基于Michelson-Sagnac光纤干涉仪的分布式传感系统.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN110864714A(43)申请公布日2020.03.06(21)申请号201911195568.2(22)申请日2019.11.29(71)申请人复旦大学地址200433上海市杨浦区邯郸路220号(72)发明人贾波宋秋衡吴红艳(74)专利代理机构上海正旦专利代理有限公司31200代理人陆飞陆尤(51)Int.Cl.G01D5/353(2006.01)权利要求书2页说明书4页附图3页(54)发明名称基于Michelson-Sagnac光纤干涉仪的分布式传感系统(57)摘要本发明属于光纤传感技术领域，具体为基于Michelson-Sagnac光纤干涉仪的分布式传感系统。本发明系统以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；两个干涉仪同时探测同一时变扰动，对解调出的相位进行相加相减处理，获得具有时间延迟的两路信号，通过互相关获得与扰动位置相关的时间延迟，即可计算出扰动位置信息。该系统最大探测距离可达140km，且无盲区。本发明系统利用Michelson-Sagnac混合光纤干涉仪实现分布式光纤传感与定位，提高长距离分布式传感灵敏度与定位精度，扩大了分布式光纤传感系统频率响应范围，解决了传统方案应用于地埋光缆定位时无法定位的难题。CN110864714ACN110864714A权利要求书1/2页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。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，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。4.根据权利要求3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，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Lx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：2CN110864714A权利要求书2/2页其中，τx是由长度Lx引起的时间延迟，Lx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。5.根据权利要求4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2τx，获得扰动位置计算公式如下：Lx＝cτx/2n。6.根据权利要求1-5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