CN103528666A - 基于Sagnac干涉的长距离光纤振动检测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于Sagnac干涉的长距离光纤振动检测装置，包括光源、光电探测器、光环行器、2×2耦合器和光纤延时纤；所述光源发出的激光信号经过光环行器，进入2×2耦合器，在2×2耦合器处光信号分成两路：一路光信号A，经过光纤延时纤进入待测光纤，末端返回的菲涅尔反射光信号，进入2×2耦合器；另一路光信号B，直接进入待测光纤，末端返回的菲涅尔反射光信号，经2×2耦合器，进入光纤延时纤，经光纤延时纤一圈，回到2×2耦合器；光信号在2×2耦合器处发生干涉，干涉信号经过光环形器被光电探测器感测。本发明的单端Sagnac干涉的光纤光路与传统的单端干涉光路相比，插损减少了约5dB。
Description
技术领域
本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种基于Sagnac干涉的长距离光纤振动检测装置，还涉及一种基于Sagnac干涉的长距离光纤振动检测方法。
背景技术
传统的单端光纤Sagnac干涉光路，很实现到长距离检测，主要原因有：(1)最终产生干涉的信号是激光在光纤末端端面的菲涅尔反射产生的，这使得干涉光非常微弱；(2)在传统的单端光纤Sagnac干涉光路中，激光要来回三次经过3×3的耦合器，每次光信号衰减5dB，由耦合器产生的光信号衰减就达到了15dB，导致干涉信号强度再次产生大的衰减。
如图1所示，传统的单端光纤Sagnac干涉光路中，通过3×3的耦合器11及光纤延时纤9形成干涉光路，当有振动产生时，光的相位变化，由干涉将这种变化转换成光强的变化，所以只要检测光强就可以检测光纤是否振动。
光源7产生的连续光从第二端口2进入3×3的耦合器11，光分成2路，第一路经第四端口4—第一端口1—第五端口5，进入待测光纤10，在光纤末端发生菲涅尔反射，反射光经第五端口5进入3×3的耦合器11；第二路直接经第五端口5进入待测光纤10，在光纤末端发生菲涅尔反射，反射光经第五端口5进入3×3耦合器11，经第一端口1—第四端口4再次进入3×3耦合器11；第六端口6的光损耗掉。这两路光由同一束光按光强1：1比例分成，光程差为0，在3×3耦合器11处发生干涉，干涉光经第三端口3进入光电探测器8。
当有光纤发生振动时，引起光的相位发生变化，而两路光由于光行进的路径不同，其产生相位变化的时差有区别，因此在3×3耦合器11处发生干涉时，两路光的相位变化是不同的。在3×3耦合器11处光的相位变化转换成光的强度变化，在光电探测器8处转换成电信号的强度变化。
单端光纤Sagnac干涉光路的主要光器件是3×3耦合器11，而光经过3×3耦合器会产生5dB的衰减，由上面的光路分析知：激光器发出的连续光信号要来回三次经过3×3耦合器，这样由耦合器产生的光信号衰减就达到了15dB。发生干涉的光信号是光信号经光纤末端的端面菲涅尔反射产生的，菲涅尔反射的强度只有原反射光强度的4％，干涉信号光强很弱。因此光纤的基于Sagnac干涉的光纤振动检测装置很难达到长距离检测，大大限制了此光路的实用化进程。
发明内容
本发明提出一种基于Sagnac干涉的长距离光纤振动检测装置和方法，解决了现有的单端光纤Sagnac干涉光路长距离检测中干涉光损耗大的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于Sagnac干涉的长距离光纤振动检测装置，包括光源、光电探测器、光环行器、2×2耦合器和光纤延时纤；
所述光源发出的激光信号经过光环行器，进入2×2耦合器，在2×2耦合器处光信号分成两路：一路光信号A，经过光纤延时纤进入待测光纤，末端返回的菲涅尔反射光信号，进入2×2耦合器；另一路光信号B，直接进入待测光纤，末端返回的菲涅尔反射光信号，经2×2耦合器，进入光纤延时纤，经光纤延时纤一圈，回到2×2耦合器；
光信号在2×2耦合器处发生干涉，干涉信号经过光环形器被光电探测器感测。
本发明还提出了一种基于Sagnac干涉的长距离光纤振动检测方法，包括以下步骤：光源发出的激光信号经过光环行器，进入2×2耦合器，在2×2耦合器处光信号分成两路：一路光信号A，经过光纤延时纤进入待测光纤，末端返回的菲涅尔反射光信号，进入2×2耦合器；另一路光信号B，直接进入待测光纤，末端返回的菲涅尔反射光信号，经2×2耦合器，进入光纤延时纤，经光纤延时纤一圈，回到2×2耦合器；光信号在2×2耦合器处发生干涉，干涉信号经过光环形器被光电探测器感测。
本发明的有益效果是：
(1)单端Sagnac干涉的光纤光路与传统的单端干涉光路相比，插损减少了约5dB；
(2)在相同的条件下，只通过光路的改善就可以使得基于单端光纤Sagnac干涉的设备在探测振动信号时的探测距离长了3倍，大大推动了此设备在长距离振动信号检测中的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为传统的单端光纤Sagnac干涉光路的结构示意图；
图2为本发明的基于Sagnac干涉的长距离光纤振动检测装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在实现满足单端光纤Sagnac干涉的前提下，现有光路干涉信号很弱的原因主要来自于3×3耦合器的插损，由于干涉光路需要激光器发出的连续光信号来回三次经过3×3耦合器，产生15dB衰减，这对本来就很弱的干涉光信号是个很大的插损，也大大限制了长距离检测中Sagnac干涉的光纤振动检测装置的应用。
