基於雙馬赫-澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統及使用方法
2023-06-16 21:13:16 2
專利名稱：基於雙馬赫-澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統及使用方法
技術領域：
本發明涉及光纖傳感技術，具體為一種基於雙馬赫-澤德幹涉儀的光纖振動傳感
系統及使用方法。
(二)
背景技術：
在管道、通信線路以及邊境線等長距離安全監測方面，常規的傳感技術如紅外，攝 像頭等遇到很大的技術瓶頸。由於這些方法採用的單個傳感單元的探測距離有限，需要用 眾多傳感單元構成傳感網絡以增加傳感距離，從而造成在長距離探測時系統結構複雜，建 設及維護成本高等問題。 分布式光纖傳感技術可以實時連續的對沿傳感光纖分布的環境參數(包括振動、 衝擊、溫度等等)進行測量。與傳統的傳感監測手段相比較，光纖傳感器具有抗電磁幹擾、 耐腐蝕、響應速度塊、靈敏度高、遠端免供電、體積小重量輕、測量範圍廣泛、安裝條件不受 地形限制、免維護、成本低等特點。分布式光纖傳感技術特別適合於周界安全防範、地震監 測以及海嘯預警等傳感報警系統，其本質在於對振動信號的檢測和分析，由於光纖的本質 特性對振動、應力及聲波等信號敏感，基於光纖的振動傳感技術尤其是分布式傳感受到各 國重視。 目前分布式光纖傳感技術的主要實現方法之一是光纖幹涉儀法。外界環境的變化 會造成光纖幹涉儀兩臂間的光信號位相差發生變化，通過實時的輸出位相差變化曲線，可 實現對沿傳感光纖分布的環境變化的監測。目前國內外報導的有薩格奈克/馬赫_澤德 (Sagnac/Mach-Zender)，薩格奈克/麥可遜(Sagnac/Michelson)，薩格奈克/薩格奈克 (Sagnac/Sagnac)等組合幹涉儀形式的傳感器。 馬赫-澤德光纖幹涉儀具有光路結構簡單、靈敏度高、動態範圍大、響應快、傳感 距離長、定位精度與光纖長度無關等優點，長距離分布式光纖傳感系統通常都是基於該原 理實現的。 當前基於馬赫_澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統的結構是這樣的將當作為幹涉 儀兩臂的光纖沿著預定防護區域鋪設；另外，用一根通信光纖將光源輸出的光信號送到幹 涉儀的對端作為幹涉儀的輸入光，同時將對端的幹涉信號引回。計算兩路幹涉信號的時延 差從而得到振動點的位置信息。這種結構存在的主要缺點在於，使用了一條與傳感光纖等 長的信號引回光纖，在光路方面引入了附加的光無源器件，增加了光路上的光功率損失，也 就是損失了傳感長度。其次，幹涉儀上傳送的所有光信號都是相關的，任何一個光耦合器上 產生的反射光都會參與信號光的幹涉，從而造成光信號劣化，影響傳感器的檢測靈敏度及 定位精度。另一方面，從通信光纖上送到對端的光源光信號和引回的幹涉光信號都是以模 擬信號的方式傳輸的，很容易引起光信號畸變，同樣會導致檢測靈敏度下降。
(三)
發明內容
本發明的目的在於設計一種基於雙馬赫_澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統，在光纖幹涉儀兩端的端機有獨立光源和探測採集模塊，兩個端機由傳感光纖和通信光纖連接， 系統內有時間同步模塊保證兩路採集數據在時間上的一致性。 本發明的另一 目的在於設計本發明的基於雙馬赫_澤德幹涉儀的光纖振動傳感 系統的使用方法，系統一端檢測到的信號採用數位訊號傳輸方式傳送到對端進行相關處理 和定位運算，確定振動產生的位置。 本發明設計的基於雙馬赫_澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統採用如下技術方案 包括含傳感光纖和光耦合器的馬赫_澤德幹涉儀，本系統包括A端機和B端機，分別安裝在 幹涉儀的兩端，每臺端機均包括光源模塊、探測採集模塊、控制模塊和通信模塊，控制模塊 連接光源模塊、探測採集模塊和通信模塊，A端機為主控機，還有時間同步模塊接入控制模 塊。