基于马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统及传感方法 【技术领域】
本发明属于传感技术领域，涉及一种基于马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统及传感方法。
背景技术
光纤传感器可用于通讯、工程、物理参数测量等领域，随着技术和需求的发展，它由单点检测逐渐发展成为多点准分布式和全分布式检测。全分布式光纤传感测量是利用光纤的一维空间连续特性进行测量的技术，整个光纤长度上的任意一点都是敏感点，属于“海量”测量，检测没有盲区，并包容了光纤的不受电磁干扰，灵敏度高，可靠性高，耐腐蚀，体积小等诸多优点，因此成为目前国内外研究的热点。全分布式光纤振动传感是分布式光纤传感的一个重要分支，利用光纤的应力敏感特性，连续实时地监测作用于光纤上的压力或光纤附近的振动干涉型光纤传感器具有极高的探测灵敏度。但是在分布式传感中如何实现准确定位是一个难题，目前针对于干涉型分布式光纤传感器的设计，大多是基于萨格纳克、马赫-泽德和迈克尔逊等干涉仪复用的方法，而传统的这些系统结构复杂、信号处理困难，而且不易处理对于外界扰动对于参考臂的影响而照成的误报。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统及传感方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
一种基于马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统，包括感应模块，检测模块，采集模块，处理模块；感应模块用以感应外界的振动；检测模块与感应模块相连，用以检测振动的相关数据；采集模块与检测模块相连，用以采集检测模块检测到的数据；处理模块与采集模块相连，用以对采集到的数据进行处理。
作为本发明的一种优选方案，所述感应模块为感应光缆。
作为本发明的另一种优选方案，所述检测模块包括光源，第一耦合器，第二耦合器，第三耦合器，第四耦合器，第五耦合器，第一延时光纤，第二延时光纤，第一探测器，第二探测器；光源用以发出光信号；第一耦合器用以接收来自光源的光信号，并将所述光信号分为2路光信号；第二耦合器用以接收来自第一耦合器的一路光信号；第三耦合器用以接收来自第一耦合器的另一路光信号；第一延时光纤与第二耦合器和第四耦合器相连，用以传输光信号；第二延时光纤与第三耦合器和第五耦合器相连，用以传输光信号；第四耦合器与感应光缆的一端相连；第五耦合器与感应光缆的另一端相连；第一探测器一端与第二耦合器相连，另一端与采集模块相连；第二探测器一端与第三耦合器相连，另一端与采集模块相连。
作为本发明的再一种优选方案，所述光源为为DFB-LD激光器；所述第一耦合器，第二耦合器，第三耦合器，第四耦合器，第五耦合器均为2×2光纤耦合器。
作为本发明的再一种优选方案，所述采集模块为高速数据采集卡。
作为本发明的再一种优选方案，所述处理模块为计算机。
基于马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统的传感方法，包括以下步骤：
步骤一，光源发出直流单色光，通过第一耦合器后分别进入第二耦合器和第三耦合器；
步骤二，进入第二耦合器的光一路通过第一延时光纤进入第四耦合器，再通过感应光缆进入第五耦合器中，然后不通过第二延时光纤直接到达第三耦合器；
步骤三，进入第二耦合器的光另一路不通过第一延时光纤直接进入第四耦合器，再通过感应光缆进入第五耦合器中，然后通过第二延时光纤到达第三耦合器；
步骤四，步骤三所述的到达第三耦合器的光与步骤二所述的到达第三耦合器的光在第三耦合器处发生干涉；
步骤五，与步骤二同时发生，进入第三耦合器的光一路通过第二延时光纤进入第五耦合器，再通过感应光缆进入第四耦合器中，然后不通过第一延时光纤直接到达第二耦合器；
步骤六，进入第三耦合器的光另一路不通过第二延时光纤直接进入第五耦合器，再通过感应光缆进入第四耦合器中，然后通过第一延时光纤到达第二耦合器；
步骤七，步骤六所述的到达第二耦合器的光与步骤五所述的到达第二耦合器的光在第二耦合器处发生干涉。
本发明的有益效果在于：本发明的传感部分完全无源，检测灵敏度和定位精度高，结构简单，成本低，不受环境干扰和限制，而且能够分辨光纤上同时出现的多点振动。
