[发明专利]分布式Michelson光纤白光干涉传感装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤传感技术领域，尤其涉及一种分布式Michelson光纤白光干涉传感系统。

背景技术

以宽谱光为光源、以光纤为传输介质的干涉仪称为光纤白光干涉仪。传统的光纤白光干涉仪一般包括一个传感臂和一个可调参考臂，沿传感臂和参考臂传输的信号被光电探测器探测。如果传感臂和参考臂的光程差小于光源的相干长度，两路信号发生干涉。白光干涉条纹的特征是有一个主极大值，称为中心条纹，它对应参考光束和测量光束光程绝对相等，称为参考光束与测量光束的光程相匹配。当测量臂光程变化时，通过改变光纤延迟线的延迟量，使参考信号的光程发生变化，可以获得中心干涉条纹。中心条纹的位置为测量提供了一个可靠的绝对位置参考，当测量光束在外界待测物理量的影响下其光程发生变化时，只需通过参考臂光程调整即可得到的白光干涉条纹的位置变化，从而获得被测量物理量的绝对变化值。与其他光纤干涉仪相比，光纤白光干涉除了具有高灵敏度、本质安全、抗电磁场干扰等优点外，最大特点是可对压力、应变、温度等待测量进行绝对测量。因此白光干涉性光纤干涉仪被广泛用于物理量、机械量、环境量、化学量、生物医学量的测量。

在实际应用中，尤其是在建筑结构的监测中，通常需要对建筑结构进行长距离、多点的准分布式测量，这就要求光纤传感器具有较长的标距。然而，对于传统的光纤白光干涉仪结构，传感光纤的标距受到可变扫描臂的调节范围的限制。另外，即使可以得到长距离的调节范围，光信号在长距离的空间光路中传输的损耗也会很大。

为解决上述问题，1995年美国H-P公司Wayne V.Sorin和Douglas M.Baney公开了一种基于光程自相关器的白光干涉传感器的复用方法(美国专利：专利号5557400)，基于Michelson干涉仪结构，利用光信号在Michelson干涉仪固定臂和可变扫描臂之间形成的光程差与光纤传感器的前后两个端面反射光信号光程差之间的匹配实现光程自相关，获得该传感器的白光干涉信号，再利用改变扫描臂与固定臂之间光的程差与多个首尾相接的串行光纤传感器阵列中的每个传感器逐一匹配，完成光纤传感器的多路复用。

另外，申请人于2007年和2008年公开的低相干绞扭式类Sagnac光纤形变传感装置(中国专利申请号：200710072350.9)和空分复用Mach-Zehnder级联式光纤干涉仪及测量方法(中国专利申请号：200810136824.6)主要用来解决光纤传感器复用阵列布设过程中抗毁坏的问题；申请人于2008年公开的光纤Mach-Zehnder与Michelson干涉仪阵列的组合测量仪(中国专利申请号：200810136819.5)和孪生阵列Michelson光纤白光干涉应变仪(中国专利申请号：200810136820.8)主要用于解决白光光纤干涉仪多路复用中温度对测量干扰，以及温度和应变同时测量问题；申请人于2008年公开的一种简化式多路复用白光干涉光纤传感解调装置(中国专利申请号：200810136826.5)和基于可调Fabry-Perot谐振腔的分布式光纤白光干涉传感器阵列(中国专利申请号：200810136833.5)，引入环形腔、F-P腔光程自相关器主要用于简化多路复用干涉仪的拓扑结构，构造共光路形式，提高温度稳定性；申请人于2008年公开的一种双基准长度低相干光纤环形网络传感解调装置(中国专利申请号：200810136821.2)4×4光纤耦合器光程自相关器的引入，目的是解决多基准传感器的同时测量问题。

但在上述基于空分复用的干涉仪结构中，光源功率衰减大、光源利用率低，由光源发出的光，仅有较小的一部分达到传感器阵列，被探测器接收形成干涉图样。以W.V.Sorin公开的光路结构而言，当传感器阵列反射的光信号通过光纤耦合器时，只有一半的光进入Michelson自相关器，而另一半光沿与光源相连的光路损耗掉。另外，进入Michelson自相关器的光，被反射镜反射后经过耦合器时又只有一半光进入光电探测器，另一半光回馈到耦合器中。因此，这种结构最多只有1/4的光源功率对传感过程有贡献。如果只包含一个传感器阵列，耦合器的另一个输出端口不用，则还有进一步的1/2光功率损耗，因此光源总的利用率最多为1/8。另外，经过耦合器回馈的光会直接进入光源，虽然使用的光源类型为宽谱光，与激光光源相比，对回馈不十分敏感，但是过大的信号功率反馈，特别是对于SLD和ASE等自发辐射增益较大的光源，回馈光会引起光源的谐振。

发明内容