Sagnac/Mach—Zehnder干涉儀分布光纖傳感系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

摘 要：本文對Sagnac/Mach-Zehnder干涉儀分布光纖傳感系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，作者在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下搭建了該系統(tǒng)，并在多個位置多次進(jìn)行了擾動模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了Sagnac/Mach-Zehnder干涉儀分布光纖傳感系統(tǒng)中使用時域互相關(guān)方法對擾動進(jìn)行定位的理論正確性和實(shí)驗(yàn)條件下的可行性，填補(bǔ)了之前研究只有理論分析和仿真而無實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的空白。

關(guān)鍵詞：Sagnac/Mach-Zehnder分布式光纖傳感系統(tǒng) 時域互相關(guān) 擾動 定位

中圖分類號：TP21 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）09（c）-0247-06

Abstract：The experimental research of distributed optical fiber sensing system based on Sagnac/Mach-Zehnder interferometer is carried out， the author built the system in the experimental environment， and the disturbance simulation experiments are carried out in several positions. The theoretical correctness and feasibility under the experimental conditions are verified by using time-domain cross-correlation method to locate the disturbance in this system. The research fills in the blank that precious research only has theoretical analysis and simulation with no experimental data.

Key Words：Sagnac/Mach-Zehnder distributed optical fiber sensing system；Time-domain cross-correlation； Disturbance；Location

分布式光纖傳感系統(tǒng)在安防領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，因其抗電磁干擾強(qiáng)，成本低，部署方便等特點(diǎn)備受關(guān)注。本文在之前研究的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)圍繞Sagnac/Mach-Zehnder干涉儀分布光纖傳感系統(tǒng)的擾動檢測和定位方法展開模擬實(shí)驗(yàn)，通過搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在3個不同擾動位置分別進(jìn)行5次模擬實(shí)驗(yàn)證明了Sagnac/Mach-Zehnder干涉儀分布光纖傳感系統(tǒng)干涉輸出是時域互相關(guān)的，基頻定位和微分定位理論在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下具有可行性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和定位原理

根據(jù)之前文章介紹，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由于本文重點(diǎn)放在實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果分析，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和定位原理此處不再重復(fù)展開，而是直接給出推導(dǎo)結(jié)論，推倒過程請讀者參閱相關(guān)文獻(xiàn)[1-2，6]了解。

該混合系統(tǒng)中，兩路干涉信號輸出表達(dá)式分別為[1-2]：

（1）

（2）

我們對表達(dá)式做等價變換，進(jìn)一步推導(dǎo)后，基頻定位和微分定位兩種算法得出的擾動位置分別為[6]：

（3）

（4）

其中c為光在真空中的傳播速度；n為光纖纖芯折射率，φ和fs分別為擾動信號幅度和頻率，為兩路干涉信號到達(dá)接收端的時延。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建

在進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn)的時候，受目前實(shí)驗(yàn)條件的限制，難以對系統(tǒng)中非傳感光纖進(jìn)行聲隔離。但由于任何信號都可分解為若干正弦信號集合的形式，實(shí)際入侵定位時采用帶通濾波器濾出擾動引起的一個正弦波即可，因此，干擾信號的具體形式在這里并不重要。我們把一個受正弦信號驅(qū)動的PZT調(diào)制器串接到傳感光纖中來模擬人的入侵?jǐn)_動，以此來對Sagnac/Mach-Zehnder干涉儀分布光纖傳感系統(tǒng)的定位方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

本實(shí)驗(yàn)按圖1搭建Sagnac/Mach-Zehnder干涉儀分布光纖傳感實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

使用總長301.5m的幾段光纖連接耦合器C1和耦合器C2，由于耦合器尾纖長度為0.75m，所以傳感光纖L1總長為303m。光源為ILX Lightwave公司的LM980200可調(diào)諧激光器。系統(tǒng)中所有光纖均采用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖。實(shí)驗(yàn)使用的PZT調(diào)制器為實(shí)驗(yàn)室自制的PZT光纖調(diào)制器。把直徑3mm、長1m的一根光纖跳線纏繞在一支直徑5cm的壓電陶瓷管上，并封裝在一個鐵盒里，即制成了一個PZT光纖相位調(diào)制器。在實(shí)驗(yàn)中把PZT調(diào)制器串接在傳感光纖L1的某兩段光纖之間，通過Agilent公司的任意波形信號發(fā)生器驅(qū)動產(chǎn)生擾動信號。光電探測器用普通的PIN管，兩光電探測器的輸出信號由Pico技術(shù)公司的PicoScope 5203數(shù)字示波器采集。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

我們在傳感光纖上距離耦合器1為51.75m，101.75 m和201.75m的位置分別進(jìn)行了擾動定位實(shí)驗(yàn)。其中PZT相位調(diào)制器由頻率為20kHz、幅度為1V的正弦信號驅(qū)動，PicoScope 5203數(shù)字示波器采樣率設(shè)為125 MHz，光纖纖芯折射率n=1.48。

