（物理电子学专业论文）若干相位载波技术的全光纤分布式传感系统及其稳定性研究.pdf

摘要 随着社会的高度发展，人们对于安全防护的需求越来越高。特别是用于高安 全场所的安全防范系统，一方面面临着复杂自然环境的考验，要做到不受任何天 气、地形及其他环境因素的影响；另一方面随着安全防范范围的扩大，犯罪手段 的现代化，更需要全方位大范围的安全防范手段和系统，同时尽可能的减低人为 操作失误因素带来的损失。 在这种背景下，分布式光纤定位传感器做为一种全新的分布式安全防护技术 开始被研究。由于光纤的工作频带宽，易于感应被测量，灵敏度高，响应快，动 态范围大，传输损耗低，因此为实现长距离多参量的监测提供了可能，同时光纤 易弯曲、抗电磁干扰、抗腐蚀、抗辐射等特点，特别适合在易燃、易爆、空间受 限制及强电磁干扰的恶劣环境下使用。 基于现有的全光纤分布式定位系统研究，本文提出了一种全新的、基于相位 载波解调技术增加感应光纤长度的全光纤分布式干涉定位系统，并针对该系统的 稳定性做了一定的研究。通过模拟实验，本文验证了该系统的定位功能，并证明 了系统在提高偏振态稳定性方面的功能。 本文的具体工作包括以下几个方面： 利用激光器、相位调制器、耦合器、法拉第旋转镜、光探测器和光纤等器件 构造出双干涉光路的全光纤分布式相位载波振动传感系统。具体推导了系统的工 作原理：当振动信号施加于光纤时，振动的作用导致光纤的长度和折射率发生了 变化，从而引起感应光纤中传输光的相位的改变。通过干涉光路使光相位的改变 转换为光强的变化。利用软件技术对相位差进行还原后，可以提取出振动信号的 频谱特性，利用频域上叠加的振动谱呈现出的一系列周期性的极值点，可以对振 动信号进行定位。通过相位载波技术，在两路感应光纤上加载不同的载波频率， 再在信号接收端将两路信号分别解调，实现单光路结构同时监测双倍长度的感应 光纤。 此外，本文还对系统的稳定性进行了理论分析，证明了通过使用法拉第旋转 镜代替常用的镀膜反射镜作为光反射端使用可使系统的偏振态不敏感，信号稳定 性大大提高。 在对系统的工作原理及其稳定性分析的基础上，通过模拟信号实验和踩踏信 号实验，验证了相位解调算法及定位算法的有效性；通过和采用反射镜作为光反 射段的全光纤分布式定位系统进行对比实验，验证了本文所提出的系统的信号稳 定性大大提高，从而证明了该系统的实际应用价值。 关键词：光纤，传感，相位载波解调，稳定性，定位 中图分类号：t p 2 1 2 ；t h 7 4 4 3 ；t n 9 1 1 7 4 a b s t r a c t w i m l ed e v e l o p m e n to ft l l es o c i e 吼p e o p l e sd e m a n d so n c 谢t ) ra r e 伊。而n g 1 l i g h e r 锄dl l i 曲e r e s p e c i a l l yt l l e c 谢够s y s t e m sf o rt 1 1 eh i 曲一c l l r i t ) r s i t e sa 坞 f k i n g l et e s tf r o mt l l ec o m p l e xn a t u r a le n v i r o m e m ，w h i c hs h o u l db ef r e ef b mm l y w e a m e r ，t e 仃a i na n do t h e re n v i r o n i i l e n t a lf a c t o 璐o nt l l eo m e ri 啪d ，、析t h l e e ) 【p a n s i o no ft t l e c u r i t ) ，锄dt l l em o d e n l i z a t i o no ft h ec r i m e ，w ei 圮e dan 1 0 坞 c o n l p r e h e n s i v ea n d 晰d e m g es e c u r i t yi 1 1 j 豇r u m e m sa n ds y s t e m s 丽t l ll o wh u m 觚 e n 0 r u n d e rt l l i sb a c k 印u n d ，n 圮d i s t r i b u t e d 丘b e rp o s i t i o i l i n g n s 0 璐a 陀b e i n g r e a r c h e d 嬲ai 圮wl ( i i l do fd i s t r i b u t e ds e c u r i t ) rs y s t e m s a sn l ef i b e rl l 邪aw i d e w o r k i i l g 丘e q u i e n c y ，i tc o l l l db ei n e 雒u r e de 弱i l ya n d 弱m ef i b e rl l 塔m g l l n s i t i v i 劬 f 瓠tr e s p o n s e ，w i d ed y n 锄i cm g ea i l dl o w 缸a n s m i s s i o nl o s s ，i tm a k e si tp o s s i b l et 0 r e