CN103411661B - 多区域功率适配型高灵敏度光纤振动传感方法及*** - Google Patents

Abstract

一种多区域功率适配型高灵敏度光纤振动传感方法及***，包括：2×N光分束器，在2×N光分束器的一个合束端口上连接有脉冲光源，在2×N光分束器的另一个合束端口上连接有光电探测器，在2×N光分束器的分束端口上连接有长度不一的光纤延迟线，且所述的2×N光分束器束端口与光纤延迟线一端连接，在光纤延迟线的另一端上连接有光纤萨格纳克干涉传感环路，且与光纤萨格纳克干涉传感环路的输入-输出端口连接，所述的2×N光分束器的分束端口所连接的光纤延迟线越长，其上输出的脉冲光的功率越大，所述的光纤萨格纳克干涉传感环路包括1×2光分束器、传感光缆和增敏光纤。

Description

多区域功率适配型高灵敏度光纤振动传感方法及***

技术领域

本发明是一种多区域功率适配型高灵敏度光纤振动传感方法及***，涉及光纤振动传感技术领域以及复用技术领域。

背景技术

光纤传感技术是上世纪七八十年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的技术，它以光为通信载体，光纤为感知与通信媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。光纤振动传感技术是光纤传感技术的一种，探测对象是作用在光纤、其附着物、或周边等的振动信号。光纤振动传感器具有测量灵敏度高、抗电磁干扰、抗辐射、耐高压、耐腐蚀、体积小、重量轻、适应恶劣环境等诸多优点。

光纤振动传感技术主要有强度调制、波长调制、相位调制这三种。基于强度调制技术的光纤振动传感***主要是通过测量光纤的微弯损耗来获取振动信号。此方法灵敏度低，频率响应特性差，不适用于动态事件的检测。基于波长调制技术的光纤振动传感***是测量外界信号引起的波长变化来确定振动信号。这种技术的代表产品就是基于FBG的光纤振动传感器。此类传感***传感结构和解调方式比较复杂，不宜于大范围使用。基于相位调制技术的光纤振动传感***是通过全光纤的干涉方法检测振动信号引起的在光纤中传播的光信号的相位变化，从而感知振动信号。此方法的灵敏度较高，解调方便，易于复用，构成多区域光纤振动传感***。

光纤萨格纳克干涉仪，与其他类型的光纤干涉仪相比，具有对振动敏感而对布缆时产生的缓慢应变和环境变化不敏感的特点。但是，在光缆的敷设中，高灵敏度的干涉环路的设计一直是工程中急需解决的问题。

在面向实际工程应用的过程中，几公里到几十公里的区域，需要光纤振动传感***既能检测到振动信号且确定振动事件发生的大致位置。目前，普遍采用的解决方法是将大区域分成数个或数十个小区域，每个小区域配备一个光纤振动传感器，这些传感器级联后可构成多区域光纤振动传感***。由于每个光纤振动传感器与传感***端机的距离不一样，各光纤振动传感器种光信号的传输损耗也不同。为了保证能探测到离端机最远的光纤振动传感器的光信号，却可能由于增益过大，导致接收机动态范围过小，无法探测到离端机近的光纤振动传感器的光信号。

发明内容

本发明提供一种多区域功率适配型高灵敏度光纤振动传感方法及***，本发明提出方法及***，保证每一区域返回的光信号功率相同，同时，***采用光纤萨格纳克干涉传感环路结构简单，灵敏度高，易于现场施工。

本发明采用如下技术方案：

一种多区域功率适配型高灵敏度光纤振动传感方法，在2×N光分束器的一个合束端口输入一个强度为P₀的输入脉冲光，分别在2×N光分束器的N个分束端口上形成输出脉冲光，各2×N光分束器的输出端口的输出脉冲光分别经过光纤延迟线后，传输至光纤萨格纳克干涉传感环路，从各光纤萨格纳克干涉传感环路返回的光脉冲分别经过所述的光纤延迟线后进入2×N光分束器，并从2×N光分束器的另一个合束端口输出到光电探测器，所述输出脉冲光的功率为η_iP₀，其中，

${\mathrm{\η}}_i=\frac{1}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{10}^{2A{L}_i}}}\frac{1}{{10}^{{2\mathrm{AL}}_i}}$

η_i为2×N光分束器的第i个分束端口的输出光脉冲强度与输入光脉冲强度的比例，L_i表示与第i个分束端口连接的光纤延迟线的长度，i=1、2、3、…、N，A为光纤延迟线（4i）所用光纤的损耗系数，N取值范围为1到64之间的正整数。

