感應模塊，用以感應外界的振動；檢測模塊，與感應模塊相連，用以檢測振動的相關數據；採集模塊，與檢測模塊相連，用以採集檢測模塊檢測到的數據；處理模塊，與採集模塊相連，用以對採集到的數據進行處理。
2. 根據權利要求1所述的基於馬赫-澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統，其特徵 在於所述感應才莫塊為感應光纜。
3. 根據權利要求2所述的基於馬赫-澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統，其特徵 在於，所述檢測模塊包括光源，用以發出光信號；第一耦合器，用以接收來自光源的光信號，並將所述光信號分為2路光 信號；第二耦合器，用以接收來自第一耦合器的一路光信號； 第三耦合器，用以接收來自第一耦合器的另一路光信號； 第一延時光纖，與第二耦合器和第四耦合器相連，用以傳輸光信號； 第二延時光纖，與第三耦合器和第五耦合器相連，用以傳輸光信號； 第四耦合器，與感應光纜的一端相連； 第五耦合器，與感應光纜的另一端相連；第一探測器， 一端與第二耦合器相連，另一端與採集模塊相連； 第二探測器， 一端與第三耦合器相連，另一端與採集模塊相連。
4. 根據權利要求3所述的基於馬赫-澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統，其特徵 在於所述光源為為DFB-LD雷射器；所述第一耦合器，第二耦合器，第三 耦合器，第四耦合器，第五耦合器均為2 x 2光纖耦合器。
5. 根據權利要求1所述的基於馬赫-澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統，其特徵在於所述採集模塊為高速數據採集卡。
6. 根據權利要求1所述的基於馬赫-澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統，其特徵 在於所述處理模塊為計算機。
7. 權利要求4所述的基於馬赫-澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統的傳感方法， 其特徵在於，包括以下步驟步驟一，光源發出直流單色光，通過第一耦合器後分別進入第二耦合器 和第三耦合器；步驟二，進入第二耦合器的光一路通過第一延時光纖進入第四耦合器， 再通過感應光纜進入第五耦合器中，然後不通過第二延時光纖直接到達第三 耦合器；步驟三，進入第二耦合器的光另一路不通過第一延時光纖直接進入第四 耦合器，再通過感應光纜進入第五耦合器中，然後通過第二延時光纖到達第 三耦合器；步驟四，步驟三所述的到達第三耦合器的光與步驟二所述的到達第三耦 合器的光在第三耦合器處發生幹涉；步驟五，與步驟二同時發生，進入第三耦合器的光一路通過第二延時光 纖進入第五耦合器，再通過感應光纜進入第四耦合器中，然後不通過第一延 時光纖直接到達第二耦合器；步驟六，進入第三耦合器的光另一路不通過第二延時光纖直接進入第五 耦合器，再通過感應光纜進入第四耦合器中，然後通過第一延時光纖到達第 二耦合器；步驟七，步驟六所述的到達第二耦合器的光與步驟五所述的到達第二耦 合器的光在第二耦合器處發生幹涉。
全文摘要
本發明公開了一種基於馬赫-澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統，包括感應模塊，檢測模塊，採集模塊，處理模塊；感應模塊用以感應外界的振動；檢測模塊與感應模塊相連，用以檢測振動的相關數據；採集模塊與檢測模塊相連，用以採集檢測模塊檢測到的數據；處理模塊與採集模塊相連，用以對採集到的數據進行處理。本發明的傳感部分完全無源，檢測靈敏度和定位精度高，結構簡單，成本低，不受環境幹擾和限制，而且能夠分辨光纖上同時出現的多點振動。
文檔編號G01H9/00GK101625258SQ200910055920
公開日2010年1月13日 申請日期2009年8月5日 優先權日2009年8月5日
發明者仝芳軒, 劉小燕, 周正仙, 剛 席, 魏 皋, 陳宇飛 申請人:上海華魏光纖傳感技術有限公司