a l i z el o i 培一d i s t a i l c e 觚dm _ u l t i - p a m l e t e rm o i l i t o r i n g m e 锄w m l e ，m ef i b e ri se 嬲yt 0 b e n d i n ga n dr e s i s t a n tt 0r a d i a t i o 玛c m l t c r i z a t i o n 龇l de x p l o s i o i l ，w h i c he m l b l e 谂e l ft 0 b eu s e di i lv e d rh a r de n v i r 0 砌e n t b 够e do nt l l ee x i s t i i 玛a l l f i b e rd i s t r i b m e dp o s i t i o i l i n gs y s t e m ，“sp a p e rp r e 鹏 ab 砌dn e wd i s t r i b u t e da l l - f i b e ri n t e 彘r e n c ep o s i t i o i l i n gs y s t e m ，洲c hi sb 邪e d0 n p l l 嬲eg e n e m t e dc 孤五e rd e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y 、 ，! t l i c hi i l c r e a s t l l el e n g mo f f i b e r - 0 p t i cs e n s o r s t 1 1 i sp a p e ra l s oh a ss 0 r n er e s e a r c ho nt l l es 切b i l i 锣o ft h es y s t e m t i 啪u 曲s i i i l u l a t i o ne x p 耐m e n t ，w es h o wt l l ep o s i t i o i l i n gm n c t i o no ft l l es y s t e m ，趾d p r o v et h ea b i l i t ) ro ft h es y s t e mi ne i l l l a l l c i n gt l l es 讪i l i t ) ro ft l l e 鲍童t i eo fp o l 撕z a t i o n f i u n c t i o n s i i lt 1 1 i sp a p e r m ec o n c r e t cw o r ki n c l u d e st l l ef o l l o w i i 培： b yu s i n gl 嬲e 塔，p h 嬲em o d l l l a 幻瑙，c o u p l e 瑙，n l ef 盯a c 蚵r o t a t i o nm i r r o p h o t 0 d e t e c t o 瑙a n do p t i c a ld e v i c e s ，、ec r e a t e 廿l ea l l - f i b e ro p t i c 2 l lc a r r i e rp h a s ed i s t r i b u t e d 、，i b r a t i o ns e n s o rs y s t e m 谢n ld u a l i m e 疵r e n c eo p t i c a lp a m t h ep a p e rd e d u c e sm e w 0 幽n gp d n c i p l eo ft h es y s t e m w h e nm e v i b r a t i o ns i 盟2 l li si m p o s e do nm eo p t i c a l 舶t l l ev i b r a t i o nc a u s e st 1 1 ec h a l l g eo f 让屺l e n g t h 锄dt l l ei n d e xo fr e 6 a c t i o no ft h e o p t i c a lf i b e r ，w 1 1 i c hl e a d s 恤p h 弱eo f m e1 i 出_ i i lm e0 p t i c f l lf i b e rt 0c h 锄g e t h ew e u s eai m e r f e r e n c eo p t i c a lp a mt os w i t c ht l l ep h 弱ec h 锄g et 0i n t e n s i t ) ，c h a n g e a r e r r e v e r t e db ys o f t w a r e ，t l l ep l 弱es t l i ro fi n t e r f e r o m e t r i cs i g 删sc a nb e 觚l s f o n i l e di n t 0 s p e c 饥蚰n e 佗撇s 商e so fp 耐o d i ce x 仃e m 啪i 1 1t l l ea d d i t i v ep o w e