【附图说明】
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1为本发明的系统框图；
图2为本发明的系统原理示意图；
图3为P点发生振动事件时的光波传播路径图。
主要组件符号说明：
1、第一耦合器； 2、第二耦合器；
3、第三耦合器； 4、第四耦合器；
5、第五耦合器； 6、第一延时光纤；
7、第二延时光纤； 8、第一探测器；
9、第二探测器； 10、感应光缆。
【具体实施方式】
本发明是一种基于环形马赫-泽德干涉仪结构的多防区定位型光纤振动传感系统及传感方法，通过加入两段延时光纤将其中的参考光纤部分省去，耦合器组成的分光单元在干涉仪光路中引入环结构，将直线型干涉仪转化为环型回路，使得一个马赫-泽德干涉仪中相向传输两路光波，相当于构成双马赫-泽德干涉仪。当振动作用于感应光缆时，相向传输的两路直流光波同时产生相同地相位信号并沿不同的路径传输至光接收单元，采用直流光动态定位技术分析接收信号即可实时获得振动信号的空间位置和频率、幅度等特性参数。本发明仅需在监控区域周围铺设一条普通光缆就能够保证在长距离范围内连续、实时地对干扰(挖掘、入侵、破坏等)进行分布式检测。
本发明的系统结构图如图1所示，两路相关信号分别为光路
(1)1-2-6-4-10-5-3；
(2)1-2-4-10-5-7-3；
此二路光的干涉信号被光电探测器9接收；
(3)1-3-7-5-10-4-2；
(4)1-3-5-10-6-4-2；
此二路光的干涉信号被光电探测器8接收。
实施例一
本实施例是一种基于马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统，如图1所示，包括感应模块，检测模块，采集模块，处理模块；感应模块用以感应外界的振动；检测模块与感应模块相连，用以检测振动的相关数据；采集模块与检测模块相连，用以采集检测模块检测到的数据；处理模块与采集模块相连，用以对采集到的数据进行处理。
所述感应模块为感应光缆。所述检测模块包括光源，第一耦合器，第二耦合器，第三耦合器，第四耦合器，第五耦合器，第一延时光纤，第二延时光纤，第一探测器，第二探测器；光源用以发出光信号；第一耦合器用以接收来自光源的光信号，并将所述光信号分为2路光信号；第二耦合器用以接收来自第一耦合器的一路光信号；第三耦合器用以接收来自第一耦合器的另一路光信号；第一延时光纤与第二耦合器和第四耦合器相连，用以传输光信号；第二延时光纤与第三耦合器和第五耦合器相连，用以传输光信号；第四耦合器与感应光缆的一端相连；第五耦合器与感应光缆的另一端相连；第一探测器一端与第二耦合器相连，另一端与采集模块相连；第二探测器一端与第三耦合器相连，另一端与采集模块相连。所述光源为为DFB-LD激光器；所述第一耦合器，第二耦合器，第三耦合器，第四耦合器，第五耦合器均为2×2光纤耦合器。所述采集模块为高速数据采集卡。所述处理模块为计算机。
基于马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统的传感方法，包括以下步骤：
步骤一，光源发出直流单色光，通过第一耦合器后分别进入第二耦合器和第三耦合器；
步骤二，进入第二耦合器的光一路通过第一延时光纤进入第四耦合器，再通过感应光缆进入第五耦合器中，然后不通过第二延时光纤直接到达第三耦合器；
步骤三，进入第二耦合器的光另一路不通过第一延时光纤直接进入第四耦合器，再通过感应光缆进入第五耦合器中，然后通过第二延时光纤到达第三耦合器；
步骤四，步骤三所述的到达第三耦合器的光与步骤二所述的到达第三耦合器的光在第三耦合器处发生干涉；
步骤五，与步骤二同时发生，进入第三耦合器的光一路通过第二延时光纤进入第五耦合器，再通过感应光缆进入第四耦合器中，然后不通过第一延时光纤直接到达第二耦合器；
步骤六，进入第三耦合器的光另一路不通过第二延时光纤直接进入第五耦合器，再通过感应光缆进入第四耦合器中，然后通过第一延时光纤到达第二耦合器；
步骤七，步骤六所述的到达第二耦合器的光与步骤五所述的到达第二耦合器的光在第二耦合器处发生干涉。
实施例二
本实施例描述的是采用长程马赫-泽德干涉仪结构设计的光纤振动传感系统。当外界振动信号作用于感应光缆时，传输的光信号受到相位调制，表现为输出干涉信号的光强变化，利用光相位调制型传感的高灵敏度特性，使传感系统适用于微弱信号的探测。为了克服传统干涉仪相干长度有限的不足，本实施例采用单色性极好的DFH激光器作为光源。
