光纤分布式振动传感器研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 光纤分布式振动传感器是一种新型传感器 是目前传感器领域研究的热点 它基于振动 v i b r a t i o n 对光纤的作用改变光纤的特征参量 通过检测这些特征 参量的变化问接测量还原出振动信号 具有灵敏度高 监测范围大 系统相对简 单以及抗电磁干扰强等优点 已经代替传统的振动传感器在众多场合领域得到了 应用 本文从防区型干涉仪传感器和定位型干涉仪传感器两个方面来研究光纤分 布式振动传感器 其中 防区型干涉仪传感器是本文的研究重点 首先 构造了 基于无源零差法解调技术的多防区型干涉仪传感器系统 针对这个系统设计了一 台光电探测器组样机 用以实现8 防区2 4 路光电转换功能 同时 基于l a b v i e w 开发平台实现无源零差法解调技术算法 设计硬件解调电路 并分为埋地防区型 测试和围栏防区型测试两个部分得出实验结果 分析并比较两部分实验结果验证 了防区型干涉仪传感器系统功能 慎次 提出了一种新型的高灵敏度 m h 么h n d e r 结构传感器实现方案 基于微波光子学原理将微波信号单边带 s s b 调制到光载波上 通过改变微波频率实现主动可控制的灵敏度改善 与 目前常用的传统高灵敏度解调方案一一进行比较 说明了这种新型方案的应用意 义 定位型干涉仪传感器是传感器研究热点之一 有多种结构可以实现定位功 能 本文构造了基于双m a c h z e h n d e r 结构的定位型干涉仪传感器系统 分别阐 述了系统的关键技术和信号处理算法 最后通过改变振动位置和采样速率两个参 数分为四种情况得到实验结果 将定位精度控制在士3 0 0 米范围之内 验证了定 位型干涉仪传感器系统功能 关键词 光纤分布式振动传感器 m a c h z e h n d e r 干涉仪 防区型干涉仪传感器 定位型干涉仪传感器 无源零差法 单边带调制 a b s t r a c t d i s 仃i b u t e df i b e ro p t i cv i b r a t i o ns e n s o ri san e wt p eo fs e n s o rw h i c hi st h e r e s e a r c hh o t s p o to fs e n s o r6 e l da tp r e s e n t i ti sb 觞e do nt h ev i b r a t i o no nt h er o l eo f t h eo p t i c a lf i b e rt 0c h a n g et h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so ft h eo p t i c a lf i b e r b yd e t e c t i o n0 ft h e s ec h a r a c t e r i s t i cp a r 锄e t e r sc h 锄g e t oi n d i r c c tr e s t o r ct h ev i b r a t i o n s i g n a l i tp o s s e s sh 谵hs e n s i t i v i t y b i gr a n g em o n i t o r i n g r e l a t i v e l ys i m p l es y s t e m 蚰r o n g 鲫t i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r l e r e n c e a n do t h e ra d v 锄t a g e s w h i c hh a sr c p l a c e dt h e t r a d i t i o n a lv i b r a t i o ns e n s o rt 0b c 印p l i e di n 廿l ef i e l do fan u m b e ro fo c c 撕o n s i nt l l i sp a p e rw ed i v i d ei n t 0d e f e n s ea r e at y p ei n t e r f e r o m c t e r n s o r 锄dl o c a t i o n t y p ei n t e 疵r o m e t e rs e n s o r 似 鹊p e c t st 0s t u d yd i s t r i b u t c df i b c r0 p t i cv i b r a t i o ns e n s o r w h e r e i n l ed e f e n a r e a 锣p ei n t e r l e r o m e t e rs 锄s o r i st h ec o n c e n 仃a t i o no ft h i s a r t i c l e f i r s t c o n 鳓m c tam u l t i p l ed e f c n 盯e 嬲t y p ci n t e r f c r o m e t e rs e n s o rs y s t e m w h i c hi sb 蹴d p 