rs p e c t r i 姗o f v i b r a t i o ns i 罂l a l s ，锄dt 1 1 ep o s i t i o no ft h ev i b r a t i o ns i g i l a l sc 肌b ed e t e m i n e db yt h e s e i i e x 仃c i m a lp o i n t s u s i n gp h a g e n e m t e dc a 盯i e rt e c h i l i q u e s ，c a 玎啊n g 帆oc 枷e r 啪v e 、析n ld i 任e r e mf k q u e n c i e so nn l et w os e n s i n go p t i cf i b e l 觚dd e m o d u l a t i n gt l l e s et v 旧 s i g n a li 1 1t l l es i g n 甜一r e c e i v i n gp o r t ，t l l 锄m ed o u b l el e n g t l lo fo p t i cf i b e rc a b l ec 锄b e i n s p e c t e db ys i n g l eo p t i cs 虮l c t u r es y n c h r o n o i l s l y i na d d i t i o n ，n l ep 印e ra l s 0m a k e sa l e o r e t i c a l 觚a l y s i so ft i 圮s t a b i l i t ) ro f 圮 s y s t e mt 0p r 0 v et l l a tt l l r o u 曲t h eu o fm ef a r a d a yr o t a t i o nm i r r o ri 璐t e a do ft l l e c o m m o i l l yu s e dc o a t i n gl i g h t - r e n e c m gm i 仃0 r 舔t l l el i g h t - r e n e c t i n ge n dc o u l dm a l 【e t h ep o l a r i z a t i o ns t a t eo ft l l es y s t 锄i i l s e i l s i t i v e ，w l l i c hg r e a t l yi n c r e 嬲e sn l e 嘲b i l 毋o f m es y s t e m u n d e r a i l a l y s i so f 也ew o r k i n g 皿n c i p l e 锄d 姒b i l 时o f m es y s t e i n i tw 弱 p r o v e dt l l a t n l ev a l i d i 锣o fm ep h a d e i n o d u l a t i o na r i t l l m e t i ca n dp o s i t i o l l i n g a r i t h n e t i ct l l l 0 u g l ls i i n u l a t i o ns i 印a la n d 娜d es i g i l a le x p e r i m e n t s a n d 也e c o n 缸a s te x p e r i m e n tw i t hn l ea l l f i b e rd i s t r i b u t e dp o s i t i o i l i i 玛s y s t e mw l l i c h 哪e sm e l i g h t r e f l e c t i l 玛m i r i 0 r 嬲t l l el i g h t - r e n e c t i n ge 1 1 dp r o v e st h eg r e a ti i l c r e a o fn l e s 诅b i l i t ) ro f 吐l es y s t e m ，、 ，：i l i c hp r o v e s t l l ep r a c t i c mv a l u eo fm es y s t e m k 0 yw o r d s ：o p t i c a lf i b e r s e l l s o r ，p h a s eg e n e r a l e dc a 玎i e rd e m o d u l a t i o n ，s t a b i l 埘， l o c a t i o n i i i 第一章绪论 随着社会的快速发展，对基础设施的安全维护越来越被人们所重视，成为了 社会稳定、经济快读发展的一个基本要求。对通信光缆( 包括海底光缆) 、高压 电网、输油管道、输气管道等基础设施进行安全监测，不仅是这些设施实现技术 性功能的保障，更是避免造成重大经济损失、维护社会稳定发展的有效手段。特 别是随着基础设施建设的快速发展，呈现出地域分布广、复杂程度高、重要性进 一步提高的新特点，这就使得基础设施受到危害的范围、频率也随之增加，安全 监测的难度、重要性也相应增加。 