[發(fā)明專利]Sagnac/Mach-Zehnder干涉儀分布光纖傳感系統(tǒng)及其時域定位方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010152403.X
• 申請日: 2010-04-20
• 公開（公告）號: CN101813238A
• 公開（公告）日: 2010-08-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 方捻;李杰;王陸唐;黃肇明
• 申請（專利權(quán)）人: 上海大學(xué)
• 主分類號: F17D5/02
• 分類號: F17D5/02
• 代理公司: 上海上大專利事務(wù)所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種分布光纖傳感系統(tǒng)及其時域定位方法。是一種適用于油、氣管道泄漏檢 測或光纖圍欄的Sagnac/Mach-Zehnder干涉儀分布光纖傳感系統(tǒng)及其時域相關(guān)定位方法。

背景技術(shù)

近來出于對各種油、氣運輸管道的運行安全和國防或民用周界安全防范的需要，分布光 纖傳感系統(tǒng)的研究越來越受到人們的重視，其中利用干涉技術(shù)的分布光纖傳感系統(tǒng)是近期研 究的熱點。

典型的干涉形式主要有Sagnac干涉儀和Mach-Zehnder干涉儀。Sagnac干涉儀分布光纖 傳感系統(tǒng)利用單光路進(jìn)行雙光束干涉，對環(huán)境變化不敏感，在管道泄漏檢測方面已實用化， 但由于其采用泄漏信號頻譜的零點頻率法定位，系統(tǒng)的信號解調(diào)比較復(fù)雜，而且檢測距離受 限于泄漏信號的頻譜寬度。Mach-Zehnder干涉儀分布光纖傳感系統(tǒng)采用互相關(guān)運算確定時延 的定位技術(shù)，信號解調(diào)簡單，但由于Mach-Zehnder干涉儀需要雙向工作，需要兩個激光器， 成本高；或通過耦合器把一個激光器輸出的激光分為兩束，讓其中一束經(jīng)過很長的一段傳輸 光纖輸送到Mach-Zehnder干涉儀的另一端，造成鋪設(shè)和使用不便。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服Sagnac干涉儀與Mach-Zehnder干涉儀的不足，提供一種 Sagnac/Mach-Zehnder干涉儀分布光纖傳感系統(tǒng)及其時域定位方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是：本發(fā)明的分布光纖傳感系統(tǒng)由3個光纖耦合器與4 根光纖構(gòu)成的Sagnac干涉儀和Mach-Zehnder干涉儀的嵌套結(jié)構(gòu)(簡稱Sagnac/Mach-Zehnder 干涉儀)組成。Sagnac/Mach-Zehnder干涉儀分別與一個相干光源和兩個光電探測器相連。只 有Sagnac干涉光纖環(huán)的一半作為傳感光纖，其長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Mach-Zehnder干涉儀中兩根連 接光纖的長度。

所述的Sagnac/Mach-Zehnder干涉儀分布光纖傳感系統(tǒng)的時域定位方法，其特征在于利用 Sagnac干涉儀和Mach-Zehnder干涉儀的輸出信號的互相關(guān)運算確定擾動傳播到傳感光纖一 端所用的時間。互相關(guān)曲線的最大值點的延遲時間對應(yīng)該時間，由該時間確定擾動位置。

本發(fā)明可用于油、氣運輸管道的泄漏檢測，也可用于周界防衛(wèi)，即光纖圍欄。所述的光 纖圍欄的鋪設(shè)方式可以為埋在地下或墻頭，也可以為鋪設(shè)地表或安裝于柵欄上。

工作原理與特點：當(dāng)傳感光纖在距離第一耦合器1處受到擾動，擾動引起傳感光纖中傳輸?shù)? 光的相位被調(diào)制，設(shè)擾動引起的相位調(diào)制為為其幅度，ω_s為其角頻率。 由于傳感光纖長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于兩根連接光纖的長度，在第一耦合器處產(chǎn)生由擾動導(dǎo)致的干涉信 號，其交流輸出可表示為E_s0為光到達(dá)第一光電探測 器的電場幅值，τ為光沿傳感光纖傳播所用的時間，τ_r為擾動傳播到第三耦合器所用的時間。 同時，傳感光纖中攜帶相位調(diào)制信息的光沿Mach-Zehnder干涉儀的傳感臂傳播，在第三耦合 器處與沿Mach-Zehnder干涉儀的參考臂傳播來的光相遇，產(chǎn)生由該擾動導(dǎo)致的干涉信號，其 交流輸出可表示為E_m0為光到達(dá)第二光電探測器的電場幅值。當(dāng) 較小時，兩個干涉議的交流輸出都類似余弦函數(shù)，兩者是相關(guān)的，通過信號處理系統(tǒng)計算 它們的互相關(guān)，互相關(guān)的最大值點的延遲時間對應(yīng)擾動傳播到第一耦合器所用的時間τ_l＝τ-τ_r， 進(jìn)而由l＝cτ_l/n得到擾動距離第一耦合器的距離l，其中c為光在真空中的傳播速度，n為 光纖纖芯的折射率。

由于信號和噪聲之間是不相關(guān)的，因此，利用互相關(guān)運算定位，還能去除系統(tǒng)的隨機噪 聲，提高定位精度。

根據(jù)上述發(fā)明內(nèi)容，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：