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1、(10)申请公布号 CN 102997946 A (43)申请公布日 2013.03.27 CN 102997946 A *CN102997946A* (21)申请号 201110274937.4 (22)申请日 2011.09.16 G01D 5/26(2006.01) (71)申请人 北京航空航天大学 地址 100191 北京市海淀区学院路 37 号北 京航空航天大学光电技术研究所 (72)发明人 张春熹 李勤 李立京 李慧 林文台 钟翔 李彦 许文渊 (74)专利代理机构 北京远大卓悦知识产权代理 事务所 ( 普通合伙 ) 11369 代理人 史霞 (54) 发明名称 光纤分布式扰动传感。
2、器及其扰动定位方法 (57) 摘要 本发明公开了一种光纤分布式扰动传感器， 包括 ： 双迈克尔逊干涉仪， 具有第一迈克尔逊干 涉光路和第二迈克尔逊干涉光路， 并且其中的反 射镜均为旋转角为 45的法拉第旋光镜 ； 预处理 模块、 频谱分析模块和扰动定位模块 ； 以及一种 应用上述的光纤分布式扰动传感器的扰动定位方 法， 包括 ： S1 ： 通过所述双迈克尔逊干涉仪分别获 得第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号 ； S2 ： 分别对所述第一和第二受扰动干涉信号进行 预处理 ； S3 ： 分别对经过所述预处理的第一受扰 动干涉信号和第二受扰动干涉信号进行频谱分 析 ； S4 ： 对所述第一和第二。
3、受扰动干涉信号的频 谱分析结果进行反解处理得到扰动位置信息。本 发明系统成本低、 结构简单和具有抗偏振衰落功 能。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 15 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 15 页 附图 3 页 1/2 页 2 1. 一种光纤分布式扰动传感器， 其特征在于， 包括 ： 双迈克尔逊干涉仪， 具有用于得到第一受扰动干涉信号的第一迈克尔逊干涉光路、 以 及用于得到第二受扰动干涉信号的第二迈克尔逊干涉光路， 所述第一和第二迈克尔逊干涉 光路中的反射镜均为旋转角角度范围为 40 50的法拉第旋光镜。
4、 ； 预处理模块， 与所述双迈克尔逊干涉仪的输出端连接， 用于分别对所述第一受扰动干 涉信号和第二受扰动干涉信号进行预处理， 以得到所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动 干涉信号中的相位信息 ； 频谱分析模块， 用于分别对经过预处理的第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号 进行频谱分析 ； 扰动定位模块， 用于通过所述经过频谱分析的第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉 信号得到扰动位置。 2. 如权利要求 1 所述的光纤分布式扰动传感器， 其特征在于， 所述双迈克尔逊干涉仪 包括 ： 激光器， 用于提供光源 ； 调制器， 连接于所述激光器的输出端， 用于对所述光源进行调制产生脉冲光 ； 第一耦合器。
5、， 分别连接所述调制器的输出端、 探测器的输入端、 传感臂和参考臂 ； 传感臂， 设有第二耦合器和第三耦合器， 并且远离所述第一耦合器的端口处设有第一 法拉第旋光镜， 所述第二和第三耦合器之间分别连接有第一光纤和第二光纤， 所述第一光 纤和第二光纤之间具有与所述脉冲光的脉冲周期对应的长度差 ； 参考臂， 设有第二延迟光纤环， 并且远离所述第一耦合器的端口处设有第二法拉第旋 光镜 ； 探测器， 用于接收受扰动的干涉信号 ； 其中， 所述第一迈克尔逊干涉光路包括具有第一光纤的传感臂 ； 所述第二迈克尔逊干 涉光路包括具有第二光纤的传感臂 ； 所述第一和第二迈克尔逊干涉光路共用同一个参考臂 和探测器。
6、。 3. 如权利要求 2 所述的光纤分布式扰动传感器， 其特征在于， 所述第一光纤上设有第 一延迟光纤环以构成所述第一和第二光纤之间的长度差 ； 所述第一延迟光纤环的长度大于 所述激光器的相干长度， 第一延迟光纤环与第二延迟光纤环的长度差、 以及所述第二延迟 光纤环的长度均小于激光器的相干长度。 4. 如权利要求 1 所述的光纤分布式扰动传感器， 其特征在于， 所述双迈克尔逊干涉仪 包括 ： 激光器， 用于提供光源 ； 第四耦合器， 连接于所述激光器的输出端， 用于对所述光源进行分束 ； 第五耦合器， 分别连接所述第四耦合器的输出端、 第一探测器的输入端、 第一传感臂和 第一参考臂 ； 第一传。