对于长干线的监测，由于易受电磁干扰的影响，不宜实施依靠电的方式进行 传感监测。因此，光纤技术作为进行安全监测和预防人为破坏的一种全新的技术 手段已经广泛的被人们所关注，它能够对威胁干线安全的各种行为进行早期监 测、定位和预警。 但大多数现有光纤传感系统基于点传感器，这样覆盖大区域或长距离就需要 布设大量传感器，导致系统成本和复杂性升高，使应用受限，甚至无法实施。大 多数现行的监控光纤电缆损害和整体性技术是静态的或是运用o t d r ( 光时域反 射仪) 缓慢变化的度量法( 例如，锐弯管、光纤破裂、光纤细化、连接器遗失) 。 相比之下，分布式光纤传感技术由于传感器布设数量较少，系统相对简单， 因此具有更好的应用前景。但目前国际上已开发并商品化的分布式技术较少，且 其中多数采用的是温度传感器，而能够准确定位的更是少数。同时，受限于测量 低功率短光脉冲反向传输时间的计时要求( 大多数基于时域反射计，即o t d r 技术) ，多数技术只能进行表态或参数变化很少的监控，系统应用范围狭窄，缺 乏实用性。对于干线安全监测系统来说，准确可靠的实时定位是至关重要的。 所以，我们提出一种新型的采用相位载波技术的干涉型分布式光纤传感系 统，通过信号处理和分析，此系统可动态实时地对加诸于传感光纤上任意大小的 振动信号进行准确定位。该系统容易实现，应用灵活方便，感应距离长，并且具 有动态范围广、测量精度高的优点【l 】，具有广泛的应用前景。 在介绍该系统的结构及原理之前，我们先对相关研究背景作些介绍。 1 1 光纤传感器简介 过去十几年里，光纤传感器技术取得了飞速进步。光纤传感设备的不同构 造已经被开发用于监控具体的参数，其差异在光调制的原则不同。 物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为 调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素( 如 温度；压力、电场、磁场等等) 改变时，其传光特性( 如相位与光强) 会发生变化的 现象。因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量 的变化。 传统的振动传感器以应变一电量为基础，以电信号为转换及传输的载体， 用导线传输电信号，因而使用时受到环境的限制；光纤传感器则是以光信号为变 换和传输的载体，利用光纤传输光信号，其优点在于： 1 ) 光纤是由石英玻璃制成的，是一种介质、绝缘体，且耐高压、耐腐蚀，能 在易燃易爆的环境下可靠运用； 2 ) 光纤为无源器件，对被测对象不产生影响； 3 ) 光纤体积小，重量轻，易做成各种形状的传感器阵列； 4 ) 光纤传感器的载体是光，其频率数量级为1 0 1 4 h z ，从而使传感器频带范围 很宽，动态范围很大，且不受电磁场干扰； 5 ) 具有极高的灵敏度和分辨率。 所有这些，都是普通传感器所无法比拟的。在当前数据业务爆炸式增长，通 信道路越来越拥挤的情况下，以光替代电作为传输手段也是趋势。光纤传感技术 将成为进行电力、通信和油气管道等行业的安全监测和预防人为破坏的主要技术 手段。 美国是研究光纤传感器起步最早、水平最高的国家，在军事和民用领域的应 用方面，其进展都十分迅速。在军事应用方面，研究和开发主要包括：用于水下 探测的光纤传感器、用于航空监测的光纤传感器、光纤陀螺、用于核辐射检测的 光纤传感器等，这些研究都分别由美国空军、海军、陆军和国家宇航局( n a s a ) 的有关部门负责，并得到许多大公司的资助。美国也是最早将光纤传感器用于民 用领域的国家，如运用光纤传感器监测电力系统的电流、电压温度等重要参数， 监测桥梁和重要建筑物的应力变化，检测肉类和食品的细菌和病毒等。日本和西 欧各国也高度重视光纤传感器的研究，并投入大量经费开展光纤传感器的研究与 开发。日本在2 0 世纪8 0 年代便制定了“光控系统应用计划 ，该计划旨在将光纤 传感器用于大型电厂，以解决强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中的信息测量、 传输和生产过程的控制。2 0 世纪9 0 年代，由东芝、日本电气等1 5 家公司和研究机 构，研究开发出1 2 种具有一流水平的民用光纤传感器。西欧各国的大型企业和公 司也积极参与了光纤传感器的研发和市场竞争，其中包括英国的标准电讯公司、 法国的汤姆逊公司和德国的西门子公司等【2 】。 我国在2 0 世纪7 0 年代末就开始了光纤传感器的研究，其起步时间与国际相差 不远。目前已有上百个单位在这一领域开展工作，主要集中在各大高校和研究院 所，其中相当数量的研究成果具有很高的实用价值，有的达到世界先进水平。每 2 年发表的论文、申请的专利也不少。但与发达国家相比，我国的研究水平还有不 小的差距，主要表现在商品化和产业化方面，大多数品种仍处于实验室研制阶段， 不能投入批量生产和工程化应用【3 1 。 光纤传感器一般由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器及解调 器组成，其基本原理是将光源的光经入射光纤送入调制区，光在调制区内与外界 被测参数相互作用，使光的光学性质( 如强度、波长、频率、相位、偏振态等) 发生变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被 测参数。 