双波长单向环型分布式光纤传感定位系统

摘要

本发明属于光纤传感技术领域，具体为双波长单向环型分布式光纤传感定位系统。本发明系统包括光源部分、光探测部分、光干涉部分；光干涉部分包括干涉单元，两个双波长收发模块，两条传感光缆。本发明利用双波长单向环型干涉仪实现分布式光纤传感与定位，对解调出的两个相位信号直接进行互相关运算，获得两路信号之间的时间延迟，从而计算出扰动发生位置与双波长收发模块之间的距离，再通过互相关峰值位置与中心位置的相对关系，判断出扰动发生在哪条传感光缆上，最终实现扰动定位。相对于传统的干涉式长距离分布式传感系统，本发明系统在定位算法上无需对信号做减法，保证了用于互相关计算的两个信号的相似性，提高了扰动定位的精度。

权利要求

1.一种双波长单向环型分布式光纤传感定位系统，其特征在于，包括光源部分、光探测部分、光干涉部分；其中：

所述光源部分包括：宽谱激光器(1)，第一光隔离器(2)；

所述光探测部分包括：第一波分复用器(9)，第二波分复用器(10)，第一光电探测器(11)，第二光电探测器(12)，第三光电探测器(13)，第四光电探测器(14)；

所述光干涉部分包括：干涉单元(3)，第一双波长收发模块(4)，第二双波长收发模块(5)，第一传感光缆(6)，第二传感光缆(7)；第一传感光缆(6)与第二传感光缆(7)在中间位置(8)处连接；

宽谱激光器(1)发射的激光经第一光隔离器(2)隔离后经过光注入接口(15)与干涉单元(3)连接；

第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)分别与第一波分复用器(9)连接，第一波分复用器(9)通过第一光探测接口(16)与干涉单元(3)连接；

第三光电探测器(13)和第四光电探测器(14)分别与第二波分复用器(10)连接；第二波分复用器(10)通过第二光探测接口(17)与干涉单元(3)连接；

干涉单元(3)的第一传感光路接口(18)与第一双波长收发模块(4)的内侧接口(20)连接；干涉单元(3)的第二传感光路接口(19)与第二双波长收发模块(5)的内侧接口(22)连接；

第一传感光缆(6)的另一端与第一双波长收发模块(4)的外侧接口(21)连接，第二传感光缆(7)的另一端与第二双波长收发模块(5)的外侧接口(23)连接；第一传感光缆(6)和第二传感光缆(7)长度相同；

所述第一双波长收发模块(4)包括一路依次连接的第三波分复用器(27)、第二光隔离器(28)、第四波分复用器(29)，同时，另一路由第三波分复用器(27)和第四波分复用器(29)连接；

所述第二双波长收发模块(5)包括一路依次连接的第五波分复用器(30)、第三光隔离器(31)、第六波分复用器(32)，同时，另一路由第五波分复用器(30)和第六波分复用器(32)连接；

包含第一单向环型干涉仪和第二单向环型干涉仪，两个单向环型干涉仪的结构对称，它们所用的传感光分别占用两个不同的波段，并通过波分复用器进行路径的区分；其中第一单向环型干涉仪占用λ1波段，在光干涉部分按照第二双波长收发模块(5)、第二传感光缆(7)、第一传感光缆(6)、第一双波长收发模块(4)的顺序进行单向传输，在光探测部分使用的是第一光电探测器(11)、第三光电探测器(13)；第二单向环型干涉仪占用λ2波段，在光干涉部分按照第一双波长收发模块(4)、第一传感光缆(6)、第二传感光缆(7)、第二双波长收发模块(5)的顺序进行单向传输，在光探测部分使用的是第二光电探测器(12)和第四光电探测器(14)；将传感光缆铺设在需要监控的区域，即可实现分布式振动传感以及扰动的定位。

2.根据权利要求1所述双波长单向环型分布式光纤传感定位系统，其特征在于，所述干涉单元(3)包括一路依次连接的3×3光纤耦合器(24)、光纤延时线(25)、2×2光纤耦合器(26)，另一路由3×3光纤耦合器(24)与2×2光纤耦合器(26)连接。

3.基于权利要求2所述系统的双波长单向环型分布式光纤传感定位算法，其特征在于，具体如下：

检测到的第一单向环型干涉仪的两路干涉信号分别如下：其中，E01和E03是光振幅， 是扰动引起的相位变化，ψ是3×3耦合器的固定初始相位差；

检测到的第二单向环型干涉仪的两路干涉信号分别如下：其中，E02和E04是光振幅， 是扰动引起的相位变化，ψ是3×3耦合器的固定初始相位差；

当扰动发生在第一传感光缆上，则同一扰动引发的两个干涉仪的相位变化 和分别如下：

其中，Ld是光纤延时线的长度，第一传感光缆的长度与第二传感光缆的长度均为Ls，Lx是从扰动发生位置到第一双波长收发模块的距离，Ls≥Lx，c是真空中的光速，n是光纤的折射率；