雒s i v eh o m o d y n ed e m o d u l a t i o nm e t h o d f o r t h i ss y s t 锄d e s i g na p h o t l e c t r i cd e t e c t o rg r o u pp r o t 啊p et 0 r l i z e8d e f e n s e 盯e 销2 4p h o t o e l e c 仃i c n v c 商o n 如n c t i o n m c 锄w h i l e i m p l e m e n tp 雒s i v eh o m o d y n cd e m o d u l a t i o nm e t h o d a l g o r i t h m b 筋c d仰 n l el a b v i e w d e v e l o p m e n tp l a t f 0 咖 d e s i g n h a r d w 眦 d c m o d u l a t c i r c u i t d i v i d ei n t 0b u r i e dd e f e n s ea r c at y p et e s t 鲫df e n c ed e f e n s e 盯髓 帅et e s t 坩oa s p e c t s t 0o b t a i ne x p c r i m e n t a lr e s u l t s 柚a l y z e 柚dc o m p a r ct o 硒p e c t s 他s u l t st 0v 盯i 匆t h ed e f e n s e 玳邪t y p ei n t e r f c r o m e t e r n s o rs y s t e m 如n c t i o n s s e c o n d p r o p o an o v c ls c h e m ef o ri m p r o v i n g t l l es e n s i t i v i t yo fm a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r s e n s 0 ru s i n gas i n g l es i d eb 卸d s s b m o d u l a t i o nt e c h n i q u e w r h i c hi sb 硒e do nt h e m i c r o w a v ep h o t o n i c sp r i n c i p l et 0m o d u l a t et h em i c r o w a v es i g n a lo nt l l eo p t i c a l 盯i 盯 s i n c ct h ef k q u e n c yo fm i c r o w a v es i g n a lc 鼍mb ed y n 锄i c a l l yt u n c d t 1 1 e s 锄s i t i v 时o f n rc 锄b ea c t i v e l y 锄dt u n a b l yi m p r o v e d i l l u s t r a t et h ea p p l i e d s i g n i f i c a t i o no ft h i sn o v e ls c h e m eb yc o m p a r i n g w i t l lt h ec u l l r e n t l yu s e dt r a d i t i o nh i g h s e n s i t i v i t yd 锄o d u l a t i o ns c h e m c i o t i o nt r p ei n t e r f e r o m e t e r n s o ri so n eo ft h e 陀s e a r c hh o t s p o to fs e n s o rf i e l d t h e 他a 他v a r i o u s 鲫m c t u r e sc a nb ea c h i e v c dl o c a t i o n 如n c t i o n i nt h i sp a p c rw c c o n s t m c tal o c a t i o n砂p ei n t e r 佗r o m c t e r n s o r叫豇锄 w h i c hi sb 弱e do n d u a lm a c h z c h n d c rs t l u c t u r e 陀s p e c t i v e l yd e s c r i b et h ek e yt e c h n 0 1 0 9 yo ft h i ss y s t e m 锄ds i g n a l p r o c e s s i n ga l g o r i t h m d i v i d e i n t 0f o u rc a s e sb yc h a n g i n gt h e 铆o p 甜a m e t e 鸭o ft h ev i b r a t i o n1 0 c a t i o na n dt h es a m p l i n gr a t et 0o b t a i