7、感臂， 远离所述第五耦合器的端口处设有第三法拉第旋光镜 ； 第一参考臂， 远离所述第五耦合器的端口处设有第四法拉第旋光镜 ； 第一探测器， 用于接收所述第一受扰动干涉信号 ； 第六耦合器， 分别连接所述第四耦合器的输出端、 第二探测器的输入端、 第二传感臂和 权 利 要 求 书 CN 102997946 A 2 2/2 页 3 第二参考臂 ； 第二传感臂， 远离所述第六耦合器的端口处设有第五法拉第旋光镜 ； 第二参考臂， 远离所述第六耦合器的端口处设有第六法拉第旋光镜 ； 第二探测器， 用于接收受所述第二受扰动干涉信号 ； 其中所述第一传感臂和第二传感臂之间具有长度差、 和 / 或所述第一传感。
8、臂上所述扰 动发生的位置到所述第五耦合器的光程与所述第二传感臂上所述扰动发生的位置到所述 第六耦合器的光程之间具有光程差。 5. 如权利要求 4 所述的光纤分布式扰动传感器， 其特征在于， 所述第一传感臂上设有 第三延迟光纤环以构成所述第一传感臂和第二传感臂之间的长度差。 6. 如权利要求 4 所述的光纤分布式扰动传感器， 其特征在于， 由所述第五耦合器、 第一 传感臂、 第一参考臂和第一探测器构成的第一迈克尔逊干涉光路与由所述第六耦合器、 第 二传感臂、 第二参考臂和第二探测器构成的第二迈克尔逊干涉光路相互成反光路设置， 以 得到所述的光程差。 7. 一种应用权利要求 1-6 项中任一项所述。
9、的光纤分布式扰动传感器的扰动定位方法， 其特征在于， 包括 ： S1 ： 通过所述双迈克尔逊干涉仪分别获得第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信 号 ； S2 ： 分别对所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号进行预处理， 得到所述第 一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号中的相位信息 ； S3 ： 分别对经过所述预处理的第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号进行频谱分 析 ； S4 ： 对所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号的频谱分析结果进行反解处理 得到扰动位置信息。 8. 如权利要求 7 所述的扰动定位方法， 其特征在于， 所述预处理包括 ： S21 ： 分别对所述第一受扰动干涉信号。
10、和第二受扰动干涉信号进行隔直处理， 滤除直流 项 ； S22 ： 分别对所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号进行移频 90处理， 将 移频后的第一受扰动干涉信号除以移频前的第一受扰动干涉信号， 将移频后的第二受扰动 干涉信号除以移频前的第二受扰动干涉信号， 再分别对两个商进行三角变换， 得到简化后 的所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号 ； S23 ： 提取经 S22 处理后的第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号的相位信息。 9.如权利要求8所述的扰动定位方法， 其特征在于， 在所述步骤S21或S22之后还包括 分别求取所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号的光强和可见度信息。
11、， 以消除因 光功率波动和信号偏振诱导衰落引起的干涉信号可见度的变化的步骤。 10. 权利要求 8 所述的扰动定位方法， 其特征在于， 在所述步骤 S2 和 S3 之间还包括 对经所述步骤 S2 处理后的第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号进行高通滤波的步 骤， 以消除相位缓变信号的干扰。 权 利 要 求 书 CN 102997946 A 3 1/15 页 4 光纤分布式扰动传感器及其扰动定位方法 技术领域 0001 本发明涉及光纤扰动信号监测技术领域， 尤其涉及一种光纤分布式扰动传感器及 其扰动定位方法。 背景技术 0002 光纤传感器具有灵敏度高， 体积小， 重量轻， 本质安全， 电绝缘。
