CN101216976A - 基于相位载波复用的光纤周界安防系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤和安防技术领域，具体是一种基于相位载波复用的光纤周界安防系统及其实现方法。本发明在单芯反馈式全白光干涉系统的若干传感端分别串接一工作于不同频率的在线相位调制器，通过调制，将不同感应端的触发信号从频域上分开；通过解调技术，最终从同一干涉系统输出信号中获得相应于不同感应端的独立时域信号。通过该相位载波复用技术，可以实现不同传感(感应)端共用一套干涉系统，显著降低周界安防分区所涉及的干涉系统的数量，有利于实际系统的实施。

Description

基于相位载波复用的光纤周界安防系统及其实现方法

技术领域

本发明属于光纤和安防技术领域，具体涉及一种安全防范系统以及实现方法。

背景技术

随着科技的发展，安全防范的重要性越显突出，一些重要的军事保密部门、军事要地、银行、机场等对大范围、长距离、高可靠性的安防技术的需求越来越显著。目前越来越多种类的光纤技术应用到安防系统中，其特点是，抗干扰性强、可靠性高；隐蔽性好、防探测；易于安装和维护。单芯反馈式全白光干涉系统也成功的应用在了周界安防中。

单芯反馈式全白光干涉系统的结构如图1、2所示。系统由光源1、光纤耦合器4、光纤延迟线11、光纤耦合器5、单芯光纤L16、反馈装置7、探测器2、3构成，其中，根据信号处理的需要，耦合器4可以是3×3或2×2的。这种系统利用白光进行干涉。光路中存在一段单芯光纤16，利用反馈装置7的作用，使从光纤16传输的光经反馈装置7作用后重新进入光纤16传输，最终到达探测器2、3，实现光的干涉。对于在单芯光纤16上的扰动，由于光前后两次经过该点，因此灵敏度加倍。光信号经探测器转换成电信号，通过一定的信号处理方案，即可获得相应的扰动位置或区域信息。由于该系统采用单芯结构，不用形成环路，使得系统使用方便，特别在需长距离铺设的应用环境中，尤显其灵活性。

在使用中，以单芯反馈式白光干涉系统为基础的的周界安防系统通常采用两种实现方式：串联和并联。串联方式，如图3所示，采用一根连续的光缆连续铺设在需防范区域的周界上，即一根光缆贯穿于周界的各区域，采用一定的定位算法，计算出入侵发生的位置或区域。这种串联方法的缺点是对于完全同时发生的入侵的行为，无法实现定位；当感应光缆有一个断点，整个安防系统全部处于瘫痪状态。并联方式，是在周界的不同区域铺设各一根感应光缆，每根光缆对应于一个光路干涉系统。图4是一个分为3个区域的并联布设方案。并联方案克服了串联方案种的上述缺点，但由于每个区域都需要一套光路干涉系统，不利于在大范围、长距离周界安防上应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以克服串联或并联缺陷的，以单芯反馈式白光干涉系统为基础的周界安防系统。

本发明提出的以单芯反馈式白光干涉系统为基础的周界安防系统，采用一个共同的白光干涉光路20，该白光干涉光路20与通常的单芯反馈式白光干涉系统基本相同，由光纤耦合器4、光纤耦器5、光纤延迟线11组成，光纤耦合器4分别与光源信号1和光电探测器连接，该光纤耦合器4为2×2或3×3的光电耦合器，相应的光电探测器为1个或2个；光纤耦器5为一n路分路器，有n个输出端口(传感端口)，可记为10a、10b、10c…，分别接入n路传感(感应)光纤，对应的记为16a、16b、16c…，每个传感光纤上都串接一个在线相位调制器，对应的分别记为17a、17b、17c…；这n个相位调制器分别与调制信号发生装置19连接，而该调制信号发生装置19与信号处理装置13连接，信号处理装置13与光电探测器连接；光纤分别设有反馈装置，相应的可记为7a、7b、7c…。可见，这n路传感光纤和相应的反馈装置共用一个白光干涉光路20，而且每路传感光纤和对应的反馈装置与白光干涉光路20均构成一个独立的干涉子系统，从而使每个干涉子系统产生的干涉信号从白光干涉光路20的共同端口输出。具体见图5所示。

