[发明专利]Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分布光纤传感系统及其时域定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种分布光纤传感系统及其时域定位方法。是一种适用于油、气管道泄漏检 测或光纤围栏的Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分布光纤传感系统及其时域相关定位方法。

背景技术

近来出于对各种油、气运输管道的运行安全和国防或民用周界安全防范的需要，分布光 纤传感系统的研究越来越受到人们的重视，其中利用干涉技术的分布光纤传感系统是近期研 究的热点。

典型的干涉形式主要有Sagnac干涉仪和Mach-Zehnder干涉仪。Sagnac干涉仪分布光纤 传感系统利用单光路进行双光束干涉，对环境变化不敏感，在管道泄漏检测方面已实用化， 但由于其采用泄漏信号频谱的零点频率法定位，系统的信号解调比较复杂，而且检测距离受 限于泄漏信号的频谱宽度。Mach-Zehnder干涉仪分布光纤传感系统采用互相关运算确定时延 的定位技术，信号解调简单，但由于Mach-Zehnder干涉仪需要双向工作，需要两个激光器， 成本高；或通过耦合器把一个激光器输出的激光分为两束，让其中一束经过很长的一段传输 光纤输送到Mach-Zehnder干涉仪的另一端，造成铺设和使用不便。

发明内容

本发明的目的在于克服Sagnac干涉仪与Mach-Zehnder干涉仪的不足，提供一种 Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分布光纤传感系统及其时域定位方法。

为达到上述目的，本发明的构思是：本发明的分布光纤传感系统由3个光纤耦合器与4 根光纤构成的Sagnac干涉仪和Mach-Zehnder干涉仪的嵌套结构(简称Sagnac/Mach-Zehnder 干涉仪)组成。Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分别与一个相干光源和两个光电探测器相连。只 有Sagnac干涉光纤环的一半作为传感光纤，其长度远远大于Mach-Zehnder干涉仪中两根连 接光纤的长度。

所述的Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分布光纤传感系统的时域定位方法，其特征在于利用 Sagnac干涉仪和Mach-Zehnder干涉仪的输出信号的互相关运算确定扰动传播到传感光纤一 端所用的时间。互相关曲线的最大值点的延迟时间对应该时间，由该时间确定扰动位置。

本发明可用于油、气运输管道的泄漏检测，也可用于周界防卫，即光纤围栏。所述的光 纤围栏的铺设方式可以为埋在地下或墙头，也可以为铺设地表或安装于栅栏上。

工作原理与特点：当传感光纤在距离第一耦合器1处受到扰动，扰动引起传感光纤中传输的 光的相位被调制，设扰动引起的相位调制为为其幅度，ω_s为其角频率。 由于传感光纤长度远远大于两根连接光纤的长度，在第一耦合器处产生由扰动导致的干涉信 号，其交流输出可表示为E_s0为光到达第一光电探测 器的电场幅值，τ为光沿传感光纤传播所用的时间，τ_r为扰动传播到第三耦合器所用的时间。 同时，传感光纤中携带相位调制信息的光沿Mach-Zehnder干涉仪的传感臂传播，在第三耦合 器处与沿Mach-Zehnder干涉仪的参考臂传播来的光相遇，产生由该扰动导致的干涉信号，其 交流输出可表示为E_m0为光到达第二光电探测器的电场幅值。当 较小时，两个干涉议的交流输出都类似余弦函数，两者是相关的，通过信号处理系统计算 它们的互相关，互相关的最大值点的延迟时间对应扰动传播到第一耦合器所用的时间τ_l＝τ-τ_r， 进而由l＝cτ_l/n得到扰动距离第一耦合器的距离l，其中c为光在真空中的传播速度，n为 光纤纤芯的折射率。

由于信号和噪声之间是不相关的，因此，利用互相关运算定位，还能去除系统的随机噪 声，提高定位精度。

根据上述发明内容，本发明采用下述技术方案：