阅读说明：本技术 基于Michelson-Sagnac光纤干涉仪的分布式传感系统 (Distributed sensing system based on Michelson-Sagnac fiber optic interferometer ) 是由 贾波 宋秋衡 吴红艳 于 2019-11-29 设计创作，主要内容包括：本发明属于光纤传感技术领域,具体为基于Michelson-Sagnac光纤干涉仪的分布式传感系统。本发明系统以Michelson光纤干涉仪两臂作为传感臂,两传感臂通过信号分析算法分辨开来；两个干涉仪同时探测同一时变扰动,对解调出的相位进行相加相减处理,获得具有时间延迟的两路信号,通过互相关获得与扰动位置相关的时间延迟,即可计算出扰动位置信息。该系统最大探测距离可达140km,且无盲区。本发明系统利用Michelson-Sagnac混合光纤干涉仪实现分布式光纤传感与定位,提高长距离分布式传感灵敏度与定位精度,扩大了分布式光纤传感系统频率响应范围,解决了传统方案应用于地埋光缆定位时无法定位的难题。(The invention belongs to the technical field of optical fiber sensing, and particularly relates to a distributed sensing system based on a Michelson-Sagnac optical fiber interferometer. The system takes two arms of a Michelson optical fiber interferometer as sensing arms, and the two sensing arms are distinguished through a signal analysis algorithm; the two interferometers simultaneously detect the same time-varying disturbance, the demodulated phases are added and subtracted to obtain two paths of signals with time delay, and the time delay related to the disturbance position is obtained through cross correlation, so that the disturbance position information can be calculated. The maximum detection distance of the system can reach 140km without blind areas. The system realizes distributed optical fiber sensing and positioning by using the Michelson-Sagnac hybrid optical fiber interferometer, improves the sensitivity and positioning accuracy of long-distance distributed sensing, enlarges the frequency response range of the distributed optical fiber sensing system, and solves the problem that the traditional scheme cannot position when applied to positioning of an underground optical cable.)

基于Michelson-Sagnac光纤干涉仪的分布式传感系统

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及基于Michelson-Sagnac光纤干涉仪的分布式传感系统。

背景技术

分布式光纤传感器常被应用于周界安防，油管泄漏监测，电力电缆破坏监测，桥梁安全监测等领域。光纤集传感与传输于一体，可以在整个光纤长度上进行连续振动或温度测量，同时获得被测量的具***置。基于Michelson光纤干涉仪的分布式光纤传感系统具有两臂传感，以及对低频信号具有较高的灵敏度的特点。然而利用该结构的分布式传感与定位应用中，无论是基于时延估计或者陷波点算法，均不适用于低频振动条件。基于Sagnac光纤干涉仪具有微分效应，可以天然隔离一定程度的环境影响。然而，也会滤除掉部分低频振动信号，在微小扰动信号的传感与定位应用中具有一定劣势。本发明基于Michelson-Sagnac融合干涉仪，通过相位还原及信号处理的方法，获得传感路径的扰动并实现定位。充分利用两种干涉仪的优点，可利用低于200Hz的振动实现扰动定位的功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高分布式光纤传感器灵敏度与定位精度的基于Michelson-Sagnac光纤干涉仪的分布式传感系统。

本发明是利用Michelson-Sagnac混合光纤干涉仪实现分布式光纤传感与定位，并提供一种基于Michelson-Sagnac光纤干涉仪传感与定位解调算法。本发明可以提高长距离分布式光纤传感灵敏度与定位精度，扩大分布式光纤传感系统频率响应范围，解决传统方案应用于地埋光缆定位时无法定位的难题。

本发明提供的基于Michelson-Sagnac光纤干涉仪的分布式传感系统，以Michelson光纤干涉仪两臂作为传感臂，两传感臂可以通过信号分析算法分辨开来；其结构参见图1所示。其中：

基于Michelson干涉仪的分布式两臂传感系统包括：窄带激光器，光隔离器，第一探测器，第三探测器，3×3光纤耦合器，第一传感光缆，第二传感光缆，第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜；窄带激光器发射出相干光波，被3×3光纤耦合器分成三束相等功率的光，其中一束光通过打结的光纤时被耦合出纤芯；另外两束光作为探测光波分别进入第一传感臂1和第二传感臂2；其中第一探测光波1和第二探测光波2分别由第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜反射回来，再次进入3×3耦合器并产生干涉；外界环境对光缆的作用被记录在第一探测光波1和第二探测光波2的相位中；相位信息通过第一光探测器1和第三光探测器3的电压强度呈现出来；

