Sagnac/Mach—Zehnder干涉儀分布光纖傳感系統實驗研究

摘 要：本文對Sagnac/Mach-Zehnder干涉儀分布光纖傳感系統進行了實驗研究，作者在實驗環境下搭建了該系統，并在多個位置多次進行了擾動模擬實驗，驗證了Sagnac/Mach-Zehnder干涉儀分布光纖傳感系統中使用時域互相關方法對擾動進行定位的理論正確性和實驗條件下的可行性，填補了之前研究只有理論分析和仿真而無實驗數據的空白。

關鍵詞：Sagnac/Mach-Zehnder分布式光纖傳感系統 時域互相關 擾動 定位

中圖分類號：TP21 文獻標識碼：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在安防領域有著廣泛應用，因其抗電磁干擾強，成本低，部署方便等特點備受關注。本文在之前研究的基礎上，重點圍繞Sagnac/Mach-Zehnder干涉儀分布光纖傳感系統的擾動檢測和定位方法展開模擬實驗，通過搭建實驗系統，在3個不同擾動位置分別進行5次模擬實驗證明了Sagnac/Mach-Zehnder干涉儀分布光纖傳感系統干涉輸出是時域互相關的，基頻定位和微分定位理論在實驗環境下具有可行性。

1 系統結構和定位原理

根據之前文章介紹，本實驗系統結構如圖1所示，由于本文重點放在實驗過程和結果分析，因此系統結構和定位原理此處不再重復展開，而是直接給出推導結論，推倒過程請讀者參閱相關文獻[1-2，6]了解。

該混合系統中，兩路干涉信號輸出表達式分別為[1-2]：

（1）

（2）

我們對表達式做等價變換，進一步推導后，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接收端的時延。

2 實驗系統的搭建

在進行定位實驗的時候，受目前實驗條件的限制，難以對系統中非傳感光纖進行聲隔離。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動的PZT調制器串接到傳感光纖中來模擬人的入侵擾動，以此來對Sagnac/Mach-Zehnder干涉儀分布光纖傳感系統的定位方法進行實驗驗證。

本實驗按圖1搭建Sagnac/Mach-Zehnder干涉儀分布光纖傳感實驗系統。

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可調諧激光器。系統中所有光纖均采用標準單模光纖。實驗使用的PZT調制器為實驗室自制的PZT光纖調制器。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光纖相位調制器。在實驗中把PZT調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生器驅動產生擾動信號。光電探測器用普通的PIN管，兩光電探測器的輸出信號由Pico技術公司的PicoScope 5203數字示波器采集。

3 實驗結果與分析

我們在傳感光纖上距離耦合器1為51.75m，101.75 m和201.75m的位置分別進行了擾動定位實驗。其中PZT相位調制器由頻率為20kHz、幅度為1V的正弦信號驅動，PicoScope 5203數字示波器采樣率設為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驗條件下的可行性。

3.1.1 L=51.75m

圖2為一個擾動位置在51.75m時數字示波器的顯示波形。可以發現此波形和仿真波形非常相似。

兩路干涉輸出的互相關波形如圖3所示。

圖4是圖3峰值區域的放大圖形。從圖4可以獲得時延 為-12.24μs。根據式（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的位置進行了5次實驗，各次實驗結果見表1。

表1顯示在51.75m的位置多次實驗獲得的定位結果與實際擾動位置基本一致。該系統及其基頻定位法在51.75m的擾動位置有很高的定位精度和穩定性。

3.1.2 L=101.75m

圖5為一個擾動位置在101.75m時數字示波器的顯示波形。

兩路干涉輸出的互相關波形見圖5。

圖7是圖6峰值區域的放大圖形。從圖7可以獲得時延 為-12.008μs。根據式（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的位置我們進行五次實驗，各次實驗結果如表2所示。

表2顯示在101.75m的位置多次實驗獲得的定位結果與實際擾動位置基本一致。該系統及其基頻定位法在101.75m的擾動位置有很高的定位精度和穩定性。

3.1.3 L=201.75m

圖8為一個擾動位置在201.75m時數字示波器的顯示波形。

兩路干涉輸出的互相關波形見圖9。

圖10是圖9峰值區域的放大圖形。從圖10可以獲得時延Δt為-11.528μs。根據式（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的位置進行了5次實驗，各次實驗結果見表3。

表3顯示在201.75m的位置多次實驗獲得的定位結果與實際擾動位置基本一致。該系統及其基頻定位法在201.75m的擾動位置有很高的定位精度和穩定性。

不同位置的多次實驗定位結果已充分證明基頻定位法的定位精度與位置無關，定位結果的重復性也很好。

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

3.2 微分定位法

下面研究微分定位法在實驗條件下的可行性。

在實驗條件下，由于存在高頻系統噪聲，在處理采集信號時我們設計了低通濾波器對干涉輸出做低通濾波處理，以確保時域互相關運算時滿足較高的定位精度。圖12是擾動位置在51.75m時數字示波器的顯示波形。

實驗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。

數字示波器采集的干涉信號經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行處理，其時域互相關波形如圖15所示。

圖16是圖5峰值區域的放大圖形。從圖16可以獲得時延Δt為0.256μs。根據式（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的位置進行了5次實驗，各次實驗結果見表4。

表4顯示在51.75m的位置多次實驗獲得的定位結果與實際擾動位置基本一致，定位結果的精度和重復性都很好。

以上實驗結果驗證了Sagnac/Mach-Zehnder干涉儀分布光纖傳感系統定位原理分析和仿真的正確性。

4 結語

本文介紹了實驗系統的搭建情況，通過在3個不同擾動位置分別進行5次模擬實驗證明了Sagnac/Mach-Zehnder干涉儀分布光纖傳感系統干涉輸出是時域互相關的，驗證了基頻定位法和微分定位法的正確性。系統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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