当扰动发生在第二传感光缆上，则同一扰动引发的两个干涉仪的相位变化 和分别如下：

其中，Ld、Ls、c、n的含义均与上述相同，Lx是从扰动发生位置到第二双波长收发模块的距离，Ls≥Lx；

上述两组 和 在形式上是对称的，无论扰动发生在第一传感光缆还是第二传感光缆， 和 之间都具有一个时间差τx，它包含扰动位置的信息，表达式为：τx＝2n(Ls‑Lx)/c；

通过对 和 做互相关函数，互相关函数表达为：对互相关函数进行寻峰，通过峰值位置和互相关函数中心位置的差值获得时间延迟τx，因而获得扰动位置，计算公式如下：Lx＝Ls‑c·τx/2n。

4.根据权利要求3所述的双波长单向环型分布式光纤传感定位算法，其特征在于，判断扰动发生在哪条传感光缆的方式如下：判断互相关函数的峰值位置相对于中心位置的左右关系，如果互相关函数的峰值位置在中心位置的右侧，即峰值位置的横坐标大于中心位置的横坐标，说明 延后于此时扰动发生在第一传感光缆上；如果互相关函数的峰值位置在中心位置的左侧，即峰值位置的横坐标小于中心位置的横坐标，说明 延后于 此时扰动发生在第二传感光缆上。

说明书

双波长单向环型分布式光纤传感定位系统

技术领域

[0001] 本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及双波长单向环型分布式光纤传感定位系统及算法。

背景技术

[0002] 分布式光纤传感器具有抗电磁干扰、适合恶劣环境等多种优点，可以用于周界安防、石油管线泄漏监测等领域。利用分布式光纤传感器可以对发生在传感线路上任意一点
的扰动进行定位，现有的利用时延估计法进行扰动定位的干涉式分布式光纤传感器，在定
位算法中一般都需要进行两信号相减的操作，在相减过程中可能会在信号中引入一定的误
差，导致定位的误差增大。本发明提出的双波长单向环型分布式光纤传感定位系统，从光路
结构上保证了在扰动定位时不需要信号相减，从而提高了干涉式长距离分布式光纤传感系
统的定位精度。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种双波长单向环型分布式光纤传感定位系统。

[0004] 本发明是利用双波长单向环型干涉仪实现分布式光纤传感与定位，并提供一种基于该光纤干涉仪的传感与定位算法。本发明可以提高干涉式长距离分布式光纤传感系统的
定位精度，避免了传统的双波长光纤传感定位系统中信号相减运算带来的定位误差。

[0005] 本发明提供的双波长单向环型分布式光纤传感定位系统，其结构如图1所示，包括光源部分、光探测部分、光干涉部分；其中：

[0006] 所述光源部分包括：宽谱激光器(1)，第一光隔离器(2)；

[0007] 所述光探测部分包括：第一波分复用器(9)，第二波分复用器(10)，第一光电探测器(11)，第二光电探测器(12)，第三光电探测器(13)，第四光电探测器(14)；

[0008] 所述光干涉部分包括：干涉单元(3)，第一双波长收发模块(4)，第二双波长收发模块(5)，第一传感光缆(6)，第二传感光缆(7)；第一传感光缆(6)与第二传感光缆(7)在中间
位置(8)处连接；

[0009] 宽谱激光器(1)经发射的激光经第一光隔离器(2)隔离后经过光注入接口(15)与干涉单元(3)连接；

[0010] 第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)分别与第一波分复用器(9)连接，第一波分复用器(9)通过第一光探测接口(16)与干涉单元(3)连接；

[0011] 第三光电探测器(13)和第四光电探测器(14)分别与第二波分复用器(10)连接；第二波分复用器(10)通过第二光探测接口(17)与干涉单元(3)连接；

[0012] 干涉单元(3)的第一传感光路接口(18)与第一双波长收发模块(4)的内侧接口(20)连接；干涉单元(3)的第二传感光路接口(19)与第二双波长收发模块(5)的内侧接口
(22)连接；

[0013] 第一传感光缆(6)的另一端与第一双波长收发模块(4)的外侧接口(21)连接，第二传感光缆(7)的另一端与第二双波长收发模块(5)的外侧接口(23)连接；第一传感光缆(6)
和第二传感光缆(7)长度相同。

