[发明专利]基于双芯光纤灵敏度增强型光时域反射分布式Michelson干涉仪

说明书

(一)技术领域

本发明一种基于双芯光纤灵敏度增强型光时域反射分布式Michelson干涉仪，可用于分布式光纤传感与测量，属于光纤技术领域。

(二)背景技术

利用传输光纤中后向瑞利散射光携带有光纤位置、外界振动等信息的特点，采用双芯光纤差动式信号探测方法，可以构造出分布式迈克耳逊干涉型光时域反射仪，这为分布式干涉传感与测量提供了可能。

1976年，M.K.Barnoski和S.M.Jensen发明的光时域反射计(OTDR-Optical Time Domain Reflectmeter)，借助于对光纤中后向散射光的检测实现了光纤损耗的分布测量。当将窄脉冲光注入待测光纤时，该系统可通过测量后向散射光强随时间的变化来检查光纤中的连续性并测出其衰减，从而确定待测光纤的长度及其沿线损耗分布情况。由于OTDR测试方法具有非破坏性、只需一端接入以及直观快速的优点，使其成为光纤光缆生产、施工、维护中不可缺少的仪器。然而，传统的OTDR技术由于测量的仅是后向散射强度信号，因而只对端面、断点或者较大的固定弯曲损耗比较灵敏，对光纤随时间变化的微小扰动，例如：振动信号，却不太灵敏。为此，公开号为CN101290235A的发明技术专利给出了一种干涉型光时域反射计，在原有OTDR基础上，采用2×2耦合器，增加了一路参考光纤，从而实现了在后向散射强度信号的基础上，叠加了分布式干涉信息。但由于一方面，探测光纤和参考光纤是分离的，温度影响难以克服；另一方面，较小的干涉信号叠加在较大的强度信号上，致使系统的探测灵敏度不高。为了解决探测光纤与参考光纤分离的缺点，公开号为CN102809421A的发明技术专利在传统的OTDR基础上，采用了偏振光分束器，将后向散射光进行偏振态正交分离并以差动的方式进行放大。这一方面，失去了干涉测量的特点；另一方面，由于环境温度变化对光纤双折射的影响，也会使得振动探测的定位精度下降。

为了克服上述缺点和不足，本发明提出了一种基于双芯光纤灵敏度增强型光时域反射分布式Michelson干涉仪。它采用同一根光纤中的两个彼此独立的光纤芯，形成两路光的后向瑞利散射信号，构成可进行分布测量的迈克耳逊干涉仪。同时借助于2×2光纤耦合器两个探测端口干涉信号反相的特点，进行两信号的差动探测与放大，这一方面消除了较大的后向散射强度信号本底，另一方面，也使得干涉信号实现了倍增。由于光干涉法具有灵敏度高、动态范围大、响应速度快、传输距离远等优点，加之处于同一根光纤中的双芯光路的环境温度可视为相同，温度变化对两光路影响相同，这就实现了温度影响的自动补偿。因此，这种新型双芯光纤构成的干涉仪有望实现对长距离分布式微小扰动的检测与定位。

(三)发明内容

本发明针对已有技术存在的不足，提出了一种基于双芯光纤灵敏度增强型光时域反射分布式Michelson干涉仪，可用于分布式光纤传感与测量。其特征为，该系统由光源(1)，三端口光纤环形器(2)，2×2光纤耦合器(3)，双芯光纤(4)，光电探测器(6)和光电探测器(7)以及差动信号放大处理电路(8)组成。光源(1)与三端口光纤环形器(2)的信号输入端连接，三端口光纤环形器(2)另外两端口分别与2×2光纤耦合器(3)和光电探测器(6)连接，2×2光纤耦合器(3)两信号输出端分别与双芯光纤(4)的两纤芯连接，2×2光纤耦合器(3)的另一输入端口与光电探测器(7)连接，光电探测器(6)和光电探测器(7)分别与差动信号放大处理电路(8)两输入端连接。

由光源(1)发出的光脉冲，经由三端口光纤环形器(2)后，抵达2×2光纤耦合器(3)，该脉冲光被2×2光纤耦合器均匀分成两路，传送到双芯光纤(4)，由于沿着双芯光纤向前传输的两路光信号会发生瑞利散射，这两路后向瑞利散射光将沿着双芯光纤(4)传回耦合器(3)，由于两路入射光振幅相当，频率都与入射光相同，瑞利散射光产生机理相同，在满足相位匹配的条件下将会产生干涉，相干信号分别被两路光电探测器(6)和光电探测器(7)所接收。由于两探测器所接收到的两路相干信号是由2×2光纤耦合器的两个端口输出的，所以其相位恰好相反，经过差动信号放大处理电路(8)后，与干涉测量无关的平均强度信号被抵消了，与此同时，所测量的相干信号却得到差动增强。此外，由于两个纤芯处于同一根光纤中，环境温度变化可视为相同，这就消除了由环境温度带来的影响。