nt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s i ts h o w st h a tt h el o c a t i o na c c u r a c yi sc o n t r o l l e dw i t h i nt h er a n g eo f 士3 0 0 m e t e r sw h i c hh a sv e r i f i e dt h el o c a t i o nt y p ei n t e r 奄r o m e t e rs e n s o rs y s t e m 如n c t i o n s k e y w o r d s d i s t r i b u t e d 舶e ro p t i cv i b r a t i o ns e n s 0 r m a c h z e h n d e ri n t e 疵r o m e t e r d e f e n s e 卸 妙p ei n t e r f e r o m e t e rs e n s o r l o c a t i o nt y p ei n t e r l e r o m e t c rs e n s o r p 觞s i v e h o m o d y n em e t h o d s i n g l es i d eb 锄dm o d u l a t i o n 浙江大学硕士学位论文 目录 目录 致谢 i 摘要 i i a b s t 心i c t i i i 第l 章绪论 1 1 1 课题研究背景与意义 1 1 2 光纤分布式振动传感器综述 2 1 4 第2 章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 6 第3 章 1 2 1防区型光纤分布式振动传感器 2 1 2 2 定位型光纤分布式振动传感器 6 1 2 3 不同结构光纤分布式振动传感器性能对比 1 3 基于m a c h z e h n d c r 干涉仪结构的解调技术 1 4 1 3 1 有源零差法 1 4 1 3 2无源零差法 1 5 1 3 3 相位载波零差法 1 7 论文研究内容 18 基于无源零差法的防区型干涉仪传感器 2 0 多防区型干涉仪传感器系统结构 2 0 光电探测器组样机设计 2 l 解调算法实现 2 3 硬件解调电路的设计 2 7 2 4 1 a d 转换模块 2 8 2 4 2 u s b 通信模块 2 9 2 4 3 d s p 与外围接口模块 2 9 实验结果与分析 31 2 5 1 埋地防区型测试 3 l 2 5 2 围栏防区型测试 3 4 2 5 3 埋地防区型与围栏防区型的比较 3 6 本章小结 3 7 基于微波光子学原理的高灵敏度传感器新型方案 3 8 v 浙江大学硕士学位论文 目录 3 1 工作原理 3 8 3 2 新型方案的选取与比较 4 2 3 3 实验结果与分析 j 4 3 3 4 本章小结 4 4 第4 章一基于双m a c h z e h n d e r 结构的定位型干涉仪传感器 4 5 4 1 双m a c h z e h n d e r 定位型干涉仪传感器系统结构 4 5 4 2 信号处理算法 4 6 4 2 1 采样率的选择和滤波器的设计 4 7 4 2 2 互相关运算 4 8 4 3 实验结果与分析 4 9 4 4 本章小结 5 3 第5 章总结与展望 5 5 参考文献 5 6 作者在学期问所获得的科研成果 6 0 浙江大学硕士学位论文 绪论 1 1 课题研究背景与意义 第1 章绪论 随着现代科学技术的迅猛发展 对基础设施的安全维护以及监测越来越受到 人们的重视 周界防范安全报警系统 输油输气管道等基础设施维护 甚至于地 震海啸监测都有振动传感器的身影 这在一定程度上保障了人们的公共安全 避 免造成重大损失 随着应用范围的不断扩大 复杂程度的不断提高 传统的机械 式或机电式振动传感器已难以适应现代安全维护监测的需求 在这种情况下 发 展一种高灵敏度 低误报率 监测范围大 功能完备性能稳定的振动传感器就显 得十分重要 光纤 o p t i c a lf i b e r 又称光导纤维 最先被应用于通讯领域中并获得了迅速 推广 它彻底改变了人类的通讯模式 为高速信息通讯奠定了基础 伴随着光纤 通信的不断发展 光纤的另一个特性 光纤传感也逐渐进入了人们的视线f 卜3 1 研究发现 外界物理参量对光纤的作用会改变光纤的特征参量 光纤传感技术开 始得到应用 早期由于受到光源光功率和光纤传输损耗的限制 光纤传感器主要 用于单点测量或准分布式测量 无法实现长距离大范围的传感检测 应用范围受 到了一定的限制 然而 伴随着光电技术的逐渐完善 使长距离大范围的光纤分 布式传感成为可能 光纤分布式传感技术是以光纤作为传感元件 传输光为载体 感知外界被测 量信息 具有获得被测量信息在空间和时间上连续分布的特点 目前 光纤已经 可以对7 0 余种物理参量进行传感 其中应用最广泛的主要有应力 i n 温 度 t c m p e r a t l l r e 压力 声波 p r e s s u r e a c o u s t i c 等 o 光纤分布式振动传感 器是基于振动 v i b r a t i o n 对光纤的作用改变光纤的特征参量 通过检测这些特 