基于雙 M-Z 光纖擾動傳感系統定位誤差分析

 

摘要

 

隨著社會的進步，經濟的不斷發展，20 世紀 70 年代起光纖傳感技術得以快速發展， 而雙馬赫-曾德爾（M-Z)干涉光纖傳感系統具有結構簡單、靈敏度極高、信號處理容易、方便解調、成本低等優點，在周界安防和管道泄漏檢測及橋梁大壩、大型設施建設項目等領域得到了廣泛的研究和應用。雙 M-Z 光纖傳感定位系統利用外界入侵擾動引起干涉信號的相位發生變化，再通過干涉解調成光強度變化，由光電探測器轉化為電信號，利用互相關算法，計算出兩路干涉信號的時延差值，從而對擾動入侵信號實現定位。目前研究水平定位誤差大，仍然難以滿足預期定位要求。本人在實驗室搭建了雙 M-Z 光纖擾動傳感定位系統，對定位結果做誤差分析，開展了幾個方面的研究探討，主要工作如下：

首先，通過閱讀調研大量的文獻資料，了解了干涉型光纖傳感技術的發展現狀，掌握了幾種比較常見的干涉型光纖傳感系統工作原理，深入學習了計算兩路干涉光信號時延差值的互相關算法。

其次，在實驗室搭建了雙 M-Z 光纖傳感定位實驗系統，進行了大量數據采集，并進行數據處理。通過對實驗結果分析，在現有條件下，發現總是存在很大的定位誤差。理論上分析可知，雙 M-Z 光纖傳感定位系統的定位結果，是由兩路干涉信號經過互相關運算得到，發現相關性直接影響系統的定位結果。兩路信號的相關程度越高，定位誤差越小。而影響兩路信號的相關性是由多種因素共同決定的，造成誤差的原因也是多個方面的，本文研究的重點是雙 M-Z 光纖擾動傳感系統的定位誤差分析。

然后，對實驗系統的定位誤差進一步分析，根據 156 組實驗數據的干涉信號波形表現出來的不同特點，可劃分為換相點類型、起始點類型和其他類型，通過統計前兩種類型數據在總數據中的比例結果，發現這兩種類型的數據誤差都比較大。進一步分析造成干涉信號波形出現換相點問題的原因和出現起始點問題的原因，這兩類波形都弱化了干涉信號的相關性，導致定位誤差偏大。

最后，改進了雙 M-Z 光纖傳感系統的信號解調處理方法。通過仿真實驗計算，發現傳統直接互相關算法存在循環邊界的問題，造成定位誤差大，從而嘗試改進算法，采用窗口式互相關算法，減少邊界效應，減少了算法帶來的誤差。又根據有換相點類型數據特點，采用窗口取數的計算方法，以及采用人工方法處理了起始點問題數據。三種措施并用，對原實驗數重新處理，通過對比，采用窗口式互相關算法計算 156 組實驗數據后定位誤差由 6.48%減小到 5.78%，換相點類型數據定位誤差減小到 2.21%,起始點類型數I據定位誤差減小到 4.58%，改善后總體的定位誤差由 6.48%提高到了 3.93%。

 

關鍵詞：光纖傳感技術；雙 M-Z 干涉；互相關算法；定位誤差； 換相點和起始點

 

