專利名稱：一種全光纖定位監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬光纖傳感領(lǐng)域，具體涉及一種新型的全光纖定位監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光纖傳感技術(shù)是隨著光導(dǎo)纖維和光纖通信技術(shù)發(fā)展而形成的一門嶄新的傳感技 術(shù)。由于光纖自身對應(yīng)力、溫度等物理量很敏感，利用光纖的這種特性可以滿足分布式傳感 的需要。全光纖定位監(jiān)測是光纖作為分布式傳感的一種典型應(yīng)用，具有抗干擾性強(qiáng)、可靠 性高、隱蔽性好、防探測、易于安裝和維護(hù)等特點(diǎn)。光纖定位監(jiān)測系統(tǒng)可以用來對通信光纜 (包括海底光纜)、高壓電網(wǎng)、輸油管道、輸氣管道等基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行的安全監(jiān)測，是這些設(shè)施 實現(xiàn)技術(shù)性功能的保障，也可用于周界的安全防范，特別是有些系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)實時監(jiān) 測，在對系統(tǒng)的破壞或侵?jǐn)_實施伊始就發(fā)現(xiàn)該行為，避免造成重大經(jīng)濟(jì)損失。在先技術(shù)之一，是基于光時域反射的定位監(jiān)測技術(shù)，這種技術(shù)不能用來進(jìn)行實時 監(jiān)測，屬“亡羊補(bǔ)牢”式的事后檢測技術(shù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)問題時，被監(jiān)測測設(shè)施已遭破壞，這種技術(shù) 只能減少而不能避免損失。在先技術(shù)之二，監(jiān)測系統(tǒng)中構(gòu)造兩個M-Z光纖干涉光路，兩路方 別傳輸相反方向的光波，測量擾動發(fā)生后，光信號在正反方向傳輸?shù)綑z測點(diǎn)的時間差，來確 定擾動發(fā)生的位置。這種技術(shù)中使用的光源是激光光源，由于其時間相干性強(qiáng)，光纖光路系 統(tǒng)穩(wěn)定性差。在先技術(shù)之三，是基于全光纖白光干涉系統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)，圖1為利用頻率缺 失點(diǎn)來進(jìn)行定位監(jiān)測的一種全光纖白光干涉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)由寬帶光源(8)、光纖分路器 (1)、光纖延遲線(5)、光纖分路器(2)、單芯光纖(6)、反饋裝置(12)、探測器(9)、(10)構(gòu) 成，該系統(tǒng)利用白光進(jìn)行干涉。光路中存在一段單芯光纖(6)，利用反饋裝置(12)的作用， 使從光纖(6)傳輸?shù)墓饨?jīng)反饋裝置(12)作用后重新進(jìn)入光纖(6)傳輸，獲得的干涉信號從 1的端口 lb、Ic輸出，進(jìn)入探測器(9)、(10)。在這種系統(tǒng)中，干涉信號在某些相關(guān)頻率點(diǎn)會 有缺失，從這些缺失的頻率點(diǎn)來判斷這些擾動發(fā)生的位置。但是如果擾動源未激發(fā)出所需 的頻率范圍，就無法獲得頻率缺失點(diǎn)，這種判斷方法就會失效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目是提供一種新型的光纖定位監(jiān)測系統(tǒng)。本發(fā)明可利用單模光纖受到外界擾動時傳輸光波相位等發(fā)生變化的效應(yīng)，探測擾 動的發(fā)生，并確定擾動發(fā)生的位置。本發(fā)明的技術(shù)方案是通過相位載波的技術(shù)，對干涉系統(tǒng)主光路進(jìn)行復(fù)用，獲得來 自同一擾動源的兩種干涉信號，通過這兩種信號之間的關(guān)系來判斷擾動發(fā)生的位置。本發(fā)明所提供的全光纖定位監(jiān)測系統(tǒng)具體的實現(xiàn)方式如圖2所示。其中1是3X3 或2X2光分路器，la、lb、Ic、Id、If分別是它的各端口；2是2X2或2X1光分路器，2a、2b、 2c,2d分別是它的各端口 ；3、4是2X2或2X 1光分路器，3a、3b、3c和4a、4b、4c分別是相 應(yīng)的端口 ；5是光纖延遲線圈，6是做傳感用的光纜或光纖，7是擾動點(diǎn)，8是光源，9、10是光 電轉(zhuǎn)換裝置，11是信號處理系統(tǒng)，12,13是相同的反射裝置，14,15是相位調(diào)制器，fm2、fml分別為施加在其上的調(diào)制頻率，17是相應(yīng)的干涉主光路組合單元。