任 廣，江 山，閆奇眾，印新達(dá)，熊 巖

(1.武漢郵電科學(xué)研究院，武漢430074;2.武漢理工光科股份有限公司，武漢430200)

引 言

近年來，干涉型分布式光纖傳感系統(tǒng)由于其具有較高的靈敏度在油氣管道泄漏檢測(cè)和安防檢測(cè)等領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注［1］。干涉型分布式光纖傳感系統(tǒng)基于相位調(diào)制原理，干涉信號(hào)的相位中攜帶有信號(hào)信息及信號(hào)的作用位置信息，為了從中分離出信號(hào)的位置信息，人們提出了多種采用干涉結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定位。目前的主要干涉結(jié)構(gòu)有Sagnac干涉定位系統(tǒng)、單馬赫-曾德爾干涉儀(Mach-Zehnder interferometor，MZI)干涉定位結(jié)構(gòu)、MZI-MZI干涉定位系統(tǒng)［2-3］、MZI-Sagnac 干涉定位系統(tǒng)［4］、Sagnac-Michelson干涉定位系統(tǒng)［5］。2004 年，HOFFMAN 和KUZYK［6］報(bào)道了僅使用Sagnac干涉儀的振動(dòng)定位傳感系統(tǒng)。2007年，HONG等人［7］報(bào)道了基于2×2的Fox-Smith［8-9］干涉結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)沒有對(duì)相位進(jìn)行解調(diào)，而是使用近似的方法獲取振動(dòng)信息，這樣影響了對(duì)振動(dòng)信號(hào)的準(zhǔn)確獲取，從而影響定位精度。作者介紹一種基于3×3耦合器的Fox-Smith型干涉周界入侵探測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用3×3耦合器作為相位解調(diào)元件，通過解調(diào)相位獲得振動(dòng)信息，從而實(shí)現(xiàn)定位。使用法拉第旋光反射鏡作為端面和諧振腔反射元件，既減少了偏振帶來的影響［10-13］也提高了光纖端面的反射率。系統(tǒng)傳感光纖成直線型，這樣在油氣管道泄漏探測(cè)和安防檢測(cè)時(shí)，傳感光纖的利用率較高。

1 基于3×3耦合器的Fox-Sm ith干涉分布式光纖傳感方案

在本文中作者將基于Fox-Smith諧振腔以及3×3耦合器提出一種振動(dòng)入侵探測(cè)傳感系統(tǒng)，使用單根光纖作為探測(cè)的Fox-Smith干涉儀。

基于3×3耦合器的Fox-Smith干涉分布式光纖傳感方案見圖1。該方案主要包括超輻射發(fā)光二極管(superluminescent light emitting，SLED)寬譜光源、光隔離器、三端口光環(huán)行器、3×3耦合器、長(zhǎng)度為L(zhǎng)d的時(shí)延光纖(time delay fiber，TDF)、法拉第旋光鏡(Faraday rotation mirror，F(xiàn)RM)、傳感光纖、光電轉(zhuǎn)探測(cè)器(photo detector，PD)等組成。圖 1 中，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和1，2，3分別表示耦合器的3個(gè)輸入端口和3個(gè)輸出端口。采用SLED寬譜光源主要是防止光波在振蕩的時(shí)候在3×3耦合器中干涉，從而無法獲得正確的信號(hào)。使用FRM主要是起到減弱光偏振對(duì)干涉光的影響，有效避免在擾動(dòng)點(diǎn)處光纖偏振態(tài)隨機(jī)變化從而對(duì)干涉系統(tǒng)造成影響［8］。設(shè)擾動(dòng)點(diǎn)為D，擾動(dòng)點(diǎn)距離端面的距離為L(zhǎng)x。光波在系統(tǒng)中會(huì)形成多路光，可以干涉的兩路光波為:

光波1:光源→Ⅰ→2→TDF→FRM2→Ⅱ→FRM1→光波2:光源→Ⅰ→1→FRM3→Ⅱ→FRM1→2→TDF→

Fig.1 Structure of Fox-Smith distributed sensing system based on 3×3 coupler

兩束光波在3×3耦合器中可以形成穩(wěn)定的干涉，這是因?yàn)閮墒庾哌^的光路是相同的，只是到達(dá)擾動(dòng)位置的時(shí)間有延遲τ=2neffLd/c，其中，neff為纖芯的有效折射率，c為光速，Ld為延遲距離。這種不對(duì)稱使得兩束光產(chǎn)生了相位差，從而形成干涉。理想的3×3耦合器的瓊斯矩陣表達(dá)式為:

法拉第旋光反射鏡瓊斯矩陣為:

若假設(shè)擾動(dòng)信號(hào)為φ(t)，入射光為E0=［ExEy］T，則PD1中相干的兩路光分別為:

則PD1中接收的光強(qiáng)為:

PD2中相干的兩路光分別為:

可得PD2中接收到的光強(qiáng)為:

式中，A，B，A1和 B1均為常數(shù)，*表示共軛轉(zhuǎn)置，t1=2neffLx/c，τ=2neffLd/c。設(shè) φ(t)= φ0sin(2πft)，其中f為頻率。將 φ(t)代入I1，I2表達(dá)式的相位中，可得:

I1和I2相位的幅值為:

式中，k為自然數(shù)，這時(shí)出現(xiàn)的陷波點(diǎn)頻率與擾動(dòng)距離相關(guān)。由上式可以看出，當(dāng)擾動(dòng)點(diǎn)距離尾端面較近的時(shí)候，出現(xiàn)的第1級(jí)陷波點(diǎn)頻率較大，在相同采樣率的條件下，對(duì)同樣數(shù)目的點(diǎn)做快速傅里葉變換所獲得的頻率范圍較小，從而陷波點(diǎn)的個(gè)數(shù)就會(huì)相應(yīng)減少，從而導(dǎo)致定位誤差增大。，則陷波點(diǎn)頻率fnull為:

從(12)式可以看出，長(zhǎng)度為L(zhǎng)d的延遲光纖也會(huì)產(chǎn)生陷波點(diǎn)，通過控制延遲光纖的長(zhǎng)度，使延遲纖形成的陷波點(diǎn)遠(yuǎn)離零點(diǎn)，這樣可以獲得由于擾動(dòng)產(chǎn)生的陷波點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)定位。當(dāng)把擾動(dòng)視為理想的白噪聲時(shí)，相應(yīng)的傅里葉變換為絕對(duì)的正弦函數(shù)，由(11)式定義的頻率與擾動(dòng)點(diǎn)之間的關(guān)系見圖2，因此定位原理為通過獲取相位的頻譜，獲得陷波點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)定位。

Fig.2 Frequency response of Fox-Smith interferometerwhen white noise perturbation applied at a distance of Lx

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)按照?qǐng)D1搭建，光源采用中心波長(zhǎng)為1550nm的SLED光源，光源出光功率為1.3mW。數(shù)據(jù)采集卡為凌華PCI-9846H，16位分辨率，最高采樣率為40Msample/s。光電二極管為昱升YSPD718，其響應(yīng)度為0.86。延遲光纖的長(zhǎng)度為1.187km。3×3耦合器的分光比測(cè)量為1∶1.045∶1.015。法拉第旋光反射鏡的反射率測(cè)量值為87.5%。傳感光纖長(zhǎng)度為34.793km，分別是10.015km，10.53km，3.973km，10.275km(每盤光纖均為光學(xué)時(shí)域反射針測(cè)量)。在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，設(shè)置采集卡采樣率為1Msample/s，通過某一段光纖獲得一系列的波形，其時(shí)域波形如圖3所示。

Fig.3 Time-domain signal of perturbation

按照3×3耦合器的解調(diào)方法［9-10］進(jìn)行相位解調(diào)后，獲得的相位圖形如圖4所示。

Fig.4 Phase signal after demodulation

對(duì)圖4所示的相位信號(hào)做短時(shí)傅里葉變換，這樣就可以獲得相位的強(qiáng)度譜，其強(qiáng)度譜幅值以dB為單位，獲得的頻域波形如圖5所示。

Fig.5 Power spectrum result of an impact at13.988km

獲得的陷波點(diǎn)頻率為:4147.465Hz，10599.078Hz，17603.686Hz，24700.460Hz，31705.069Hz，38894.009Hz。根據(jù)(3)式，取光纖折射率為1.48，計(jì)算出擾動(dòng)點(diǎn)位置為13.957km，其定位誤差為12m。實(shí)驗(yàn)中選取了幾盤光纖的連接點(diǎn)做實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

Table 1 Perturbation deviation at different position

從上面的數(shù)據(jù)可以算出，定位誤差為±83m。

3 結(jié)論

通過理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明利用3×3耦合器作為基本元件的Fox-Smith干涉結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)距離周界的入侵檢測(cè)定位是可行的。通過對(duì)相位的解調(diào)，獲得了在長(zhǎng)34.793km傳感光纖上，平均定位精度為±83m。但是該種結(jié)構(gòu)在靠近光纖尾端時(shí)靈敏度較低，獲得的定位誤差較大。用于長(zhǎng)距離周界入侵時(shí)需要預(yù)留出一段光纖以保證在探測(cè)時(shí)具有較高的靈敏度。

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