光纤传感器按传感原理可分为两类。一类是传光型( 或称非功能型) 传感器， 另一类是传感型( 或称功能型) 传感器。在传光型光纤传感器中，光纤仅作为光 的传输媒质，对被测信号的感觉是靠其它敏感元件来完成的，这种传感器中出射 光纤和入射光纤是不连续的，两者之间的调制器是光谱变化的敏感元件或其它性 质的敏感元件。在传感型光纤传感器中光纤兼有对被测信号的敏感及光信号的传 输作用，将信号的“感 和“传 合而为一，因此这类传感器中光纤是连续的。 从基本作用来分类，光纤传感器有为光纤温度传感器、光纤位移传感器、光 纤应变传感器等等。分别可以感知外界的温度1 4 j 、位移与应变的大小。如果外界 物理量的变化为振动信号，则传感器中光纤作为感应承受体发生内部应变，从而 使得光信号的强度或相位发生变化，因此起到了传感器的作用，在本文中将这一 类的光纤传感器统称为光纤振动传感器，测量外界应变、振动都可以归为这一类。 按信号在光纤中被调制的原理不同，光纤传感器可分为强度调制型、相位调 制型、偏振态调制型、频率调制型、波长调制型等，本文中提出的系统即属于相 位调制型光纤传感器范畴。相位调制型传感器的原理是将外界信号作用到干涉仪 上，干涉仪上测量臂传输的光与参考臂的参考光互相干涉( 比较) ，使输出的光 的相位发生变化，通过对相位的解调就可检测出外界信号的变化。光纤中传输的 相位受外界影响的灵敏度很高，利用干涉技术能够检测出任意大小相位变化所对 应的物理量。利用光纤的可绕性和低损耗，能够将很长的光纤盘成直径很小的光 纤圈，以增加利用长度，获得更高的灵敏度。 另一种分类方法，如果整段的光纤作为感应外界信号的受体，则称为分布式 光纤传感，这是一种利用光纤几何上的一维特性进行测量的技术，将被测量作为 光纤位置长度的函数，可以在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的外部物理 参量进行连续的测量；若只有其中部分光纤( 通常进行了部分改造如引入光纤光 栅) 作为感应受体，则是点传感器，要感应整个光纤分布线上的情况则需采用布 点的方法。 本文要讨论的是分布式相位调制的光纤传感技术。 1 2 相位载波生成( p g c ) 技术在干涉型光纤传感器中的应用概况 在介绍相位载波生成( p g c ) 技术在干涉型光纤传感器中的应用概况之前， 我们首先介绍一下现有的干涉型传感器的类型。 干涉式分布光纤传感器是利用光纤受到所监测物理场感应，如温度、旋转、 压力或振动等，使导光相位产生延迟，经由相位的改变，造成输出光的强度改变， 进而得知待测物理场的变化【5 】。干涉式分布光纤传感器相对于o t d r 技术的优点 是干涉式传感器的动态范围大、灵敏度高，因此，可以实现任意信号的检测。干 涉法中主要应用的是迈克尔逊( m i c h e l s o n ) 干涉仪、马赫曾德尔( m a c h z e l l l l d e r ) 干涉仪、s a g n a c 干涉仪以及各干涉仪之间混合组成的干涉仪结构，包括sa _ 印和 m a c h z e l l l l d e 一、s a 印a c 和m i c h e l s o n 【7 1 、s a 粤l a c 和s 孵m c 【引、环状和另一不同 环状【9 】【l o 】等混合组成的干涉仪结构。各种干涉仪中，由于基于s a 掣m 效应的光 纤陀螺技术较为成熟，因此，基于s 删效应的分布式光纤传感技术也最具发展 潜力。 以下分别来介绍这些干涉仪。 ( 1 ) 光纤m i c h e l s o n 干涉仪【1 1 j 光纤m i c h e l s o n 干涉仪的结构与原理如图1 1 所示，光源发出的光经过透镜 会聚，入射到光纤耦合器d c ，将光分成两路，一路作为参考光，入射到反射镜 m 1 ，另一路作为测量光，两路光被反射回到耦合器会聚并干涉，干涉光由探测 器接收。当测量光一臂的反射镜m 2 发生移动，干涉条纹( 干涉信号的相位) 就要发生变化，输出光强的表达式为： ，2 = 砰+ 鼻+ 2 厶c o s ( 矽) ( 1 1 ) 因此，可以通过判断相位的变化来对外界物理量进行测量。 图1 1 光纤m i c h e l s o n 干涉仪 ( 2 ) 光纤m a c h z e i l l l d e r 干涉仪 光纤m a c h z e l l l l d e r 干涉仪结构与原理如图1 2 所示。光源发出的光经过耦 合器d c l ，将光束一分为二，光纤一臂为信号臂，另一臂为参考臂。经过耦合 器d c 2 进行干涉，干涉光照到探测器上，光强表达式分别为 4 厶= 彳+ 占c o s 矽( r ) ( 1 2 ) 厶= 彳一b c o s ( ，) ( 1 3 ) 因此，可以通过对干涉信号相位的提取来获知作用在信号臂上外界物理量的 变化。 p d 重 m 2 ( 3 ) 光纤s a g n a c 干涉仪 光纤s a 印a c 干涉仪结构与原理如图卜3 所示。它是利用s a g n a c 效应构成 的一种干涉仪，是光纤陀螺的基本结构1 2 1 。s a g n a c 效应是一种相对论效应。