1.一种基于分布式光纤传感器的水下定位方法,其特征在于:该方法所基于的装置包括第一超辐射发光二极管、第二超辐射发光二极管、波长锁定器和光消偏器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第一隔离器、法拉第旋转镜、第一相干解调器、第二相干解调器、第一光纤探测器PD1、第二光纤探测器PD2;
所述的第一超辐射发光二极管、第二超辐射发光二极管通过波长锁定单元进行波长锁定,之后通过光消偏器进行消偏通入第一耦合的入射端;第一耦合的输出端通过光电隔离器与第二耦合器的第一入射端相连;第二耦合器的第一输出端通过延时线圈与第三耦合器的第一输入端相连;第二耦合器的第二输出端与第三耦合器的第二输入端相连;第二耦合器的第三、第四输出端分别和光电探测器PD1、PD2相连;第三耦合器的第一输出端通过分布式光纤与法拉第旋转镜相连;
设扰动信号引起的调制信号相位变化为 则输入第二耦合器中的两束相干光分别为:E1=e10exp[j(ωct+Δρ1(t)+ρ0)] (1)E2=e20exp[j(ωct+Δρ2(t)+ρ1)] (2)e10、e20分别代表调制信号的振幅,设e10和e20相等;ρ0和ρ1为调制信号的初始相位,ωc为传输光波角频率;Δρ1(t)为在扰动作用下波长λ1信号在两条不同光路下的相位变化之和,即从扰动源到达第一光电探测器PD1的相位变化和经过扰动源到达法拉第旋转镜后反射到第一光电探测器PD1的相位变化之和;同理,Δρ2(t)为波长λ2信号从扰动源经过延时线圈到第二光电探测器PD2的相位变化和经过扰动源到达法拉第旋转镜后反射、经延时线圈到第二光电探测器PD2的相位变化之和;两束相干光输出光强信号I为相干光E1、E2之和的标量值平方,即:I=|E1+E2|2
=2[cos(Δρ1(t)-Δρ2(t)+ρ0-ρ1)+1] (3)在相干解调器中完成两束相干光解调,由信号频谱特性可知,任何振动信号可分解为若干不同频率的简谐振动的叠加;因此,设由扰动引起的相位变化为单一频率的简谐振动,即ρ(t)=A0sin(ωt),则:Δρ1(t)=A0sin[ω(t-τ1)]+A0sin[ω(t-τ2)] (4)Δρ2(t)=A0sin[ω(t-τ3)]+A0sin[ω(t-τ4)] (5)其中:
L为传输光纤总长,x为扰动信号到第三耦合器的第一输出端的水平距离,l0为延时线圈的长度,n为传感光纤的折射率,c为光速;A0和ω分别为扰动源信号的振幅和角频率;
由公式(6)和(7)可知, 令其差值为δ;令η1=τ2+τ1,η2=τ3+τ4;因此,两信号总的相移:
根据公式(6)和公式(7)可知,δ中含振动的位置信息x,η1-η2中只含有与延时线圈长度值l0有关的一个参量,η1+η2含有传感光线的总长度L和延时线圈的长度l0,其具体函数关系如下:从公式(8)中可知,总相移的振幅由两部分的乘积构成,其一为 其二为
前者参数δ中含有扰动源的位置信息;后者中当
时,也会在频谱上出现极值点,但该分量中只含有延时线圈的长度信息,因此通过改变延时线圈的长度使得其对应的极值点频率与 分量出现的极值点频率之间距离相差10KHz以上,以屏蔽其对 分量极值点频率的影响;
当 此时 的振幅为零,即在角频率为ω的扰动作用
下,频谱上的光强出现极值点;由于扰动信号是一宽频信号,并不是某单一频率的频谱输出,扰动源的频率越高,对应的k取值越大;此时对应的频率f和距离x为:从频谱图中找出极值点所对应的频率值f,根据公式(11)算出扰动源的位置信息。