传感系统的直流定位原理如图2、图3所示，第四耦合器4为感应光缆10的起点，第五耦合器5为感应光缆10的终点，P为振动发生位置，其中，从第四耦合器4到第五耦合器5之间的感应光缆总长为L，光波在光纤中的传播速度V＝c/n已知，这里，c为光速，n为光纤芯折射率。设第四耦合器4和P两点之间的光纤长度为Z，则第五耦合器5至P之间的光纤长度为L-Z，当感应光缆10在P点发生一振动事件时，感应光缆中顺时针方向CW传播和逆时针方向CCW传播的两束直流光波同时受到相同的相位调制，并继续沿各自的方向向前传播：
延CW方向的传播路径P-5为：
LCW＝L-Z (1)
延CCW方向的传播路径P-4为：
LCWW＝Z (2)
由于传输路径不同，两束光波到达监测终端的时间不同，两路信号波形之间的时间差为：
ΔT＝(L-2Z)/V (3)
测量出ΔT即可利用公式：
Z=(L-ΔT·cn)/2---(4)]]>
求出振动发生点P的位置。
实施例三
光信号由激光器输出进入第一耦合器1后分为两路，分别进入第二耦合器2和第三耦合器3中，其中进入第二耦合器2中可以发生干涉的两路光信号如下：
第一路光信号：进入第二耦合器2中的光一路通过第一延时光纤6进入第四耦合器4，再进入传感光缆10，通过传感光缆10进入第五耦合器5，然后不通过第二延时光纤7直接到达第三耦合器3；
第二路光信号：进入第二耦合器2中的另一路光不通过第一延时光纤6直接进入第四耦合器4，再进入传感光缆10，通过传感光缆10进入第五耦合器5，再通过第二延时光纤7到达第三耦合器3。
两路光信号在第三耦合器3处发生干涉。
当P点处发生振动时，设第一延时光纤6和第二延时光纤7的长度为1＝1km，则两路光信号存在一个时间差：
τ=lnc---(5)]]>
则两路光信号可以表示为：
f1＝f0+F(t) (6)
f2＝f0+F(t-τ) (7)
其中，f0为原波，F(t)表示外界扰动对光纤造成扰动的波。在第二探测器9处探测到的振动可以表示为
P(t)=|E(t)|2{2+2cos[2πτ·F(t-τ2)+φ0]}---(8)]]>
其中，第二探测器9所接收的一束光的幅度为E(t)，两束光初始相位差为φ0。
光信号由激光器输出进入第一耦合器1后分为两路，分别进入第二耦合器2和第三耦合器3中，其中进入第三耦合器3中可以发生干涉的两路光信号如下：
第三路光信号：进入第三耦合器3中的光一路通过第二延时光纤7进入第五耦合器5，再进入传感光缆10，光信号通过传感光缆10进入第四耦合器4，然后不通过第一延时光纤6直接到达第二耦合器2；
第四路光信号：进入第三耦合器3的另一路光不通过第二延时光纤7直接进入第五耦合器5，再进入传感光缆10，通过传感光缆10进入第四耦合器4，然后通过第一延时光纤6到达第二耦合器2；
两路光信号在第二耦合器2处发生干涉，其干涉原理与第一路、第二路相同。
将通过探测获得的两路干涉信号的时间差带入公式(4)中进行定位。传感系统中由于第一延时光纤6和第二延时光纤7的实际长度存在差异，因此系统需要使用相干性高的光源。本系统使用1310nm，1.25G模拟传输用DFB-LD激光器，其相干长度为5.7米，因此系统需要使第一延时光纤6和第二延时光纤7之间的距离差在5.7米以内。
本发明通过两段等长的延时光纤代替传统的双M-Z干涉仪结构，使得本系统克服了原系统的以下两个问题：
1、由于参考光纤和传感光纤的实际长度上的差异性而导致系统对于激光器的干涉要求过高。
2、由于参考光纤和传感光纤都敷设在系统外部，使得同一外部扰动可能会同时影响到参考光纤和传感光纤而使得系统的探测并不准确。
本发明使用一根传感光缆对防区进行振动入侵探测，省去了参考光纤，从而减少了参考光纤的扰动对探测的影响，因此具有很高的灵敏度；相对于传统的光纤振动入侵探测系统而言，本发明可以进行空间定位，对振动的探测更为准确，也使得施工更为简易，同时实现了监控区域的定位报警。
本发明的传感部分完全无源，检测灵敏度和定位精度高，结构简单，成本低，不受环境干扰和限制，而且能够分辨光纤上同时出现的多点振动。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。