双马赫―曾德尔型干涉仪定位技术探究

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1、双马赫一曾德尔型干涉仪定位技术探究摘要：在干涉型分布式光学振动传感系统中，双马赫-曾德尔技术具有较高的定位精度和较低的成本，更受关注。现搭建了双马赫-曾德尔分布式光纤传感系统，并对其进行了定位实验，阐述了检测系统的组成和原理。对基于互相关算法的定位性能进行研究，测试了其单点定位和多点定位功能，指出其定位局限性。另外重点分析了影响该系统定位稳定性的因素，提出一种数据处理算法，以提高其定位稳定性。实验结果表明，经过该算法数据处理之后，系统定位稳定性和可靠性得到极大提高。关键词：分布式光纤传感器；定位技术；马赫-曾德

2、尔干涉仪；互相关算法中图分类号：TP212文献标识码：Adoi:10.3969/j.issn.10055630.2012.03.011引言针对光纤干涉型分布式传感系统可用于微弱行为探测的重大前景，国内外提出了很多不同结构的干涉型分布式光纤传感技术［1］,包括：双萨克纳克［23］、萨克纳克和马赫-曾德尔［45］、萨克纳克和迈克耳逊［6］、双马赫-曾德尔［79］等混合组成的干涉型分布式传感结构。在以上光纤干涉型分布式传感系统中，双马赫-曾德尔型传感系统因其较优越的定位性能和较低的成本，一直受到较多的关注。国际上已经

3、制造出基于此项技术的成熟的产品，如澳大利亚的FFT公司和美国的0ptellios公司的电子光纤围栏产品，探测距离达到80km以上，定位精度达到10m；而FiberSensys公司制造的输油管道预警传感器，探测距离更是达到130kmo但国内的研究一直处于起步的阶段，研制的双马赫-曾德尔型传感系统的定位不稳定，缺乏可靠性。基于此，现搭建了一套双马赫-曾德尔干涉仪，对定位技术进行实验，对单点定位和多点定位分别进行验证。重点分析了影响该系统定位稳定性的因素，提出了解决方法。同时，还提出了一种定位筛选方法，来提髙定位的稳

4、定度和可靠性。实验结果表明，使用了该算法后，系统的定位可靠性和定位精度大为提高，对以后相关工作的展开有很大的参考意义。1双马赫-曾德尔型传感系统的原理及定位算法1.1干涉仪原理图为了实现对破坏行为的定位，现构建了双马赫-曾德尔结构的干涉型分布式光纤传感系统，2.2互相关定位程序设计在进行互相关定位程序设计时，采用LabVIEW虚拟仪器进行编程，程序框图如图3所示：包括信号采集、滤波、触发、有用信号提取、互相关算法、入侵位置输出几大模块，实验中使用的数据采集卡最高采集速度为10MHz,双通道采集时每通道5MHz,

5、两个采样点对应的距离约为20mo定位程序中，设置触发器电平，当干涉信号幅度超过触发电平时，开始采样。采样率可根据需求进行调整。在上面程序中，每触发一次采集5万组数据。考虑到计算速率和数据有效性，程序中只提取出此组数据的前2万组，送入后级进行互相关运算。2.3单点定位实验2.4两点定位测试双马赫-曾德尔采用的定位原理是基于互相关算法求取延时。从理论上来讲，对于多点扰动，只有当不同扰动信号相互正交时，才能将各个扰动点定位出来，而普通振动信号都有或多或少的相关性，故定位点会出现在多个扰动点的中间。为了验证多点定位能力

6、，首先对系统的两点定位进行了验证。选取距离E点和F点，固定在振动平台上，对两点同时施加振动，测量此时的定位距离。其中E点理论距离为1.69km,F点理论距离为3.74kmo结果如图5所示。3定位稳定性分析目前在工程上双马赫-曾德尔系统最大的缺陷在于它的定位稳定性较差，即使同一个地点发生振动，它的定位距离偏差往往会超过几公里，甚至更大。它的这种定位不稳定的特点极大地影响了该系统的使用，为此，现对影响系统稳定性的各方面因素进行了分析，例如耦合器相位噪声、传感光缆背景噪声、信号频率和信噪比、不同的定位算法及去噪措施等

7、。经过多方面的实验验证，可发现当信号频率偏低或者幅度偏小的时候，定位结果往往会出现较大偏差(见图6)。信号频率偏低一般是由于振动频率较低，例如对光纤的轻轻摇动或拉动、滚动等。而幅度较小则是因为振动信号微弱，对光纤相位影响较小。如图6(a)中的信号，幅度仅有0.3V,信号非常微弱,信噪比仅有2〜3倍，定位偏差5.2kmo而正常采样信号一般频率都10kHz以上，振幅在2V以上，信噪比20以上。图6(b)中的信号，频率远低于1kHz,仅有百Hz左右，定位偏差2.4kmo信号频率涉及到信号空间分辨力，频率越低，信号空间

8、分辨力越低，故定位精度越差。振动信号的定位精度与多种因素有关，其中采集卡采样频率决定了定位精度的上限，例如实验中使用5MHz采集卡,单次定位精度上限为20m。定位精度的下限则与相关函数的时延估计精度有关，即跟信号的信噪比有关。另外，信号的频率决定了空间分辨力，频率越低，越难分辨，故低频信号定位效果不好。实际测量中，要避免这两种情况对定位精度的影响其实非常简单，只需要在采集卡前面接一高通