CN101701844A - 基于双马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感***及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明为基于双马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感***及使用方法，本***的A、B端机安装在干涉仪的两端，每台端机的控制模块连接光源、探测采集和通信模块，A端机还有时间同步模块。通信光纤连接AB端机的通信模块。AB端机的光源模块经由传感光纤和光耦合器接到对端机的探测采集模块构成双干涉仪。本***的使用方法为：A端机的控制模块设定阈值，AB端机的光信号的干涉信息分别输出到对端机；当传感光纤受振动影响干涉信息变化达到阈值时，A端机的控制模块发出采集触发信号，2端机开始采集数据；A端机的控制模块根据两路采集数据和时间同步信息，确定扰动在传感光纤上的位置。本发明有双光源且光功率损失降低，监测距离更远，灵敏度更高。

Description

基于双马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感***及使用方法

(一)技术领域

本发明涉及光纤传感技术，具体为一种基于双马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感***及使用方法。

(二)背景技术

在管道、通信线路以及边境线等长距离安全监测方面，常规的传感技术如红外，摄像头等遇到很大的技术瓶颈。由于这些方法采用的单个传感单元的探测距离有限，需要用众多传感单元构成传感网络以增加传感距离，从而造成在长距离探测时***结构复杂，建设及维护成本高等问题。

分布式光纤传感技术可以实时连续的对沿传感光纤分布的环境参数(包括振动、冲击、温度等等)进行测量。与传统的传感监测手段相比较，光纤传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、响应速度块、灵敏度高、远端免供电、体积小重量轻、测量范围广泛、安装条件不受地形限制、免维护、成本低等特点。分布式光纤传感技术特别适合于周界安全防范、地震监测以及海啸预警等传感报警***，其本质在于对振动信号的检测和分析，由于光纤的本质特性对振动、应力及声波等信号敏感，基于光纤的振动传感技术尤其是分布式传感受到各国重视。

目前分布式光纤传感技术的主要实现方法之一是光纤干涉仪法。外界环境的变化会造成光纤干涉仪两臂间的光信号位相差发生变化，通过实时的输出位相差变化曲线，可实现对沿传感光纤分布的环境变化的监测。目前国内外报道的有：萨格奈克/马赫-泽德(Sagnac/Mach-Zender)，萨格奈克/麦克尔逊(Sagnac/Michelson)，萨格奈克/萨格奈克(Sagnac/Sagnac)等组合干涉仪形式的传感器。

马赫-泽德光纤干涉仪具有光路结构简单、灵敏度高、动态范围大、响应快、传感距离长、定位精度与光纤长度无关等优点，长距离分布式光纤传感***通常都是基于该原理实现的。

当前基于马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感***的结构是这样的：将当作为干涉仪两臂的光纤沿着预定防护区域铺设；另外，用一根通信光纤将光源输出的光信号送到干涉仪的对端作为干涉仪的输入光，同时将对端的干涉信号引回。计算两路干涉信号的时延差从而得到振动点的位置信息。这种结构存在的主要缺点在于，使用了一条与传感光纤等长的信号引回光纤，在光路方面引入了附加的光无源器件，增加了光路上的光功率损失，也就是损失了传感长度。其次，干涉仪上传送的所有光信号都是相关的，任何一个光耦合器上产生的反射光都会参与信号光的干涉，从而造成光信号劣化，影响传感器的检测灵敏度及定位精度。另一方面，从通信光纤上送到对端的光源光信号和引回的干涉光信号都是以模拟信号的方式传输的，很容易引起光信号畸变，同样会导致检测灵敏度下降。

(三)发明内容

本发明的目的在于设计一种基于双马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感***，在光纤干涉仪两端的端机有独立光源和探测采集模块，两个端机由传感光纤和通信光纤连接，***内有时间同步模块保证两路采集数据在时间上的一致性。

本发明的另一目的在于设计本发明的基于双马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感***的使用方法，***一端检测到的信号采用数字信号传输方式传送到对端进行相关处理和定位运算，确定振动产生的位置。

本发明设计的基于双马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感***采用如下技术方案：包括含传感光纤和光耦合器的马赫-泽德干涉仪，本***包括A端机和B端机，分别安装在干涉仪的两端，每台端机均包括光源模块、探测采集模块、控制模块和通信模块，控制模块连接光源模块、探测采集模块和通信模块，A端机为主控机，还有时间同步模块接入控制模块。A端机和B端机的通信模块由一根通信光纤相互连接。A端机的光源模块经在传感光纤前端的第一个光耦合器、两根传感光纤和在传感光纤末端的第二个光耦合器连接到B端机的探测采集模块，构成第一个马赫-泽德干涉仪；同样B端机的光源模块经上述的第二个光耦合器、两根传感光纤和第一个光耦合器连接到A端机的探测采集模块，构成第二个马赫-泽德干涉仪。