目錄

摘要 I

Abstract III

第一章 緒論 1

1.1引言 1

1.2三種典型干涉型光纖擾動傳感技術研究現狀 1

1.3雙 Mach-Zehnder 光纖擾動傳感定位技術研究現狀 4

1.4本論文的研究內容與章節安排 5

1.4.1研究內容概述 5

1.4.2章節安排 5

第二章 雙 Mach-Zehnder 光纖擾動傳感定位系統 7

2.1雙 Mach-Zehnder 光纖傳感系統相位調制原理 7

2.2雙 Mach-Zehnder 光纖傳感系統定位原理 9

2.3雙 Mach-Zehnder 光纖傳感系統時延值計算 11

2.4雙 Mach-Zehnder 光纖擾動傳感實驗系統 12

2.4.1實驗系統結構 12

2.4.2實驗器材的選用及其參數 13

2.4.3擾動定位實驗 17

2.5本章小結 24

第三章 雙 Mach-Zehnder 光纖擾動傳感系統定位誤差分析 25

3.1干涉信號波形表現特點 25

3.1.1換相點類型波形 26

3.1.2起始點類型波形 30

3.2干涉信號波形類型分布 31

3.3系統定位誤差原因解析 32

3.3.1單模光纖雙折射現象 32

3.3.2擾動力度影響 32

3.3.3干涉儀工作點不同 34

3.4本章小結 35

第四章 雙 Mach-Zehnder 光纖擾動傳感系統定位誤差改善 36

4.1傳統直接互相關算法改進 36

4.1.1傳統直接互相關定位算法的局限性 36

4.1.2窗口式互相關定位算法 37

4.1.3窗口式互相關算法定位結果 38

4.2兩種類型波形的改善 39

 

4.2.1換相點類型的改善 39

4.2.2起始點類型的改善 40

4.3本章小結 42

第五章 總結和展望 43

5.1  總結 43

5.2  展望 44

參考文獻 45

 

第一章 緒論

 

1.1引言

近年來，我們國家經濟迅猛發展綜合國力顯著提高，人民的生活質量也得到了很大改善，這其中離不開光纖傳感技術的發展。光纖傳感技術不僅具有傳輸的特性而且具有傳感特性，光纖傳感技術是以光波為信息載體，光纖為主要傳感介質，對外界信號進行感知和測量的新型傳感技術[1]。因為不需要電源、也不容易受到電磁干擾、同時靈敏度還非常的高以及可以用來長距離檢測等優點，所以被廣泛使用在機場、居民住房、橋梁大廈建筑基地、鐵路交通運輸、長距離油氣管泄露等重要部門與關鍵設施的監測方面[2-4]。對于雙 M-Z 光纖擾動傳感定位系統，能夠探測到在傳感光纖某一點處發生的擾動作用， 然后對這個擾動信息進行解調，再分析解調出來的信號確定擾動發生的位置[5]。相對于傳統的光纖擾動傳感系統，雙 M-Z 光纖擾動傳感定位系統具有結構簡單、可進行大規模鋪設、安裝維護方便、環境適應力強等優點，而且大大降低了系統造價，性價比高，充分顯示出雙 M-Z 光纖傳感定位技術的優越性[6-8]。

近幾十年來，國內外有很多的專家與科學研究機構在雙 M-Z 光纖傳感定位方面不斷地投入了大量的時間和精力去研究。雙 M-Z 光纖傳感定位系統高靈敏特性具有兩面性， 高靈敏特性確實容易檢測到擾動信息，但同時也因為靈敏度太高很容易受到其他因素的干擾導致解調出來的干涉波形不理想；因為解調器很簡單，而且線性解調相位變化范圍極小，很難線性解調原始擾動信號，所以難以實現準確定位。除此以外，導致定位誤差偏大的原因還有很多，比如傳感系統結構自身的原因，兩條干涉臂的長度很難實現絕對等長，實驗環境的原因，信號處理的原因等等。所以如何在雙 M-Z 光纖傳感定位系統高靈敏探測特性的基礎上，減少雙 M-Z 光纖傳感定位系統的定位誤差，具有非常重大的現實意義[9-10]。本人在了解現有雙 M-Z 光纖傳感定位技術前提下，對定位誤差開展了研究工作。

1.2三種典型干涉型光纖擾動傳感技術研究現狀

常見的三種干涉型光纖定位傳感技術主要是使用光纖構建干涉儀結構，解調干涉信號中帶有的特征信息或干涉信號的變化情況來實現定位功能。三種干涉型光纖傳感技術的傳感結構分別是邁克爾遜（Michelson）型光纖干涉儀傳感結構、薩格納克（Sagnac） 型光纖干涉儀傳感結構、馬赫-曾德爾（Mach-Zehnder）型光纖干涉儀傳感結構，這三種干涉儀傳感結構均為雙光束干涉結構[11]。國內外針對干涉型擾動傳感結構，提出了多種復合型干涉儀結構，例如雙 Sagnac 型干涉儀結構[12]、Sagnac/Michelson 型干涉儀結構[13]、Sagnac/Mach-Zehnder 型干涉儀結構[14]、雙 Mach-Zehnder 型干涉儀結構等。本節將對這三種典型的干涉型光纖傳感結構進行闡述，并分析其優缺點。