在光纤萨格纳克干涉传感环路内，经过光纤延迟线后的输出脉冲光，由1×2光分束器分成两束，

一束光直接传输到传感光缆的一个端口，经过所述一个端口的一束光依次经过传感光缆的另一个端口以及增敏光纤，传输到1×2光分束器；

另一束光经过增敏光纤，传输到传感光缆的所述的另一个端口，经过所述另一个端口的另一束光经过传感光缆的所述的一个端口，传输到1×2光分束器；

两束光在1×2光分束器的合束端口上形成光纤萨格纳克干涉传感环路返回的光脉冲。

一种多区域功率适配型高灵敏度光纤振动传感***，包括：2×N光分束器，在2×N光分束器的一个合束端口上连接有脉冲光源，在2×N光分束器的另一个合束端口上连接有光电探测器，在2×N光分束器的第i分束端口上连接有第i光纤延迟线且所述的2×N光分束器第i分束端口与第i光纤延迟线一端连接，在第i光纤延迟线的另一端上连接有光纤萨格纳克干涉传感环路且与光纤萨格纳克干涉传感环路的输入-输出端口连接，所述2×N光分束器的第i分束端口上的输出脉冲光的功率为η_iP₀，其中，

${\mathrm{\η}}_i=\frac{1}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{10}^{2A{L}_i}}}\frac{1}{{10}^{{2\mathrm{AL}}_i}}$

η_i为2×N光分束器的第i个分束端口的输出光脉冲强度与输入光脉冲的比例，Li表示与第i个分束端口连接的光纤延迟线的长度，i=1、2、3、…、N，A为光纤延迟线所用光纤的损耗系数，P₀为脉冲光源的输出光功率，N取值范围为1到64之间的正整数。

所述的光纤萨格纳克干涉传感环路包括1×2光分束器及传感光缆，1×2光分束器的合束端口作为光纤萨格纳克干涉传感环路的输入-输出端口，1×2光分束器的一个分束端口与传感光缆的一端连接，在1×2光分束器的另一个分束端口经过增敏光纤与传感光缆的另一端连接。所述的传感光缆中的光纤为U形光纤。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

对于采用光通信***中普遍使用的功率均分的2×N光分束器实现的多区域光纤振动传感***，由于各分束端口所连接的光纤延迟线的长度是递增的，光源发出的脉冲光信号到达各光纤振动传感器的传输损耗也不同。波长为1310nm的光信号，在光纤中传输的损耗常数为0.35dB/Km。当光纤萨格纳克干涉传感环路连接的光纤延迟线长度达到5Km时，光电探测器探测到其输出的光信号的强度仅为从第一个光纤萨格纳克干涉传感环路探测到的光信号强度的一半。这种差异导致所连接的光纤延迟线长度越长的光纤振动传感器返回的光信号功率越小，难于探测。通过增大接收机的增益来探测远端的光纤振动传感器的信号，会出现，所连接的光纤延迟线短的光纤振动传感器却因接收机饱和而失效。

采用本发明提出的分光比与光纤延迟线长度相关的2×N光分束器，根据各分束端口所连接的光纤延迟线长度来精确控制其分得的功率，保证了光电探测器从每个光纤萨格纳克干涉传感环路探测到的光信号强度是相等的，消除了接收机增益和动态范围这对矛盾对***区域数和传感距离的限制。

式（1-1）给出了光纤萨格纳克干涉环路的输出光功率的表达式：

$I_{\mathrm{out}}=\frac{1}{2}{I}_0[1+\cos \mathrm{\φ}\left(t\right)]---(1-1)$

式（1-1）中I₀表示光纤萨格纳克干涉环路的输入光功率，φ(t)表示光纤萨格纳克干涉环路中顺时针光和逆时针光的相位差。最简单的光纤萨格纳克干涉环路结构是将光缆中两根光纤的一端直接互联，形成U形光纤，U形光纤的两端与1×2光分束器的分束端口连接。由于光在U形光纤的两个支路传播时在同一位置都受到外界振动的调制，顺时针光和逆时针光的相位差其可以表示为：

式（1-2）中表示外界振动引起的在光纤中传播的光波的相位变化，τ₁表示顺时针光从1×2光分束器的分束端口第一次传播到振动事件发生位置的时间，τ₃表示顺时针光从1×2光分束器的分束端口第二次传播到振动事件发生位置的时间，τ₂表示逆时针光从1×2光分束器的另一个分束端口第一次传播到振动事件发生位置的时间，τ₄表示逆时针光从1×2光分束器的另一个分束端口第二次传播到振动事件发生位置的时间。