A端機和B端機的通信模塊由一根通信光纖相互連接。A端機的光源模塊經在傳感光 纖前端的第一個光耦合器、兩根傳感光纖和在傳感光纖末端的第二個光耦合器連接到B端 機的探測採集模塊，構成第一個馬赫_澤德幹涉儀；同樣B端機的光源模塊經上述的第二個 光耦合器、兩根傳感光纖和第一個光耦合器連接到A端機的探測採集模塊，構成第二個馬 赫-澤德幹涉儀。 所述A端機和B端機的控制模塊為微處理器模塊，對光源模塊和探測採集模塊發 送控制指令，讀取採集的數據。 所述光源模塊為窄線寬雷射器，由於構成馬赫-澤德幹涉儀兩臂的傳感光纖很難
做到長度完全相同，因此光源模塊的輸出光具有的相干長度大於兩根傳感光纖的長度差。
所述探測採集模塊包括有光電轉換電路、信號調理電路、模擬/數位訊號轉換電 路，數據緩存電路，用於實現對幹涉信號的高速採集。其數據緩存電路具有環形存儲單元， 可以實現任意長度的正負延遲量的數據採集。 所述通信模塊實現兩臺端機間控制指令的傳遞及採集數據的傳輸。 所述時間同步模塊含時鐘電路，確定觸發指令從A端機傳遞到B端機再回到A端
機所需要的時間，由此調節A端機和B端機的探測採集模塊採集數據的時間達到同步。時
鍾電路包含晶振元件。 所述光耦合器為3dB光耦合器。 A端機的控制模塊接有報警裝置。 A端機的控制模塊接有顯示裝置。 A端機的控制模塊通過無線和/或網絡與遠程計算機連接。 本發明的基於雙馬赫_澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統的使用方法的步驟如下
I、 A端機的控制模塊設定閾值，A端機的光源模塊發出的穩定光信號在第一個光 耦合器分成兩路輸入到傳感光纖中，在傳感光纖末端的第二個光耦合器發生幹涉，幹涉信 息輸出到B端機的探測採集模塊；與之類似，B端機的光源模塊發出的穩定光信號在第二個 光耦合器分成兩路輸入到傳感光纖中，在傳感光纖前端的第一個光耦合器發生幹涉，幹涉 信息輸出到A端機的探測採集模塊； n、當傳感光纖受外界振動影響時，A、B端機輸出光的幹涉信息呈現強弱起伏變化
並被輸出到對端機進行信號處理；當幹涉光變化強度達到A端機設定的閾值時，A端機的控 制模塊發出採集觸發信號，該信號分成三路， 一路觸發A端機上的探測採集模塊開始採集 數據，另一路通過A端機的通信模塊傳遞給B端機，還有一路送入時間同步模塊使之開始計時； III、 B端機的通信模塊接收到觸發信號送入其控制模塊，B端機的控制模塊觸發
其探測採集模塊開始採集數據；同時經通信模塊返A回端機一個回應信號； IV、A端機收到回應信號之後，控制模塊發出指令給時間同步模塊，使之停止計時，
時間同步模塊計時時長等於A、 B端機觸發信號時間差的2倍； V、 B端機在完成數據採集之後，將數據打包經通信模塊發送給A端機； VI、 A端機的控制模塊根據時間同步模塊給出的觸發時間差調節A、 B端機得到的
兩路採集數據在時間上的一致性；然後進行兩路數據的相關運算和定位運算； VII、 A端機的控制模塊根據兩路採集數據和時間同步信息，確定擾動的在傳感光
纖上的位置，並可以將結果發送到顯示裝置顯示擾動的發生位置和強度，和/或啟動報警
裝置發出報警，和/或經無線/網絡將結果輸送到遠程計算機。 本發明基於雙馬赫_澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統及使用方法的優點在於1、 兩個端機中有兩個光源，以達到更遠的監測距離；2、減少了光路上光耦合器個數，使光功率 損失降低到最小，監測距離更遠；3、兩個端機的通信模塊之間的數據信號傳輸間接代替了 信號通信光纖中的模擬信號的直接傳輸，有效的避免了信號畸變，提高靈敏度；4、兩個端機 中獨立的兩個光源模塊有效地避免了光耦合器反射光參與幹涉而造成的光信號質量下降 的問題，因此檢測靈敏度更高。
(四)
