CN101251392A - 全光纤宽域振动传感网络系统扰动检测光路装置 - Google Patents

Abstract

全光纤宽域振动传感网络系统扰动检测光路装置涉及长距离分布式安全监测的工程和装备，能够对监测区域的振动进行检测和定位。该装置宽带光源(7)的输出接1×2光纤耦合器(6)的输入端，1×2光纤耦合器(6)、第二光电检测电路(11)的输出端分别接第一2×2光纤耦合器(3)的输入端，第一光电检测电路(10)、1×2光纤耦合器(6)的输出端分别接第二2×2光纤耦合器(8)的输入端，第一2×2光纤耦合器(3)的输出端通过第一光纤延迟线(1)接第一1×2光纤耦合器(4)的输入端，第二2×2光纤耦合器(8)的输出端通过第二光纤延迟线(2)接第二1×2光纤耦合器(9)的输入端，第一1×2光纤耦合器(4)、第二1×2光纤耦合器(9)通过传感光纤(5)相连接。

Description

全光纤宽域振动传感网络系统扰动检测光路装置

技术领域

本发明设计属于光纤传感和安防监控领域。尤其涉及长距离分布式安全监测的工程和装备。能够对监测区域的振动进行检测和定位。

背景技术

对于居民居住小区以及具有重大价值的设施目标，比如大坝，石油、天然气管道，仓库、博物馆甚至国境线等，对安全防护的需求越来越大。这些具有重大价值的设施和目标，一旦被不法份子渗透破坏，将对人民的生命财产安全乃至国家的安全造成重大的破坏，因此急需进行有效的安全保护。

目前，对于安全监控系统应用比较广泛的是红外对射式方案。该方案虽然简单、廉价，但是易于被入侵者发现，使入侵者可以比较容易的避开监控点。因此该方案很难对入侵者进行有效的监控。除此之外，还有基于“振动电缆”或“泄漏电缆”的防卫系统，这两种方案虽然一定程度上可以解决红外对射式方案的问题，但整个系统成本相对较高，且电子系统也易受外界的干扰，造成“虚报”。

针对上述问题，目前已提出了基于光纤的安全监控系统。由普通的通信光纤作为传感器。当外界施加在光纤上的物理量诸如应力等发生变化的时候，通过光纤的光的各个参量如相位、振幅、频率等将会发生相应的变化。通过监测这些变化量即可探知外界的情况。目前，基于光纤的安全监控系统主要采用了基于OTDR技术和干涉技术两种方案。目前OTDR技术已经发展的较为成熟，采用OTDR的技术方案易于实现，但是该方案灵敏度较低，无法检测出微小的振动，且随着监测距离的增加，其监测和定位精度将有所降低。

针对OTDR所存在的问题，国内外的一些公司和研究机构提出了一系列的方案。如澳大利亚的FFT(Future Fiber Technologies)公司提出的基于Mach-Zehnder干涉仪的光纤监控系统。但是由于需要在实际施工时同时埋设三根光纤，不但增加了系统的成本，而且极大的提高了系统构建的难度。

发明内容

技术问题：针对目前安全防护系统所存在的问题，本发明提出了一种全光纤宽域振动传感网络系统扰动检测光路装置。该装置具有很高的灵敏性，并能对外界振动点进行精确的定位。

技术方案：本发明的全光纤宽域振动传感网络系统扰动检测光路装置的宽带光源的输出接1×2光纤耦合器的输入端，1×2光纤耦合器、第二光电检测电路的输出端分别接第一2×2光纤耦合器的输入端，第一光电检测电路、1×2光纤耦合器的输出端分别接第二2×2光纤耦合器的输入端，第一2×2光纤耦合器的输出端通过第一光纤延迟线接第一1×2光纤耦合器的输入端，第二2×2光纤耦合器的输出端通过第二光纤延迟线接第二1×2光纤耦合器的输入端，第一1×2光纤耦合器、第二1×2光纤耦合器通过传感光纤相连接。