式（1-2）中τ₁与τ₂近似相等，τ₃与τ₄近似相等，φ(t)接近零，表征了这种结构对振动极其不敏感。

本发明采用的光纤萨格纳克干涉环路中τ₁，τ₂，τ₃，τ₄分别为：

${\mathrm{\τ}}_1=\frac{L_1}{v_g},{\mathrm{\τ}}_2=\frac{\mathrm{\ΔL}+L_1}{v_g},{\mathrm{\τ}}_3=\frac{L-L_1}{v_g},{\mathrm{\τ}}_4=\frac{L+\mathrm{\ΔL}-L_1}{v_g}---(1-3)$

式（1-3）中v_g表示光在光纤中的传播速度，L表示U形光纤的总长，L₁表示振动事件发生的位置，ΔL表示增敏光纤长度。

结合式（1-2）和（1-3）可知，增敏光纤的引入，使τ₁与τ₂相差较大，τ₃与τ₄相差较大，光纤萨格纳克干涉环路的灵敏度得到了提高。

采用本发明提出的光纤萨格纳克干涉环路，现场施工简单，同时具有高振动感知灵敏度。

附图说明

图1为本发明提出的多区域功率适配型高灵敏度光纤振动传感***结构图。

图2为本发明提出光纤萨格纳克干涉环路中传感光缆中U形光纤实施方法示意图。

图3为本发明提出的多区域功率均衡分配型高灵敏度光纤振动传感***中2×N光分束器实施方法示意图。

图4为采用本发明提出的2×N光分束器构成的多区域功率适配型高灵敏度光纤振动传感***与采用功率均分的2×N光分束器实现的光纤振动传感***光电探测器探测到的各光纤萨格纳克干涉环路的光信号。

图5为采用本发明提出的光纤萨格纳克干涉环路中增敏光纤长度与灵敏度的关系。

具体实施方式

实施例1

一种多区域功率适配型高灵敏度光纤振动传感方法，在2×N光分束器2的一个合束端口输入一个强度为P₀的输入脉冲光，分别在2×N光分束器2的N个分束端口上形成输出脉冲光，各2×N光分束器2的输出端口的输出脉冲光分别经过光纤延迟线4i后，传输至光纤萨格纳克干涉传感环路5，从各光纤萨格纳克干涉传感环路5返回的光脉冲分别经过所述的光纤延迟线4i后进入2×N光分束器2，并从2×N光分束器2的另一个合束端口输出到光电探测器3，所述输出脉冲光的功率为η_iP₀，其中，

${\mathrm{\η}}_i=\frac{1}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{10}^{2A{L}_i}}}\frac{1}{{10}^{{2\mathrm{AL}}_i}}$

η_i为2×N光分束器2的第i个分束端口的输出光脉冲强度与输入光脉冲强度的比例，Li表示与第i个分束端口连接的光纤延迟线4i的长度，i=1、2、3、…、N，A为光纤延迟线4i所用光纤的损耗系数，N取值范围为1到64之间的正整数。

在光纤萨格纳克干涉传感环路5内，经过光纤延迟线4i后的输出脉冲光，由1×2光分束器51分成两束，

一束光直接传输到传感光缆53的一个端口，经过所述一个端口的一束光依次经过传感光缆53的另一个端口以及增敏光纤52，传输到1×2光分束器51；

另一束光经过增敏光纤52，传输到传感光缆53的所述的另一个端口，经过所述另一个端口的另一束光经过传感光缆53的所述的一个端口，传输到1×2光分束器51；

两束光在1×2光分束器51的合束端口上形成光纤萨格纳克干涉传感环路5返回的光脉冲。

实施例2

一种多区域功率适配型高灵敏度光纤振动传感***，包括：2×N光分束器2，在2×N光分束器2的一个合束端口上连接有脉冲光源1，在2×N光分束器2的另一个合束端口上连接有光电探测器3，在2×N光分束器2的第i分束端口上连接有第i光纤延迟线4i且所述的2×N光分束器2第i分束端口与第i光纤延迟线4i一端连接，在第i光纤延迟线4i的另一端上连接有光纤萨格纳克干涉传感环路5且与光纤萨格纳克干涉传感环路5的输入-输出端口连接，所述2×N光分束器2的第i分束端口上的输出脉冲光的功率为η_iP₀，其中，

