[发明专利]基于Michelson-Sagnac光纤干涉仪的分布式传感系统

权利要求书

1.一种基于Michelson-Sagnac光纤干涉仪的分布式传感系统，其特征在于，以Michelson光纤干涉仪两臂作为传感臂，两传感臂通过信号分析算法分辨开来；其中：

基于Michelson干涉仪的分布式两臂传感系统包括：窄带激光器，光隔离器，第一探测器，第三探测器，3×3光纤耦合器，第一传感光缆，第二传感光缆，第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜；窄带激光器发射出相干光波，被3×3光纤耦合器分成三束相等功率的光，其中一束光通过打结的光纤时被耦合出纤芯；另外两束光作为探测光波分别进入第一传感臂和第二传感臂；其中第一探测光波和第二探测光波分别由第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜反射回来，再次进入3×3耦合器并产生干涉；外界环境对光缆的作用被记录在第一探测光波和第二探测光波的相位中；相位信息通过第一光探测器和第三光探测器3的电压强度呈现出来；

基于Sagnac干涉仪的分布式两臂传感系统包括：宽谱激光器，光隔离器，第二光探测器，第四光探测器，3×3光纤耦合器，第一传感光缆和第二传感光缆组成的环形传感光缆；路径上采用偏振控制器；相位信息通过第二光探测器和第四光探测器的电压强度呈现出来；

迈克尔逊两臂均作为传感臂，沿着需要监测的路径铺展开；对扰动产生的相位差信号通过解调算法进行解调，分析相位差起始振幅的正负，辨别出振动所在传感臂，且计算出扰动位置和强度特征；

对扰动产生的相位差信号通过解调算法进行解调，具体如下：用两个波分复用器分离SI和MI的干涉信号，假设在L_x的距离点处施加时变扰动，则：

检测到的MI的两路干涉信号分别如下：

其中，E₀₁和E₀₃是光振幅，是扰动引起的相位差，和是3×3耦合器的初始相位差；检测到的SI的两路干涉信号分别如下：

其中，E₀₂和E₀₄是光振幅，是扰动引起的相位差,和是3×3耦合器的初始相位差；同一扰动导致的两个干涉仪的相位差和分别如下：

其中，τ_x是由长度L_x引起的时间延迟，L_x是从扰动点到TDF的时间点，τ₀是长度为L₀的TDF导致的时间延迟，c是真空中的光速，n是光纤在波长为λ₀时的折射率；

利用信号处理算法，将同一扰动产生的相位差和相结合，产生具有固定时延的φ₁(t)和φ₂(t)；利用互相关算法计算出时间延时，这样即可以确定扰动的位置。

2.根据权利要求1所述的基于Michelson-Sagnac光纤干涉仪的分布式传感系统，其特征在于，所述光隔离器，用以防止传感臂的后向散射光和反射回的信号光进入激光器，影响其工作状态；两个法拉第旋转镜位于两传感臂末端，以实现系统保持偏振稳定状态，路径上采用偏振控制器，以保证Sagnac具有稳定的干涉现象。

3.根据权利要求1所述的基于Michelson-Sagnac光纤干涉仪的分布式传感系统，其特征在于，所述确定扰动的位置的算法流程如下：

通过对φ₁(t)和φ₂(t)做互相关函数，获得时间延迟2τ_x，获得扰动位置计算公式如下：

L_x＝cτ_x/2n。

4.根据权利要求1-3之一所述的基于Michelson-Sagnac光纤干涉仪的分布式传感系统，其特征在于，所述第一传感臂和第二传感臂通过算法区分来，具体算法如下：

Michelson干涉仪相位差表达式表示如下：

其中，和分别代表第一传感臂和第二传感臂上的相位信息，假设两传感臂环境条件是一致的，即无扰动时两臂相位差为零；在传感臂上的任何一点受到扰动，光弹性效应引起的信号光的相位变化可以描述为不同频率和幅度余弦波的叠加，表达式如下：

其中，Ψ_i，ω_i和φ_i分别代表信号的幅值，角频率和相位；当外界扰动作用在第一传感臂时，根据两臂相位：

得到：

当外界扰动作用在第二传感臂时，根据两臂相位：

得到：

可见当外界扰动作用在不同传感臂上，获得的相位差是不同的；根据干涉公式：

其中，I₀表示输出光强度，表示外界环境带来的两传感臂随机相位，φ₀表示3×3耦合器引入的固定相位；调出的后，判断相位差振幅起始方向，即可辨别出扰动所作用的传感臂。