12、性， 抗电磁干扰， 相 对成本低， 多功能性， 可靠性高， 可硬件匹配光纤通信接口， 易于组网， 特别是可以实现分布 式测量等优良特性， 在工业、 民用和军事领域具有广泛的应用。其中， 光纤分布式扰动传感 器在周界安防、 油气管线监测、 大型结构监测和通信线路监测等领域具有重要意义。 0003 光纤分布式扰动传感器可以对传感光纤上任意一点处的扰动(时变信号)进行监 测， 得到扰动信号的时域波形， 根据扰动事件性质进行判断， 给出报警信息 ； 同时给出扰动 事件发生的空间位置信息。 0004 目前， 根据不同的工作原理， 光纤分布式传感器可以分为干涉仪型、 光纤光栅型、 光时域反射计型， 光频域。
13、反射计型以及强度调制型等多种。 其中， 干涉仪型分布式传感器具 有实现原理简单， 灵敏度高， 响应速度快， 硬件成本低， 适于长距离传感等优良特性， 已经成 为光纤分布式扰动传感器的主要技术方案。 0005 干涉仪型分布式光纤扰动传感器的理论方案主要包括单萨格奈克型、 双马赫 - 泽 德型、 双萨格奈克型、 萨格奈克 + 迈克尔逊型和萨格奈克 + 马赫 - 泽德型， 双波长萨格奈克 型， 双调制频率萨格奈克型等。 0006 其中， 单萨格奈克型光纤分布式传感器定位算法相对复杂， 同时， 要求扰动信号具 有较宽的频谱范围， 因此在实际应用中有较大限制。 0007 将萨格奈克干涉仪和马赫 - 泽德。
14、干涉仪或迈克尔逊干涉仪结合的光纤分布式传 感器的缺点在于， 在萨格奈克干涉仪中为了抑制干涉噪声， 需要采用宽谱光源 ； 但是在马 赫 - 泽德或迈克尔逊干涉仪中， 由于两个干涉臂光程差的存在， 只能使用窄带光源， 因此光 源选择上的矛盾限制了其性能的提高以及实用化。 0008 双萨格奈克干涉仪需要采用两个光源， 探测器， 以及需要波分复用器和不同频率 的调制器等器件， 增加了系统的硬件成本和结构的复杂性， 降低了传感器的实用性。 0009 双马赫 - 泽德型光纤分布式传感器由于长距离传感降低成本的需要， 传感器均采 用单模光纤。由于单模光纤本身固有的本征双折射和外界随机因素导致的诱导双折射， 。
15、单 模光纤中传输的光波的偏振态会发生随机变化， 使得发生干涉时， 传感臂和参考臂处于相 同振动方向的光矢量 ( 电场矢量 ) 分量的幅值发生随机变化， 使干涉仪输出信号的幅值发 生变化， 这将引起两路干涉信号输出波形相关性严重降低， 导致基于互相关时延的定位算 法计算结果错误， 从而引起较大的定位误差。特别地， 当两臂光波偏振态正交时， 将不能发 生干涉， 干涉仪输出信号的幅值为0， 传感器失效， 该问题严重影响了传感器的可靠性。 使用 保偏光纤替代单模光纤作为敏感元件虽然在短距离可以有效地保持传输光的偏振态， 但大 大地增加了系统的硬件成本， 也限制了该方案的实际应用。 说 明 书 CN 1。
16、02997946 A 4 2/15 页 5 发明内容 0010 ( 一 ) 要解决的技术问题 0011 本发明要解决的技术问题是如何提供一种系统成本低、 结构简单和具有抗偏振衰 落功能的光纤分布式扰动传感器及其扰动定位方法。 0012 ( 二 ) 技术方案 0013 为解决上述问题， 本发明提供了一种光纤分布式扰动传感器， 包括 ： 0014 双迈克尔逊干涉仪， 具有用于得到第一受扰动干涉信号的第一迈克尔逊干涉光 路、 以及用于得到第二受扰动干涉信号的第二迈克尔逊干涉光路， 所述第一和第二迈克尔 逊干涉光路中的反射镜均为旋转角的角度范围为 40 50的法拉第旋光镜 ； 0015 预处理模块， 。
17、与所述双迈克尔逊干涉仪的输出端连接， 用于分别对所述第一受扰 动干涉信号和第二受扰动干涉信号进行预处理， 以得到所述第一受扰动干涉信号和第二受 扰动干涉信号中的相位信息 ； 0016 频谱分析模块， 用于分别对经过预处理的第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉 信号进行频谱分析 ； 0017 扰动定位模块， 用于通过所述经过频谱分析的第一受扰动干涉信号和第二受扰动 干涉信号得到扰动位置。 0018 优选地， 所述法拉第旋光镜的旋转角角度范围为 ： 43 47。 0019 优选地， 所述法拉第旋光镜的旋转角角度范围为 ： 45 0.5。 0020 优选地， 所述双迈克尔逊干涉仪包括 ： 0021 激。
18、光器， 用于提供光源 ； 0022 调制器， 连接于所述激光器的输出端， 用于对所述光源进行调制产生脉冲光 ； 0023 第一耦合器， 分别连接所述调制器的输出端、 探测器的输入端、 传感臂和参考臂 ； 0024 传感臂， 设有第二耦合器和第三耦合器， 并且远离所述第一耦合器的端口处设有 第一法拉第旋光镜， 所述第二和第三耦合器之间分别连接有第一光纤和第二光纤， 所述第 一光纤和第二光纤之间具有与所述脉冲光的脉冲周期对应的长度差 ； 0025 参考臂， 设有第二延迟光纤环， 并且远离所述第一耦合器的端口处设有第二法拉 第旋光镜 ； 0026 探测器， 用于接收受扰动的干涉信号 ； 0027 其。
