基于3×3耦合器Fox－Sm ith型光纖周界系統的定位技術

任 廣，江 山，閆奇眾，印新達，熊 巖

(1.武漢郵電科學研究院，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域受到了廣泛的關注［1］。干涉型分布式光纖傳感系統基于相位調制原理，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構實現定位。目前的主要干涉結構有Sagnac干涉定位系統、單馬赫-曾德爾干涉儀(Mach-Zehnder interferometor，MZI)干涉定位結構、MZI-MZI干涉定位系統［2-3］、MZI-Sagnac 干涉定位系統［4］、Sagnac-Michelson干涉定位系統［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。2007年，HONG等人［7］報道了基于2×2的Fox-Smith［8-9］干涉結構，該結構沒有對相位進行解調，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，該系統使用3×3耦合器作為相位解調元件，通過解調相位獲得振動信息，從而實現定位。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，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光二極管(superluminescent light emitting，SLED)寬譜光源、光隔離器、三端口光環行器、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，FRM)、傳感光纖、光電轉探測器(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隨機變化從而對干涉系統造成影響［8］。設擾動點為D，擾動點距離端面的距離為Lx。光波在系統中會形成多路光，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，*表示共軛轉置，t1=2neffLx/c，τ=2neffLd/c。設 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，這時出現的陷波點頻率與擾動距離相關。由上式可以看出，當擾動點距離尾端面較近的時候，出現的第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，從而陷波點的個數就會相應減少，從而導致定位誤差增大。，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生的陷波點，從而實現定位。當把擾動視為理想的白噪聲時，相應的傅里葉變換為絕對的正弦函數，由(11)式定義的頻率與擾動點之間的關系見圖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。數據采集卡為凌華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(每盤光纖均為光學時域反射針測量)。在實驗室條件下對上述結構進行實驗，設置采集卡采樣率為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耦合器的解調方法［9-10］進行相位解調后，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(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，結果如表1所示。

Table 1 Perturbation deviation at different position

從上面的數據可以算出，定位誤差為±83m。

3 結論

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干涉結構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，獲得了在長34.793km傳感光纖上，平均定位精度為±83m。但是該種結構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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