[發明專利]基于互注入半導體激光器和非平衡馬赫-曾德爾干涉儀的分布式光纖傳感系統及其定位方法

在審

• 申請號: 202110957137.6
• 申請日: 2021-08-19
• 公開（公告）號: CN113834508A
• 公開（公告）日: 2021-12-24
• 發明（設計）人: 方捻;孟祥林;王陸唐
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

本發明公開了一種基于互注入半導體激光器和非平衡馬赫?曾德爾干涉儀的分布式光纖傳感系統及其定位方法。傳感系統包括依次連接的激光器甲、偏振控制器甲、耦合器甲、非平衡馬赫?曾德爾干涉儀、耦合器乙、偏振控制器乙和激光器乙，所述耦合器甲乙的直通端輸出從兩個相反方向分別輸入非平衡馬赫?曾德爾干涉儀，耦合端輸出分別進入探測器甲乙轉成電信號，通過數據采集與處理單元，實現擾動的檢測與定位，步驟如下：根據任一輸出信號的幅度是否出現兩次變化，判定是否有擾動發生；確定探測器甲乙的輸出信號兩次幅度變化的時間間隔Δτ₁和Δτ₂；當Δτ₁Δτ₂，擾動點離耦合器甲的距離x＝(L_s+L_r)/2?cΔτ₁/(2n)。當Δτ₁Δτ₂，x＝(L_s?L_r)/2+cΔτ₂/(2n)。當Δτ₁＝Δτ₂，x＝L_s/2。本發明系統工作穩定，定位方法簡單、準確、實時性好。

技術領域

本發明涉及一種分布式光纖傳感系統及其定位方法，特別是一種基于互注入半導體激光器和非平衡馬赫-曾德爾干涉儀的分布式光纖傳感系統及其定位方法，屬于光纖傳感領域。

背景技術

隨著國民經濟的快速發展及全球基礎設施的大規模建設，對于大型建筑物、工業設備的質量監控及周界安全警戒的需求與日俱增。分布式光纖傳感系統以光纖作為傳感單元以及傳輸介質，可以實現在連續長距離情況下對外界振動信號的監測，具有結構簡單、頻帶響應寬、測量范圍廣、精度高等優點，可以長期工作在高溫高濕、易燃易爆以及強電磁場干擾等條件惡劣的環境中，在軌道交通監控、航空航天探測、礦井安全監測、供電網絡傳輸安全檢測、建筑結構測量以及周界入侵警戒等領域具有廣泛的應用前景。

利用干涉儀實現分布式光纖傳感是比較有發展前途的技術方案之一。目前主要基于四種類型的干涉儀：法布里-珀羅(Fabry-Perot)、邁克爾遜(Michelson)、薩尼亞克(Sagnac)、馬赫-曾德爾(Mach-Zehnder)干涉儀，以及它們之間的相互組合形式。雖然基于干涉儀結構的分布式光纖傳感系統對外界擾動的檢測靈敏度極高，但是法布里-珀羅干涉型系統由于其結構的局限不能實現全分布式檢測，邁克爾遜干涉型系統自身無法定位，即使與其它干涉儀組合，由于其反射裝置會引起噪聲，使得相位易受影響，仍然無法精確定位，而薩尼亞克干涉型系統需要復雜的信號解調算法，且定位結果易受環境噪聲的影響。馬赫-曾德爾干涉型系統無需解調，定位方法簡單，但由于使用雙臂結構造成系統易受環境影響，需要對參考臂進行隔離保護，這成為了亟待解決的技術問題。

發明內容

為了解決現有技術問題，本發明的目的在于克服已有技術存在的馬赫-曾德爾干涉型分布式光纖傳感系統的不足，提供一種基于互注入半導體激光器和非平衡馬赫-曾德爾干涉儀的分布式光纖傳感系統及其定位方法。本發明把非平衡馬赫-曾德爾干涉儀插入互注入半導體激光器系統中。干涉儀的臂長差大于激光器的相干長度，外部擾動引起的相位變化到強度變化的轉換不是利用馬赫-曾德爾干涉效應，而是利用非平衡馬赫-曾德爾干涉儀兩臂對半導體激光器的光注入效應來實現。若互注入半導體激光器工作在單周期振蕩狀態，則具有相等GHz微波頻率間隔的光波的相位是鎖定的，可以減少光學相位噪聲，從而提高輸出信號的信噪比。利用互注入半導體激光器的同步特性獲取擾動位置信息。無需隔離保護和信號互相關處理，系統工作狀態穩定，定位方法簡單、準確，且對光源的相干性要求不高。

為達到上述發明創造目的，本發明采用如下技術方案：

一種基于互注入半導體激光器和非平衡馬赫-曾德爾干涉儀的分布式光纖傳感系統，包括依次連接的激光器甲、偏振控制器甲、耦合器甲、非平衡馬赫-曾德爾干涉儀、耦合器乙、偏振控制器乙和激光器乙；所述耦合器甲和耦合器乙的直通端輸出從兩個相反方向分別輸入非平衡馬赫-曾德爾干涉儀，所述耦合器甲和耦合器乙的耦合端輸出分別進入探測器甲和探測器乙轉成電信號，通過一個數據采集與處理單元，實現擾動的檢測與定位。