CN101021961A

CN101021961A - 单模光纤周界防卫传感器

Info

Publication number: CN101021961A
Application number: CN 200710038115
Authority: CN
Inventors: 方祖捷; 李俊; 蔡海文; 耿健新
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2007-03-15
Filing date: 2007-03-15
Publication date: 2007-08-22

Abstract

一种单模光纤周界防卫传感器，结构包括：偏振光源经单模传感光纤接偏振检测器，该偏振检测器经探测器与信号处理器相连，所述的单模传感光纤用于环绕要求防卫的建筑物或区域。本发明主要用于军事机构、机要区域、博物馆、银行等区域的安全防范。本发明具有光信号功率大、灵敏度高、响应速度快、价格低廉的优点。

Description

单模光纤周界防卫传感器

技术领域

本发明涉及安全防范，是一种利用单模光纤周界防卫传感器。本发明主要用于军事机构、机要区域、博物馆、银行等区域的安全防范。

背景技术

现代社会的安全防范是一个重要的课题。有效地保护政府机构、军事基地、机场、武器弹药库、监狱、银行金库、博物馆、发电厂、油库、通信设施、港口甚至是国界等重要区域，防止非法入侵，是至关重要的。诸如摄像机监视、红外摄像监视系统、红外中断传感等技术已经广泛应用于机要区域以至于居民小区。但是，道高一尺、魔高一丈，入侵和防卫之间的争斗没有停止。为此，必须发展多种新型防卫技术。

光纤价格低廉、易于安装、隐蔽性较好、不受电磁干扰，在周界防卫中也倍受重视。在先技术之一，是使用光时域反射仪测量扰动的方法，测量光波在光纤中传输时产生的回波随外界扰动的变化。这一方法信号很微弱，测量时间较长，响应很慢，不适用于动态的检测。而且时域反射仪的价格也很高。在先技术之二，是基于多模光纤散斑传感器[T.S.Francis，Appl.Opt.32,4685-4689(1993)；A.Malki，Appl.Opt.35，5198-5201(1996)等]。该方法已经有产品问世，并在许多场合获得应用。其原理是光波在多模光纤中由于不同传输模式之间的干涉形成散斑，散斑图像受外界扰动发生变化，用CCD记录散斑，或者用光栏截取局部光功率，就可以感知多模光纤上受到的扰动。这一方法要求使用特种的多模光纤，成本比较高。单模光纤由于纤芯细，生产量大，因此价格比多模光纤低得多。在先技术之三，是基于单模光纤微弯损耗的机理，从光纤传输损耗的变化，判定是否有外界干扰发生。但是这一方法的灵敏度比较低。容易产生误报。

发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提出一种利用单模光纤中光波的偏振态变化和相位变化感知外界扰动的单模光纤周界防卫传感器。该周界防卫传感器应具有光信号功率大、灵敏度高、响应速度快、价格低廉的优点。

本发明的原理，是利用单模光纤发生形变时，光波的偏振态和相位发生变化的效应。通常外界入侵产生的力，将引起光纤的弯曲、扭转、振动等形变。单模光纤的局部弯曲，必然使该处的光纤段发生拉伸，如图1所示。设发生弯曲光纤段长度为L，弯曲的曲率半径为R，根据几何关系，弯曲后光纤的伸长近似可以表示为：ΔL≈ L³/24R²。光波增加了传输距离，也就是使光波的相位发生变化：Δφ＝2πnΔL/λ。式中n为光纤的折射率，λ为光波波长。可见，扰动相移随弯曲的曲率半径的减小而增加。

同时，光纤在弯曲时内部产生不均匀的应变分布。从而引起光纤在垂直于光纤轴向平面的两个方向上的有效折射率产生差别，也就是发生了双折射效应。这一效应导致光波的偏振态的变化。根据应力和光弹效应的分析，这一双折射效应的大小为：

δn＝(n³r²/4R²)(p₁₁-p₁₂)(1+v)

式中：r为光纤半径，p为弹光系数，v为泊松比。可见，弯曲导致的双折射也是随曲率半径R的减小而增加。

光纤振动实际上就是一种周期性振荡的弯曲，因此其基本特性可以从上述静态分析的相移变化和双折射变化得到。光纤扭转的直接结果是光波偏振面的旋转。因此与上述双折射效应的表现相似。一般在微弱扰动下扭转发生的几率比较小。从上述分析可以得出，利用光学方法监测扰动引起的相移变化和双折射变化，就可以感知光纤受扰动的情况，从而构成一种周界防卫传感系统。