基于Sagnac干涉仪的分布式两臂传感系统包括：宽谱激光器，光隔离器，第二光探测器，第光四探测器，3×3光纤耦合器，第一传感光缆1和第二传感光缆2组成的环形传感光缆；路径上采用偏振控制器；相位信息通过第二光探测器2和第四光探测器4的电压强度呈现出来。

本发明的基于Michelson-Sagnac光纤干涉仪分布式传感系统中，加入了光隔离器，以防止传感臂的后向散射光和反射回的信号光进入激光器，影响其工作状态；传感臂末端均采用法拉第旋转镜，以实现系统保持偏振稳定状态，路径上采用偏振控制器，以保证Sagnac具有稳定的干涉现象。

本发明的基于Michelson-Sagnac光纤干涉仪分布式传感系统中，迈克尔逊两臂均作为传感臂，沿着需要监测的路径铺展开。对扰动产生的相位差信号解调算法进行解调，分析相位差起始振幅的正负，辨别出振动所在传感臂，且计算出扰动位置和强度特征。

本发明的基于Michelson-Sagnac光纤干涉仪分布式传感系统中，对扰动产生的相位差信号进行通过解调算法进行解调，对解调出的相位进行相加相减处理，获得两路具有时间延迟的两路信号，通过互相关获得与扰动位置相关的时间延迟，即可获得扰动位置。

本发明的基于Michelson-Sagnac光纤干涉仪分布式传感系统中，所述的解调算法，具体如下：用两个波分复用器分离SI和MI的干涉信号，假设在L_x的距离点处施加时变扰动，则：

检测到的MI的两路干涉信号分别如下：

其中，E₀₁和E₀₃是光振幅，Δφ(t)是扰动引起的相位差，φ₀₁和φ₀₁是3×3耦合器的初始相位差。检测到的SI的两路干涉信号分别如下：

其中，E₀₂和E₀₄是光振幅，Δφ(t)是扰动引起的相位差,φ₀₁和φ₀₁是3×3耦合器的初始相位差。同一扰动导致的两个干涉仪的相位差Δφ_SI(t)和Δφ_MI(t)分别如下：

其中，τ_x是由长度L_x引起的时间延迟，L_x是从扰动点到TDF的时间点，τ₀是长度为L₀的TDF导致的时间延迟，c是真空中的光速，n是光纤在波长为λ₀时的折射率。

利用一种简单的信号处理算法，将同一扰动产生的相位差Δφ_SI(t)和Δφ_MI(t)相结合，产生具有固定时延的φ₁(t)和φ₂(t)。利用互相关算法计算出时间延时后，可以方便地确定扰动的位置。图2为该数据处理算法的框图。该算法流程如下：

通过对φ₁(t)和φ₂(t)做互相关函数，获得时间延迟2τ_x，获得扰动位置计算公式如下：

L_x＝cτ_x/2n。

本发明的基于Michelson-Sagnac光纤干涉仪分布式两臂传感系统中，第一传感臂1和第二传感臂2可以通过算法区分来。具体算法如下：

Michelson干涉仪相位差表达式表示如下：

其中，φ₁(t)和φ₁(t)分别代表第一传感臂1和第二传感臂2上的相位信息。由于外界温度和大气压强对光纤的影响是缓慢变化且很微弱，这里假设两传感臂环境条件是一致的，即无扰动时两臂相位差为零。假设在传感臂上的任何一点受到扰动，光弹性效应引起的信号光的相位变化可以描述为不同频率和幅度余弦波的叠加，表达式如下：

其中，Ψ_i，ω_i和φ_i分别代表信号的幅值，角频率和相位。当外界扰动作用在第一传感臂1时，根据两臂相位：

可得到：

当外界扰动作用在第二传感臂2时，根据两臂相位：

可得到：

因此，可以看出当外界扰动作用在不同传感臂上，获得的相位差是不同的。根据干涉公式：

其中，I₀表示输出光强度，φ₀(t)表示外界环境带来的两传感臂随机相位，φ₀表示3×3耦合器引入的固定相位。调出的Δφ(t)后，判断相位差振幅起始方向，即可辨别出扰动所作用的传感臂。