征参量的变化间接测量还原出振动信号 具有灵敏度高 监测范围大 系统相对 简单以及抗电磁干扰强等优点 已经代替传统的振动传感器在众多场合领域得到 了应用 浙江大学硕士学位论文绪论 1 2 光纤分布式振动传感器综述 光纤分布式振动传感器是诸多光纤传感器中的一种 同时 它还可以分为许 多不同种类 其中 按工作原理分可分为基于光纤后向散射的光时域反射 o t d r 技术和基于干涉仪结构的干涉传感技术 按定位与否分可分为基于不 同防区组合而成的防区型光纤振动传感器和基于定位原理的定位型光纤振动传 感器 防区型光纤振动传感器由于本身结构较为简单无法定位 它只能检测出振 动产生于哪一防区 将目标缩到一个防区后再结合其他技术才能准确得知振动产 生的位置 但由于自身结构的简单 在一定的应用场合下有着定位型光纤振动传 感器没有的优势 本文接下来将结合工作原理和定位与否分别讨论不同结构的光 纤振动传感器 1 2 1 防区型光纤分布式振动传感器 防区型光纤分布式振动传感器的主要特点即结构简单无法定位 主要采用的 工作原理为基于简单干涉仪结构的干涉传感技术 目前采用了m a c h z e h n d e r 1 1 和m i c h e l s 0 n 1 冬1 4 1 两种不同的干涉仪结构 1 m a c h z e h n d c r 干涉仪结构 殴巢 园 参考臂 图1 1m a c h z e h n d e r 干涉仪结构 图1 1 为m a c h z e h n d c r 干涉仪结构 光源发出连续光 经耦合器后分为两 路 一路为信号臂接收振动信号调制 一路为参考臂 经过一段距离后两路光再 经耦合器干涉 光电探测器将干涉光信号转换为电信号 送至解调电路处理还原 出探测到的振动信号 系统中两个耦合器之间的光纤是传感区域 当光纤附近没 有振动时 两臂的光程差为某一固定值 这样接收到的信号为直流信号 当某一 2 浙江大学硕士学位论文绪论 位置发生振动时 会引起该位置附近的光纤折射率和长度的扰动 从而导致光程 的变化 在接收端产生相应的干涉波纹信号 信号的时频特征 频率 幅度 谐 波 持续时问等 与振动源有关 设振动信号为帕 假定振动信号引起的干涉仪光程差 即相位差 正比于 振动信号 则有 f f 1 1 其中灵敏度y 与光纤类型 埋设条件等因素有关 假定光源发出的光功率为户 光纤损耗为口 长度为 则经过m a c h z n d e r 干涉仪两臂的光信号分别为 互o 尸e 4 2 c o s 耐 破 r 1 2 岛 f n 吼 2 s 叫 珐 r 1 3 其中 1 呜 f 分别为经过两臂的相位 干涉波纹信号即为上述两路光信号的 相干叠加 j f 与 型2 2 弦 2 s 西 r 一以 f 2 c o s 耐 稿 如 2 1 4 2 1 2 c o s 杰 f 2 s 耐 砖 屯 f 2 式中第一个余弦项为干涉波纹信号 第二个余弦项为光载波 上边的分析并没有考虑到光源相干性和光偏振态的影响 假定干涉仪两路光 信号的偏振夹角为夕 光源相干性决定的干涉条纹可见度为肘 m 1 意味着完全 相干 m o 意味着完全不相干 实际的叠加信号应为 j o 2 研c o s 刖尸p 2 c o s 厶盛 r 2 c o s 耐 m f 唬 f 2 1 5 根据光探测器的平方律检测 探测器产生的光电流为 以 2 r 册2 心4 c o s 2 c o s 2 吮 2 1 6 其中 r 为光探测器的响应度 如果只考虑交流成分 则有 d 三竺篡兰裟老器矧 7 冗聊2 尸p 4 c o s 2 口c o s 以 f 1 7 由此可知 接收到的干涉波纹信号强度除了与光源功率 光纤损耗和光探测 3 浙江大学硕士学位论文绪论 器的响应度有关外 还与光源的相干性以及两臂的偏振态有关 接收到振动信号强度与光源的相干性密切相关 如果使用相干性不好的光 源 将会导致信号质量的恶化 简单分析一下光源的相干性与条纹可见度的关系 假定光源的相干长度为厶 中心波长为厶 波长线宽和频率线宽分别为 a v 光速为c 则相干长度与线宽的关系为 厶 蔷 古 8 干涉条纹可见度聊与光程差 和光源相干长度厶的关系为 朋 l s i n c c 刽 9 表1 1 给出了使用不同线宽激光器 不同光程差条件下的条纹可见度 表1 1 不同线宽 不同光程差条件下的条纹可见度 愁 1 0m h zln 旺i z1 0 0l h z1 0l 心l z 1k mo 0 0 80 0 8o 8 20 9 9 l o om0 0 80 8 2 0 9 9 1 0 0 l omo 8 20 9 91 0 01 0 0 lm0 9 91 0 01 0 01 0 0 1 0c m1 0 01 o o1 0 01 0 0 从表中的数据可以看出 当两臂的光程差能控制在l m 以内 采用普通的 d f b 激光器 线宽为l m h z 到l o m h z 就可以实现较好的可见度 如果两臂的 光程差达到l k m 则只有采用窄线宽的光纤激光器 线宽1 0 l h z 左右 才能实 现较好的可见度 由式 1 7 可知 干涉波纹信号的强度还与干涉仪两臂的偏振态有关 最 极端的情况是 两臂光信号的偏振态正好处于正交状态 接收到的信号将为零 如果对偏振态不加以控制 由于外界环境的随机扰动导致偏振态的随机扰动 会 使接收到的信号强度随机起伏 当信号较小时 