本发明的技术解决方案如下：

一种单模光纤周界防卫传感器，特征在于其结构包括：偏振光源经单模传感光纤接偏振检测器，该偏振检测器经探测器与信号处理器相连，所述的单模传感光纤用于环绕要求防卫的建筑物或区域。

在所述的偏振光源和单模传感光纤之间接第一光纤耦合器，在单模传感光纤和探测器之间接第二光纤耦合器，该第一光纤耦合器与第二光纤耦合器)之间在本机直接相连，所述的第一光纤耦合器和第二光纤耦合器是分束比为1∶1的光纤耦合器，所述的第二光纤耦合器经探测器接所述的信号处理器。

所述的单模传感光纤中还分段地串联有多台光纤耦合器，每台光纤耦合器的小功率输出端经信号传输光纤接偏振检测器和探测器，该探测器通过通信电缆接所述的信号处理器。

所述的偏振检测器为光纤偏振分束器或多模散斑偏振传感器。

所述的偏振光源为光纤耦合输出的单纵模或多纵模半导体激光器。

本发明的周界防卫光纤传感器，具有如下的特点和优点：

1、与基于时域反射仪的传感器方法相比，具有光信号功率大、灵敏度高、响应速度快、价格低廉的优点。

2、由于单模光纤产业规模庞大，价格比多模光纤低，而且各种单模光纤的元器件比较成熟，价格也低于用量较少的多模光纤元件，因此与基于多模光纤散斑传感器相比，具有成本低的突出优点。

3、本发明的单模-多模-单模偏振传感器，结构简单、价格低廉、灵敏度高、使用方便。

4、系统结构简单，便于扩展；安装简易。可以发展成为分段、分区复用的周界防卫系统。

附图说明

图1为光纤受外力扰动时发生弯曲的示意图

图2为本发明实施例之一，单模光纤偏振扰动的传感器结构示意图

图3是单模-多模-单模光纤偏振检测原理图

图4为本发明实施例之二，单模光纤相移扰动的传感器结构示意图

图5为实验测得的单模光纤扰动传感信号

图6为本发明实施例之三，分段传感的周界防卫系统结构示意图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此在限制本发明的保护范围。

先请参阅图2，为本发明实施例之一，由图可见，本发明单模光纤周界防卫传感器，其结构包括：偏振光源3经单模传感光纤2接偏振检测器4，该偏振检测器4经探测器5与信号处理器6相连，所述的单模传感光纤2用于环绕要求防卫的建筑物或区域1。

在本发明中为商用的通信单模光纤；3为光源，在这一结构中应为偏振光源，可采用光纤耦合输出的单纵模或多纵模半导体激光器；4为偏振检测器；5为探测器；探测经过检偏后的光功率大小；6为信号处理器，对扰动信号进行分析，判断是否和属于哪一类入侵。

图2偏振检测器4，可以采用商品光纤偏振分束器。其作用是将输入光波的两个偏振分量分布从两个光纤端口输出。当一束偏振光波E输入偏振分束器时，两输出端的光功率分别等于入射光波的两个偏振分量：I₁＝|E_∥|²和I₂＝|E_⊥|²当输入光波的偏振方向改变时，两输出端口的功率比将发生此消彼长的变化。因此可以用两个光电探测器的信号的变化感知入射光波偏振态的扰动。

图2结构中的偏振检测器4，也可以采用本发明提出的多模散斑法偏振传感器，如图3所示。该检测器由一段多模光纤(MMF)和前后两段单模光纤(SMF)直接连接构成。光波从单模光纤输入，具有单一的基模分布的光斑A。在多模光纤中演变为一种多模散斑B。输出用一段单模光纤作为光阑，选取散斑中的一部分功率，这一散斑的分布与入射光波的偏振态有关。入射光波的偏振方向变化时，光斑分布将发生变化。因而从输出单模光纤中探测到的光功率也将随之变化。