从 一相干波源发出的二束波如构成回路、则此回路中二个波分别具有相反的旋转分 量。如果上述回路处于旋转参照系中，经典理论认为：二波相遇时如果光程差相 同，二个波之间没有相位差。但相对论则得出，此时二个波之间的相位差和参照 系的旋转角速度成正比、和回路所围的面积成正比。这一理论是在狭义相对论发 表之后由s a g n a c 在1 9 1 3 年首先提出的，后来它被称为s a g n a c 效应。s a g n a c 效 应不久就在光学干涉仪上得到验证【1 3 1 。 简单地说，s a 印a c 干涉仪中输入的光经过耦合器分成两束，分别沿顺时针和 逆时针方向在光纤环中传播，最后在耦合器处会合，发生干涉。围绕着垂直于环 面的轴转动将引起两束光之间的相位差( 光程差) 变化，因此改变输出干涉图样。 相位差( 称s a g n a c 相移咖) 和角速度之间的关系为 机：垒丝国 ( 1 4 )口j = t 国l q ， 川 式中，为光纤的长度，刀为光纤环的直径，i 为波长，c 为真空中光速， 为角速度。通过对相移测量来得到转动的角速度。 5 s 图l 一3 光纤s a g n a c 干涉仪原理图 对于如何用光纤s a g n a c 干涉仪确定扰动信号的位置，现已有很多种结构。 1 9 8 7 年，j p d a 虹n 等用s a 盟a c 干涉仪来确定一个单频的信号源【1 3 】。1 9 9 1 年， i 汕e re ta 1 在文献【1 4 】及文献【1 5 j 中指出此干涉仪可以作为位置传感器确定一连 续的白噪声源的位置。r 啷ue ta 1 在文献i l6 】和文献l l7 】中指出用双干涉系统和波 长复用技术可以实时地确定多个单频干扰的位置。文献【l8 】中又提出了一种新的 s 删干涉结构，如下图l - 4 所示，可用于确定光纤上声音脉冲的位置。 图1 - 4 基于s a 口干涉的定位传感系统 如上图，光源发出的光经2 2 耦合器分光后，分别沿s 螂干涉仪光纤环 的顺时针和逆时针方向传播，并先后经过相关的扰动点。外界脉冲信号作用到光 纤上，使光纤沿长度发生变化，导致光纤中传播的导光相位被调制，由于顺逆两 束光经过扰动点的时间不同，两路光被调制后产生相位差，经调制后的两路光在 光电转换器处发生干涉。对干涉信号做频谱变换，可以确定该声音脉冲在光纤环 上的位置。然而，由于s a g n a c 环的对称性，它存在一些局限性。例如，当扰动发 生于环中心附近时，顺逆两束光的相位差会非常小以致于无法感应到外界脉冲信 号。还有，确定在s a g n a c 环中心的哪边感应到脉冲信号也非常困难。 干涉型光纤传感器通常将被测量转化为光信号的相位，因此，相位测量是该 类型传感器信号处理的基本要求。干涉型光纤传感器的相位载波检测方式是通过 在干涉仪中引入检测信号带宽外的某一频率的大幅度相位调制信号，使所检测信 号成为这些大幅度载波的边带，用相关检测和微分一叉乘的方式分离光纤干涉仪 6 的交流传感信号和随机相位漂移，是相位的随机漂移表现为传感信号直流基线的 变化，从而得到稳定的传感信号输出1 1 9 j 。 现有的相位载波技术在干涉型光纤传感器中的应用大多基于光纤水听器等 非定位的传感器，多应用于采集声信号。而且在使用相位载波技术时往往使用的 是直接调制光源的调制方法【2 0 】。下图是一种直接调制光源的p g c 解调方案图， i n p u t 为m i c h e l s o n 光纤干涉仪加上直接调制光源后的输出，l p f 为低通滤波器， 删t 为微分器，d a 为差动放大器，l 为积分器，耶为高通滤波器： 图1 5 一种直接调制光源的p g c 解调方案图 现有的几种典型的相位生成载波解调方法有以下几种1 2 l j ： 1 零差解调法( h o m o d y n ed e m o d u l a t i o n ) 零差解调法包括被动零差解调法和主动零差解调法，两者的主要区别在于： 后者含有反馈器件，可以根据传感器的输出信号对测量系统本身作出反馈。主动 零差法的性能较好，但主动零差法是采用反馈的方法对低频干扰进行补偿，而且 也不适于多路复用，因此一般只在实验室中使用。此外，该方法同被动零差法一 样，易受光源功率和系统衰减系统变化的影响。 c 鲫p o g i 糖s a m p k 图1 6 主动零差法的实验装置示意图 2 伪外差解调法( p s e u d o - h e t e r o d ) ，i l ed e m o d u l a t i o n ) 与零差解调法相比较而言，外差解调法具有很大的测量范围【2 2 】。一般的外 差解调法需要昂贵的移频器件，因此便产生了原理类似的伪外差解调法。这种方 法不需要光移频器件，其一般原理如下：以周期性的锯齿波或正弦波作为调制信 7 号，而被测量的变化则是对载波作相位调制，经过以载波信号基频为中心频率的 带通滤波器后，得到一个正弦信号，通过测量该信号的相位变化即可获得被测量。 图1 7 伪外差检测法的实验装置示意图 3 合成外差解调法 合成外差检测法的原理与零差检测法有相通之处，都是对一个频率比较复杂 的信号进行滤波，提取出两个低频的信号，然后重新合成为一个新的信号，该信 号的相位就包含了被测量的信息。而两者的不同之处在于：后者采用微分叉乘， 而前者采用本征信号混频。 