本發(fā)明所提供的全光纖定位監(jiān)測系統(tǒng)對干涉系統(tǒng)主光路17進(jìn)行復(fù)用。從光分路 器1端口 la、lb輸出的信號由兩個干涉信號構(gòu)成，其中一個干涉(I)，是由如下一對光路形 成的1 :8 — Ia — Id — 5 — 2c — 2a — 3b — 3a — 6 — 4a — 4c — 15 — 13 — 15 — 4c— 4a — 6 — 3a — 3b — 2a — 2d — If — lb (或 lc)2 — la — If —2d —2a —3b —3a —6 —4a —4c — 15 — 13 — 15 —4c —4a— 6 — 3a — 3b — 2a — 2c — 5 — Id — lb (或 lc)由于光路1、2的路徑是共同的，只是光經(jīng)過的先后順序有所區(qū)別，因此，這兩路自 動滿足干涉條件，形成干涉。形成另一個干涉信號(II)的的相干光路對是3 :8 — Ia — Id — 5 — 2c — 2b — 4b — 4a — 6 — 3a — 3c — 14 — 12 — 14 — 3c— 3a — 6 — 4a — 4b — 2b — 2d — If — lb (或 lc)4 :8 — la — If — 2d — 2b — 4b — 4a — 6 — 3a — 3c — 14 — 12 — 14 — 3c — 3a— 6 — 4a — 4b — 2b — 2c — 5 — Id — lb (或 lc)同理，光路3、4也是自動滿足干涉條件，形成另一路干涉信號。為了使光路3、4不和1、2發(fā)生干涉，必須使3、4路徑和1、2路徑的長度差大于光 源的消相干長度。對于白光干涉系統(tǒng)來說，光源的消相干長度只有幾十微米，因此，很容易 實現(xiàn)這兩組路徑的不相干。本發(fā)明所提供的全光纖定位監(jiān)測系統(tǒng)在兩組干涉光路中分別接入了相位調(diào)制器 14、15。當(dāng)沒有這兩個相位調(diào)制器時，經(jīng)9或10的輸出的交流量可以表示為P = P^P2(1)= P1Cos [ Φ01+Δ φ J +P2Cos [ φ 02+ Δ φ2]其中，Pp P2是干涉I、II交流分量，Pl、P2為相應(yīng)的幅度，ΦQ1、Φ Q2為相應(yīng)的初始 相位，Δ φρ Δ Φ2為相應(yīng)的由感應(yīng)光纖受擾動產(chǎn)生的相位信號。這兩個干涉信號PpPJg 疊在一起無從分開。必須將P” P2分開，才可以實現(xiàn)這兩個信號攜帶信息的比較。在光路 中接入相位調(diào)制器14、15，利用相位載波技術(shù)則可以達(dá)到這一目的。當(dāng)在相位調(diào)制器14、15 上分別施加頻率fm2、fffll的余弦調(diào)制，此時有，P = P^P2(2)= P1Cos [ Φ01+Δ φ j+ φ Iii1COS (2 η fmlt) ] +p2cos [ φ 02+ Δ φ2+φ m2cos (2 η fm2t)]P^i = 1、2)用Jn階貝塞爾函數(shù)展開后，變?yōu)镻i = PiCos [ Φ 0i+Δ φ j+φ micos (2 π fmit)]= PiCos ( Φ 0i+ Δ φ ^ [J0 ( φ mi) +2J2 ( Φ mi) cos (4 π fmit) + Λ ] +(3)PiSin (Φ0 +Δ φ ^ [2^ ( Φ mi) cos (2 π fmit) +2J3 ( Φ mi) cos (6 π fmit) + Λ ]從上可以看出，ZpJiQJsir^cKi+Aφ J1 ( φω ) cos (2 π fmit)的頻譜是將時域 信號8 ι(ΦΜ+Δ φη )的頻譜特征從O頻率附近平移到頻率fmi處，當(dāng)。與^間距足夠大， 就可以將其相應(yīng)的干涉子系統(tǒng)信號的頻譜特征通過譜的平移徹底分開。通過同步解調(diào)技術(shù)，對不同的載波信號采用相應(yīng)的參考頻率，即提取出相應(yīng)的干涉信號變量Pil = 2Ρ Λ(Φω )8 η(Φ0 +Δ φ(i = 1,2)(4)因而，通過這種相位載波復(fù)用技術(shù)可以將對單芯光纜6擾動產(chǎn)生的干涉信號I、II 分開。