（1）Sagnac 型光纖擾動傳感定位結構

圖 1-1 Sagnac 型光纖擾動傳感定位結構

 

光纖 Sagnac 型擾動傳感定位結構如圖 1-1 所示，從光源發出來的光經過耦合器之后一分為二，兩束光分別從兩端輸入環狀型結構的傳感光纖，進入由同一根光纖繞成的環路內沿相反方向傳播，當傳感光纖中某一處受到入侵擾動后，光纖中兩束傳輸光波的相位就會發生改變，經過耦合器疊加產生干涉效應后的光信號傳送到光電探測器中，再對光電探測器探測到的光信號進行解調就可知道擾動點發生的位置[15-16]。

光纖 Sagnac 型擾動傳感定位結構的優勢在于環路內兩束沿相反方向傳播的光是在同一根單模光纖中傳播的，如果在沒有發生任何干擾的情況下，這兩束光走過的路程是一致的，不存在干涉臂不等長而帶來的相位差[17]。在光纖 Sagnac 環干涉儀結構中，由于光是在閉環中傳輸，光功率損失較低，成本也低，可以應用于遠距離傳輸檢測。但是在搭建系統時，為了避免兩路干涉信號互相抵消的情況，需要進行擾動隔離，缺點是它的信噪比較高。而且解調方式比較復雜，對解調電路的要求也比較高[18-19]。在擾動定位方面，光纖 Sagnac 型擾動傳感定位結構采用基于頻譜變換的零頻點定位法對外界擾動進行定位，但基于頻譜變換的零頻點定位法只能對有限頻率的待測擾動信號進行定位[20]。

（2）Michelson 型光纖擾動傳感定位結構

圖 1-2 Michelson 型光纖擾動傳感定位結構

圖 1-2 此結構為 Michelson 型光纖擾動傳感定位結構[21]。由光源發出的光首先經過一個耦合器后，耦合器具有分光束作用把一束光分成兩束，其中一束經過傳感光纖，另一束經過參考光纖后繼續往前傳播，兩束光傳播到光纖末端后受到反光鏡的作用反射回到耦合器處，發生干涉現象，形成干涉條紋，干涉光再傳播至光電探測器處被并它接收。當有擾動入侵發生在傳感光纖上某一處時，光纖中傳播的光相位將會發生變化，使得形成的干涉光也會發生變化，解調這一干涉光的光強變化，再對解調波形進行分析計算就可以定位到該擾動發生的位置。Michelson 型光纖擾動傳感定位結構具有結構簡單，成本較低等優點。但是也存在著很多缺點，對兩條干涉臂是否長度相同有嚴格要求，如果兩個臂長不相等就會使干涉出現附加的相位差，而且兩束光在光纖末端經過了反光鏡的反射作用了，實際上在耦合器處是兩束反射回來的光信號進行干涉，由此導致其光強度減弱，難以實現遠距離檢測[22]。

（3）Mach-Zehnder 型光纖傳感結構

圖 1-3 Mach-Zehnder 型光纖定位傳感結構

 

圖 1-3 此結構為 Mach-Zehnder 型光纖傳感結構。由光源發出的光在沿光纖傳播時， 先經過耦合器 1 被分成 2 束光，分別進入到傳感光纖和參考光纖中，兩束光將在耦合器

2 處相遇并產生干涉現象，產生的干涉光傳播至兩光電探測器處被接收，經過光電轉換將干涉后的光信號轉變為電信號。當傳感光纖中某一處發生入侵擾動時，光纖中傳播的光相位將發生變化，導致產生的干涉光也會隨之發生變化，那么檢測出這一干涉光的變化情況，就可以解調出該擾動處的相位變化[23-25]。

