CN101271020A - 宽域全光纤扰动传感系统高灵敏度扰动检测光路装置 - Google Patents

Abstract

宽域全光纤扰动传感系统高灵敏度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，能够对监测点上的各类振动进行监测，该装置包括宽带光源、光纤耦合器、干涉仪、传感光纤四个部分；宽带光源(1)的光输出口接第一光纤耦合器(6)的第一双向光端口(6a)，第一光纤耦合器(6)的第二双向光端口(6b)和第三双向光端口(6c)分别接干涉仪(13)的第一输入端(13b)和第二输入端(13e)，第一光电检测电路(2)、第二光电检测电路(3)光输入端分别接干涉仪(13)的第一输出端(13a)和第二输出端(13c)，传感光纤(11)中的一个双向光端口接干涉仪(13)的第二输入端(13d)，而传感光纤(11)另一个双向光端口接第二光纤耦合器(12)中的第三双向光端口(12a)。

Description

宽域全光纤扰动传感系统高灵敏度扰动检测光路装置

技术领域

本发明设计涉及长距离分布式安全监测的工程和装备，能够对监测点上的各类振动进行监测，属于全光纤传感和安全防护领域。

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。

而且，对于基于干涉原理的传感干涉系统而言，该系统只能对某个特定的频率范围的扰动信号进行传感，这就极大的限制了系统对外界扰动信息的获取量，对防护系统带来了一定的不可靠的因素。

发明内容

技术问题：本发明的目的是发明一种宽域全光纤扰动传感系统高灵敏度扰动检测光路装置，是对重要建筑物和设施提供安全保护的高灵敏度光纤的光路装置，具有很高的灵敏度，可以检测的干扰信号的频带可以很宽。

技术方案：该装置包括宽带光源、光纤耦合器、干涉仪、传感光纤四个部分；宽带光源的光输出口接第一光纤耦合器的第一双向光端口，第一光纤耦合器的第二双向光端口和第三双向光端口分别接干涉仪的第一输入端和第二输入端，第一光电检测电路、第二光电检测电路光输入端分别接干涉仪的第一输出端和第二输出端，传感光纤中的一个双向光端口接干涉仪的第二输入端，而传感光纤另一个双向光端口接第二光纤耦合器中的第三双向光端口。干涉仪由光纤耦合器、光纤延迟线组成；第三光纤耦合器的第一双向光端口和第二双向光端口分别连接第一光纤延迟线的一个双向光端口和第五光纤耦合器的第八双向光端口；第一光纤延迟线的另一个双向光端口和第五光纤耦合器的第九双向光端口分别连接1×3光纤耦合器的第十双向光端口和第十一双向光端口；第四光纤耦合器的第三双向光端口和第四双向光端口分别连接第五光纤耦合器的第五双向光端口和第二光纤延迟线的一个双向光端口；第二光纤延迟线5的另一个双向光端口与1×3光纤耦合器的第十二双向光端口相连，第十三双向光端口为输出端。

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当该光到达传感光纤末端后，又沿原路返回干涉仪中，并在干涉仪中形成干涉信号。当外界发生振动的时候，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。

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，当外界入侵者以不同的形式接近或破坏受保护系统时，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，不但扩大了振动检测的频率范围，还使系统的可靠性大大提高。

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1，第一光纤耦合器6、第二光纤耦合器12，传感光纤11，第一光电检测电路2、第二光电检测电路3，干涉仪13。

图2为本发明中干涉仪的光路结构图。其中有：第一光纤延迟线4、第二光纤延迟线5，第三光纤耦合器7、第四光纤耦合器8，第五光纤耦合器9，第六光纤耦合器10。

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，

第一光纤耦合器6、第二光纤耦合器12、第五光纤耦合器9为1×2光纤耦合器，第三光纤耦合器7、第四光纤耦合器8为2×2光纤耦合器，第六光纤耦合器10为1×3光纤耦合器。第一光电检测电路2和第二光电检测电路3由光电二极管、运算放大器LF353以及相应的电阻、电容元件组成。宽带光源1采用瑞士EXALOS公司的光源模块ESL1510-2111。第一光纤延迟线4采用了康宁公司的10公里光纤。第二光纤延迟线5采用了康宁公司的5公里光纤。

该装置包括宽带光源、光纤耦合器、干涉仪、传感光纤四个部分；宽带光源1的光输出口接第一光纤耦合器6的第一双向光端口6a，第一光纤耦合器6的第二双向光端口6b和第三双向光端口6c分别接干涉仪13的第一输入端13b和第二输入端13e，第一光电检测电路2、第二光电检测电路3光输入端分别接干涉仪13的第一输出端13a和第二输出端13c，传感光纤11中的一个双向光端口接干涉仪13的第二输入端13d，而传感光纤11另一个双向光端口接第二光纤耦合器12中的第三双向光端口12a。干涉仪13由光纤耦合器、光纤延迟线组成；第三光纤耦合器7的第一双向光端口7b和第二双向光端口7d分别连接第一光纤延迟线4的一个双向光端口和第五光纤耦合器9的第八双向光端口9a；第一光纤延迟线4的另一个双向光端口和第五光纤耦合器9的第九双向光端口9b分别连接1×3光纤耦合器10的第十双向光端口10a和第十一双向光端口10b；第四光纤耦合器8的第三双向光端口8b和第四双向光端口8d分别连接第五光纤耦合器9的第五双向光端口9c和第二光纤延迟线5的一个双向光端口；第二光纤延迟线5的另一个双向光端口与1×3光纤耦合器10的第十二双向光端口10c相连，第十三双向光端口10d为输出端。