本发明从光路方面解决长距离检测中干涉光损耗大的问题，抛弃传统单端光纤Sagnac干涉光路，通过低损耗器件光环性器的引入，在满足单端检测的前提下，实现基于Sagnac的单端光纤干涉光路对与振动信号的长距离检测。
如图2所示，本发明的基于Sagnac干涉的长距离光纤振动检测装置，包括光源7、光电探测器8、光环行器26、2×2耦合器25和光纤延时纤9。
光源7发出的激光信号经过光环行器26，进入2×2耦合器25，在此处光信号分成两路：一路光信号A，经过光纤延时纤9进入待测光纤10，图2中光信号A的传输路径为端口21→23→22→24，末端返回的菲涅尔反射光信号，进入2×2耦合器25；另一路光信号B，直接进入待测光纤，图2中光信号B的传输路径为端口21→24，末端返回的菲涅尔反射光信号，经2×2耦合器25，进入光纤延时纤9，经光纤延时纤9一圈，回到2×2耦合器25，图2中光信号B的传输路径为端口24→22→23。这样在2×2耦合器25处的两路光信号光程完全相同，相位完全相同，是严格的相干光。因此，光信号在2×2耦合器25处发生干涉，干涉信号经过光环形器26被光电探测器8感测。当在待测光纤10上有振动产生时，光信号A和光信号B的相位分别发生变化，但对于两路光信号而言，振动信号传到2×2耦合器25的光程不同。由于干涉对于相位非常敏感，因此可以在2×2耦合器25处通过干涉信号感测到振动。
本发明的单端光纤Sagnac干涉光路要来回三次经过2×2耦合器25，每次光信号衰减3dB，这样由2×2耦合器产生的光信号衰减有9dB；激光信号要来回两次经过光环形器26到达光电探测器8，每次光信号衰减0.6dB，这样由光环形器26产生的光信号衰减有1.2dB。因此，新型的单端光纤Sagnac干涉光路因光路中光耦合器和光环形器，产生的光损耗为10.2dB，比传统的Sagnac干涉光路插损少了4.8dB。
本发明还提出了一种基于Sagnac干涉的长距离光纤振动检测方法，该方法具体包括以下步骤：光源发出的激光信号经过光环行器，进入2×2耦合器，在2×2耦合器处光信号分成两路：一路光信号A，经过光纤延时纤进入待测光纤，末端返回的菲涅尔反射光信号，进入2×2耦合器；另一路光信号B，直接进入待测光纤，末端返回的菲涅尔反射光信号，经2×2耦合器，进入光纤延时纤，经光纤延时纤一圈，回到2×2耦合器；光信号在2×2耦合器处发生干涉，干涉信号经过光环形器被光电探测器感测。
本发明提出的基于Sagnac干涉的长距离光纤振动检测装置和方法，单端Sagnac干涉的光纤光路与传统的单端干涉光路相比，插损减少了约5dB。在相同的条件下，只通过光路的改善就可以使得基于单端光纤Sagnac干涉的设备在探测振动信号时的探测距离长了3倍，大大推动了此设备在长距离振动信号检测中的应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于Sagnac干涉的长距离光纤振动检测装置，其特征在于，包括光源、光电探测器、光环行器、2×2耦合器和光纤延时纤；
所述光源发出的激光信号经过光环行器，进入2×2耦合器，在2×2耦合器处光信号分成两路：一路光信号A，经过光纤延时纤进入待测光纤，末端返回的菲涅尔反射光信号，进入2×2耦合器；另一路光信号B，直接进入待测光纤，末端返回的菲涅尔反射光信号，经2×2耦合器，进入光纤延时纤，经光纤延时纤一圈，回到2×2耦合器；
光信号在2×2耦合器处发生干涉，干涉信号经过光环形器被光电探测器感测。
2.一种基于Sagnac干涉的长距离光纤振动检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
光源发出的激光信号经过光环行器，进入2×2耦合器，在2×2耦合器处光信号分成两路：一路光信号A，经过光纤延时纤进入待测光纤，末端返回的菲涅尔反射光信号，进入2×2耦合器；另一路光信号B，直接进入待测光纤，末端返回的菲涅尔反射光信号，经2×2耦合器，进入光纤延时纤，经光纤延时纤一圈，回到2×2耦合器；光信号在2×2耦合器处发生干涉，干涉信号经过光环形器被光电探测器感测。
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|---|---|---|---|---|
| CN104792402A (zh) * | 2015-04-16 | 2015-07-22 | 华中科技大学 | 一种基于光纤萨格纳克干涉仪的声波传感测量装置 |
| CN108593089A (zh) * | 2018-05-02 | 2018-09-28 | 张岳 | 一种基于双折射谐振效应的光学振动传感器及感应方法 |
| CN110320442A (zh) * | 2019-06-20 | 2019-10-11 | 永州电力勘测设计院有限公司 | 利用光纤单端自环的opgw输电线路的雷击定位方法 |
| CN113340402A (zh) * | 2021-05-27 | 2021-09-03 | 无锡科晟光子科技有限公司 | 一种基于双光源设计的定位型分布式光纤振动探测器 |
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2013
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