本发明系统最大探测距离可达140km，且无盲区。

本发明系统利用Michelson-Sagnac混合光纤干涉仪实现分布式光纤传感与定位，并提供一种基于该光纤干涉仪的传感与定位解调算法，提高长距离分布式传感灵敏度与定位精度，无论对于直接扰动或者间接扰动，均可以实现高精度定位。尤其是在地埋光缆传感的应用，相对于传统分方案具有突出的优势，扩大了分布式光纤传感系统频率响应范围，解决了传统方案应用于地埋光缆定位时无法定位的难题。

附图说明

图1为本发明基于Michelson-Sagnac光纤干涉仪分布式传感系统结构图。

图2为本发明基于Michelson-Sagnac光纤干涉仪分布式传感系统中定位算法流程图。

图3为采用本发明迈克尔逊光纤干涉仪分布式两臂传感系统，探测到MI和SI产生的干涉信号解调出的相位差Δφ_SI(t)和Δφ_MI(t)。

图4为采用本发明迈克尔逊光纤干涉仪分布式两臂传感系统，探测到MI和SI产生的干涉信号解调出的相位差经过数据处理后得到的两路信号φ₁(t)和φ₂(t)。

图5为本发明基于Michelson-Sagnac光纤干涉仪分布式传感系统，扰动直接作用于传感臂1时，处理后获得的信号φ₁(t)和φ₂(t)。

图6为本发明基于Michelson-Sagnac光纤干涉仪分布式传感系统，扰动直接作用于传感臂2时，处理后获得的信号φ₁(t)和φ₂(t)。

图7为本发明基于Michelson-Sagnac光纤干涉仪分布式传感系统，扰动分别作用于地埋光缆1的地表时，获得的相位差信号φ₁(t)和φ₂(t)。

图8为本发明基于Michelson-Sagnac光纤干涉仪分布式传感系统，扰动分别作用于地埋光缆2的地表时，获得的相位差信号φ₁(t)和φ₂(t)。

图中标号：1为第一光探测器；2为第二光探测器；3为第三光探测器；4为第四光探测器；5为宽谱光源；6为窄谱光源；7为第一波分复用器；8为第二波分复用器；9为第三波分复用器；10为第四波分复用器；11为第五波分复用器；12为3×3光纤耦合器；13为偏振控制器；14为光延时器；15为第一法拉第旋转镜；16为第二法拉第旋转镜；17为第一传感光缆；18为第二传感光缆；19为光学隔离器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

本发明基于Michelson-Sagnac光纤干涉仪分布式传感系统如图1所示，该系统采用的窄带激光器为中心波长为1550.12nm的分布式反馈激光器(DFB)，宽谱光源采用超辐射发光二极管(SLD)，通过中心波长为1550.12nm的200G滤波器耦合后作为注入光源。激光进入3×3光纤耦合器后将被分成三束相等功率的光，其中一束光通过打结的光纤时被耦合出纤芯。光学隔离器消除了光学反射，四个光电探测器PD1、PD2、PD3和PD4用于光电转换。在波分复用器2(WDM2)和波分复用器3(WDM3)之间存在一个延时光纤(TDF)，它位于光纤环路中心的中心。这确保了Sagnac干涉仪对常见的干扰具有较高的响应能力，并且消除了探测盲区。偏振控制器(PC)用于保证Sagnac干涉仪的干涉稳定性。利用3×3光耦合器的解调方案具有被动检测和低成本的优点，因为它在参考臂或激光器中不需要相位或频率调制，因此在光学域中没有有源组件。在光纤环路中，DFB的发出的激光将被法拉第旋转反射镜1(FRM1)和法拉第旋转反射镜2(FRM2)反射，这使两路光作为Michelson干涉仪工作，干涉信号被PD1和PD3接收转换成电信号。SLD发出的光被分成顺时针和逆时针两路光，干涉信号被PD2和PD4接收转换成电信号。利用带有采样率为500kS/s采集卡的计算机，采集光电信号并解调出相位差信息，通过如图2流程图中的算法后即可判断出扰动强度和位置。图3、图4所示为解调出Michelson和Sagnac干涉仪收到扰动后的相位差信号。图5、图6为外界扰动直接作用于传感臂1和传感臂2的40km时解调后并处理得到的信号。图7、图8为外界扰动作用透过土层作用于传感臂1和传感臂2的40km时解调后并处理得到的信号。可以看出两路信号具有固定的时延，通过该时延即可获得扰动位置信息。