Sagnac/Mach—Zehnder干涉仪分布光纤传感系统实验研究

摘 要：本文对Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分布光纤传感系统进行了实验研究，作者在实验环境下搭建了该系统，并在多个位置多次进行了扰动模拟实验，验证了Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分布光纤传感系统中使用时域互相关方法对扰动进行定位的理论正确性和实验条件下的可行性，填补了之前研究只有理论分析和仿真而无实验数据的空白。

关键词：Sagnac/Mach-Zehnder分布式光纤传感系统 时域互相关 扰动 定位

中图分类号：TP21 文献标识码：A 文章编号：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

分布式光纖传感系统在安防领域有着广泛应用，因其抗电磁干扰强，成本低，部署方便等特点备受关注。本文在之前研究的基础上，重点围绕Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分布光纤传感系统的扰动检测和定位方法展开模拟实验，通过搭建实验系统，在3个不同扰动位置分别进行5次模拟实验证明了Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分布光纤传感系统干涉输出是时域互相关的，基频定位和微分定位理论在实验环境下具有可行性。

1 系统结构和定位原理

根据之前文章介绍，本实验系统结构如图1所示，由于本文重点放在实验过程和结果分析，因此系统结构和定位原理此处不再重复展开，而是直接给出推导结论，推倒过程请读者参阅相关文献[1-2，6]了解。

该混合系统中，两路干涉信号输出表达式分别为[1-2]：

（1）

（2）

我们对表达式做等价变换，进一步推导后，基频定位和微分定位两种算法得出的扰动位置分别为[6]：

（3）

（4）

其中c为光在真空中的传播速度；n为光纤纤芯折射率，φ和fs分别为扰动信号幅度和频率，为两路干涉信号到达接收端的时延。

2 实验系统的搭建

在进行定位实验的时候，受目前实验条件的限制，难以对系统中非传感光纤进行声隔离。但由于任何信号都可分解为若干正弦信号集合的形式，实际入侵定位时采用带通滤波器滤出扰动引起的一个正弦波即可，因此，干扰信号的具体形式在这里并不重要。我们把一个受正弦信号驱动的PZT调制器串接到传感光纤中来模拟人的入侵扰动，以此来对Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分布光纤传感系统的定位方法进行实验验证。

本实验按图1搭建Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分布光纤传感实验系统。

使用总长301.5m的几段光纤连接耦合器C1和耦合器C2，由于耦合器尾纤长度为0.75m，所以传感光纤L1总长为303m。光源为ILX Lightwave公司的LM980200可调谐激光器。系统中所有光纤均采用标准单模光纤。实验使用的PZT调制器为实验室自制的PZT光纤调制器。把直径3mm、长1m的一根光纤跳线缠绕在一支直径5cm的压电陶瓷管上，并封装在一个铁盒里，即制成了一个PZT光纤相位调制器。在实验中把PZT调制器串接在传感光纤L1的某两段光纤之间，通过Agilent公司的任意波形信号发生器驱动产生扰动信号。光电探测器用普通的PIN管，两光电探测器的输出信号由Pico技术公司的PicoScope 5203数字示波器采集。

3 实验结果与分析

我们在传感光纤上距离耦合器1为51.75m，101.75 m和201.75m的位置分别进行了扰动定位实验。其中PZT相位调制器由频率为20kHz、幅度为1V的正弦信号驱动，PicoScope 5203数字示波器采样率设为125 MHz，光纤纤芯折射率n=1.48。

3.1 基频定位法

先研究基频定位法在实验条件下的可行性。

3.1.1 L=51.75m

图2为一个扰动位置在51.75m时数字示波器的显示波形。可以发现此波形和仿真波形非常相似。

两路干涉输出的互相关波形如图3所示。

图4是图3峰值区域的放大图形。从图4可以获得时延 为-12.24μs。根据式（3）可得扰动位置为52.7m，绝对误差为0.95m，相对误差为1.84%。endprint

我们在距耦合器1为51.75m的位置进行了5次实验，各次实验结果见表1。

表1显示在51.75m的位置多次实验获得的定位结果与实际扰动位置基本一致。该系统及其基频定位法在51.75m的扰动位置有很高的定位精度和稳定性。

3.1.2 L=101.75m

图5为一个扰动位置在101.75m时数字示波器的显示波形。

两路干涉输出的互相关波形见图5。

图7是图6峰值区域的放大图形。从图7可以获得时延 为-12.008μs。根据式（3）可得扰动位置为99.73m，绝对误差为2.02m，相对误差为1.99%。

在距耦合器1为101.75m的位置我们进行五次实验，各次实验结果如表2所示。

表2显示在101.75m的位置多次实验获得的定位结果与实际扰动位置基本一致。该系统及其基频定位法在101.75m的扰动位置有很高的定位精度和稳定性。

3.1.3 L=201.75m

图8为一个扰动位置在201.75m时数字示波器的显示波形。

两路干涉输出的互相关波形见图9。

图10是图9峰值区域的放大图形。从图10可以获得时延Δt为-11.528μs。根据式（3）可得扰动位置为197.03 m，绝对误差为4.72m，相对误差为2.34%。