19、中， 所述第一迈克尔逊干涉光路包括具有第一光纤的传感臂 ； 所述第二迈克尔 逊干涉光路包括具有第二光纤的传感臂 ； 所述第一和第二迈克尔逊干涉光路共用同一个参 考臂和探测器。 0028 优选地， 所述第一光纤上设有第一延迟光纤环以构成所述第一和第二光纤之间的 长度差 ； 所述第一延迟光纤环的长度大于所述激光器的相干长度， 第一延迟光纤环与第二 延迟光纤环的长度差、 以及所述第二延迟光纤环的长度均小于激光器的相干长度。 0029 优选地， 所述双迈克尔逊干涉仪包括 ： 0030 激光器， 用于提供光源 ； 0031 第四耦合器， 连接于所述激光器的输出端， 用于对所述光源进行分束 ； 0032 。
20、第五耦合器， 分别连接所述第四耦合器的输出端、 第一探测器的输入端、 第一传感 说 明 书 CN 102997946 A 5 3/15 页 6 臂和第一参考臂 ； 0033 第一传感臂， 远离所述第五耦合器的端口处设有第三法拉第旋光镜 ； 0034 第一参考臂， 远离所述第五耦合器的端口处设有第四法拉第旋光镜 ； 0035 第一探测器， 用于接收所述第一受扰动干涉信号 ； 0036 第六耦合器， 分别连接所述第四耦合器的输出端、 第二探测器的输入端、 第二传感 臂和第二参考臂 ； 0037 第二传感臂， 远离所述第六耦合器的端口处设有第五法拉第旋光镜 ； 0038 第二参考臂， 远离所述第六耦。
21、合器的端口处设有第六法拉第旋光镜 ； 0039 第二探测器， 用于接收受所述第二受扰动干涉信号 ； 0040 其中所述第一传感臂和第二传感臂之间具有长度差、 和 / 或所述第一传感臂上所 述扰动发生的位置到所述第五耦合器的光程与所述第二传感臂上所述扰动发生的位置到 所述第六耦合器的光程之间具有光程差。 0041 优选地， 所述第一传感臂上设有第三延迟光纤环以构成所述第一传感臂和第二传 感臂之间的长度差。 0042 优选地， 由所述第五耦合器、 第一传感臂、 第一参考臂和第一探测器构成的第一迈 克尔逊干涉光路与由所述第六耦合器、 第二传感臂、 第二参考臂和第二探测器构成的第二 迈克尔逊干涉光路相。
22、互成反光路设置， 以得到所述的光程差。 0043 另外， 本发明还提供了一种应用上述的光纤分布式扰动传感器的扰动定位方法， 包括 ： 0044 S1 ： 通过所述双迈克尔逊干涉仪分别获得第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉 信号 ； 0045 S2 ： 分别对所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号进行预处理， 得到所 述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号中的相位信息 ； 0046 S3 ： 分别对经过所述预处理的第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号进行频 谱分析 ； 0047 S4 ： 对所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号的频谱分析结果进行反解 处理得到扰动位置信息。 0048。
23、 优选地， 所述预处理包括 ： 0049 S21 ： 分别对所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号进行隔直处理， 滤除 直流项 ； 0050 S22 ： 分别对所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号进行移频 90处 理， 将移频后的第一受扰动干涉信号除以移频前的第一受扰动干涉信号， 将移频后的第二 受扰动干涉信号除以移频前的第二受扰动干涉信号， 再分别对两个商进行三角变换， 得到 简化后的所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号 ； 0051 S23 ： 提取经 S22 处理后的第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号的相位信 息。 0052 优选地， 在所述步骤 S21 或 S22 。