第一光电检测电路、第二光电检测电路相同，分别包括第一运算放大器、第二运算放大器、A/D采样模块、数字信号处理模块、光电二极管；其中，光电二极管和第三电阻接第一光电检测电路的输入端，第一光电检测电路的输出端通过第二电阻接第二运算放大器的输入端，第二运算放大器的输出端接A/D采样模块，A/D采样模块的输出端接数字信号处理模块。

本发明的基于干涉原理的全光纤宽域扰动检测定位光路装置，将宽带光源发出的光送入干涉仪中，并通过干涉仪送入传感光纤。该光在另一个干涉仪中形成干涉信号，并最终由相应的光电检测电路识别。当外界发生扰动的时候，诸如个人闯入、周围施工以及自然灾害等，则干涉信号将发生相应的变化，从而实现对重点设施的安全防护。

在上述的安全防护中，本方案还实现了对外界扰动点的精确定位。往两个干涉仪中同时送入宽带光，两束宽带光在传感光纤中相向而行，并分别通过另一个干涉仪送入两个独立的光电检测电路中。如果此时在传感光纤中的某个点发生扰动或者入侵行为，则通过该点的光的相位将发生改变。通过计算该发生相位变化的光到达两个干涉仪的时间差，从而间接的知道了扰动点在传感光纤中的位置。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

采用了基于干涉的原理来实现对入侵的探测，灵敏度高，当外界入侵者接近防护光纤时，该系统即可准确的探测出入侵的存在。

采用了双干涉光路设计，实现了对入侵的定位。

只用了一根光纤用于传感，不但降低了系统的成本，而且极大的简化了系统安装的难度。

附图说明

图1是本发明总体框图。其中有：宽带光源7，1×2光纤耦合器6，传感光纤5，第一光电检测电路10、第二光电检测电路11，第一2×2光纤耦合器3、第二2×2光纤耦合器8，第一1×2光纤耦合器4、第二1×2光纤耦合器9，第一光纤延迟线1、第二光纤延迟线2。

图2是光电检测电路原理框图。其中有：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5，第一运算放大器A1、第二运算放大器A2，电容C1，A/D采样模块12，数字信号处理模块13，光电二极管14。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，宽带光源7发出的光经1×2光纤耦合器6一分为二，分别同时送入第一2×2光纤耦合器3和第二2×2光纤耦合器8。送入第一2×2光纤耦合器3的光经传感光纤5后，在第二2×2光纤耦合器8中形成干涉。并通过第一光电检测电路10实现对信号的处理。同时光源送入第二2×2光纤耦合器8的光经传感光纤5在第一2×2光纤耦合器3中形成干涉。并通过第二光电检测电路11实现对信号的处理。

当传感光纤5中某点发生扰动时，经过该点的光的相位将发生变化，则携带发生变化量光信号到达的干涉仪并被检测电路检测到的时间由该扰动点在光纤中位置决定。通过计算光电检测电路检测到外界干扰信号的时间差，即可间接的计算出外界扰动点的位置。

该装置宽带光源7的输出接1×2光纤耦合器6的输入端，1×2光纤耦合器6、第二光电检测电路11的输出端分别接第一2×2光纤耦合器3的输入端，第一光电检测电路10、1×2光纤耦合器6的输出端分别接第二2×2光纤耦合器8的输入端，第一2×2光纤耦合器3的输出端通过第一光纤延迟线1接第一1×2光纤耦合器4的输入端，第二2×2光纤耦合器8的输出端通过第二光纤延迟线2接第二1×2光纤耦合器9的输入端，第一1×2光纤耦合器4、第二1×2光纤耦合器9通过传感光纤5相连接。宽带光源7的宽带光经第一1×2光纤耦合器6送入第一2×2光纤耦合器3，并在第一2×2光纤耦合器3中一分为二：一路光经第一光纤延迟线1送入第一1×2光纤耦合器4中，另一路光直接送入第一1×2光纤耦合器4中。该两路光经第一1×2光纤耦合器4送入传感光纤5中。并经传感光纤5反向送入第二1×2光纤耦合器9中。并再次将光一分为二，其中一部分经第二光纤延迟线2送入第二2×2光纤耦合器8中，另一部分直接送入第二2×2光纤耦合器8中。由于宽带光源的相干长度较短，经过第一光纤延迟线1而未经过第二光纤延迟线2的光将与未经过第一光纤延迟线1而经过第二光纤延迟线2的光发生干涉。该干涉信号携带了传感光纤中的外界扰动信息。实现了对外界扰动的传感。