M-Z 型光纖傳感結構的優點是光路結構簡單，解調方式也簡單，靈敏度非常高，并且可以實現多點擾動定位和長距離檢測等優點[26]。系統的靈敏度很高可以很容易檢測到擾動的發生，但是也會帶來一個非常大的問題，就是系統的信噪比較大，傳感光纖上受到微小的擾動或者當外界環境發生微小的變化時,都會使傳輸光信號相位和幅度發生變化，從而使得解調出來的干涉信號波形不理想，會影響解調結果。由于單 M-Z 光纖干涉儀傳感結構無法實現定位，加上一個參考結構，變為雙 M-Z 型光纖干涉儀傳感結構，才能實現定位[27]。

 

1.3雙Mach-Zehnder 光纖擾動傳感定位技術研究現狀

雙 M-Z 光纖擾動傳感定位技術是一種相位調制型的干涉定位技術，將光在光纖中傳輸時由于擾動引起的光相位調制轉變為干涉光強的變化，光電探測器探測干涉光信號再轉化為電信號，將采集到的信號使用軟件或硬件進行處理分析，就可以定位到作用在傳感光纖上的擾動所發生的位置[28]。其檢測靈敏度非常高，對硬件要求也比較低，空間分辨率較高。近年來，雙 M-Z 光纖擾動傳感定位技術應用于周界防護探測能很好的實現定位測量，由于其插入損耗小、與光纖有良好的兼容性及其高相位敏感性，響應速度快， 成為國內外研究的熱點。國外ＦiberＳensys 公司開發的管道安全預警產品探測距離達到130ｋｍ，定位精度已經降低到 50ｍ，而國內的技術在探測距離達到 80ｋｍ時定位精度也能達到 50ｍ[29]。

在 2002 年，雙 Mach-Zehnder 干涉儀光纖擾動定位技術首次被Kizlik 提出[30-32]。2012 年，潘岳等人做雙馬赫—曾德爾干涉儀定位實驗之后中在分析了雙 M-Z 傳感定位系統的影響因素時發現，在雙 M-Z 光纖傳感定位實驗中，造成定位結果誤差增大的原因有很多， 例如耦合器不理想帶來的相位噪聲，光源噪聲，偏振態退化現象，外界環境噪聲，使用不同定位算法、信號預處理方式等[33]。2020 年黃精衛、陳永超等人在比較了不同信噪比下的定位誤差后發現，在信噪比固定的情況下，隨著振動頻率的增加，定位誤差逐漸減小，這意味著降低噪聲可以提高定位精度。2019 年，徐果等人對馬赫—曾德爾干涉儀定位技術進行研究時為了盡量抑制共模噪聲的影響，減小定位誤差，提高定位精度，盡可能使用線寬更窄的激光器作為光源，兩干涉臂使用的單模光纖盡量要規格一致，長度要相同，還分別接入了偏振控制器，目的就是控制偏振態[34]。使整個系統盡量處于理想的狀態，讓解調出來的干涉波形優化。2014 年徐建在對雙 M-Z 型分布式光纖傳感系統的定位精度分析的研究中發現系統定位誤差隨著采樣長度變長而減小，外界擾動入侵信號頻率越高，系統定位誤差越小，干涉信號對比度越接近 1，兩路光干涉越強，系統定位越精確[35]。 由于雙 M-Z 光纖擾動傳感系統的傳感介質為普通單模光纖，光在單模光纖中傳輸會產生雙折射效應，導致光纖中傳播的光波偏振態隨機變化，偏振態的隨機變化就會引起干涉信號對比度減小，使兩路干涉光強會減弱，進而影響系統的定位誤差[36-37]。

除此以外，雙Ｍ-Z 光纖擾動傳感定位系統因為沿著順時針傳輸和逆時針傳輸的兩路干涉信號之間由于傳輸的路徑長度不一致而存在的時間差，那么只要算出這個時間差就可以知道擾動發生的位置[38]。兩路干涉信號具有很強的相關性，在計算時間差時應用最為廣泛的是互相關算法。但由于系統的靈敏度非常高，光在光纖中傳輸的信號容易受到環境噪聲的影響，會造成兩路干涉信號產生附加的相位，相關性減弱，所以互相關算法在計算擾動發生的位置時，定位結果會出現誤差[39-40]。因此，雙 M-Z 光纖定位傳感系統中解調算法對定位結果有直接的影響，那么對互相關算法的改進也有利于減少系統的定位誤差。目前為了減少雙Ｍ-Z 光纖傳感系統的定位誤差提出了許多改進的算法，例如