${\mathrm{\η}}_i=\frac{1}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{10}^{2A{L}_i}}}\frac{1}{{10}^{{2\mathrm{AL}}_i}}$

η_i为2×N光分束器2的第i个分束端口的输出光脉冲强度与输入光脉冲的比例，Li表示与第i个分束端口连接的光纤延迟线4i的长度，i=1、2、3、…、N，A为光纤延迟线4所用光纤的损耗系数，P₀为脉冲光源1的输出光强，N取值范围为1到64之间的正整数。

所述的光纤萨格纳克干涉传感环路5包括1×2光分束器51及传感光缆53，1×2光分束器51的合束端口作为光纤萨格纳克干涉传感环路5的输入-输出端口，1×2光分束器51的一个分束端口与传感光缆53的一端连接，在1×2光分束器51的另一个分束端口经过增敏光纤52与传感光缆53的另一端连接。所述的传感光缆54中的光纤为U形光纤。

在本实施例中，光纤萨格纳克干涉环路5中传感光缆53中U形光纤最简单的实施方法是将传感光缆53中两根光纤531、532在一端直接连接，如图2所示。2×N光分束器2实施方式如图3所示，包括：一系列的1×2光纤分束器201～20N-1，总计N-1个，1×2光纤分束器201的合束端口作为2×N光分束器2连接脉冲光源1的合束端口，1×2光纤分束器20i，i=1、2、3、…、N-2，的一个分束端口与一个光纤环形器200的1号端口连接，1×2光纤分束器20N-1的两个分束端口分别连接一个光纤环形器200的1号端口，2×N光纤分束器2内部一共使用了N个光纤环形器200，1×2分束器20i连接的光纤环形器200的2号端口作为2×N光纤分束器2的第i分束端口，1×2分束器20N-1的一个分束端口连接的光纤环形器200的2号端口作为2×N光纤分束器2的第N-1分束端口，1×2分束器20N-1的另一个分束端口连接的光纤环形器200的2号端口作为2×N光纤分束器2的第N分束端口，N个光纤环形器200的3号端口分别与1×N光纤合束器2000的N个分束端口相连，1×N光纤合束器2000的合束端口作为2×N光纤分束器2与光电探测器3连接的合束端口。

所述的1×2光纤分束器20i的与环形器200相连的端口的输出光功率占其合束端口输入光功率的比例μ_i与2×N光分束器2的第i分束端口上的输出脉冲光的功率为η_iP₀的关系为：

${\mathrm{\μ}}_i=\frac{{\mathrm{\η}}_i}{\underset{j=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Π}}}(1-{\mathrm{\μ}}_j)}{P}_0$

其中，i=1、2、3、…、N。

脉冲光源1发出一个光脉冲，在2×N光分束器2的一个合束端口输入一个强度为P₀的输入脉冲光，分别在2×N光分束器2的N个分束端口上形成输出脉冲光，各2×N光分束器2的输出端口的输出脉冲光分别经过光纤延迟线4i后，传输至光纤萨格纳克干涉传感环路5，从各光纤萨格纳克干涉传感环路5返回的光脉冲分别经过所述的光纤延迟线4i后进入2×N光分束器2，并从2×N光分束器2的另一个合束端口输出到光电探测器3，所述输出脉冲光的功率为η_iP₀，其中，

${\mathrm{\η}}_i=\frac{1}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{10}^{2A{L}_i}}}\frac{1}{{10}^{{2\mathrm{AL}}_i}}$

η_i为2×N光分束器2的第i个分束端口的输出光脉冲强度与输入光脉冲强度的比例，Li表示与第i个分束端口连接的光纤延迟线4i的长度，i=1、2、3、…、N，A为光纤延迟线4i所用光纤的损耗系数，N取值范围为1到64之间的正整数。

