[发明专利]基于Sagnac干涉原理的光纤拾音系统

权利要求书

1.一种基于Sagnac干涉原理的光纤拾音系统，其特征在于，包括:光源、光纤回路、光纤耦合器、光电探测器、拾音点和信号处理电路；

所述光源与光纤耦合器之间通过光纤连接，所述光纤耦合器和拾音点之间通过光纤回路连接，所述光纤耦合器与所述光电探测器之间通过光纤连接，所述光电探测器与所述信号处理电路之间通过电路连接；

光源发出的光经过光纤耦合器后，被分成沿着所述光纤回路传输的顺、逆时针相反方向传播的两束光，所述两束光被拾音点处的声音信号调制后在光纤耦合器处发生干涉，光电探测器将所述两束光的干涉强度转换为电信号，信号处理电路将所述电信号还原成声音信号；

将普通光纤绕制成光纤探头感应线圈，作为拾音点，所述拾音点的两端分别接在光纤耦合器右端的两个输出端口，构成一个光纤环路；所述拾音点设置在电力机车车顶高压带电导体的沿绝缘子处，实时采集检测绝缘子的声音信号；

光源发出的光经过光纤耦合器后，被分成顺、逆时针相反方向传播的两束光，拾音点处的声音信号由于弹光效应调制顺、逆时针传输光的相位参量，受声音信号调制传输后的两路光在光纤耦合器处发生干涉，两束光的干涉强度将随声音信号变化；光电探测器将干涉强度转换为电信号，通过信号处理电路将所述电信号还原成声音信号，实现基于Sagnac干涉原理的光纤拾音传感系统；

光源发出的光波通过长度为l的光纤，相位延迟为：

Φ＝β×l (1)

其中，β为光波在光纤中的传播常数，β＝nk₀，其中n为纤芯折射率，k₀为光在真空中的波数，k＝2π/λ₀，λ₀为光在真空中的波长；

将(1)式微分得到：

(2)式中第一项表示传感光纤长度变化引起的相位差；第二项为传感光纤折射率变化引起的相位差；第三项为传感光纤芯径变化引起的相位差，(2)式转化为：

(3)式中，ΔΦ_l表示由传感光纤长度变化引起的相位差；ΔΦ_n表示传感光纤折射率变化引起的相位差；

在光纤干涉环上施加拾音点采集的绝缘子的声音信号，调制光信号相位，分析得到:

(4)式中，P为拾音点采集的绝缘子的声音信号的振动强度，l是传感光纤长度且恒定不变，μ为光纤的泊松常数，p₁₁、p₁₂为弹光张量分量，E为光纤的弹性模量；

(4)式表明，在传感光纤均匀受力的情况下，相位变化量正比于外界信号，振动信号P直接且动态的对传感光纤中的光相位ΔΦ_d进行调制；

在光纤Sagnac干涉过程中，两列光在光纤耦合器处干涉时，干涉光振幅分布是这两列光波的复数振幅的合成：

E(z)＝E₁(z)+E₂(z) (5)

(5)式中，E₁(z)、E₂(z)和E(z)分别是经过耦合器后的两束光及干涉后的复数振幅，与之相对应的干涉光强度A为：

(6)式中，A₁、A₂分别是顺时针、逆时针光的强度；ΔΦ_d是两束光的相位差；

当两相干光束的光强相等时，即A₁＝A₂＝A₀时，上式变为：

A＝2A₀(1+cos(ΔΦ_d))＝4A₀cos²(ΔΦ_d/2) (7)

通过(7)式，建立了光纤拾音系统的输出光强A与双光束相位差ΔΦ_d之间的对应关系；联立(4)式得到外界声音信号与光纤拾音系统的输出光强的关系，根据光纤拾音系统的输出光强来检测外界声音信号的有无、大小及频率特征，根据外界声音信号的有无、大小及频率特征对绝缘子闪络情况做出预警判断。