所述A端机和B端机的控制模块为微处理器模块，对光源模块和探测采集模块发送控制指令，读取采集的数据。

所述光源模块为窄线宽激光器，由于构成马赫-泽德干涉仪两臂的传感光纤很难做到长度完全相同，因此光源模块的输出光具有的相干长度大于两根传感光纤的长度差。

所述探测采集模块包括有光电转换电路、信号调理电路、模拟/数字信号转换电路，数据缓存电路，用于实现对干涉信号的高速采集。其数据缓存电路具有环形存储单元，可以实现任意长度的正负延迟量的数据采集。

所述通信模块实现两台端机间控制指令的传递及采集数据的传输。

所述时间同步模块含时钟电路，确定触发指令从A端机传递到B端机再回到A端机所需要的时间，由此调节A端机和B端机的探测采集模块采集数据的时间达到同步。时钟电路包含晶振元件。

所述光耦合器为3dB光耦合器。

A端机的控制模块接有报警装置。

A端机的控制模块接有显示装置。

A端机的控制模块通过无线和/或网络与远程计算机连接。

本发明的基于双马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感***的使用方法的步骤如下：

I、A端机的控制模块设定阈值，A端机的光源模块发出的稳定光信号在第一个光耦合器分成两路输入到传感光纤中，在传感光纤末端的第二个光耦合器发生干涉，干涉信息输出到B端机的探测采集模块；与之类似，B端机的光源模块发出的稳定光信号在第二个光耦合器分成两路输入到传感光纤中，在传感光纤前端的第一个光耦合器发生干涉，干涉信息输出到A端机的探测采集模块；

II、当传感光纤受外界振动影响时，A、B端机输出光的干涉信息呈现强弱起伏变化并被输出到对端机进行信号处理；当干涉光变化强度达到A端机设定的阈值时，A端机的控制模块发出采集触发信号，该信号分成三路，一路触发A端机上的探测采集模块开始采集数据，另一路通过A端机的通信模块传递给B端机，还有一路送入时间同步模块使之开始计时；

III、B端机的通信模块接收到触发信号送入其控制模块，B端机的控制模块触发其探测采集模块开始采集数据；同时经通信模块返A回端机一个回应信号；

IV、A端机收到回应信号之后，控制模块发出指令给时间同步模块，使之停止计时，时间同步模块计时时长等于A、B端机触发信号时间差的2倍；

V、B端机在完成数据采集之后，将数据打包经通信模块发送给A端机；

VI、A端机的控制模块根据时间同步模块给出的触发时间差调节A、B端机得到的两路采集数据在时间上的一致性；然后进行两路数据的相关运算和定位运算；

VII、A端机的控制模块根据两路采集数据和时间同步信息，确定扰动的在传感光纤上的位置，并可以将结果发送到显示装置显示扰动的发生位置和强度，和/或启动报警装置发出报警，和/或经无线/网络将结果输送到远程计算机。

本发明基于双马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感***及使用方法的优点在于：1、两个端机中有两个光源，以达到更远的监测距离；2、减少了光路上光耦合器个数，使光功率损失降低到最小，监测距离更远；3、两个端机的通信模块之间的数据信号传输间接代替了信号通信光纤中的模拟信号的直接传输，有效的避免了信号畸变，提高灵敏度；4、两个端机中独立的两个光源模块有效地避免了光耦合器反射光参与干涉而造成的光信号质量下降的问题，因此检测灵敏度更高。

(四)附图说明

图1为本基于双马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感***实施例1的结构示意图；

图2为本基于双马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感***实施例1安装示意图；

图3为本基于双马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感***实施例2安装示意图。

图中标号说明如下：

1、A端机，   2、B端机，   3、第一个光耦合器，3-1、第二个光耦合器，

4、传感光纤，5、通信光纤，6、被防护的管道，  7、被防护的通信光缆。

(五)具体实施方式

实施例1

本例为运用于石油、天然气管道安全防护的基于双马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感***。