24、之后还包括分别求取所述第一受扰动干涉信号和 第二受扰动干涉信号的光强和可见度信息， 以消除因光功率波动和信号偏振诱导衰落引起 的干涉信号可见度的变化的步骤。 说 明 书 CN 102997946 A 6 4/15 页 7 0053 优选地， 在所述步骤 S2 和 S3 之间还包括对经所述步骤 S2 处理后的第一受扰动干 涉信号和第二受扰动干涉信号进行高通滤波的步骤， 以消除相位缓变信号的干扰。 0054 ( 三 ) 有益效果 0055 1. 本发明基于迈克尔逊干涉仪结构， 采用了法拉第旋光镜技术， 有效地减少甚至 消除了偏振衰落的影响 ； 0056 2. 本发明采用双迈克尔逊光路结构实现扰动定。
25、位， 具有光路结构简单， 硬件成本 低等优势 ； 0057 3. 通过对扰动信号的预处理消除了在定位计算过程中可能受到的光功率波动和 信号偏振诱导衰落等因素引起的干涉信号可见度的变化， 从而也间接消除了可见度变化引 起的可能的传感器定位失效的问题 ； 0058 4. 本发明对通过高通滤波滤除了相位漂移信号， 从而消除了相位缓变的影响 ； 0059 5. 本发明通过移频处理、 三角变换处理、 相位提取处理和频域谱分析等手段成功 地提取出了扰动的位置信息， 实现了双迈克尔逊型光路的扰动定位功能。 附图说明 0060 图 1 为根据本发明实施例光纤分布式扰动传感器的结构示意框图 ； 0061 图 2。
26、 为根据本发明实施例光纤分布式扰动传感器的第一种双迈克尔逊光路的结 构原理图 ； 0062 图 3 为根据本发明实施例光纤分布式扰动传感器的第二种双迈克尔逊光路的结 构原理图 ； 0063 图 4 为根据本发明实施例光纤分布式扰动传感器的第三种双迈克尔逊光路的结 构原理图 ； 0064 图 5 为根据本发明实施例光纤分布式扰动定位方法的步骤示意图 ； 0065 其中 ： 101 ： 激光器 ； 102 ： 调制器 ； 103 ： 第一耦合器 ； 104 ： 传感臂 ； 105 ： 参考臂 ； 106 ： 探测器 ； 107 ： 第一法拉第旋光镜 ； 108 ： 第二法拉第旋光镜 ； 109 ：。
27、 第二耦合器 ； 110 ： 第三耦合器 ； 111 ： 第一光纤 ； 112 ： 第二光纤 ； 113 ： 第一延迟光纤环 ； 114 ： 第二延迟光纤 环 ； 201 ： 激光器 ； 202 ： 第四耦合器 ； 203 ： 第五耦合器 ； 204 ： 第一探测器 ； 205 ： 第一传感臂 ； 206 ： 第一参考臂 ； 207 ： 第三法拉第旋光镜 ； 208 ： 第六耦合器 ； 209 ： 第二探测器 ； 210 ： 第二 传感臂 ； 211 ： 第二参考臂 ； 212 ： 第五法拉第旋光镜 ； 213 ： 第四法拉第旋光镜 ； 214 ： 第六法 拉第旋光镜 ； 215 ： 第三延迟。
28、光纤环。 具体实施方式 0066 下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明如下。 0067 图 1 为本发明实施例光纤分布式扰动传感器的结构示意框图。如图 1 所示， 所述 光纤分布式扰动传感器包括 ： 0068 双迈克尔逊干涉仪， 具有用于得到第一受扰动干涉信号的第一迈克尔逊干涉光 路、 以及用于得到第二受扰动干涉信号的第二迈克尔逊干涉光路， 所述第一和第二迈克尔 逊干涉光路中的反射镜均为旋转角角度范围为 40 50的法拉第旋光镜 ； 本发明该旋 转角角度范围较佳的为 43到 47， 在此区间可以起到更好的抗偏振衰落效果 ； 当上述角 说 明 书 CN 102997946 A 7 5/15 。
29、页 8 度范围为 45 0.5时， 可以取得抗偏振衰落的最佳效果。在本实施例中， 取该旋转角为 45。 0069 预处理模块， 与所述双迈克尔逊干涉仪的输出端连接， 用于分别对所述第一受扰 动干涉信号和第二受扰动干涉信号进行预处理， 以得到所述第一受扰动干涉信号和第二受 扰动干涉信号中的相位信息 ； 0070 频谱分析模块， 用于分别对经过预处理的第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉 信号进行频谱分析 ； 0071 扰动定位模块， 用于通过所述经过频谱分析的第一受扰动干涉信号和第二受扰动 干涉信号得到扰动位置。 0072 本实施例中在光路中采用了法拉第旋光镜技术可以解决偏振衰落问题， 其基本原 。