请参阅图4，图4为本发明实施例之二，单模光纤相移扰动的传感器结构示意图，是基于相位扰动的传感器。由图可见，本发明单模光纤周界防卫传感器特点是在所述的偏振光源3和单模传感光纤2之间接第一光纤耦合器71，在单模传感光纤2和探测器5之间接第二光纤耦合器72，该第一光纤耦合器71与第二光纤耦合器72之间在本机直接相连，所述的第一光纤耦合器71和第二光纤耦合器72是分束比为1∶1的光纤耦合器，所述的第二光纤耦合器72经探测器5接所述的信号处理器6。图中1为要求防卫的建筑物或区域；2为传感光纤，在本发明中为商用的通信单模光纤；光源3，在本方法中应采用单纵模或纵模数较少的半导体激光器；两个光纤耦合器，一般用1∶1分束比的光纤耦合器；探测器5，探测由相位扰动和光源原有相位之间的干涉信号；6为信号处理器，对扰动信号进行分析，判断是否和属于哪一类入侵。

根据本发明的思想，发射光源采用普通通信波段1550nm的激光二极管，单模尾纤输出，连续运转功率为3mW。偏振检测器4采用单模-多模-单模光纤结构。输出光信号用InGaAs-PIN探测器5接收，并用常规放大电路放大。输出信号用数据采集卡采集，记录在PC机中。在单模光纤段施加外力使其弯曲形变时，探测器可明显地探测到信号强度的变化。图5是用Labview显示的扰动信号。

请参阅图6，图6为本发明实施例之三，分段传感的周界防卫系统结构示意图。本实施例的特点是所述的单模传感光纤2中还分段地串联有多台光纤耦合器8，每台光纤耦合器8的小功率输出端经信号传输光纤22接偏振检测器4和探测器5，该探测器5通过通信电缆23接所述的信号处理器6。图中1为多个被防卫的建筑物或区域。光纤耦合器8，用来对传感光纤中光波的特性进行分段监控。其分束比可以设计为一个小的比例，只要满足检测需要就可以，而让大部分光功率向下行传感光纤传输。图中设置了两个光纤耦合器，将整个传感光纤划分为三段。可以根据使用场合，设置多个光纤耦合器。22为信号传输光纤，是从光纤耦合器8分束小部分光功率出来，进行偏振特性或相位特性的检测。安装时需防止外界干扰。也可就近引入建筑物。4为偏振检测器，可以根据实际条件选用上述方案中的光纤偏振分束器，也可以用单模-多模-单模偏振传感器。5为探测器。光学解调后将信号由通信电缆23发送到信号处理器6。在信号处理器中对多路输入的扰动信号进行分析，判断是否和属于哪一类入侵，并融合不同区段发送过来的信息，判断外界干扰发生在哪一个区段。

由于本发明采用单模光纤作为传感光纤，相关的连接、分束等元件均为单模光纤元件，因此传输损耗和元件插入损耗均很小。这就提供了长距离、分段传感监控的可能性。

Claims

1、一种单模光纤周界防卫传感器，特征在于其结构包括：偏振光源(3)经单模传感光纤(2)接偏振检测器(4)，该偏振检测器(4)经探测器(5)与信号处理器(6)相连，所述的单模传感光纤(2)用于环绕要求防卫的建筑物或区域。

2、根据权利要求1所述的单模光纤周界防卫传感器，其特征是在所述的偏振光源(3)和单模传感光纤(2)之间接第一光纤耦合器(71)，在单模传感光纤(2)和探测器(5)之间接第二光纤耦合器(72)，该第一光纤耦合器(71)与第二光纤耦合器(72)之间在本机直接相连，所述的第一光纤耦合器(71)和第二光纤耦合器(72)是分束比为1∶1的光纤耦合器，所述的第二光纤耦合器(72)经探测器(5)接所述的信号处理器(6)。

3、根据权利要求1所述的单模光纤周界防卫传感器，其特征在于所述的单模传感光纤(2)中还分段地串联有多台光纤耦合器(8)，每台光纤耦合器(8)的小功率输出端经信号传输光纤(22)接偏振检测器(4)和探测器(5)，该探测器(5)通过通信电缆(23)接所述的信号处理器(6)。

4、根据权利要求1或3所述的单模光纤周界防卫传感器，其特征在于所述的偏振检测器(4)为光纤偏振分束器或多模散斑偏振传感器。

5、根据权利要求1至4任一项所述的单模光纤周界防卫传感器，其特征在于所述的偏振光源(3)为光纤耦合输出的单纵模或多纵模半导体激光器。