[0014] 本发明中，所述干涉单元(3)的一种结构如图2所示，包括依次连接的3×3光纤耦合器(24)、光纤延时线(25)、2×2光纤耦合器(26)。

[0015] 本发明中，所述双波长收发模块的一种结构图3所示，其中第一双波长收发模块(4)包括依次连接的第三波分复用器(27)、第二光隔离器(28)、第四波分复用器(29)；第二
双波长收发模块(5)包括依次连接的第五波分复用器(30)、第三光隔离器(31)、第六波分复
用器(32)。

[0016] 本发明的双波长单向环型分布式光纤传感定位系统中，在激光器(1)出光位置加入了光隔离器(2)，以防止传感光纤的背向散射光和反射回的信号光进入宽谱激光器，影响
激光器的工作状态。

[0017] 本发明的双波长单向环型分布式光纤传感定位系统中，包含第一单向环型干涉仪和第二单向环型干涉仪，两个单向环型干涉仪的结构对称，它们所用的传感光分别占用两
个不同的波段，并通过波分复用器进行路径的区分。其中第一单向环型干涉仪占用λ1波段，
在光干涉部分按照第二双波长收发模块(5)，第二传感光缆(7)，第一传感光缆(6)，第一双
波长收发模块(4)的顺序进行单向传输，在光探测部分使用的是第一光电探测器(11)、第三
光电探测器(13)。第二单向环型干涉仪占用λ2波段，在光干涉部分按照第一双波长收发模
块(4)，第一传感光缆(6)，第二传感光缆(7)，第二双波长收发模块(5)的顺序进行单向传
输，在光探测部分使用的是第二光电探测器(12)，第四光电探测器(14)。将传感光缆铺设在
需要监控的区域，即可实现分布式振动传感以及扰动的定位。

[0018] 本发明的双波长单向环型分布式光纤传感定位系统中，对扰动产生的相位差信号进行通过相位解调算法进行解调，获得两路具有时间延迟的扰动信号，对该两路信号进行
互相关运算，寻找互相关函数的峰值，可以获得与扰动位置相关的时间延迟，即可计算出扰
动的发生位置。

[0019] 本发明的双波长单向环型分布式光纤传感定位系统中，双波长收发模块的作用是向传感光路发送一个波长的光，同时接收来自传感光路的另一个波长的光。它们保证了每
个波长的光在环形传感光路中都是单向传输。两个双波长收发模块在功能上是对称的，一
个实现接收λ1波长、发送λ2波长，则另一个实现接收λ2波长、发送λ1波长。

[0020] 本发明的基于非对称式融合干涉仪的分布式光纤传感定位系统中，所述的定位算法具体如下：

[0021] 检测到的第一单向环型干涉仪的两路干涉信号分别如下：

[0022]

[0023]

[0024] 其中，E01和E03是光振幅， 是扰动引起的相位变化，ψ是3×3耦合器的固定初始相位差。

[0025] 检测到的第二单向环型干涉仪的两路干涉信号分别如下：

[0026]

[0027]

[0028] 其中，E02和E04是光振幅， 是扰动引起的相位变化，ψ是3×3耦合器的固定初始相位差。

[0029] 如果扰动发生在第一传感光缆上，则同一扰动引发的两个干涉仪的相位变化和 分别如下：

[0030]

[0031]

[0032] 其中，Ld是光纤延时线的长度，第一传感光缆的长度与第二传感光缆的长度均为Ls，Lx是从扰动发生位置到第一双波长收发模块的距离(Ls≥Lx)，c是真空中的光速，n是光
纤的折射率。

[0033] 如果扰动发生在第二传感光缆上，则同一扰动引发的两个干涉仪的相位变化和 分别如下：

[0034]

[0035]

[0036] 其中Ld、Ls、c、n的含义均与上述相同，Lx是从扰动发生位置到第二双波长收发模块的距离(Ls≥Lx)。

[0037] 上述两组 和 在形式上是对称的，无论扰动发生在第一传感光缆还是第二传感光缆， 和 之间都具有一个时间差τx，它包含扰动位置的信息，表达式为：

[0038] τx＝2n(Ls‑Lx)/c

[0039] 通过对 和 做互相关函数，互相关函数表达为：

[0040]

[0041] 对互相关函数进行寻峰，通过峰值位置和互相关函数中心位置的差值可以获得时间延迟τx，因此可以获得扰动位置，计算公式如下：

[0042] Lx＝Ls‑c·τx/2n

[0043] 判断扰动发生在哪条传感光缆的方式如下：

[0044] 判断互相关函数的峰值位置相对于中心位置的左右关系，如果互相关函数的峰值位置在中心位置的右侧(即峰值位置的横坐标大于中心位置的横坐标)，证明 延后于
此时扰动发生在第一传感光缆上。如果互相关函数的峰值位置在中心位置的左侧
(即峰值位置的横坐标小于中心位置的横坐标)，证明 延后于 此时扰动发生在
第二传感光缆上。