圖1為本基於雙馬赫_澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統實施例1的結構示意圖； 圖2為本基於雙馬赫_澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統實施例1安裝示意圖； 圖3為本基於雙馬赫_澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統實施例2安裝示意圖。 圖中標號說明如下 1、A端機，2、B端機，3、第一個光耦合器，3-l、第二個光耦合器， 4、傳感光纖，5、通信光纖，6、被防護的管道，7、被防護的通信光纜。
具體實施方式
實施例1 本例為運用於石油、天然氣管道安全防護的基於雙馬赫_澤德幹涉儀的光纖振動 傳感系統。 本例的基於雙馬赫-澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統的結構如圖1所示，包括A 端機1和B端機2，分別安裝在幹涉儀的兩端，每臺端機均包括光源模塊、探測採集模塊、控 制模塊和通信模塊，控制模塊連接光源模塊、探測採集模塊和通信模塊，A端機1為主控機， 還有時間同步模塊接入控制模塊。A端機1和B端機2的通信模塊由一根通信光纖5相互 連接。A端機1的光源模塊經第一個光耦合器3、兩根傳感光纖4和第二個光耦合器3-1連 接到B端機2的探測採集模塊構成第一個馬赫_澤德幹涉儀，同樣B端機2的光源模塊經 上述的第二個光耦合器3-1 、兩根傳感光纖4和第一個光耦合器3連接A端機1的探測採集 模塊，構成第二個馬赫_澤德幹涉儀。 所述A端機1和B端機2的控制模塊為微處理器模塊，對光源模塊和探測採集模
6塊發送控制指令，讀取採集的數據。 所述光源模塊為窄線寬雷射器，其輸出光的相干長度大於兩根傳感光纖的長度差。 所述探測採集模塊包括有光電轉換電路、信號調理電路、模擬/數位訊號轉換電 路，數據緩存電路。其數據緩存電路具有環形存儲單元。 所述時間同步模塊是含有晶振元件的時鐘電路，確定觸發指令從A端機1傳遞到B 端機2再回到A端機1所需要的時間，由此調節A端機1和B端機2的探測採集模塊採集 數據的時間達到同步。 所述光耦合器3、3_1為3dB光耦合器。 本例的A端機1的控制模塊還接有報警裝置和顯示裝置。A端機1的控制模塊通 過無線和網絡與遠程計算機連接。 本例系統安裝情況如圖2所示，光纖沿被防護的管道6兩側S型鋪設或緊貼被防 護的管道6鋪設。A端機1和B端機2分別安裝在被防護的管道6兩端具備供電條件的機 房中。兩個端機1、2的距離可達上百公裡。在被防護的管道6受到衝擊、鑽孔破壞時，鋪設 的傳感光纖4同時會受到振動影響，這些振動信息會被傳感光纖4傳送回遠程端機進行分 析處理，並立即報警。由於整個光路結構簡單，所以整個工程鋪設無難度，可靠性高。
本例基於雙馬赫_澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統的使用方法如下
1、A端機1的控制模塊設定閾值，A端機1的光源模塊發出的穩定光信號在第一個 光耦合器3分成兩路輸入到傳感光纖4中，在傳感光纖4末端的第二個光耦合器3-1發生 幹涉，幹涉信息輸出到B端機2的探測採集模塊；與之類似，B端機2的光源模塊發出的穩 定光信號在第二個光耦合器3-1分成兩路輸入到傳感光纖4中，在傳感光纖4前端的第一 個光耦合器3發生幹涉，幹涉信息輸出到A端機1的探測採集模塊； 11、當傳感光纖4受外界振動影響時，A、B端機1、2輸出光的幹涉信息呈現強弱起 伏變化並被輸出到對端機進行信號處理；當幹涉光變化強度達到A端機1設定的閾值時，A 端機1的控制模塊發出採集觸發信號，該信號分成三路， 一路觸發A端機1上的探測採集模 塊開始採集數據，另一路通過A端機1的通信模塊傳遞給B端機2，還有一路送入時間同步 模塊、使之開始計時； ni、B端機2的通信模塊接收到觸發信號送入其控制模塊，B端機2的控制模塊觸
發其探測採集模塊開始採集數據；同時經通信模塊返回A端機1一個回應信號； IV、 A端機1收到回應信號之後，控制模塊發出指令給時間同步模塊，使之停止計
