任 廣,江 山,閆奇眾,印新達,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)
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和安防檢測等領(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,干涉信號的相位中攜帶有信號信息及信號的作用位置信息,為了從中分離出信號的位置信息,人們提出了多種采用干涉結(jié)構(gòu)實現(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]報道了僅使用Sagnac干涉儀的振動定位傳感系統(tǒng)。2007年,HONG等人[7]報道了基于2×2的Fox-Smith[8-9]干涉結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)沒有對相位進行解調(diào),而是使用近似的方法獲取振動信息,這樣影響了對振動信號的準確獲取,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)相位獲得振動信息,從而實現(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和安防檢測時,傳感光纖的利用率較高。
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入侵探測傳感系統(tǒng),使用單根光纖作為探測的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、長度為Ld的時延光纖(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個輸入端口和3個輸出端口。采用SLED寬譜光源主要是防止光波在振蕩的時候在3×3耦合器中干涉,從而無法獲得正確的信號。使用FRM主要是起到減弱光偏振對干涉光的影響,有效避免在擾動點處光纖偏振態(tài)隨機變化從而對干涉系統(tǒng)造成影響[8]。設(shè)擾動點為D,擾動點距離端面的距離為Lx。光波在系統(tǒng)中會形成多路光,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,這是因為兩束光走過的光路是相同的,只是到達擾動位置的時間有延遲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式為:
法拉第旋光反射鏡瓊斯矩陣為:
若假設(shè)擾動信號為φ(t),入射光為E0=[ExEy]T,則PD1中相干的兩路光分別為:
則PD1中接收的光強為:
PD2中相干的兩路光分別為:
可得PD2中接收到的光強為:
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),這時出現(xiàn)的陷波點頻率與擾動距離相關(guān)。由上式可以看出,當擾動點距離尾端面較近的時候,出現(xiàn)的第1級陷波點頻率較大,在相同采樣率的條件下,對同樣數(shù)目的點做快速傅里葉變換所獲得的頻率范圍較小,從而陷波點的個數(shù)就會相應(yīng)減少,從而導(dǎo)致定位誤差增大。,則陷波點頻率fnull為:
從(12)式可以看出,長度為Ld的延遲光纖也會產(chǎn)生陷波點,通過控制延遲光纖的長度,使延遲纖形成的陷波點遠離零點,這樣可以獲得由于擾動產(chǎn)生的陷波點,從而實現(xiàn)定位。當把擾動視為理想的白噪聲時,相應(yīng)的傅里葉變換為絕對的正弦函數(shù),由(11)式定義的頻率與擾動點之間的關(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,從而實現(xiàn)定位。
Fig.2 Frequency response of Fox-Smith interferometerwhen white noise perturbation applied at a distance of Lx
實驗平臺按照圖1搭建,光源采用中心波長為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。延遲光纖的長度為1.187km。3×3耦合器的分光比測量為1∶1.045∶1.015。法拉第旋光反射鏡的反射率測量值為87.5%。傳感光纖長度為34.793km,分別是10.015km,10.53km,3.973km,10.275km(每盤光纖均為光學(xué)時域反射針測量)。在實驗室條件下對上述結(jié)構(gòu)進行實驗,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
對圖4所示的相位信號做短時傅里葉變換,這樣就可以獲得相位的強度譜,其強度譜幅值以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,計算出擾動點位置為13.957km,其定位誤差為12m。實驗中選取了幾盤光纖的連接點做實驗,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。
通過理論分析與實驗驗證,證明利用3×3耦合器作為基本元件的Fox-Smith干涉結(jié)構(gòu)在長距離周界的入侵檢測定位是可行的。通過對相位的解調(diào),獲得了在長34.793km傳感光纖上,平均定位精度為±83m。但是該種結(jié)構(gòu)在靠近光纖尾端時靈敏度較低,獲得的定位誤差較大。用于長距離周界入侵時需要預(yù)留出一段光纖以保證在探測時具有較高的靈敏度。
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