会淹没在系统的噪声中 导致系 4 浙江大学硕士学位论文 绪论 统对外界振动灵敏度的降低 在两臂中各增加一个偏振控制器 可以确保两臂光 信号构偏振态保持相同 偏振态的控制可采用反馈控制方式 将接收到干涉信号 的强度作为反馈信号 实时调制偏振控制器的输出偏振态 为保持偏振态 光路 中光器件如耦合器可采用偏振保持的器件 2 m j c h e j s o n 干涉仪结构 雕盒一圆 区圈 矿圆 参考臂 图1 2 为m i c h e l s 干涉仪结构 光源发出连续光 经耦合器后分为两路 一路为信号臂接收振动信号调制 一路为参考臂 经过一段距离后两路光到达终 端的反射镜 反射镜将两路光反射回去 经原有的路径后重新回到耦合器干涉 光电探测器将干涉光信号转换为电信号 系统中耦合器和反射镜之间的光纤是传 感区域 m i c h e l s o n 干涉仪结构和m a c h z e h n d e r 干涉仪结构均为双光束干涉 两 种传感器的灵敏度等传感参数都大致相同 主要区别是m i c h e l s o n 干涉仪结构的 检测范围相对于m a c h z e h n d e r 干涉仪结构小 由式 1 9 可知 干涉条纹可见 度朋由光程差 和光源相干长度厶决定 在相同光源情况下 光源相干长度是 固定的 m i c h e l s o n 的光程差由于反射的缘故是m a c h z e h n d e r 的光程差的两倍 由此造成了干涉条纹可见度的下降 减小了传感器的检测范围 m i c h e l s o n 干涉 仪中采用的反射镜为法拉第旋转镜 它可以使两路光的偏振态保持一致 较 m a c h z e h n d e r 干涉仪不会出现 偏振诱导衰落 的现象 防区型光纤分布式振动传感器是由许多防区组合而成 每个防区传感的结构 即一个简单的干涉仪结构 图1 3 和图1 4 分别为两防区m a c h z e h n d c r 干涉仪结 构传感墨和两防区m i c h e l s o n 干涉仪结构传感器 当振动发生于一防区时 与此 防区对应的光电探测器将探测到振动信号 将振动定位至这一防区 浙江大学硕士学位论文 绪论 图1 3 两防区m h z e h n d 盯干涉仪结构传感器 图1 4 两防区m i c h e l s 册干涉仪结构传感器 1 2 2 定位型光纤分布式振动传感器 定位型光纤分布式振动传感器相比于防区型结构较为复杂 可以定位振动产 生的位置 主要采用的工作原理为基于混合干涉仪结构的干涉传感技术和基于光 纤后向散射的光时域反射 o t d r 技术 1 2 2 1 基于混合干涉仪结构的干涉传感技术 1 双m h z e h n d e r 干涉仪结构 基于双m a c h z e h n d e r 干涉仪结构定位技术文献 1 5 1 6 均有提及 结构如图 1 5 所示 光源发出的光经耦合器后分为两路 一路先经过传感光纤提取到振动 信号后再经过传输光纤进入光电探测器转化为电信号 另一路与之对应相反 即 先经过传输光纤后再经过传感光纤提取振动信号 两路信号由于提取振动信号的 6 浙江大学硕士学位论文 绪论 时间不一样 存在着时延差 数据处理提取出时延差即可实现定位 i 光电探测器 弋厂 蚴上上上 幕f 7 鼎粥斯 l 光电探测器 m 传输光纤 图1 5 基于双m h z e h n d 盯干涉仪结构的定位型光纤传感结构 定位原理如图1 6 所示 假定s 为光纤的起点 t 为光纤的末端 p 为振动 发生位置 其中光纤总长为l 起点s 至末端t 之问的长度 设振动点p 离起 始端s 的距离为z 则振动点p 离光纤末端t 问的光纤长度为l z 当传感光纤 在p 点发生振动 传感光纤中顺时针方向传播和逆时针方向传播的两束光波同时 受到相同的相位调制 并继续沿各自的方向向前传播 顺时针光的传输路径为 p t 光电探测器 经过距离为l z 逆时针光波的传输路径为p s 光电探测器 经过距离为z 由于传输路径不同 两束光波到达光电探测器的时间不同 两路 信号波形之间的时间差 f 三一2 z v 为光在光纤中的传播速度 测量出 即 可用公式z 工一 2 计算出振动发生的位置 s p 传感光绗 o l i z l t传输光纤 图1 6 目标定位图示 基于m a c h z e h n d e r 环干涉仪结构定位技术文献 1 7 1 9 均有提及 它与双 m a c h z e h n d e r 干涉仪结构的区另9 是去掉了传输光纤 直接利用传感两臂绕成了 一个环 整个环均为传感区域 可应用在相应的场合内 7 浙江大学硕士学位论文绪论 2 s a g n a c 干涉仪结构 基于单环s a g n a c 干涉仪结构定位技术文献 2 0 2 1 均有提及 结构如图1 7 所示 光源发出的光经耦合器后分为两路 一路绕着s a g n a c 环顺时针前进 另 一路绕着s a g n 环逆时针前进 经过相同长度的光纤后回到起始的耦合器干 涉 干涉信号被光电探测器转换为电信号进行数据处理 图1 7 基于单环s a g n 干涉仪结构的定位型光纤传感结构 单环s a g n a c 干涉仪结构定位位置主要由零点频率推得 假定振动信号发生 在p 点位置 光纤总长为l 起点s 至末端t 之间的长度 振动点p 离起始端 s 的距离为z 离光纤末端t 问的光纤长度为l z 