時，時間同步模塊計時時長等於A、 B端機1、2觸發信號時間差的2倍； V、 B端機2在完成數據採集之後，將數據打包經通信模塊發送給A端機1 ; VI、 A端機1的控制模塊根據時間同步模塊給出的觸發時間差調節A、 B端機1、2
得到的兩路採集數據在時間上的一致性；然後進行兩路數據的相關運算和定位運算； VII、 A端機1的控制模塊根據兩路採集數據和時間同步信息，確定擾動在傳感光
纖4上的位置，並將結果發送到顯示裝置顯示擾動的發生位置和強度，啟動報警裝置發出
報警，並經無線和網絡將結果輸送到遠程計算機。 實施例2 本例為運用於光纖通信線路的安全監測的基於雙馬赫_澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統。本例的系統的結構也如圖1所示，與實施例1相同，不再重複描述。 本例的安裝情況如圖3所示，將被防護的通信光纜7中的三根備用光纖分別作為
本系統的傳感光纖4和通信光纖5。 A端機1和B端機2分別安裝在被防護的通信光纜7
線路兩端具備供電條件的機房中。二端機1、2距離可達上百公裡。被防護的通信光纜7線
路在遭到破壞或竊聽時，被防護的通信光纜7將會受到振動影響，其中的傳感光纖4將振動
信息傳送回本系統端機，A端機1對信息進行處理和報警。這種方案避免了額外的光纖鋪
設成本，安裝快速，穩定性高。 本例系統的使用方法與實施例1相同，不再重複。 上述實施例，僅為對本發明的目的、技術方案和有益效果進一步詳細說明的具體 個例，本發明並非限定於此。凡在本發明的公開的範圍之內所做的任何修改、等同替換、改 進等，均包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
基於雙馬赫-澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統，包括含傳感光纖和光耦合器的馬赫-澤德幹涉儀，其特徵在於本系統包括A端機(1)和B端機(2)，分別安裝在幹涉儀的兩端，每臺端機(1、2)均包括光源模塊、探測採集模塊、控制模塊和通信模塊，控制模塊連接光源模塊、探測採集模塊和通信模塊，A端機(1)為主控機，還有時間同步模塊接入控制模塊；A端機(1)和B端機(2)的通信模塊由一根通信光纖(5)相互連接；A端機(1)的光源模塊經在傳感光纖前端的第一個光耦合器(3)、兩根傳感光纖(4)和在傳感光纖末端的第二個光耦合器(3-1)連接B端機(2)的探測採集模塊，構成第一個馬赫-澤德幹涉儀；同樣B端機(2)的光源模塊經上述的第二個光耦合器(3-1)、兩根傳感光纖(4)和第一個光耦合器(3)連接A端機(1)的探測採集模塊構成第二個馬赫-澤德幹涉儀；所述A端機(1)和B端機(2)的控制模塊為微處理器模塊，對光源模塊和探測採集模塊發送控制指令，讀取採集的數據；所述光源模塊為窄線寬雷射器；所述探測採集模塊包括有光電轉換電路、信號調理電路、模擬/數位訊號轉換電路，數據緩存電路；所述時間同步模塊含時鐘電路。
2. 根據權利要求1所述的基於雙馬赫_澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統，其特徵在於所述光源模塊為輸出光具有的相干長度大於兩根傳感光纖(4)的長度差的窄線寬激 光器。
3. 根據權利要求l所述的基於雙馬赫-澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統，其特徵在於所述光耦合器(3、3-1)為3dB光耦合器。
4. 根據權利要求l所述的基於雙馬赫-澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統，其特徵在於所述探測採集模塊的數據緩存電路具有環形存儲單元。
5. 根據權利要求1所述的基於雙馬赫_澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統，其特徵在於所述時間同步模塊的時鐘電路包含晶振元件。