30、理如下 ： 0073 单模光纤的双折射效应一般可用椭圆延迟器来描述， 用琼斯矢量矩阵表示为 0074 0075 式中， * 表示共轭， 为光纤损耗， d (*+bb*)， 、 b 与单模光纤双折射 特性有关。 0076 当光波从同一段单模光纤的另一端注入时， 引入的双折射用琼斯矢量矩阵可表示 为 0077 0078 旋转角为 的法拉第旋光镜的琼斯矢量矩阵表示为 0079 0080 若光波反向经过同一法拉第旋光镜， 其琼斯矢量矩阵表示为 0081 0082 则往返经过此法拉第旋光镜的琼斯矩阵表示为 0083 0084 式中， u 为标量幅度项， 用于体现反射镜的损耗和反射系数。 0085 化简后。
31、， 可得到 0086 0087 当旋转角 45时， 有 0088 0089 当光波从单模光纤的一端注入并且经过传输和反射后返回光波注入端时， 单模光 纤和法拉第旋光镜的作用采用琼斯矢量矩阵表示为 说 明 书 CN 102997946 A 8 6/15 页 9 0090 0091 由于 R是常量矩阵， 则经过法拉第旋光镜的处理， 返回单模光纤注入端的光波偏 振态与单模光纤的双折射效应无关， 且注入端的光波偏振态与返回注入端的光波偏振态一 致。 0092 所以， 将旋转角为 45的法拉第旋光镜置于迈克尔逊干涉光路中的传感臂和参考 臂的末端， 当光源发出的光经过耦合器分束后， 分别进入传感臂和参考臂。
32、， 在法拉第旋光镜 的作用下， 返回耦合器的光波偏振态与分束前的光波偏振态一致， 两光束发生完全干涉， 偏 振衰落得以消除。 0093 本发明中所述双迈克尔逊干涉仪可以为多种结构形式， 在本发明的一个实施例中 记载的第一种双迈克尔逊干涉仪基于时分复用技术实现， 如图 2 所示， 其包括 ： 0094 激光器 101， 用于提供光源 ； 0095 调制器 102， 连接于所述激光器的输出端， 用于对所述光源进行调制产生脉冲光 ； 所述调制器 102 可以为声光调制器及其驱动器、 或者电光调制器及其驱动或信号发生器 等， 只要其能实现光脉冲的产生和输出就行 ； 另外， 在本发明的其它实施例中， 也。
33、可以直接 采用内调制输出脉冲光的激光器来实现本实施例所述激光器 101 和调制器 102 的功能 ； 0096 第一耦合器103， 分别连接所述调制器102的输出端、 探测器106的输入端、 传感臂 104 和参考臂 105 ； 0097 传感臂 104， 远离所述第一耦合器 103 的端口处设有第一法拉第旋光镜 107， 且其 上设有第二耦合器109和第三耦合器110， 所述第二和第三耦合器109、 110之间分别连接有 第一光纤111和第二光纤112， 所述第一光纤111和第二光纤112之间具有与所述脉冲光的 脉冲对应的长度差 ； 在本实施例中， 所述第一光纤111上设有第一延迟光纤环11。
34、3以构成所 述长度差。 0098 参考臂 105， 设有第二延迟光纤环 114， 使得能够确保在激光器 101 的相干长度内 形成两个迈克尔逊干涉仪时， 不会发生相邻脉冲光之间的干涉， 所述参考臂 105 远离所述 第一耦合器 103 的端口处设有第二法拉第旋光镜 108 ； 0099 探测器 106， 用于接收受扰动的干涉信号 ； 0100 激光器 101 发出的光波经过所述调制器 102 调制后形成脉冲光波， 该脉冲光波经 第一耦合器 103 分束后分别进入所述传感臂 104 和参考臂 105 ； 0101 控制所述调制器 102 输出的光脉冲周期， 使其等于第一延迟光纤环 113 的渡越。
35、时 间， 所述第一延迟光纤环 113 的长度大于所述激光器 101 的相干长度， 第一延迟光纤环 113 与第二延迟光纤环 114 的长度差、 以及所述第二延迟光纤环 114 的长度均小于激光器的相 干长度。 0102 其中， 所述各耦合器是为了实现分光和耦合作用， 其它器件如环形器、 分束器， 半 反半透膜等， 也起到分束和耦合作用， 应该被视为与本实施例相同的技术方案。 0103 进入所述传感臂 104 的脉冲光波在所述第二耦合器 109 处又被分束为两路光波。 其中第一路光波经过具有所述第一延迟光纤环 113 的第一光纤 111、 到达所述第一法拉第 旋光镜 107、 再被反射回所述第一。
36、光纤 111、 经过所述第二耦合器 109 和传感臂 104， 然后到 达所述第一耦合器 103 处， 与进入所述参考臂 105 中经所述第二延迟光纤环 114 的延迟和 说 明 书 CN 102997946 A 9 7/15 页 10 所述第二法拉第旋光镜 108 反射的光波发生干涉 ； 这样就形成了所述第一迈克尔逊干涉光 路 ； 0104 第二路光波经过第二光纤 112、 到达所述第一法拉第旋光镜 107、 再被反射回所述 第二光纤 112， 经过所述第二耦合器 109 和传感臂 104， 然后到达所述第一耦合器 103 处， 与 进入所述参考臂 105 中经所述第二延迟光纤环 114 的。