進(jìn)一步，通過傳統(tǒng)的相位解調(diào)方法可以獲得相應(yīng)的相位變化信息Δ φρ Δ φ2。上述的分析只涉及到一種信號解調(diào)方案，類似的信號解調(diào)的技術(shù)還有多種，且較 為成熟。信號解調(diào)的過程可以通過硬件實現(xiàn)，也可以用軟件來實現(xiàn)。系統(tǒng)在獲得Δ φ ρ Δ φ2后，即可通過對Δ φ ρ Δ Φ2之間的相互關(guān)聯(lián)性獲得擾動 點(diǎn)的位置信息。例如，可以利用兩者時域中的起跳點(diǎn)的延遲關(guān)系。設(shè)擾動點(diǎn)7距分路器3 的端口 3a距離為Li，距分路器3的端口 3a距離為L2，擾動引起的相位變化為樹0，為簡化
分析，忽略系統(tǒng)器件間連接光纖較短段帶來的時延，則有
邠—竺)+沖-竺-如邠-+沖(5)
CCCC
從二 墜)+樹-墜…+沖-^增-^^U) (6)
CCCC其中，τ為延遲線圈5帶來的時延，η為光纖的有效折射系數(shù)，c為真空中的光速。
比較(5)、(6)式可得，Δ Φρ Δ φ2的起跳點(diǎn)之間存在時間延遲Δ =·^^，如圖3所示。
c
則通過對時間延遲的測量可以計算出擾動點(diǎn)的位置。圖2(b)是本系統(tǒng)的另一種結(jié)構(gòu)示意圖，該結(jié)構(gòu)中的分路器1使用的是2X2分路
ο本發(fā)明所提供的全光纖定位監(jiān)測系統(tǒng)采用白光干涉系統(tǒng)，使用的光源是時間相干 性差，空間相干性好的寬帶光源，可以是超輻射發(fā)光二極管(SLD)、ASE光源。分路器1、2、3、 4可以是均分或非均分的，可以是光纖耦合器，或是其他類型的光分路器。3、4可以是1X2 分路器，也可以是2X2分路器。反射裝置12、13可以是平面鏡或是法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，相位調(diào) 制器14、15可以是將光纖繞在壓電陶瓷上制作而成，也可以是鈮酸鋰(LiNbO3)調(diào)制器。本發(fā)明所提供的全光纖定位監(jiān)測系統(tǒng)，通過相位載波技術(shù)對干涉主光路進(jìn)行復(fù) 用，等效于兩套干涉系統(tǒng)的組合效果。本系統(tǒng)在光路上僅需對一套的干涉系統(tǒng)光路稍加改 進(jìn)即可實現(xiàn)。本系統(tǒng)從共同的光輸出端口獲得兩個信息相關(guān)的干涉信號，通過對這兩個干 涉信號間相互關(guān)系的分析，獲得擾動的位置信息。由于系統(tǒng)對主干涉光路進(jìn)行復(fù)用，等效干 涉系統(tǒng)的主要參數(shù)有很好的一致性，因此干涉信號之間的相關(guān)性好，有利于擾動點(diǎn)的定位， 系統(tǒng)的準(zhǔn)確性高。本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是使用全光纖白光干涉結(jié)構(gòu)，大大降低了激光光纖干 涉系統(tǒng)中由于激光的強(qiáng)時間相干性帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定。


圖1 現(xiàn)有技術(shù)的一種全光纖白光干涉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖2 本發(fā)明所的全光纖定位監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1是3X3或2X2光分路器，2是2X2或2X1光分路器，3、4是2X2或2X1 光分路器，5是光纖延遲線圈，6是光纜或光纖，7是擾動點(diǎn)，8是光源，9、10是光電轉(zhuǎn)換裝置，
511是信號處理系統(tǒng)，12、13是反射裝置，14、15是相位調(diào)制器，17是相應(yīng)的干涉主光路組合單元。圖3 解調(diào)出來的的兩種干涉信號的延遲關(guān)系示意圖。圖4 實施例結(jié)構(gòu)示意圖，其中6是感應(yīng)光纜、18是需要防范的區(qū)域。