6. 根據權利要求1至5中任一項所述的基於雙馬赫_澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統，其特徵在於所述A端機(1)的控制模塊接有報警裝置。
7. 根據權利要求1至5中任一項所述的基於雙馬赫_澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統，其特徵在於所述A端機(1)的控制模塊接有顯示裝置。
8. 根據權利要求1至5中任一項所述的基於雙馬赫_澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統，其特徵在於所述A端機(1)的控制模塊通過無線和/或網絡與遠程計算機連接。
9. 根據權利要求1至5中任一項所述的基於雙馬赫_澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統的使用方法，其特徵在於使用步驟如下I、 A端機(1)的控制模塊設定閾值，A端機(1)的光源模塊發出的穩定光信號在第一個光耦合器(3)分成兩路輸入到傳感光纖(4)中，在傳感光纖(4)末端的第二個光耦合器 (3-1)發生幹涉，幹涉信息輸出到B端機(2)的探測採集模塊；與之類似，B端機(2)的光源 模塊發出的穩定光信號在第二個光耦合器(3-1)分成兩路輸入到傳感光纖(4)中，在傳感 光纖(4)前端的第一個光耦合器(3)發生幹涉，幹涉信息輸出到A端機(1)的探測採集模 塊；II、 當傳感光纖(4)受外界振動影響時，A、B端機(1、2)輸出光的幹涉信息呈現強弱起 伏變化並被輸出到對端機進行信號處理；當幹涉光變化強度達到A端機(1)設定的閾值時， A端機(1)的控制模塊發出採集觸發信號，該信號分成三路，一路觸發A端機(1)上的探測 採集模塊開始採集數據，另一路通過A端機(1)的通信模塊傳遞給B端機(2)，還有一路送 入時間同步模塊使之開始計時；III、 B端機(2)的通信模塊接收到觸發信號送入其控制模塊，B端機(2)的控制模塊觸 發其探測採集模塊開始採集數據；同時經通信模塊返回A端機(1) 一個回應信號；IV、 A端機(1)收到回應信號之後，控制模塊發出指令給時間同步模塊，使之停止計時， 時間同步模塊計時時長等於A、B端機(1、2)觸發信號時間差的2倍；V、 B端機(2)在完成數據採集之後，將數據打包經通信模塊發送給A端機(1);VI、 A端機(1)的控制模塊根據時間同步模塊給出的觸發時間差調節A、B端機(1、2) 得到的兩路採集數據在時間上的一致性；然後進行兩路數據的相關運算和定位運算；VII、 A端機(1)的控制模塊根據兩路採集數據和時間同步信息，確定擾動的在傳感光 纖(4)上的位置，並將結果發送到顯示裝置顯示擾動的發生位置和強度，和/或啟動報警裝 置發出報警，和/或經無線/網絡將結果輸送到遠程計算機。
全文摘要
本發明為基於雙馬赫-澤德幹涉儀的光纖振動傳感系統及使用方法，本系統的A、B端機安裝在幹涉儀的兩端，每臺端機的控制模塊連接光源、探測採集和通信模塊，A端機還有時間同步模塊。通信光纖連接AB端機的通信模塊。AB端機的光源模塊經由傳感光纖和光耦合器接到對端機的探測採集模塊構成雙幹涉儀。本系統的使用方法為A端機的控制模塊設定閾值，AB端機的光信號的幹涉信息分別輸出到對端機；當傳感光纖受振動影響幹涉信息變化達到閾值時，A端機的控制模塊發出採集觸發信號，2端機開始採集數據；A端機的控制模塊根據兩路採集數據和時間同步信息，確定擾動在傳感光纖上的位置。本發明有雙光源且光功率損失降低，監測距離更遠，靈敏度更高。
文檔編號G01H9/00GK101701844SQ200910114509
公開日2010年5月5日 申請日期2009年10月30日 優先權日2009年10月30日
發明者張旭煒, 李焰, 王剛, 胡挺 申請人:中國電子科技集團公司第三十四研究所