2017 年，楊順智等人采用二次互相關算法，先將兩路干涉信號做互相關運算，得到的互相關結果再與其中一路干涉信號的自相關結果再做一次互相關運算，通過時延估計對擾動信號定位，這樣可以減小噪聲帶來的誤差[41]。2018 年，申歡等人提出了一種分級互相關定位方法，在保證定位精度的前提下，能夠縮短時間，提高定位效率[42]。

1.4本論文的研究內容與章節安排

1.4.1研究內容概述

本論文的主要研究內容為基于雙 M-Z 光纖擾動定位系統的誤差分析。詳細介紹了雙 M-Z 干涉系統的相位調制原理和傳感定位原理等相關的理論知識，在實驗室搭建了雙M-Z 光纖傳感定位實驗系統，進行了大量數據采集，并進行數據處理。通過對實驗結果分析，用傳統直接互相關算法計算出的定位結果，發現誤差很大。通過觀察干涉信號表現出來的特點，可劃分為換相點類型、起始點類型和其他類型這三類波形，分別統計這三類波形所占的比例，并分析出現換相點和起始點問題的主要原因。再通過仿真實驗計算，發現傳統的直接互相關算法會因為循環邊界的問題導致誤差大，從而改進采用窗口互相關算法，減少邊界效應帶來誤差。對于換相點問題應選擇取數窗口在換相點出現之前信號進行計算；起點問題通過人工波形換算和電路相位鎖定方法，分別對這兩類波形重新計算出的定位結果，使實驗定位結果比原來的定位結果有很大改善。

1.4.2章節安排

本論文的章節安排如下：

第 1 章：闡述了本文的研究意義，介紹了干涉型光纖傳感技術的發展現狀，列舉了三種比較常見的干涉型光纖傳感系統及其工作原理，明確了本文的研究內容和研究目的。

第 2 章：重點闡述了雙 M-Z 光纖擾動傳感定位系統的相位調制原理，推導了雙 M-Z 光纖傳感系統的擾動定位公式，詳細分析了兩路干涉光信號時間差值的互相關算法。簡單介紹了雙 M-Z 光纖傳感系統結構，并對本文中雙 M-Z 光纖擾動定位實驗的過程以及實驗器材的具體參數進行了說明。使用 MATLAB 實現實驗數據處理，選擇 Savitzky-Golay 濾波作為本文的濾波算法。給出了擾動定位實驗結果圖，發現定位結果誤差偏大。

第 3 章：從實驗數據出發，根據干涉信號表現出來的明顯特點，把干涉波形劃分為換相點類型波形、起始點類型和其他類型三種波形，對不同類型的干涉波形統計分析。重點分析了本實驗產生定位誤差的原因，是因為干涉波形中有換相點和起始點不同。單模光纖雙折射帶來的偏振態隨機變化以及擾動力度的不確定導致波形有相位的增加或減少出現換相點；起始點不同來自雙 M-Z 光纖干涉儀工作點不同。

第 4 章：首先通過仿真實驗發現傳統直接互相關算法存在循環邊界效應，此算法會帶來較大誤差。選擇窗口式互相關算法對 156 個實驗數據重新計算定位結果，再與傳統直接相關算法的定位結果做比較，可得改進互相關算法定位誤差提高了 0.7%。然后，窗口取數換相點之前作為處理換相點類型，以及人工修正起始點問題數據后的實驗數據?？傻脫Q相點類型由 3.62%提高到了 2.21%，起始點類型由 8.43%提高到了 4.58%。改進后總的定位誤差由原來 6.48%提高到了 3.93%，三種處理方法同時使用有效改善定位結果。

第 5 章：對本論文的總結與展望。