振动引起干涉仪的光程差为 f 9 s i n q f 其中q 为振动频率 灵敏度 伊与光纤类型 埋设条件等因 素有关 假定光源发出的光功率为户 光纤的损耗为口 长度为 则经过s a g n a c 干涉仪中两路光信号分别为 互 f 撕而c o s 耐 磊 f 币砑c o s 耐 一等 1 1 0 岛 0 而c o s 耐 晚 f o 而 s 耐 吠f 一丛冬型 1 1 1 其中 i i f 屯 f 分别为两路光信号经过振动信号调制的相位变化 两路信号干 涉后输出光强为 e r 2 尸p 口 2c o s 钨 f 一九 f 2 2 厄巧c o s 如一争一 加一瓮冯 2 1 班9 厄硒s i n q 塑 c o s 川 一勃 浙江大学硕士学位论文 绪论 上式s i l l q 掣 这一项可利用频域特性中的频率零点实现定位 振动信 号是一宽频信号 对应不同的振动频率q 会出现频率零点 第一个频率零点 出现在q 掣 万的情况 测得零点频率鳓可反推出振动位置 z 妻一旦 1 1 3 z 2 一 l 1 3j 二h m q s a g n a c 干涉仪最大的优点是两路干涉光走过的光程是一样的 不存在 m a c h z e h n d e r 干涉仪和m i c h e l s o n 干涉仪两臂光程不相同的情况 对光源的相干 性要求低 单环s a g n 干涉仪结构不适用于直线铺设 文献 2 2 2 5 提出了一种直线型单 光纤s a g n 干涉仪结构 结构如图1 8 所示 光源发出的光经环形器 耦合器后 分为两路 一路直接连至另一耦合器 设为a 路 另一路连接一段光纤延迟环后 连至耦合器 设为b 路 铺设于外界的传感光纤设为c 路 末端接入的反射镜为 法拉第旋转镜 i 光源 一 上上上 i 7 i 一 b c 反射镜 l j一 一 光电探测器 图1 8 基于直线型单光纤s a g n 扯干涉仪结构的定位型光纤传感结构 此干涉仪的两路干涉光传播路径分另小是 a c 反射镜 c b 光电探测器 b c 反射镜 c a 光电探测器 这两条路径传播的光提取振动的时间不同 但在光路 中传播经过的路径长度却是相同的 符合s a g n a c 干涉仪零光程差特点 定位原理 与单环s a g n 干涉仪相同 另外 此结构中还包括另外两条路径 a c 反射镜 c a 光电探测器 b c 反射镜 c b 光电探测器 这两束光与上述两路径以及这 两束光间均不满足零光程差的特点 且光程相差较大 不会发生干涉 这种直线型单光纤s a g n a c 干涉仪结构不但保持了传统s a g n 干涉仪零光程 差的特点 同时 法拉第旋转镜的使用补偿了由于传感光纤双折射引起的 偏振 诱导信号衰落 现象 此外 针对s a g 力a c 干涉仪结构的其他缺点 一些文献还提 9 浙江大学硕士学位论文 绪论 出了其他改进型s a g n a c 干涉仪 例如双环s a g n a c 干涉仪 2 6 2 7 1 和双波长s a g n a c 干涉 仪 2 8 捌 一 3 s a g n a c m i c h e l s o n 干涉仪结构 由上述讨论可知 m i c h e l s o n 干涉仪灵敏度高 但无法定位 s a g n a c 干涉仪 灵敏度低 提取出的振动信号却包含位置信息 于是 一些文献提出了结合两者 优点的s a g n a c m i c h e l s o n 干涉仪结构 3 m 3 3 1 结构如图1 9 所示 光源l 和光源2 分别发出了不同波长的光 经波分复用器合为一路 再经过宽带耦合器耦合进干 涉仪 在干涉仪中端放置一波长选择透镜 该透镜具有波长选择性 保证了波长 l 全通过 波长2 全反射 对于波长l 来说 这个干涉仪相当于单环s a g n a c 干 涉仪 对于波长2 来说 这个干涉仪相当于m i c h e l s o n 干涉仪 回到宽带耦合器 的两波长光再经过波分复用器分别进入对应的光电探测器转换为电信号 图1 9 基于s a g n a c m i c h e l s o n 干涉仪结构的定位型光纤传感结构 s a g n m i c h e l s o n 干涉仪结构的定位信息需要结合两个光电探测器转换来的 电信号求出 光电探测器l 探测的电信号是基于s a g n a c 干涉仪结构的 包含了 振动信息和位置信息 光电探测器2 探测的电信号是基于m i c h e l s o n 干涉仪结构 的 只包含了振动信息 假定振动信息引起的相位为 振动点离起始端的距离 为z 则光电探测器l 的电信号强度乓 f 和光电探测器2 的电信号强度 f 分 别可表示为 3 0 耻 芘警2 警 1 厶 f 茁 l o 浙江大学硕士学位论文绪论 由于这两路信号是共用一根传感光纤的 且通过光纤的时间也相同 可以认 为它们在同一时间受到振动信号调制的相位变化 f 相同 通过s a g n a c 干涉仪 结构电信号和m i c h e l s o n 干涉仪结构电信号微分的比值就可以实现定位 结果如 下式所示 础寺器 2 门 1 7 其中 k 为比例常数 s a 印 m i c h e l s o n 干涉仪结构结合了两种干涉仪结构的优点 实现了高灵敏 度的定位 但仍存在 偏振诱导信号衰落 等问题 同样 s a g i l a c m a c h z e h