[0045] 通过传感光缆的判定与Lx的计算，即可得到扰动发生的具体位置，实现传感与扰动定位。

[0046] 本发明系统利用双波长单向环型光纤干涉仪实现分布式光纤传感与定位，并提供一种基于该系统的传感与定位解调算法，相对于传统的干涉式长距离分布式传感系统，本
系统在定位算法上无需对信号做减法，保证了用于互相关计算的两个信号的相似性，提高
了扰动定位的精度。

附图说明

[0047] 图1为本发明双波长单向环型分布式光纤传感定位系统结构图。

[0048] 图2为本发明双波长单向环型分布式光纤传感定位系统所使用的干涉单元的一种结构。

[0049] 图3为本发明双波长单向环型分布式光纤传感定位系统中双波长收发模块的一种结构。

[0050] 图4为本发明双波长单向环型分布式光纤传感定位系统中定位算法流程图。

[0051] 图5为本发明双波长单向环型分布式光纤传感定位系统，当扰动发生在第一传感光缆时，经过相位解调得到的 与

[0052] 图6为本发明双波长单向环型分布式光纤传感定位系统，当扰动发生在第一传感光缆时，经过互相关运算得到的互相关函数。

[0053] 图7为本发明双波长单向环型分布式光纤传感定位系统，当扰动发生在第二传感光缆时，经过相位解调得到的 与

[0054] 图8为本发明双波长单向环型分布式光纤传感定位系统，当扰动发生在第二传感光缆时，经过互相关运算得到的互相关函数。

[0055] 图中标号：1、宽谱激光器；2、第一光隔离器；3、干涉单元；4、第一双波长收发模块；5、第二双波长收发模块；6、第一传感光缆；7、第二传感光缆；8、传感光缆中间位置；9、第一
波分复用器；10、第二波分复用器；11、第一光电探测器；12、第二光电探测器；13、第三光电
探测器；14、第四光电探测器；15、光注入接口；16、第一光探测接口；17、第二光探测接口；
18、第一传感光路接口；19、第二传感光路接口；20、第一双波长收发模块内侧接口；21、第一
双波长收发模块外侧接口；22、第二双波长收发模块内侧接口；23、第二双波长收发模块外
侧接口；24、3×3光纤耦合器；25、光纤延时线；26、2×2光纤耦合器；27、第三波分复用器；
28、第二光隔离器；29、第四波分复用器；30、第五波分复用器；31、第三光隔离器；32、第六波
分复用器。

具体实施方式

[0056] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

[0057] 本发明双波长单向环型分布式光纤传感定位系统如图1所示，该系统采用的宽谱光源为超辐射发光二极管(SLD)，中心波长为1550nm。第一光隔离器消除了光学反射，四个
光电探测器用于光电转换。干涉单元的作用是使光在其中发生干涉，将传感光路中的光相
位变化转变为光强度变化，它的其中一种可能的结构如图2所示，内部由3×3光纤耦合器、
光纤延时线、2×2光纤耦合器构成，它的光注入接口用来连接激光器，两个光探测接口用来
连接光电探测器，两个传感光路接口用来连接后续的双波长收发模块。双波长收发模块的
内侧接口连接干涉单元的传感光路接口，双波长收发模块的外侧接口连接传感光缆。双波
长收发模块的一种实现方式是如图3所示的波分复用器与光隔离器的组合，它们将两个单
向环干涉仪的两个波长区分开来，使波长为λ1的光在环形传感光路中沿逆时针方向单向传
输，使波长为λ2的光在环形传感光路中沿顺时针方向单向传输。两个波长的传感光的相位
都会被同一个扰动信号调制，由于两个相位扰动信号到达两组光电探测器的时间与扰动位
置有关系，因此根据两个相位扰动信号之间的时间差就可以计算出扰动发生的位置。利用
带有数据采集卡的计算机，采集光电信号，通过如图4流程图中的算法后即可实现扰动的探
测与定位。以500kSa/s的采样率为例，当扰动发生在第一传感光缆时，相位变化信号如图5
所示，互相关函数如图6所示，此时互相关函数的峰值在中心位置(500000)的右侧。当扰动
发生在第二传感光缆时，相位变化信号如图7所示，互相关函数如图8所示，此时互相关函数
的峰值在中心位置(500000)的左侧。根据互相关函数峰值与中心的相对位置及差值，即可
实现扰动定位。