同理，宽带光源7的另一部分宽带光经1×2光纤耦合器6送入第二2×2光纤耦合器8，并在第二2×2光纤耦合器8中一分为二：一路光经第二光纤延迟线2送入第二1×2光纤耦合器9中，另一路光直接送入第二1×2光纤耦合器9中。该两路光经第二1×2光纤耦合器9送入传感光纤5中。并经传感光纤5反向送入第一1×2光纤耦合器4中。并再次将光一分为二，其中一部分经第一光纤延迟线1送入第一2×2光纤耦合器3中，另一部分直接送入第一2×2光纤耦合器3中。由于宽带光源的相干长度较短，经过光纤延迟线2而未经过第一光纤延迟线1的光将与未经过第二光纤延迟线2而经过第一光纤延迟线1的光发生干涉。该干涉信号携带了传感光纤中的外界扰动信息。实现了对外界扰动的传感。

如图2所示，第一光电检测电路10、第二光电检测电路11相同，分别包括第一运算放大器A1、第二运算放大器A2、A/D采样模块12、数字信号处理模块13、光电二极管14；其中，光电二极管14和第三电阻R3接第一光电检测电路10的输入端，第一光电检测电路10的输出端通过第二电阻R2接第二运算放大器A2的输入端，第二运算放大器A2的输出端接A/D采样模块12，A/D采样模块12的输出端接数字信号处理模块13。干涉光经过光电二极管14后，光信号变成为电流信号。由第一运算放大器A1和第一电阻R1、第三电阻R3组成跨导放大电路将电流信号转变为电压信号。该电压信号再次经过由第二运算放大器A2、第二电阻R2、第四电阻R4和第五电阻R5组成二级放大电路放大后送入A/D采样模块12。A/D采样模块12将检测到的模拟信号变成数字信号后交给信号处理单元13做后期信号处理。

Claims (2)

1、一种全光纤宽域振动传感网络系统扰动检测光路装置，其特征在于该装置宽带光源(7)的输出接1×2光纤耦合器(6)的输入端，1×2光纤耦合器(6)、第二光电检测电路(11)的输出端分别接第一2×2光纤耦合器(3)的输入端，第一光电检测电路(10)、1×2光纤耦合器(6)的输出端分别接第二2×2光纤耦合器8)的输入端，第一2×2光纤耦合器(3)的输出端通过第一光纤延迟线(1)接第一1×2光纤耦合器(4)的输入端，第二2×2光纤耦合器(8)的输出端通过第二光纤延迟线(2)接第二1×2光纤耦合器(9)的输入端，第一1×2光纤耦合器(4)、第二1×2光纤耦合器(9)通过传感光纤(5)相连接。

2、如权利要求1所述的全光纤宽域振动传感网络系统扰动检测光路装置，其特征在于第一光电检测电路(10)、第二光电检测电路(11)相同，分别包括第一运算放大器(A1)、第二运算放大器(A2)、A/D采样模块(12)、数字信号处理模块(13)、光电二极管(14)；其中，光电二极管(14)和第三电阻(R3)接第一光电检测电路(10)的输入端，第一光电检测电路(10)的输出端通过第二电阻(R2)接第二运算放大器(A2)的输入端，第二运算放大器(A2)的输出端接A/D采样模块(12)，A/D采样模块(12)的输出端接数字信号处理模块(13)。

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