一种基于迈克尔逊干涉仪的分布式两臂传感系统.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CN110940364A(43)申请公布日2020.03.31(21)申请号201911169094.4(22)申请日2019.11.26(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3页附图2页(54)发明名称一种基于迈克尔逊干涉仪的分布式两臂传感系统(57)摘要本发明属于光纤传感技术领域，具体为一种基于迈克尔逊干涉仪的分布式两臂传感系统。本发明系统以迈克尔逊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；系统由窄带激光器、光隔离器、两个探测器、3×3光纤耦合器、两个传感光缆、两个法拉第旋转镜经光路连接组成；窄带激光器发射出相干光波进入3×3光纤耦合器，被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两个传感臂；两束探测光波被两个法拉第旋转镜反射回来后再次进入3×3耦合器并产生干涉；外界环境对光缆的作用记录在两束探测光波的相位中；利用带有采集卡的计算机，采集光电信号并解调出相位差信息，即可判断出扰动强度和位置。CN110940364ACN110940364A权利要求书1/2页1.一种基于迈克尔逊干涉仪的分布式两臂传感系统，其特征在于，以迈克尔逊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；系统由窄带激光器、光隔离器、第一探测器、第二探测器、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，经光路连接组成；所述窄带激光器发射出相干光波，进入3×3光纤耦合器，被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2；第一探测光波和第二探测光波被第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜反射回来后再次进入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二光探测器的电压强度呈现出来；利用带有采集卡的计算机，采集光电信号并解调出相位差信息，即可判断出扰动强度和位置。2.根据权利要求1所述的基于迈克尔逊干涉仪的分布式两臂传感系统，其特征在于，使用光隔离器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；传感臂上均采用法拉第旋转镜，以实现系统保持偏振稳定状态。3.根据权利要求1所述的基于迈克尔逊干涉仪的分布式两臂传感系统，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。4.根据权利要求1所述的基于迈克尔逊干涉仪的分布式两臂传感系统，其特征在于，通过对扰动产生的相位差信号解调，分析相位差起始振幅的方向，辨别出振动所在传感臂，且计算出扰动位置和强度；具体算法如下：第一传感臂和第二传感臂之间的相位差表达式表示如下：其中，φ1(t)和φ1(t)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描述为不同频率和幅度余弦波的叠加，表达式如下：其中，Ψi，ωi和φi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：2CN110940364A权利要求书2/2页其中，I0表示输出光强度，φ0(t)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∆φ(t)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。3CN110940364A说明书1/3页一种基于迈克尔逊干涉仪的分布式两臂传感系统技术领域[0001]本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及基于迈克尔逊干涉仪的分布式两臂传感系统。背景技术[0002]分布式光纤传感器常被应用于周界安防，油管泄漏监测，电力电缆破坏监测，桥梁安全监测等领域。光纤集传感与传输于一体，可以在整个光纤长度上进行连续振动或温度测量，同时获得被测量的具体位置。基于迈克尔逊光纤干涉仪的分布式光纤传感系统具有监测距离长，灵敏度高，应用范围广，结构简单等优点。然而目前的方案均是将迈克尔逊两臂中一臂作为传感臂，而另一臂作为参考臂。并且参考臂需要放置在一个安静无振动的环境中。这无疑增加了系统的实施难度，降低系统的可靠性。发明内容[0003]本发明的目的是提供一种基于迈克尔逊干涉仪的分布式两臂传感系统，以提升单套传感系统的稳定性以及工作距离。[0