3.1 基頻定位法

先研究基頻定位法在實(shí)驗(yàn)條件下的可行性。

3.1.1 L=51.75m

圖2為一個擾動位置在51.75m時數(shù)字示波器的顯示波形。可以發(fā)現(xiàn)此波形和仿真波形非常相似。

兩路干涉輸出的互相關(guān)波形如圖3所示。

圖4是圖3峰值區(qū)域的放大圖形。從圖4可以獲得時延 為-12.24μs。根據(jù)式（3）可得擾動位置為52.7m，絕對誤差為0.95m，相對誤差為1.84%。endprint

我們在距耦合器1為51.75m的位置進(jìn)行了5次實(shí)驗(yàn)，各次實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1顯示在51.75m的位置多次實(shí)驗(yàn)獲得的定位結(jié)果與實(shí)際擾動位置基本一致。該系統(tǒng)及其基頻定位法在51.75m的擾動位置有很高的定位精度和穩(wěn)定性。

3.1.2 L=101.75m

圖5為一個擾動位置在101.75m時數(shù)字示波器的顯示波形。

兩路干涉輸出的互相關(guān)波形見圖5。

圖7是圖6峰值區(qū)域的放大圖形。從圖7可以獲得時延 為-12.008μs。根據(jù)式（3）可得擾動位置為99.73m，絕對誤差為2.02m，相對誤差為1.99%。

在距耦合器1為101.75m的位置我們進(jìn)行五次實(shí)驗(yàn)，各次實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2顯示在101.75m的位置多次實(shí)驗(yàn)獲得的定位結(jié)果與實(shí)際擾動位置基本一致。該系統(tǒng)及其基頻定位法在101.75m的擾動位置有很高的定位精度和穩(wěn)定性。

3.1.3 L=201.75m

圖8為一個擾動位置在201.75m時數(shù)字示波器的顯示波形。

兩路干涉輸出的互相關(guān)波形見圖9。

圖10是圖9峰值區(qū)域的放大圖形。從圖10可以獲得時延Δt為-11.528μs。根據(jù)式（3）可得擾動位置為197.03 m，絕對誤差為4.72m，相對誤差為2.34%。

我們在距耦合器1為201.75m的位置進(jìn)行了5次實(shí)驗(yàn)，各次實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3顯示在201.75m的位置多次實(shí)驗(yàn)獲得的定位結(jié)果與實(shí)際擾動位置基本一致。該系統(tǒng)及其基頻定位法在201.75m的擾動位置有很高的定位精度和穩(wěn)定性。

不同位置的多次實(shí)驗(yàn)定位結(jié)果已充分證明基頻定位法的定位精度與位置無關(guān)，定位結(jié)果的重復(fù)性也很好。

不同擾動位置各次實(shí)驗(yàn)定位結(jié)果的平均值分別為50.76m、103.30m和203.84m，探測值和實(shí)際值比較見圖11。圖11表明探測位置平均值和實(shí)際位置趨于一致。

3.2 微分定位法

下面研究微分定位法在實(shí)驗(yàn)條件下的可行性。

在實(shí)驗(yàn)條件下，由于存在高頻系統(tǒng)噪聲，在處理采集信號時我們設(shè)計(jì)了低通濾波器對干涉輸出做低通濾波處理，以確保時域互相關(guān)運(yùn)算時滿足較高的定位精度。圖12是擾動位置在51.75m時數(shù)字示波器的顯示波形。

實(shí)驗(yàn)中使用的低通濾波器幅頻特性和相位特性見圖13。

該濾波器保留基頻信號用于微分定位，并將其他頻率成分的噪聲濾出，減小對定位精度的影響。

數(shù)字示波器采集的干涉信號經(jīng)低通濾波后其波形如圖14所示。

采用微分定位算法對低通濾波后的干涉輸出波形進(jìn)行處理，其時域互相關(guān)波形如圖15所示。

圖16是圖5峰值區(qū)域的放大圖形。從圖16可以獲得時延Δt為0.256μs。根據(jù)式（4）可得擾動位置為51.89 m，絕對誤差為0.14m，相對誤差為0.27%。

我們在距耦合器1為51.75m的位置進(jìn)行了5次實(shí)驗(yàn)，各次實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4顯示在51.75m的位置多次實(shí)驗(yàn)獲得的定位結(jié)果與實(shí)際擾動位置基本一致，定位結(jié)果的精度和重復(fù)性都很好。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了Sagnac/Mach-Zehnder干涉儀分布光纖傳感系統(tǒng)定位原理分析和仿真的正確性。

4 結(jié)語

本文介紹了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建情況，通過在3個不同擾動位置分別進(jìn)行5次模擬實(shí)驗(yàn)證明了Sagnac/Mach-Zehnder干涉儀分布光纖傳感系統(tǒng)干涉輸出是時域互相關(guān)的，驗(yàn)證了基頻定位法和微分定位法的正確性。系統(tǒng)及其定位方法獲得了較高的定位精度，在300m左右的傳感光纖上基頻定位法在51.75m位置獲得了平均50.76m的定位精度，平均相對誤差僅為1.91%，在101.75m位置獲得了平均103.30m的定位精度，平均相對誤差僅為1.52%，在201.75m位置獲得了平均203.84 m的定位精度，平均相對誤差僅為1.04%。微分定位法在51.75m位置獲得了平均52.08m的定位精度，平均相對誤差僅為0.64%。

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