本例的基于双马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感***的结构如图1所示，包括A端机1和B端机2，分别安装在干涉仪的两端，每台端机均包括光源模块、探测采集模块、控制模块和通信模块，控制模块连接光源模块、探测采集模块和通信模块，A端机1为主控机，还有时间同步模块接入控制模块。A端机1和B端机2的通信模块由一根通信光纤5相互连接。A端机1的光源模块经第一个光耦合器3、两根传感光纤4和第二个光耦合器3-1连接到B端机2的探测采集模块构成第一个马赫-泽德干涉仪，同样B端机2的光源模块经上述的第二个光耦合器3-1、两根传感光纤4和第一个光耦合器3连接A端机1的探测采集模块，构成第二个马赫-泽德干涉仪。

所述A端机1和B端机2的控制模块为微处理器模块，对光源模块和探测采集模块发送控制指令，读取采集的数据。

所述光源模块为窄线宽激光器，其输出光的相干长度大于两根传感光纤的长度差。

所述探测采集模块包括有光电转换电路、信号调理电路、模拟/数字信号转换电路，数据缓存电路。其数据缓存电路具有环形存储单元。

所述时间同步模块是含有晶振元件的时钟电路，确定触发指令从A端机1传递到B端机2再回到A端机1所需要的时间，由此调节A端机1和B端机2的探测采集模块采集数据的时间达到同步。

所述光耦合器3、3-1为3dB光耦合器。

本例的A端机1的控制模块还接有报警装置和显示装置。A端机1的控制模块通过无线和网络与远程计算机连接。

本例***安装情况如图2所示，光纤沿被防护的管道6两侧S型铺设或紧贴被防护的管道6铺设。A端机1和B端机2分别安装在被防护的管道6两端具备供电条件的机房中。两个端机1、2的距离可达上百公里。在被防护的管道6受到冲击、钻孔破坏时，铺设的传感光纤4同时会受到振动影响，这些振动信息会被传感光纤4传送回远程端机进行分析处理，并立即报警。由于整个光路结构简单，所以整个工程铺设无难度，可靠性高。

本例基于双马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感***的使用方法如下：

I、A端机1的控制模块设定阈值，A端机1的光源模块发出的稳定光信号在第一个光耦合器3分成两路输入到传感光纤4中，在传感光纤4末端的第二个光耦合器3-1发生干涉，干涉信息输出到B端机2的探测采集模块；与之类似，B端机2的光源模块发出的稳定光信号在第二个光耦合器3-1分成两路输入到传感光纤4中，在传感光纤4前端的第一个光耦合器3发生干涉，干涉信息输出到A端机1的探测采集模块；

II、当传感光纤4受外界振动影响时，A、B端机1、2输出光的干涉信息呈现强弱起伏变化并被输出到对端机进行信号处理；当干涉光变化强度达到A端机1设定的阈值时，A端机1的控制模块发出采集触发信号，该信号分成三路，一路触发A端机1上的探测采集模块开始采集数据，另一路通过A端机1的通信模块传递给B端机2，还有一路送入时间同步模块、使之开始计时；

III、B端机2的通信模块接收到触发信号送入其控制模块，B端机2的控制模块触发其探测采集模块开始采集数据；同时经通信模块返回A端机1一个回应信号；

IV、A端机1收到回应信号之后，控制模块发出指令给时间同步模块，使之停止计时，时间同步模块计时时长等于A、B端机1、2触发信号时间差的2倍；

V、B端机2在完成数据采集之后，将数据打包经通信模块发送给A端机1；

VI、A端机1的控制模块根据时间同步模块给出的触发时间差调节A、B端机1、2得到的两路采集数据在时间上的一致性；然后进行两路数据的相关运算和定位运算；

VII、A端机1的控制模块根据两路采集数据和时间同步信息，确定扰动在传感光纤4上的位置，并将结果发送到显示装置显示扰动的发生位置和强度，启动报警装置发出报警，并经无线和网络将结果输送到远程计算机。

实施例2

本例为运用于光纤通信线路的安全监测的基于双马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感***。本例的***的结构也如图1所示，与实施例1相同，不再重复描述。

本例的安装情况如图3所示，将被防护的通信光缆7中的三根备用光纤分别作为本***的传感光纤4和通信光纤5。A端机1和B端机2分别安装在被防护的通信光缆7线路两端具备供电条件的机房中。二端机1、2距离可达上百公里。被防护的通信光缆7线路在遭到破坏或窃听时，被防护的通信光缆7将会受到振动影响，其中的传感光纤4将振动信息传送回本***端机，A端机1对信息进行处理和报警。这种方案避免了额外的光纤铺设成本，安装快速，稳定性高。

