[發明專利]基于雙馬赫-澤德干涉儀的光纖振動傳感系統及使用方法

有效

• 申請號: 200910114509.8
• 申請日: 2009-10-30
• 公開（公告）號: CN101701844A
• 公開（公告）日: 2010-05-05
• 發明（設計）人: 李焰;胡挺;張旭煒;王剛
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第三十四研究所
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 桂林市持衡專利商標事務所有限公司 45107
• 代理人: 歐陽波

(一)技術領域

本發明涉及光纖傳感技術，具體為一種基于雙馬赫-澤德干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。由于這些方法采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復雜，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、沖擊、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干擾、耐腐蝕、響應速度塊、靈敏度高、遠端免供電、體積小重量輕、測量范圍廣泛、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于周界安全防范、地震監測以及海嘯預警等傳感報警系統，其本質在于對振動信號的檢測和分析，由于光纖的本質特性對振動、應力及聲波等信號敏感，基于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干涉儀法。外界環境的變化會造成光纖干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。目前國內外報道的有：薩格奈克/馬赫-澤德(Sagnac/Mach-Zender)，薩格奈克/麥克爾遜(Sagnac/Michelson)，薩格奈克/薩格奈克(Sagnac/Sagnac)等組合干涉儀形式的傳感器。

馬赫-澤德光纖干涉儀具有光路結構簡單、靈敏度高、動態范圍大、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于該原理實現的。

當前基于馬赫-澤德干涉儀的光纖振動傳感系統的結構是這樣的：將當作為干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干涉儀的對端作為干涉儀的輸入光，同時將對端的干涉信號引回。計算兩路干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于，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，干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干涉，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干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

本發明的目的在于設計一種基于雙馬赫-澤德干涉儀的光纖振動傳感系統，在光纖干涉儀兩端的端機有獨立光源和探測采集模塊，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采集數據在時間上的一致性。

本發明的另一目的在于設計本發明的基于雙馬赫-澤德干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采用數字信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。

本發明設計的基于雙馬赫-澤德干涉儀的光纖振動傳感系統采用如下技術方案：包括含傳感光纖和光耦合器的馬赫-澤德干涉儀，本系統包括A端機和B端機，分別安裝在干涉儀的兩端，每臺端機均包括光源模塊、探測采集模塊、控制模塊和通信模塊，控制模塊連接光源模塊、探測采集模塊和通信模塊，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端機的探測采集模塊，構成第一個馬赫-澤德干涉儀；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端機的探測采集模塊，構成第二個馬赫-澤德干涉儀。

所述A端機和B端機的控制模塊為微處理器模塊，對光源模塊和探測采集模塊發送控制指令，讀取采集的數據。

所述光源模塊為窄線寬激光器，由于構成馬赫-澤德干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于兩根傳感光纖的長度差。

所述探測采集模塊包括有光電轉換電路、信號調理電路、模擬/數字信號轉換電路，數據緩存電路，用于實現對干涉信號的高速采集。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采集。

所述通信模塊實現兩臺端機間控制指令的傳遞及采集數據的傳輸。