叫 l 兰翻话入 胛h 带 遥滤波笛 胍电驾i | h 带遇i 瓷驱动静n 浣液潞| - - _ 。_ _ _ - o p 。 _ - - _ _ _ - _ _ _ - _ 一 1 5 l o 分撇嚣 l ：= = 仨 1 2 魄帮 随滤波器 愿耳孓 l 肿h 昔远l 一一，亡l i 滤波器i u 3 h 符 随滤渡器 i 舭 对譬争信号 岍l 耢 自动增蕴 拉餐及游泼 _ r 一 _ _ _ _ l _ j l - 一 呐吨豹捆 图1 8 合成外差检测法的实验装置示意图 本系统中采用的p g c 解调方法和上述都有所不同，本系统中采用的解调方法 只需要提取出相应频率的信号，不需要重新合成。而且本系统中提取的频率一般 情况下为5 0 k h z 以上的高频信号，所以低频干扰对本系统采用的解调方法影响不 大。 现有的一些应用于光纤水听器等干涉型传感器的p g c 技术一般都是单一调 制频率，在本系统中，采用了双调制频率，将两个不同的调制信号加载在同一个 光路系统中，再通过分别分离出相位信号进行定位。这在相位载波技术的应用上 还是首例。 第二章基于相位载波技术的全光纤分布式传感系统介绍 2 1 系统结构 使用相位载波解调的全光纤分布式振动传感系统的结构如图2 1 所示。光路 系统由一个超辐射发光二极管( s l d ) 光源，一个光环形器，一个3 3 光纤耦合 器、一个光电探测器、两段不同长度的感应光纤、两个相位调制器( 压电陶瓷 p z t ) ，两个法拉第旋转器及延时光纤线圈组成。其中，( 3 ) 至( 9 ) 和( 3 ) 至( 1 0 ) 之间的两段光纤作为两路独立的传感光纤，用以拾取外界扰动信号，( 4 ) 和( 5 ) 为施加外界振动源的位置。( 3 ) 到( 9 ) 之间的光路长度与( 3 ) 到( 1 0 ) 之间的 光路长度不同。 光纤延时线 图2 1p g c 解调的全光纤分布式振动传感系统 如图，从光源发出的光通过环形器，经3 3 耦合器分成顺时针( c w ) 两 路和逆时针( c c w ) 两路，c w 光先经过扰动点，经过两路不同调制频率的光 路，反射后再经过延时线圈，而c c w 光先经过延时线圈，然后经过扰动点，再 经由两路不同调制频率的光路反射回来。具体地，光路a 走向为1 2 3 4 9 4 3 7 6 8 ；光路b 走向为1 2 8 6 7 3 4 9 4 3 ；光路c 走向 为l 一2 3 5 1 0 5 3 7 6 8 ；光路d 走向为l 一2 8 6 7 3 5 1 0 5 3 。而这四路光中，光路a 和光路b 的光程相同，光路c 和光路d 的光程相 同，这两组光在耦合器内部发生干涉，但两组光之间由于光程不同而不会互相影 响，输出干涉信号至光电二极管，后接模拟电路系统和数字信号处理系统进行信 号分离和处理，构造信号处理平台。 9 2 2 系统原理 当外界的振动信号作用在传感光纤上时，由于弹光效应的影响，这一段光纤 的折射率将发生改变，光信号通过时，其相位就会发生变化，这主要是由光纤的 长度和折射率的变化引起的。通过干涉测量技术，系统就可以将相位变化转换成 光强度变化，进而检测出外界振动信号。干涉系统使振动信号在同一时刻作用在 不同光程的两路光上，形成了干涉。本系统中由于采用了双法拉第反射镜的末端， 因此具有两种光程长度的四路光，形成了两组互不干涉的干涉光路，可同时提取 两个不同地区的干扰信号。通过后段信号分离提取，频谱分析后，可得到精确度 高的振动信号定位信息。 本系统采用的结构在感应光纤段只需要单根光纤，且同一个干涉系统可构造 双倍长度的感应区域。后段采用的法拉第旋转镜代替传统的反射镜，保持了在相 同外界信号激励的环境下使得相位灵敏度提高一倍的优点，同时可以基本消除系 统偏振态变化对干涉系统的影响，大大减小了外界温度、应力等环境因素对系统 定位功能的影响。 系统的原理分为调制原理、解调原理、定位原理三个部分，以下分别加以介 绍。 2 2 1 调制原理 本系统中信号调制的基本原理是弹光效应。弹光效应，也称“光弹性效应， 是指介质由于受到外力作用而产生弹性形变，从而引起折射率的变化瞄】渊。在 光缆干线中，当有外界扰动作用在光缆上时，将引起光缆中光纤的长度和折射率 等光学传输特性发生变化，从而引起感应光纤中传输光相位的变化。 长度为，的光纤，对应的相位是： 矽= 军万，= ， ( 2 一1 ) 尹= - 万，= z ( z 1 ) 以 其中为光波传播常数，刀为光纤折射率，为光纤长度，当外界扰动作用在光纤 上时，将引起光的相位变化为： 矽= 三；( 丹z + ，) ：z + ， ( 2 2 ) ( 2 2 ) 式的第一项代表由于扰动产生光纤长度的变化而引起的相位变 化，其中： ，：s ，g = 兰生 ( 2 3 ) ， ( 2 2 ) 式的第二项，由于的变化而引起的来源于两个作用：( 1 ) 弹光效应： l o 引起了光纤折射率的变化；( 2 ) 纵向应变引起了光纤直径d 的变化。即： ，筇= ，警锄+ ，等d c 2 训 ( 2 一1 ) 中= 锄，7 锄光纤的等效折射率，由于光纤纤芯和包层的等效折射 率7 锄差别很小，仅有1 ，忽略不计后，可表示为： 2 刀， 即： 警= 鲁= 砌刀 w 其中( 2 4 ) 式的第二项可写为： ，掣仰：堡鱼 d n2 8 d id y 将( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 式代入( 2 2 ) 式，可得： 妒：倒+ ，笪血，+ 堡丝。 