n d e r 干涉仪的结合也可以实现高灵敏度的定位 文献 3 4 3 7 均有所提及 1 2 2 2 基于光纤后向散射的光时域反射 o t d r 技术 光纤后向散射包括瑞利散射 布里渊散射和拉曼散射三种形式 其中 瑞利 散射是由光纤材料不均匀引起光纤折射率不均匀 它是光与物质之间产生的弹性 散射 在散射过程中不产生频移 布里渊散射和拉曼散射都是非弹性散射 在散 射过程中产生频移 翊 基于上述三种散射分别开发出了相应的分布式光纤传感 器 其中 基于布里渊散射的光时域反射技术 b o t d r 和基于拉曼散射的光 时域反射技术 r 0 t d r 更多的被应用在温度和应力传感器中 光纤分布式振 动传感器的定位传感技术则更多应用基于瑞利散射的光时域反射技术 基于瑞利 散射的光时域反射技术具体可分为两种 偏振态光时域反射技术 p o t d r 和 相位敏感光时域反射技术 p h a s e n s i t i v eo p t i c a l t i m ed o m a i n r e f l e c t o m e t e r o t d r 偏振态光时域反射技术 p o t d r 3 1 通过检测 瑞利散射光的偏振态和光信号的延迟时间获得外界物理量的分布情况 由于偏振 态能受外界多个物理量调制 该技术可实现多个物理量的测量 同时 分离多个 物理量实现单一物理量定位传感也是该技术难点之一 相位敏感光时域反射技术 o t d r 4 2 4 习正处在研究阶段 更适合应用于光纤分布式振动传感器 浙江大学硕士学位论文 绪论 图1 1 0 基于相位敏感光时域反射技术 o t d r 结构的定位型光纤传感结构 相位敏感光时域反射技术 o t d r 结构如图1 1 0 所示 窄带光源发出的 连续光 在强度调制器中被脉冲信号发生器产生的电脉冲调制 产生光脉冲 光 脉冲送入掺铒光纤放大器 e r b i u m d o p e do p t i c a lf i b e r a m p l i f e r e d f a 放大 通 过耦合器进入传感光纤 光脉冲在传感光纤中产生瑞利散射 背向的瑞利散射信 号被光电探测器转换为电信号 由于光源的线宽很窄 具有良好的相干性 瑞利散射光可以发生干涉 我们 建立一个光纤后向散射的离散模型 蛔来说明干涉原理 如图1 1 l 所示 在这个光 纤离散模型中 光纤由一系列最小单元的反射镜组成 假定这些反射镜反射回去 的瑞利散射光脉冲互相不会重叠 也就不会产生干涉 当某一位置发生振动时 会引起该位置附近光纤的折射率和长度的扰动 从而导致光程的变化 经过该位 置的光脉冲由于光程的变化 则由附近的另一反射镜反射回去 瑞利散射光脉冲 部分重叠 在光电探测器中重叠的光脉冲将会发生干涉 相应的强度会发生变化 将这一时刻测出的强度分布值减去没有振动情况下的强度分布值 利用这组差值 数据可以检测和定位振动的产生 z 扳动 上j r 反反反 垄 射射射 升 镜镜镜 l lll 1 图1 1 1 光纤后向散射的高散模型 1 2 浙江大学硕士学位论文 绪论 o t d r 定位信息通过测量差值数据中检测到变化的干涉信号与输入信号 的时问差 f 得出 假定振动信号发生在p 点位置 振动点p 离传感光纤起始端s 的距离为z 则由时问差求出的振动位置信息为 z 等 1 1 6 z2 i 卜1 6 由上述干涉原理分析可知 驴 o t d r 分布式振动传感器可以实现多点定位 不同位置的振动产生在接收信号中不会相互干扰 而是根据对应关系分布在不同 的时间差值 同时 多点定位之间的空问分辨率由光脉冲的脉宽决定 如下式所 示 z 等 1 1 7 z 玎 其中 z 代表空间分辨率 耳代表光脉冲脉宽 1 2 3 不同结构光纤分布式振动传感器性能对比 上文分别介绍了不同结构的光纤分布式振动传感器 各种结构传感技术基于 的基本原理大致相似 但是具体的性能好坏有着很大的差异 表1 2 就各种光纤 传感结构是否定位 对光源相干性的要求 传感检测灵敏度以及是否消除 偏振 诱导衰落 现象这四个性能指标进行归纳对比 体现出不同结构的具体性能差异 表1 2 各种分布武传感系统的定位技术性能对比 光纤传感结构 是否定位光源要求 灵敏度 是否消偏振 m a c h z e h n d e r 干涉仪结构 否 中等 高 否 m i c h e l s o n 干涉仪结构 否 中等 高 是 双m a c h z e h n d e r 干涉仪结构 是中等 高 否 直线型s a g n 干涉仪结构 是 低 低是 s a g n a c m i c h e l s o n 干涉仪结构 是中等高 否 一 o t d r 结构 是高低 否 浙江大学硕士学位论文绪论 1 3 基于m a c h z e h n d e r 干涉仪结构的解调技术 基于m a c h z e h n d e r 干涉仪结构的光纤分布式振动传感器有着灵敏度高的优 点 对光源相干性有一定的要求 存在着 偏振诱导衰落 现象 同时 改变结构 可以实现定位 本文研究内容将主要围绕着m a c h z e h n d e r 干涉仪结构展开讨论 m a c h z e h n d e r 干涉仪结构是一种基于相位干涉的结构 振动信号正比于引起 的相位变化 光电探测器只能响应光强的变化 调制的振动信号通过相位影响光 强 