[发明专利]双臂脉冲光干涉的相位敏感光时域反射计型光纤分布式扰动传感器

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感器技术领域，特别涉及一种双臂脉冲光干涉的相位敏感光时域反射计型光纤分布式扰动传感器。 

背景技术

光纤传感器由于其高灵敏度、体积小、重量轻、本质安全、电绝缘性、抗电磁干扰、相对成本低、多功能性、可靠性高、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。 

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。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、光频域反射计型以及强度调制型等。 

光纤光栅型分布式传感器采用光纤光栅作为敏感元件，在一定长度的间隔之间铺设光纤光栅，通过复用技术实现准分布式传感，因此，光纤光栅型分布式扰动传感器的空间分辨率具有不连续性，且受到光纤光栅空间分布间隔的限制。同时，光纤光栅的集成基于波长复用，在一根光纤上可以复用的光纤光栅数量受到波长区间的限制，其测量长度的增加需要以增大光纤光栅间隔即降低空间分辨率为代价。除了空间分辨率和测量长度间的矛盾外，光纤光栅型分布式传感器的成本也限制了其作为分布式扰动传感器在大范围环境中的应用。 

传统光时域反射计型分布式传感器可以用来检测外界环境中温度或压力的变化，但其响应时间较长，对于外界扰动的实时定位比较困难，不能应用于对时变信号的分布式传感，因此限制了其作为分布式扰动传感器的应用。 

光频域反射计型分布式传感器，基于非线性光学效应，布里渊或拉曼散射，可以对外界的温度和压力进行传感，但其传感信号相对微弱，使得信号的检测和解调相对困难，同时其器件成本也相对较高，限制了其在长距离扰动传感中的应用。 

强度调制型传感器基于单模光纤和多模光纤中的模式耦合机理，可以实现对扰动的分布式传感，但其灵敏度和精度较低，为了能够在实际中应用还需进一步解决增敏和提高精度的问题。 

目前，干涉仪型光纤分布式扰动传感器主要基于马赫-泽德干涉仪和萨格奈克干涉仪方案。其中，萨格奈克型光纤分布式扰动传感器难以敏感缓慢变化的扰动所产生的相位调制，也无法通过平均或累加的方法提高信噪比。萨格奈克型光纤分布式扰动传感器的响应与扰动产生相位调制的频率及扰动作用点均有关，灵敏度在整个光纤环上不完全一致，这是实际应用中的不利因素。单萨格奈克干涉仪由于需要进行频谱分析以确定频谱中特征零点处的频率值，要求外部振动所产生相位调制具有一定的带宽。萨格奈克与其它干涉仪的复合方案由于光路复杂，成本相对较高，且调制解调技术复杂，这些问题均限制了萨格奈克型光纤分布式扰动传感器的广泛应用。 

马赫-泽德型光纤分布式扰动传感器光路结构简单，单位置(单点)扰动定位算法易于实现，但现有的定位算法无法在多位置(多点)扰动同时发生的情况下进行扰动的定位，且由于长距离传输的情况下，散射引起的寄生干涉和杂波干涉等将引起极大的定位误差，这些问题极大地限制了该类传感器的实用性。其中，基于双马赫-泽德干涉仪的光纤分布式扰动传感器的光路原理图如图1所示。激光器发出 的光经过耦合器C₁分成两束光，分别沿顺时针和逆时针方向经过由耦合器C₂、C₃和它们之间的两根敏感光纤构成的马赫-泽德干涉仪，在耦合器C₃和C₂处发生干涉并通过探测器PD₂和探测器PD₁接收干涉信号。以上光路中的光纤均为单模光纤。当扰动作用于传感臂上时，应力会引起光纤长度和传播常数的变化，从而在信号臂和参考臂上产生一个相位差的变化。当光纤长度变化ΔL，传播常数变化Δβ时，相位差 可以表示为： 

逆时针和顺时针方向传播的干涉光通过PD₁和PD₂接收到的信号可以分别表示为：