37、延迟和所述第二法拉第旋光镜 108 反 射的光波发生干涉 ； 这样就形成了所述第二迈克尔逊干涉光路 ； 0105 因此探测器 106 接收到的相邻脉冲光分别携带了两个不同的迈克尔逊干涉仪信 号， 即所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号。 0106 图 5 为本发明实施例光纤分布式扰动定位方法的步骤示意图， 所述方法包括以下 步骤 ： 0107 S1 ： 通过所述双迈克尔逊干涉仪分别获得第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉 信号 ； 0108 当扰动 f(t) 发生时， 光纤长度和传播常数会发生变化， 从而引起干涉仪中的相位 变化。根据光纤传感理论， 输出相位信息的变化正比于扰动信号， 有 。
38、0109 0110 式中， B 是与扰动相位对应的比例因子，是扰动引起的相位差变化。 0111 本实施例中， 设激光器发出的光信号为 ： Ein。 0112 首先考虑受振 ( 受扰动 ) 后往第一耦合器 103 方向传播的光波 ： 0113 分别经过具有第二光纤 112 的传感臂 104 和参考臂 105( 包括第二延迟光纤环 114)， 输出到第一耦合器 103 的两束干涉光为 0114 0115 0116 分别经过具有第一光纤 111( 包括第一延迟光纤环 113) 的传感臂 104 和参考臂 105( 包括第二延迟光纤环 114) 输出到探测器 106 的两束干涉光为 0117 0118。
39、 0119 其中 L 为参考臂 105 的光纤长度， L 为传感臂 104 光纤与参考臂 105 光纤的长 度差， D1和D2分别为所述第一和第二延迟光纤环的长度 ； z为扰动作用点到所述第一耦合器 103 的距离， n 为单模光纤的折射率， Bf(t) 为扰动引入的相位调制， 为光波 1 次经过 22 耦合器的跨接耦合所带来的相移。当光波 m 次经过 22 耦合器的跨接耦合时， 其所带来的 相移为 0120 根据干涉理论， 探测器 106 接收到相邻两脉冲携带的干涉光强分别为 说 明 书 CN 102997946 A 10 8/15 页 11 0121 0122 0123 式中， I0取决于。
40、激光器 101 的输出功率， 而 K1和 K2分别表示两个迈克尔逊干涉光 路的可见度。 0124 再考虑受振 ( 受扰动 ) 后往第一和第二法拉第旋光镜 107、 108 方向传播的光波， 与上面类似地， 得到测器接收到相邻两脉冲携带的干涉光强分别为 0125 0126 0127 (17) 0128 干涉光强叠加可得相邻两脉冲光的实际干涉光强分别为 0129 0130 (18) 0131 0132 (19) 0133 由于传感臂光纤和参考臂光纤的长度差相对于两个迈克尔逊干涉光路得臂长差 ( 即所述第一光纤 111 和第二光纤 112 之间具有的长度差 ) 来说很小， 据此化简式 (18) 和 。
41、(19)， 可得 0134 0135 (20) 0136 0137 (21) 0138 式中， 和分别表示两个迈克尔逊干涉光路的臂长差引起的初相差。 0139 S2 ： 分别对所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号进行预处理， 得到所 述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号中的相位信息 ； 具体地为 ： 0140 S21 ： 分别对所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号进行隔直处理， 滤除 直流项 ； 再通过分段求取峰峰值的计算方法求取I0K1和I0K2， 来消除因光功率波动和信号偏 振诱导衰落引起的干涉信号可见度的变化， 可得 0141 0142 说 明 书 CN 10299794。
42、6 A 11 9/15 页 12 0143 (23) 0144 其中， 对信号进行隔直的目的是去掉信号中的直流项和低频干扰项， 隔直的方式 可以通过直接在电路上加电容实现， 也可以通过有源和无源的高通滤波等方式实现 ； 此外， 除了上述的分段求取峰峰值的方法外， 通过抗偏振衰落技术和光功率稳定控制技术消除干 涉信号可见度变化并通过求取峰峰值或其它方式求出光强信息的方法也可以被应用在本 实施例中。 0145 S22 ： 分别对所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号进行移频 90处 理， 将移频后的第一受扰动干涉信号除以移频前的第一受扰动干涉信号。 具体地， 本实施例 中通过希尔伯特变换来实现。