本发明中，n为大于2的整数，具体可根据实际需要确定，一般n最大为100即可满足实用需要。

本发明通过在全白光干涉系统中使用相位载波的调制解调技术，实现多路扰动信号复用同一白光干涉系统，从而大大降低安防周界中因分区所需的干涉系统的数量。

白光干涉系统中的两路或多路分路器5(多路分路器可以是单只器件，也可以由多个分路器组合而成)，它可以是熔融拉锥式光纤分路器，也可以式平面光波导分路器。

由于使用白光干涉，光源的相干长度只有微米量级，各传感光纤的长度差很容易超过这个值。.因此，每根传感(感应)光纤，对应的干涉子系统是相互独立的，即，这些独立子系统间的光信号不发生干涉。

为了将各子干涉系统的干涉信号分别提取出来，在每路传感(感应)光纤中都串接一个在线相位调制器(如17a、17b、17c…)，该相位调制器可以是将光纤绕在压电陶瓷上制作而成，也可以是铌酸锂(LiNbO₃)调制器；每个调制器施加不同频率的相位载波(余弦信号)，对干涉光路的相位进行调制。

对于有n路传感端的复用系统，信号的交流部分P可以表示为：

P＝P₁+P₂+…+P_n

＝p₁ cos[φ₀₁+Δφ₁+φ_m1cos(2πf_m1t)]+p₂cos[φ₀₂+Δφ₂+φ_m2 cos(2πf_m2t)]+… (1)

+p_icos[φ_0i+Δφ_i+φ_micos(2πf_mit)]+…+p_ncos[φ_0n+Δφ_n+φ_mncos(2πf_mnt)]

其中，p_i是第i路干涉子系统的交流分量的幅度，φ_0i为该路干涉子系统的初始相位，Δφ_ni为感应光纤受扰动产生的相位信号。

将P_n用J_n阶贝塞尔函数展开后，变为

P_i＝p_icos[φ_0i+Δφ_i+φ_micos(2πf_mit)]

＝p_icos(φ_0i+Δφ_i)[J₀(φ_mi)+2J₂(φ_mi)cos(4πf_mit)+…]+(2)

p_isin(φ_0i+Δφ_i)[2J₁(φ_mi)cos(2πf_mit)+2J₃(φ_mi)cos(6πf_mit)+…]

从上可以看出，2p_iJ₁(φ_mi)sin(φ_0i+Δφ_i)J₁(φ_mi)cos(2πf_mit)的频谱是将时域信号sin(φ_0i+Δφ_ni)的频谱特征从0频率附近平移到频率f_mi处，当f_mi(i＝1、2、...、n)各不相同，且间距足够大，就可以将其相应的干涉子系统信号的频谱特征通过谱的平移彻底分开。通过同步解调技术，对不同的载波信号采用相应的参考频率，即可获得各干涉子系统独立的时域信号：

P_i1＝2p_iJ₁(φ_mi)sin(φ_0i+Δφ_ni)(i＝1、2、...、n)(3)

因而，通过这种相位调制解调技术，可以实现干涉光路的复用。

上面的分析只涉及到一种信号解调方案，类似的信号解调的技术还有多种，且较为成熟，因而不在此赘述。信号解调的过程可以通过硬件实现，也可以用软件来实现。

从(2)的展开式可以看出，对于上述的解调方案，要将各子系统平移的频谱彻底分开，调制信号的频率分布必需满足：

(1)对于任意第i个干涉子系统，调制频率f_mi应远大于扰动信号sin(φ_0i+Δφ_ni)(或cos(φ_0i+Δφ_ni))(i＝1、2、...n)的最大频率。

(2)在基频f_mi和倍频之间(i＝1、2、...n)，相邻频率的间距应远大于sin(φ_0i+Δφ_ni)(或cos(φ_0i+Δφ_ni))(i＝1、2、...n)的带宽。

由上可见，这种基于相位载波复用的光纤周界安防系统，使用相位调制技术，可将不同干涉子系统的干涉信号从频域上分开；使用解调技术，将分开的各干涉子系统信号分别解调出来，获得各干涉子系统的独立时域信号。