刀 2 d 2d 矿 由于光纤应变主要是由物体的轴向应变( 沿光纤纤芯方向) 引起的，物体的横 向应变和剪切应变对光纤应变的影响可以忽略不计。即( 2 8 ) 式的第三项可忽 略不计，( 2 8 ) 式可简化为： ：肛，+ ，丝血， ( 2 9 ) 栉 其中光弹效应可以用一个四阶应力光学张量来解析的描述，即： r13 峨2 【刊甜2 荟砧朋肭k 1 ，2 ，3 ) ( 2 _ l o ) 上式表明张量( 刀。2 ) 矿的改变量与应变成正比，为了计算方便，采用简约记号，方程 ( 2 1 0 ) 可写为： 皑。i - 爿2 荟弓啪= l ，2 3 ) ( 2 _ 其中，弓为弹光系数张量矩阵，s ，为应变张量，蛾为逆介电张量的增量。 考虑主应力和主应变之间关系： 吒2 e l q + e 2 9 j ，+ 日3 巳 q = 最l 巳+ 最2 f j + 最3 9 ： ( 2 1 2 ) 吒2b l 巳+ 另2 巳+ 只3 巳 由于在各项同性的介质中，由于无剪切应变，q 对仃，的影响与勺对q ，和 ) ) ) ) 5 6 7 喝 喝 1 唱 2 2 心 心 倍 g ：对口：的作用相同，所以置。= 昱：= b ，= 卑， 即弹光系数仅有两个e 和弓。 墨：= ；= 丑，= b 。= 昱，= ：= 毋， 即对于均匀的各项同性介质，光纤弹光系数张量可表示为： 弓2 p l 。p t ，p t p 如釉 p ，p ，p ，0 ，o ，0 p r ，p f ，p ，0 ，0 ，o o ，o ，o ，蚴，o ，o n p 以o ，掣，o _ p l ，p 卯t q p 垫掣 令一毋= 2 ，弓= a ，其中，a 为拉梅常量。鸬名可表示为： v ee 以= 一甜= 一 ( 1 + 1 ，) ( 1 2 1 ，) 72 ( 1 + v ) 令秒= 毛+ q + 乞，可推出： ox = 九9 + 2 弘s 。 oy = a9+2 p s y 仃：= 名目+ 2 g ： ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 一1 5 ) 其中，p = 等，表示变形前后单位体积的相对体积变化，称为体应变。 七= 予= 页南，y 为光纤材料的泊松比 光纤的应变张量可以写为： s j 2 s 一，占 一，占 0 o o 由广义胡克定律：仃肼= 3 船肼，七= 页南，可以推出： s = 即。2 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 1 2 其中尸为均匀受压光纤的轴向应力，e 为光纤材料的弹性模量。对于弘z 方向 折射率的变化可写为： ( 寺诌洲”v 邮叫 v 霸= 旦 ( 1 _ 咖，柏】( 2 砌) 利用( ：) = 一吾刀的关系，可得到： 血：一要坐掣【( 1 训p ，喝】 ( 2 - 1 9 ) 2e “ 。 将( 2 一1 9 ) 式代入( 2 9 ) 式，可得： 卸：膨+ ，旦( _ 要塑学【( 1 - d 易一伽 以z厶 ：膨一掣【( 1 一咖一憎】) ( 2 - 2 0 ) 旷 = 厦l 一【( 1 一d 另一悟】) n 由此得到与的关系。定义( 1 _ 等【( 1 一y ) 易一y 研】) 为7 ， 可得： = 刎 ( 2 2 1 ) y 是由光纤性质决定的常量，因此光相位的变化与光纤内部得轴向应变，成 正比，当然也与外加力学量成正比，所以当扰动信号加强时，光相位的变化也随 即变大；反之信号减弱时，光相位的变化也随即变小。两者变化呈线性关系，这 样力学量和光学量完成了转换。利用光弹效应，光缆感受到的外界振动信息就能 被准确提取。 在本系统中，由于反馈装置的存在，同一路光会两次经过振动点，因此，外 界的振动信号被两次调制。下面来分析外界信号被两次调制的原理。 由式2 2 得： 缈= = ( ) = 届酣+ 必 ( 2 2 2 ) 进一步整理化为 妒( 孚+ 等 ( 2 - 2 3 ) 可以看出，相位差缈与光纤引起的相位延迟成正比关系。在外界激励信 号一定的情况下，即孚+ 等一定，为了等到更高的相位灵敏度，显然可以通过 增加传感光纤长度，的方法实现，一般实现途径是增加实际的光纤长度，而本系 统采用光波在光纤中两次通过的方法，在没有增加光纤物理长度情况下，实际相 位延迟为2 效果，显然采用此方法我们等到的相位差为 ， 疗 伊。= 2 ( 半+ 竺孚) = 2 缈 ( 2 2 4 ) l p 可见在相同的外界信号激励下，采用光波在传感光纤中通过两次的技术方 案，得到相位差的倍增效果，即实现了相位灵敏度提高一倍。所以此类相位调制 方法除了应用于光纤定位监测系统之外，还可以广泛应用于光纤传感、光纤通信 领域。光纤传感器中的应用主要表现为可以用来探测声波、应变、温度、振动、 语音等等能够引起式( 2 2 3 ) 中相位差的物理量；在光纤通信中应用主要表现为 利用铌酸锂作为外调制器实现光开关、光路由、以及全光交换网等方面。 实现上述方法的反馈装置一般为反射镜，即镀膜反射头，但是本系统中采用 了法拉第旋转镜，使光在被反射时，其偏振面旋转9 0 。，起到了有效克服外界扰