假定振动信号引起的相位为伊 f 干涉仪两臂固有相位差为死 则光强与振 动信号调制相位的关系如下式所示 e f 虻c o s 死 9 0 1 1 8 由上式可知当干涉仪两臂固有相位差正交时光强的变化幅度最大 也即检测 灵敏度最高 同时 从光强变化中提取出相位变化也需要特殊的数据处理 因此 采用一种保持高灵敏度的相位解调技术是干涉仪分布式传感器的关键 目前 针 对m h 也h n d e r 干涉仪结构提出了多种解调方法 按干涉仪两臂之间的频率差 是否为零 分为零差解调法和外差解调法两大判4 7 1 零差解调法根据实现偏 置的方式不同分为有源零差法 无源零差法和相位载波零差法 有源零差法 4 7 4 8 利用在于涉仪中加入移相器反馈控制使干涉仪的两臂锁定在正交状态 无源零差 法 4 乒5 1 利用光路配置改变偏置状态 相位载波零差法 珏5 4 利用光源调制将相位置 于载波状态下 外差解调法 珏5 7 1 根据实现外差的方式不同可分为普通外差法 合 成外差法和伪外差法 1 3 1 有源零差法 卧厂一 耦合器 卜 l 光电探测器 p z t 耦合器 匹亚厘 基准电压 图1 1 2 有源零差法结构 有源零差法结构如图1 1 2 所示 在m a c h z e h n d c r 干涉仪结构中的一臂加入 1 4 浙江大学硕士学位论文绪论 p z t 相位调制器 整个系统构成闭环反馈系统 通过检测到的低频信号反馈输入 p z t 相位调制器调节两臂的相位差 实现正交偏置 保持最大灵敏度状态 低通 滤波器的选频性反馈可以消除低频干扰对干涉仪的影响 当系统处于正交偏置 时 对于小信号扰动 可以近似为妒 f s i n 缈 r 实现相位信号的提取 有源零 差法由于一臂中加入了p z t 相位调制器 不适于建立一个可无源级联的多路传感 系统 1 3 2 无源零差法 图1 1 3 无源零差法结构 无源零差法结构如图1 1 3 所示 m a c h z e h n d e r 干涉仪结构中的后一个2 2 耦 合器改为3 3 耦合器 将两臂的光信号干涉分为三路 分别送入三个光电探测器 三路输出光强分别表示为 局 f d 彳 s 妒 丢万 1 1 9 j 毛 d 月c o s 矽 f 1 2 0 与o d 彳c o s 妒 f 一鲁石 1 2 1 j 其中 d 和a 分别代表光强的直流分量和交流分量幅度 f 为振动信号引起的 相位变化和两臂固有相位差的和 由上三路输出光强可知3 3 耦合器的特点是每一路干涉信号互相之间都有 2 万 3 的相位差 当其中一路偏置处于低灵敏度状态时 另外一路由于存在的 2 万 3 相移可以保证偏置处于高灵敏度状态 它确保了至少有一路高灵敏地提取 到了振动信号 同时 三路信号的并行检测还可以通过特殊算法实现相位信号的 提取 浙江大学硕士学位论文 绪论 由式 1 1 9 1 2 1 司得 盟掣 1 2 2 由式 1 2 2 消除直流量的影响 并对式 1 1 9 1 2 1 微分可得 点 z 一 s i n 万 1 2 3 e 一彳 s i n 1 2 4 e 一彬i s i 喇 一詈万 1 2 5 由式 1 1 9 消除直流量后与式 1 2 4 和式 1 2 5 的差值相乘 可得 茸 函2 瞄2 如 吾万 1 2 6 同理可以得到 乓 妇2 一 s 2 1 2 7 函2 淞2 们 一詈 r 1 2 8 将武 2 6 2 8 相加可得 s 5 彳2 一 1 2 9 同时 由式 1 1 9 1 2 2 可得 e f 一d 2 岛 f 一d 2 乓 f 一d 2 爿2 1 3 0 将式 1 2 9 和式 1 3 0 相除再对时间作积分 即可恢复出完整的原振动 信号 实现了相位信号的提取 无源零差法利用光路配置改变偏置状态 系 统灵敏度是被动不可调的 1 6 浙江大学硕士学位论文 绪论 1 3 3 相位载波零差法 号处 7 i 光电探测器 耦合器 低通滤波器 低通滤波器 图1 1 4 相位载波零差法结构 型 醢盘 i i c o s l w o t 防 一 i 混频器l 麓丝z t 翻 i 相位载波 p h 缴g e n e r a t e dc 硎 p g c 零差法结构如图1 1 4 所示 m h 也h n d e r 干涉仪结构中的光源选择了可调光源 它的频率可接受外界电信号 的调制 光源输出光频随调制电信号的变化而变化 改变光频可以改变干涉仪两 臂相位差 实现偏置的变化 光电探测器输出光强可表示为 e d 一伽 c s q 一 f 1 3 1 其中 d 和a 分别代表光强的直流分量和交流分量幅度 c 为载波信号引起的相 位调制幅度 f 为振动信号引起的相位变化和两臂固有相位差的和 输出信号分为两路分别与c o s 和c o s 2 嘞 混频 再通过低通滤波器滤出低 频信号 分别表示为 互 f z 一 u c s i n 1 3 2 岛 f 一一以 c c 似f 其中 c 和以 c 分别代表一阶和二阶贝塞尔函数 对 1 3 2 和 1 3 3 微分可得 t 一 c 一 s f e 鸽 c s i n 对式 1 3 2 与式 1 3 5 和式 卜3 3 与式 1 3 4 的交叉相乘 可得 1 3 3 1 3 4 1 3 5 浙江大学硕士学位论文绪论 茸z 一爿2 以 c 以 c 矿 s i n 2 r e 爿2 以 c 以 c s 2 f 1 3 6 1 3 7 将式