使用上述的相位载波复用技术，可以大大减少干涉系统的用量，克服了传统的并联方案中干涉系统潜在的过于庞大的缺点，尤其有利于在长距离、大范围的周界安防中使用。

附图说明

图1是单芯反馈式全光纤白光干涉系统一种结构的示意图。其中，光纤耦合器4为3×3的。

图2是单芯反馈式全光纤白光干涉系统另一种结构的示意图。其中，光纤耦合器4为2×2的。

图3是单芯反馈式白光干涉系统应用于光纤周界安防的串联方案。其中，一根连续的感应光缆16布设在周界上。

图4是单芯反馈式白光干涉系统应用于光纤周界安防的并联方案示例。图中的周界被分成了3个区，每个区分别对应一个模块一根感应光缆16a、16b、16c。

图5是采用相位载波复用的单芯反馈式全光纤白光干涉系统的结构示意图。其中，(a)光纤耦合器4为3×3的，(b)光纤耦合器4为2×2的。

图6是采用相位载波复用方案的单芯反馈式全光纤白光干涉系统的示例。

图中标号：1是光源，2、3是光电探测器，4是光纤耦合器，5是光纤耦合器，  7、7a、7b、7c…是光反馈装置(采用端面镀膜)，6、8、9、12、14是光纤耦合器4的五个端口，10a、10b、10c是光纤耦合器5的端口，11是光纤延迟线，13是信号处理装置，16是传感光纤，17a、17b、17是相位调制器，18a、18b、18c为传输光缆，19为调制信号发生装置，20为白光干涉电路。

具体实施方式

下面通过一个实施例进一步说明本发明。

在本实施例中，光纤周界安防系统采用的是图5(a)所示的光路结构。在周界上布设了3个防区，如图6所示。其中，每个区分别使用一根感应光缆16a、16b、16c，18a、18b、18c为相应的传输光缆，每个传感段分别串接一个在线相位调制器17a、17b、17c。这3个区共用一个干涉光路，形成3个干涉子系统。光路系统光源1采用电子集团总公司44研究所生产的SO3-B型超辐射发光管(SLD)。光纤耦合器为武汉邮电研究院生产的单模光纤耦合器。光电探测器23为44所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器。所用的光纤为美国“康宁”生产的G652型单模光纤。起感应作用的光缆为长飞生产。光反馈装置7a、7b、7c为法拉第旋转镜。所采用的相位调制器是将光纤绕在压电陶瓷上制作而成。

在实施例中，3个防区的相位调制器上施加的频率分别为60kHz、80kHz、100kHz。使用锁相放大技术对相应的信号进行解调。与3个防区相对应，系统共有3路解调通道，工作频率分别为60kHz、80kHz、100kHz。当人在布设光纤的区域跳跃或走动时，探测器处获得的触发信号频谱宽度小于5KHz。

在本实施例中，当仅有一个区有入侵扰动时，只会触发该区报警，另外两个区不会触发报警，例如，当调制频率为80kHz的区域有入侵行为时，工作频率为80kHz的解调通道观察到有相应的脉冲输出，触发报警；另外两路没有脉冲出现，无报警。当3个防区同时出现扰动时，3个解调通道皆有扰动脉冲输出，3个区域同时触发报警。

Claims (6)

1.一种基于相位载波复用的光纤周界安防系统，其特征在于采用一个共同的白光干涉光路(20)，该白光干涉光路(20)由光纤耦合器(4)、光纤耦合器(5)、光纤延迟线(11)组成，光纤耦合器(4)分别与光源信号(1)和光电探测器连接，光纤耦合器(5)为一n路分路器，有n个输出端口分别接入n路传感光纤，每个传感光纤上都串接一个在线相位调制器，这n个相位调制器分别与调制信号发生装置(19)连接，而该调制信号发生装置(19)与信号处理装置(13)连接，信号处理装置(13)与光电探测器连接；每路传感光纤分别设有反馈装置；这n路传感光纤和相应的反馈装置共用一个白光干涉光路(20)，而且每路传感光纤和对应的反馈装置与白光干涉光路(20)均构成一个独立的干涉子系统，每个干涉子系统产生的干涉信号从白光干涉光路(20)的共同端口输出。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述的光纤耦合器(4)采用2×2或3×3的光电耦合器，与此相应，连接的光电探测器为1个或2个。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述的n路分路器是熔融拉锥式光纤分路器，或者是平面光波导分路器。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述的在线相位调制器是将光纤绕在压电陶瓷上制作而成的相位调制器，或者是铌酸锂相位调制器。

5.一种如权利要求1所述的基于相位载波复用的光纤周界安防系统的实现方法，其特征在于白光干涉子系统共用一个干涉光路，在各个干涉子系统上施加不同频率的相位载波，通过相位调制和解调技术，使复用于一个干涉光路的各干涉子系统的信号彻底分开并解调出来。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于用相位调制技术，将不同干涉子系统的干涉信号从频域上分开；使用解调技术，将分开的各干涉子系统信号分别解调出来，获得各干涉子系统的独立时域信号。

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