在光纤萨格纳克干涉传感环路5内，经过光纤延迟线4i后的输出脉冲光，由1×2光分束器51分成两束，

一束光直接传输到传感光缆53的一个端口，经过所述一个端口的一束光依次经过传感光缆53的另一个端口以及增敏光纤52，传输到1×2光分束器51；

另一束光经过增敏光纤52，传输到传感光缆53的所述的另一个端口，经过所述另一个端口的另一束光经过传感光缆53的所述的一个端口，传输到1×2光分束器51；

两束光在1×2光分束器51的合束端口上形成光纤萨格纳克干涉传感环路5返回的光脉冲。

在本实施案例中，取N为8，搭建了***，进行测试，图4给出了采用本发明提出的2×N光分束器构成的多区域功率适配型高灵敏度光纤振动传感***与采用功率均分的2×N光分束器实现的光纤振动传感***光电探测器探测到的各光纤萨格纳克干涉环路的光信号。从图4中可以看出，本发明很好的解决了由于延迟线长度不一样带来的光信号的功率差。同时，对不同增敏光纤长度的光纤萨格纳克干涉环路的灵敏度进行了测试，增敏光纤的使用，可以有效的增大光纤萨格纳克干涉环路的灵敏度。

Claims (3)

1.一种多区域功率适配型高灵敏度光纤振动传感方法，其特征在于，在2×N光分束器(2)的一个合束端口输入一个强度为P₀的输入脉冲光，分别在2×N光分束器(2)的N个分束端口上形成输出脉冲光，各2×N光分束器(2)的输出端口的输出脉冲光分别经过光纤延迟线(4i)后，传输至光纤萨格纳克干涉传感环路(5)，从各光纤萨格纳克干涉传感环路(5)返回的光脉冲分别经过所述的光纤延迟线(4i)后进入2×N光分束器(2)，并从2×N光分束器(2)的另一个合束端口输出到光电探测器(3)，所述输出脉冲光的功率为η_iP₀，其中，

${\mathrm{\η}}_i=\frac{1}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{10}^{2{\mathrm{AL}}_i}}}\frac{1}{{10}^{2{\mathrm{AL}}_i}}$

η_i为2×N光分束器(2)的第i个分束端口的输出光脉冲强度与输入光脉冲强度的比例，L_i表示与第i个分束端口连接的光纤延迟线(4i)的长度，i＝1、2、3、...、N，A为光纤延迟线(4i)所用光纤的损耗系数，N取值范围为2到64之间的正整数，

在光纤萨格纳克干涉传感环路(5)内，经过光纤延迟线(4i)后的输出脉冲光，由1×2光分束器(51)分成两束，

一束光直接传输到传感光缆(53)的一个端口，经过所述一个端口的一束光依次经过传感光缆(53)的另一个端口以及增敏光纤(52)，传输到1×2光分束器(51)；

另一束光经过增敏光纤(52)，传输到传感光缆(53)的所述的另一个端口，经过所述另一个端口的另一束光经过传感光缆(53)的所述的一个端口，传输到1×2光分束器(51)；

两束光在1×2光分束器(51)的合束端口上形成光纤萨格纳克干涉传感环路(5)返回的光脉冲。

2.一种多区域功率适配型高灵敏度光纤振动传感***，其特征在于，包括：2×N光分束器(2)，在2×N光分束器(2)的一个合束端口上连接有脉冲光源(1)，在2×N光分束器(2)的另一个合束端口上连接有光电探测器(3)，在2×N光分束器(2)的第i分束端口上连接有第i光纤延迟线(4i)且所述的2×N光分束器(2)第i分束端口与第i光纤延迟线(4i)一端连接，在第i光纤延迟线(4i)的另一端上连接有光纤萨格纳克干涉传感环路(5)且与光纤萨格纳克干涉传感环路(5)的输入-输出端口连接，所述2×N光分束器(2)的第i分束端口上的输出脉冲光的功率为η_iP₀，其中，

${\mathrm{\η}}_i=\frac{1}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{10}^{2{\mathrm{AL}}_i}}}\frac{1}{{10}^{2{\mathrm{AL}}_i}}$

η_i为2×N光分束器(2)的第i个分束端口的输出光脉冲强度与输入光脉冲的比例，Li表示与第i个分束端口连接的光纤延迟线(4i)的长度，i＝1、2、3、...、N，A为光纤延迟线(4)所用光纤的损耗系数，P0为脉冲光源(1)的输出光强，N取值范围为2到64之间的正整数，

所述的光纤萨格纳克干涉传感环路(5)包括1×2光分束器(51)及传感光缆(53)，1×2光分束器(51)的合束端口作为光纤萨格纳克干涉传感环路(5)的输入-输出端口，1×2光分束器(51)的一个分束端口与传感光缆(53)的一端连接，在1×2光分束器(51)的另一个分束端口经过增敏光纤(52)与传感光缆(53)的另一端连接。

3.根据权利要求2所述的多区域功率适配型高灵敏度光纤振动传感***，其特征在于，所述的传感光缆(54)中的光纤为U形光纤。