43、移频处理， 即对 (22) 和 (23) 式分别做希尔伯特变换， 可得 0146 0147 0148 (25) 0149 将移频后的第二受扰动干涉信号除以移频前的第二受扰动干涉信号， 即将式 (24) 除以 (22)， 式 (25) 除以 (23)， 可得 0150 0151 0152 事实上， 通过修改光路， 即在原光路探测器之前加 22 耦合器， 耦合器的一端接 一个探测器， 另一端先连接相位调制器实现移频 90， 再送入探测器， 也可实现上述算法中 希尔伯特变换的功能。 0153 再分别对两个商 ( 即式 (26) 和 (27) 进行三角变换， 即根据万能三角公式， 得到 简化后的经预处。
44、理的所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号分别为 0154 0155 0156 S23 ： 提取经 S22 处理后的第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号的相位信 息。 0157 对式 (28) 和 (29) 应用正切函数相位提取算法， 可得 0158 说 明 书 CN 102997946 A 12 10/15 页 13 0159 0160 因为和是缓变信号， 因此对经上述处理后的第一受扰动干涉信号和第二受扰 动干涉信号进行高通滤波的步骤， 以消除相位缓变的影响， 可得 0161 0162 0163 通过正切信号提取算法提取出三角函数内的相位信息的目的是为后面的信号定 位提供基础性准备， 。
45、而通过其它相位去包裹或解缠算法或类似的相位信息提取算法来提取 出三角函数内的相位信息， 包括 PGC 调制 ( 包括 PGC 内调制和 PGC 外调制 ) 的方法的作用 在本发明中预处理的作用完全相同， 应该被视为与本实施例相同的技术方案。 0164 S3 ： 分别对经过所述预处理的第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号进行频 谱分析 ； 0165 一般地， 假设扰动信号 f(t) 为 0166 0167 式中 Ai， 和 分别表示扰动的幅值、 角频率和初相位， N 表示扰动的频率成分分量 的数量。 0168 根据式 (32) 和 (33)， 可得 0169 0170 0171 (36) 01。
46、72 根据和差化积公式， 可得 0173 0174 0175 提取 I5(t) 和 I6(t) 的幅值谱， 可得 0176 说 明 书 CN 102997946 A 13 11/15 页 14 0177 0178 S4 ： 对所述第一受扰动干涉信号和第二受扰动干涉信号的频谱分析结果进行反解 处理得到扰动位置信息 ； 0179 将式 (39) 除以式 (40)， 可得 0180 0181 在式 (41) 中， 分子分母的余弦函数内的值都是极小量， 可得 0182 0183 显然， 根据式 (42)， 可得 0184 0185 (43) 0186 式中， 0187 根据式 (43) 即提取出了扰动。
47、的位置信息。 0188 上述方法中， 探测器的输出在隔直后还可以经过放大和滤波等调理， 其目的在于 抑制噪声和干扰 ； 在式 (26) 和 (27) 的基础上， 如果不进行二倍角换算， 即不由式 (26) 和 (27)变换成式(28)和(29)， 而直接进行三角函数相位信息提取， 也可以按照本发明中的后 述定位方法进行定位， 应该被视为与本实施例相同的技术方案 ； 对三角变换 ( 对应式 (37) 和 (38) 后的信号进行频域谱分析的目的是提取出各频率成分下的幅值信息， 再还原成位 置信息。通过本实施例以外的其它各种频域谱分析的方法， 只要其最终目的是能够提取出 各频率成分下幅值信息的方法， 都应该被视为与本实施例相同的技术方案 ； 上述式 (41)， 是一个方程对应一个未知数， 在本实施例中， 采用了等价无穷小的方法进行求解， 此外还可 以通过其他数学方法来解该方程， 均可以由该式提取出扰动的位置信息 z， 类似求解该方程 的数学方法因其作用与本实施例完全相同， 也应该被视为与本实施例相同的技术方案。 0189 本发明的另一个实施例记载了光纤分布式扰动传感器的第二种双迈克尔逊光路， 如图 3 所示， 所述双迈克尔逊干涉仪包括 ： 0190 激光器 201， 用于提供光源 ； 0191 第四耦合器 202， 。