[发明专利]利用相位生成载波降低干涉路径散（反）射光干扰的方法

说明书

技术领域

本发明属光光纤传感技术领域，具体涉及一种消除光纤传感器中背向散射光影响的方法。

背景技术

光纤传感技术常被用于大范围、长距离的监测中，如，应用于石油管线，高压电网，输气管道、通信光缆等基础设施的安全监测，它把光纤作为感应器，实时采集相关扰动信号，通过对特征的分析来确定扰动发生的位置。单芯反馈式光路结构是感应段光纤使用单根光纤，光纤自身不用闭合，仅在光纤末端加一反馈装置，如反射镜，构成干涉光路。在实际应用中，这种结构铺设方便、灵活。这类监测系统的特点是携带扰动信息的光是传输到光纤末端后，经反馈装置反馈的光。

如下是单芯反馈式定位系统采用的一种定位技术。

图1所示的为一感应段光纤（光缆），1为光纤（光缆）的起始点，感应段的末端有一反馈装置2，如反射镜，入射光经反馈装置作用后原路返回。设外界D点有一扰动，对光相位产生的调制为                                               ，当光先后两次经过扰动点D，相位受到的调制为：

其中，，L为扰动点D距反馈装置2的距离，c为真空中的光速，为光纤的等效折射率。

构造干涉光路，如图2所示。

干涉光路由N*M（N、M为整数）耦合器3、P*Q（P、Q为整数）耦合器4、光纤延迟器5，延迟为τ，光纤（光缆）6和反馈装置2构成。3a1、3a2、…、3aN、3b1、3b2为耦合器3的端口，3a1、3a2、…、3aN是同向端口，共N个，3b1、3b2是耦合器3的另一组同向端口（共M个）中的两个端口。4a1、4a2、4b1为耦合器4的端口，4a1、4a2是耦合器2的一组同向端口（共P个）中的两个端口，4b1是耦合器4的另一组同向端口（共Q个）中的两个端口。光纤6为感应光纤。反馈装置2，使沿光纤传输来的光重新进入光纤6返回到耦合器4。光源经耦合器3的端口3a1输入，经耦合器3分光后分别经端口3b1、3b2输出，两路光：

Ⅰ：3b1→5→4a1→4b1→6→2→6→4b1→4a2→3b2

Ⅱ：3b2→4a2→4b1→6→2→6→4b1→4a1→5→3b1

在耦合器3处重新会和，发生干涉，干涉信号分别经端口3a1、3a2、…、3aN输出。

干涉光路中，先经过延迟器5在进入光缆6的光，受到的相位调制为：

两相干干涉光的相位差为：

在相位差的频谱中，存在频率陷落点，即“陷波点”，根据陷波点的位置即可确定扰动发生的位置。“陷波点”如图3所示，在这幅通过时频变换得到的幅度-频率图中，“○”所标示的位置即为频率陷波点。陷波点与扰动位置的关系为：

 

其中，为k阶陷波点的频率。

从上述的原理中可以看到，相干的光必需历经从感应光纤6的端点1传输到2再返回到感应光纤6中这一过程，才能携带有位置“L”信息。然而，在实际中，由于光纤的结构特点以及光纤自身的缺陷等原因，光纤中存在着散射光，如瑞利散射光等。

如图4所示，设点7是一个散射点，背向散射光沿光缆回到干涉结构中，因而存在这样两束光：

Ⅰ：3b1→5→4a1→4b1→6→7→6→4b1→4a2→3b2

Ⅱ：3b2→4a2→4b1→6→7→6→4b1→4a1→5→3b1

由于具有相似的光谱特性，无扰动时，光程相等，因而在耦合器3处重新会和，也会发生干涉。显然，这两束干涉光携带的扰动点的信息是点7到扰动点D的长度L₇。设点8是另一个散射点，该点后向散射形成的干涉携带的长度信息为点8到扰动点D的长度L₈，显然，，由于这些干涉在输出端是混合在一起的，对于布里渊背向散射光或拉曼背向散射光等产生的干涉光，可以通过光滤波器滤除，但对于瑞利散射产生的干涉光，或是光路上的接点反射产生的干涉光，是不可能通过光滤波的方法对其进行消除，必然会影响有用干涉信号的纯度，直接影响到扰动点位置L的精度。通常情况下，背向散射光、接点反射光产生的干涉强度明显小于反射光产生的干涉强度（有效干涉信号），对有效干涉信号不会产生明显的影响，L的精度可以满足实际使用需要，但是当被监测线路达到一定长度后，整个线路散射光的综合影响会很明显，这时可以观察到干涉信号已发生明显的畸变，系统因此无法正常获得有效干涉信号。

相类似，光路中的接点带来的反射也会对干涉信号造成同样的不利影响。