本例***的使用方法与实施例1相同，不再重复。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于双马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感***，包括含传感光纤和光耦合器的马赫-泽德干涉仪，其特征在于：

本***包括A端机(1)和B端机(2)，分别安装在干涉仪的两端，每台端机(1、2)均包括光源模块、探测采集模块、控制模块和通信模块，控制模块连接光源模块、探测采集模块和通信模块，A端机(1)为主控机，还有时间同步模块接入控制模块；A端机(1)和B端机(2)的通信模块由一根通信光纤(5)相互连接；A端机(1)的光源模块经在传感光纤前端的第一个光耦合器(3)、两根传感光纤(4)和在传感光纤末端的第二个光耦合器(3-1)连接B端机(2)的探测采集模块，构成第一个马赫-泽德干涉仪；同样B端机(2)的光源模块经上述的第二个光耦合器(3-1)、两根传感光纤(4)和第一个光耦合器(3)连接A端机(1)的探测采集模块构成第二个马赫-泽德干涉仪；

所述A端机(1)和B端机(2)的控制模块为微处理器模块，对光源模块和探测采集模块发送控制指令，读取采集的数据；所述光源模块为窄线宽激光器；所述探测采集模块包括有光电转换电路、信号调理电路、模拟/数字信号转换电路，数据缓存电路；所述时间同步模块含时钟电路。

2.根据权利要求1所述的基于双马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感***，其特征在于：

所述光源模块为输出光具有的相干长度大于两根传感光纤(4)的长度差的窄线宽激光器。

3.根据权利要求1所述的基于双马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感***，其特征在于：

所述光耦合器(3、3-1)为3dB光耦合器。

4.根据权利要求1所述的基于双马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感***，其特征在于：

所述探测采集模块的数据缓存电路具有环形存储单元。

5.根据权利要求1所述的基于双马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感***，其特征在于：

所述时间同步模块的时钟电路包含晶振元件。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于双马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感***，其特征在于：

所述A端机(1)的控制模块接有报警装置。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的基于双马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感***，其特征在于：

所述A端机(1)的控制模块接有显示装置。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的基于双马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感***，其特征在于：

所述A端机(1)的控制模块通过无线和/或网络与远程计算机连接。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的基于双马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感***的使用方法，其特征在于使用步骤如下：

I、A端机(1)的控制模块设定阈值，A端机(1)的光源模块发出的稳定光信号在第一个光耦合器(3)分成两路输入到传感光纤(4)中，在传感光纤(4)末端的第二个光耦合器(3-1)发生干涉，干涉信息输出到B端机(2)的探测采集模块；与之类似，B端机(2)的光源模块发出的稳定光信号在第二个光耦合器(3-1)分成两路输入到传感光纤(4)中，在传感光纤(4)前端的第一个光耦合器(3)发生干涉，干涉信息输出到A端机(1)的探测采集模块；

II、当传感光纤(4)受外界振动影响时，A、B端机(1、2)输出光的干涉信息呈现强弱起伏变化并被输出到对端机进行信号处理；当干涉光变化强度达到A端机(1)设定的阈值时，A端机(1)的控制模块发出采集触发信号，该信号分成三路，一路触发A端机(1)上的探测采集模块开始采集数据，另一路通过A端机(1)的通信模块传递给B端机(2)，还有一路送入时间同步模块使之开始计时；

III、B端机(2)的通信模块接收到触发信号送入其控制模块，B端机(2)的控制模块触发其探测采集模块开始采集数据；同时经通信模块返回A端机(1)一个回应信号；

IV、A端机(1)收到回应信号之后，控制模块发出指令给时间同步模块，使之停止计时，时间同步模块计时时长等于A、B端机(1、2)触发信号时间差的2倍；

V、B端机(2)在完成数据采集之后，将数据打包经通信模块发送给A端机(1)；

VI、A端机(1)的控制模块根据时间同步模块给出的触发时间差调节A、B端机(1、2)得到的两路采集数据在时间上的一致性；然后进行两路数据的相关运算和定位运算；

VII、A端机(1)的控制模块根据两路采集数据和时间同步信息，确定扰动的在传感光纤(4)上的位置，并将结果发送到显示装置显示扰动的发生位置和强度，和/或启动报警装置发出报警，和/或经无线/网络将结果输送到远程计算机。

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