具體實施方案以下結(jié)合具體的實施例，對本發(fā)明做進(jìn)一步的闡述。實施例僅用于對本發(fā)明做說 明而不是對本發(fā)明的限制。實施例1本實施例中，在需要防范的區(qū)域18周圍布設(shè)了一圈感應(yīng)光纜6，形成一光纖周界， 系統(tǒng)的布設(shè)如圖4所示。所用的光源8為S03-B型超輻射發(fā)光管(SLD)，干涉系統(tǒng)中使用的3X3分路器為 均分的光纖分路器，光纖分路器均為單模光纖分路器。延遲線圈5所用的光纖為G652型單 模光纖。感應(yīng)光纜6為野戰(zhàn)光纖，跳線為FC/PC型單模光纖跳線，光電探測器9、10為型號 為GT322C500的InGaAs光電探測器。兩相位調(diào)制器上施加的頻率分別為100kHz，150kHz。 當(dāng)感應(yīng)光纜6感應(yīng)到擾動時，信號處理系統(tǒng)11對光電探測器8、9輸入的信號進(jìn)行解調(diào)、相 位還原，最后判斷擾動發(fā)生的位置及性質(zhì)。光纜6的總長度為10km，當(dāng)測得的兩干涉信號延 遲為At = 200ns，通過系統(tǒng)根據(jù)發(fā)明內(nèi)容所提供的計算方法，測得擾動位置距離分路器3 的端口 3c的距離為5020m。
權(quán)利要求
一種全光纖定位監(jiān)測系統(tǒng)，其干涉主光路組合單元(17)中包括光分路器(1)、(2)，光纖延遲線圈(5)，其特征在于，還包括光分路器(3)、(4)，相位調(diào)制器(14)、(15)和反射裝置(12)、(13)。
2.如權(quán)利要求1所述的全光纖定位監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，相位調(diào)制器(14)、(15)上 分別施加調(diào)制頻率fm2、fml。
3.如權(quán)利要求1所述的全光纖定位監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于從光分路器(1)輸出兩對干 涉信號，通過相位載波技術(shù)，對干涉主光路組合單元(17)進(jìn)行復(fù)用。
4.如權(quán)利要求1所述的全光纖定位監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于光源(8)是白光干涉光源。
5.如權(quán)利要求4所述的全光纖定位監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于光源(8)是超輻射發(fā)光二極管。
6.如權(quán)利要求1所述的全光纖定位監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于光分路器(1)、(2)、(3)、(4) 是均分或非均分的，或是光纖耦合器，或是其他類型的光分路器。
7.如權(quán)利要求1所述的全光纖定位監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于光分路器(1)是3X3光分路 器，或是2X2光分路器。
8.如權(quán)利要求1所述的全光纖定位監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于光分路器(2)、(3)、(4)是 2 X 2光分路器，或是2 X 1光分路器。
9.如權(quán)利要求1所述的全光纖定位監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于相位調(diào)制器(14)、(15)是將 光纖繞在壓電陶瓷上制作而成，或是鈮酸鋰(LiNbO3)調(diào)制器。
10.如權(quán)利要求1所述的全光纖定位監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于反射裝置(12)、(13)是平 面鏡，或是法拉第旋轉(zhuǎn)鏡。
全文摘要
本發(fā)明屬光纖傳感領(lǐng)域，涉及一種新型的全光纖定位監(jiān)測系統(tǒng)。尤其是一種全光纖白光干涉系統(tǒng)。本系統(tǒng)在一套干涉系統(tǒng)上通過相位載波復(fù)用，實現(xiàn)兩套系統(tǒng)組合作用的效果，即獲得來自同一擾動源的兩種干涉信號，通過這兩種信號之間的關(guān)系來判斷擾動發(fā)生的位置，由于系統(tǒng)對主干涉光路進(jìn)行復(fù)用，等效干涉系統(tǒng)的主要參數(shù)有很好的一致性，因此干涉信號之間的相關(guān)性好，有利于擾動點(diǎn)的定位，系統(tǒng)的準(zhǔn)確性高。
文檔編號G01D5/26GK101922946SQ200910053268
公開日2010年12月22日 申請日期2009年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月17日
發(fā)明者肖倩, 賈波 申請人:復(fù)旦大學(xué)