我们在距耦合器1为201.75m的位置进行了5次实验，各次实验结果见表3。

表3显示在201.75m的位置多次实验获得的定位结果与实际扰动位置基本一致。该系统及其基频定位法在201.75m的扰动位置有很高的定位精度和稳定性。

不同位置的多次实验定位结果已充分证明基频定位法的定位精度与位置无关，定位结果的重复性也很好。

不同扰动位置各次实验定位结果的平均值分别为50.76m、103.30m和203.84m，探测值和实际值比较见图11。图11表明探测位置平均值和实际位置趋于一致。

3.2 微分定位法

下面研究微分定位法在实验条件下的可行性。

在实验条件下，由于存在高频系统噪声，在处理采集信号时我们设计了低通滤波器对干涉输出做低通滤波处理，以确保时域互相关运算时满足较高的定位精度。图12是扰动位置在51.75m时数字示波器的显示波形。

实验中使用的低通滤波器幅频特性和相位特性见图13。

该滤波器保留基频信号用于微分定位，并将其他频率成分的噪声滤出，减小对定位精度的影响。

数字示波器采集的干涉信号经低通滤波后其波形如图14所示。

采用微分定位算法对低通滤波后的干涉输出波形进行处理，其时域互相关波形如图15所示。

图16是图5峰值区域的放大图形。从图16可以获得时延Δt为0.256μs。根据式（4）可得扰动位置为51.89 m，绝对误差为0.14m，相对误差为0.27%。

我们在距耦合器1为51.75m的位置进行了5次实验，各次实验结果见表4。

表4显示在51.75m的位置多次实验获得的定位结果与实际扰动位置基本一致，定位结果的精度和重复性都很好。

以上实验结果验证了Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分布光纤传感系统定位原理分析和仿真的正确性。

4 结语

本文介绍了实验系统的搭建情况，通过在3个不同扰动位置分别进行5次模拟实验证明了Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分布光纤传感系统干涉输出是时域互相关的，验证了基频定位法和微分定位法的正确性。系统及其定位方法获得了较高的定位精度，在300m左右的传感光纤上基频定位法在51.75m位置获得了平均50.76m的定位精度，平均相对误差仅为1.91%，在101.75m位置获得了平均103.30m的定位精度，平均相对误差仅为1.52%，在201.75m位置獲得了平均203.84 m的定位精度，平均相对误差仅为1.04%。微分定位法在51.75m位置获得了平均52.08m的定位精度，平均相对误差仅为0.64%。

参考文献

[1] Fang Nian， Li Jie， Wang Lutang，et al.Yang Ye， Simulation of distributed optical fiber disturbance detection system based on Sagnac/Mach-Zehnder interferometer and cross-correlation location[J].Journal of Shanghai University（English Edition），2011，15（2）：115-118.

[2] 方捻，李杰，王陆唐，等.Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分布光纤传感系统及其时域定位方法[P].中国：101813238A，2010-08-25.

[3] 单超，方捻，王陆唐，等.混沌光纤围栏系统及其入侵定位方法[J].光学学报，2010，30（2）：335-339.

[4] 吴俊，陈伟民，谭靖，等.Sagnac/Mach—Zehnder分布式光纤传感系统探测及定位理论分析[J].光子学报，2009，38（2）：347-351.

[5] Wenyuan Xu，Chunxi Zhang，Sheng Liang，et al. Fiber-Optic Distributed Sensor based on a Sagnac Interferometer with a Time Delay Loop for Detecting Time Varying Disturbance[J].Microwave and Optical Techonology Letters，2009， 51（11）：2564-2567.

[6] 曾羽琚，陈明辉.基于互相关定位法的干涉仪分析与仿真[J].计算机系统应用，2014，23（1）：98-102.

[7] Anatoli A.Chtcherbakov，Pieter L. Swart，etal.Modified Sagnac/MachZehnder Interferometer for Distributed Disturbance Sensing[J].Microwave and Optical Techonology Letters，1999，20（1）：34-36.

[8] 钱静洁，张建秋，贾波.Sagnac干涉定位系统的实时信号处理方法[J].传感技术学报，2006，19（4）： 1033-1037.

[9] Qizhen Shun，Deming Liu， Jian Wang，etal. Distributed fiber-optic vibration sensor using a Mach-Zehnder interferometer[J].Optics Communications，2008，281（9）：1538-1544.

[10]范彦平，巫建东，翟玉锋，等.分布式光纤Sagnac定位传感技术评述[J].传感器与微系统，2008， 27（11）：8-10.endprint