基于3×3耦合器Fox－Sm ith型光纖周界系統(tǒng)的定位技術(shù)

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)

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。

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

2 實驗

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。

3 結(jié)論

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。

［1］ZHANG R，JIANG Sh，YAN Q Zh，et al.All-fiber perimeter alarm system based on Mach-Zehnder interference［J］.Laser Technology，2013，37(3):334-337(in Chinese).

［2］XIE Sh R，ZOU Q L，TU Y J.A Study on real-time location method for long distance dual M-Z interferometric vibration sensor［J］.Journal of Optoelectronics·Laser，2009，20(8):1020-1024(in Chinese).

［3］CHENW M，WU J，TAN J，et al.Locating technology for twin Mach-Zehnder distributed optical fiber sensing system［J］.Acta Proceedings of Optica Sinica，2007，27(12):2128-2132(in Chinese).

［4］CHTCHERBAKOV A A，SWART P L，SPAMMER S J，et al.Modified Sagnac/Mach-Zehnder interferometer for distributed disturbance sensing［J］.Proceedings of the SPIE，1998，3489:60-64.

［5］SPAMMER S J，SWART P L.Merged Sagnac-Michelson interferometer for distributed disturbance detection ［J］.Journal of Lightwave Technology，1997，15(6):972-976.

［6］HOFFMAN P R，KUZYK M G.Position determination of an acoustic burst along a sagnac interferometer［J］.Journal of Lightwave Technology，2004，22(2):494-498.

［7］HONG GW，JIA B，TANG H.Location of a wideband perturbation using a fiber Fox-Smith interferometer［J］.Journal of Lightwave Technology，2007，25(10):3057-3061.

［8］BARNSLEY P.Fiber Fox-Smith resonators:application to singlelongitudinal-mode operation of fiber lasers［J］.Journal of the Optical Society of America，1988，5(8):1339-1446.

［9］SMITH PW.Stabilized single frequency output from a long laser cavity［J］.IEEE Journal of Quantum Electronics，1965，1(8):343-348.

［10］XU H Y.Study on perturbation determination based on distributed fiber sensing system［D］.Shanghai:Fudan University，2011:45-60(in Chinese).

［11］SUN Q Zh.Study on distributed fiber-optic sensing and information processing technology and its applications［D］.Wuhan:Huazhong University of Science and Technolgy，2008:29-31(in Chinese).

［12］SUN Y，JIA B，ZHANG T Zh.Position determination sensing system based on all-fiber interferometer with feedback loop［J］.Transducer and Microsystem Technology，2006，25(1):44-46(in Chinese)

［13］HANG L J，HE C F，WU B，et al.Detection technology of underwater pipeline leakage and its location method［J］.Laser Technology，2011，35(3):376-379(in Chinese).