宽带光源1发出的光由光源的光输出端口送入第一光纤耦合器6第一双向光端口6a，光在第一光纤耦合器6中一分为二，并从第二双向光端口6b和第三双向光端口6c输出，分别送入干涉仪13中的第一输入端13b和第二输入端13e中。送入干涉仪13中的光从第二输入端13d中送入传感光纤11。经传感光纤11后送入第二光纤耦合器12的第三双向光端口12a中。光在第二光纤耦合器12中再次一分为二，并通过该耦合器的第十四双向光输出端口12b和第十五双向光输出端口12c输出。由于第十四双向光输出端口12b和第十五双向光输出端口12c通过光纤相连，因此由第十四双向光输出端口12b输出的光将通过第十五双向光输出端口12c再次送入第二光纤耦合器12中；而由第十五双向光输出端口12c输出的光将通过第十四双向光输出端口12b再次送入第二光纤耦合器12中。该光将通过第三双向光端口12a输出。并再次经过传感光纤11中送入干涉仪13的第二输入端13e中。该光将在干涉仪13中形成两路干涉。干涉光通过干涉仪13的第一输出端13a和第二输出端13c分别送入第一光电检测电路2和第二光电检测电路3中。

如图2所示，第一光纤耦合器6通过第二双向光端口6b和第三双向光端口6c输出的光，分别送入第三光纤耦合器7的第十六双向光端口7c和第四光纤耦合器8的第十七双向光端口8c中。送入第三光纤耦合器7中的光一分为二，分别由第一双向光端口7b和第二双向光端口7d送入第一光纤延迟线4和第五光纤耦合器9的第八双向光端口9a中。而送入第四光纤耦合器8中的光也将一分为二，分别由第三双向光端口8b和第四双向光端口8d送入第二光纤延迟线5和第五光纤耦合器9的第五双向光端口9c中。进入第一光纤延迟线4和第二光纤延迟线5的光分别通过其另一个双向光端口送入1×3光纤耦合器10的第十双向光端口10a和第十二双向光端口10c中。而送入第五光纤耦合器9中的光通过第九双向光端口9b送入1×3光纤耦合器10的第十一双向光端口10b中。送入1×3光纤耦合器10中的光将通过其第十三双向光端口10d送入传感光纤11中。

从传感光纤11中反射回来的光经1×3光纤耦合器10的第十三双向光端口10d送入1×3光纤耦合器10中，并一分为三，分别通过其第十双向光端口10a、第十一双向光端口10b和第十二双向光端口10c送入第一光纤延迟线4、第五光纤耦合器9的第九双向光端口9b、和第二光纤耦合器5。送入第五光纤耦合器9的光将再次一分为二分别通过其第八双向光端口9a和第五双向光端口9c送入第三光纤耦合器7的第二双向光端口7d和第四光纤耦合器8的第三双向光端口8b中。送入第一光纤延迟线4中的光将通过其另一个端口送入第三光纤耦合器7的第二双向光端口7d中；而送入第二光纤耦合器5中的光也将通过其另一个端口送入第四光纤耦合器8的第三双向光端口8b中。通过第三光纤耦合器7的第一双向光端口7b和第二双向光端口7d送入第三光纤耦合器7中的光将发生干涉，并通过其双向光端口a将携带干涉信号的光送入第一光电检测电路2中。而通过第四光纤耦合器8的第三双向光端口8b和第四双向光端口8d送入第四光纤耦合器8中的光将发生干涉，并通过其双向光端口8a将携带干涉信号的光送入第二光电检测电路3中。

由于光所能检测的振动频率与光纤延迟线的长度相关。本发明采用双光路干涉技术。两个干涉光路采用长度不同的光纤延迟线，从而实现对很宽的频率范围内的振动进行检测。

Claims (2)

1.一种宽域全光纤扰动传感系统高灵敏度扰动检测光路装置，其特在于该装置包括宽带光源、光纤耦合器、干涉仪、传感光纤四个部分；宽带光源(1)的光输出口接第一光纤耦合器(6)的第一双向光端口(6a)，第一光纤耦合器(6)的第二双向光端口(6b)和第三双向光端口(6c)分别接干涉仪(13)的第一输入端(13b)和第二输入端(13e)，第一光电检测电路(2)、第二光电检测电路(3)光输入端分别接干涉仪(13)的第一输出端(13a)和第二输出端(13c)，传感光纤(11)中的一个双向光端口接干涉仪(13)的第二输入端(13d)，而传感光纤(11)另一个双向光端口接第二光纤耦合器(12)中的第三双向光端口(12a)。

2、根据权利要求1所述的宽域全光纤扰动传感系统高灵敏度扰动检测光路装置，其特征在于干涉仪(13)由光纤耦合器、光纤延迟线组成；第三光纤耦合器(7)的第一双向光端口(7b)和第二双向光端口(7d)分别连接第一光纤延迟线(4)的一个双向光端口和第五光纤耦合器(9)的第八双向光端口(9a)；第一光纤延迟线(4)的另一个双向光端口和第五光纤耦合器(9)的第九双向光端口(9b)分别连接1×3光纤耦合器(10)的第十双向光端口(10a)和第十一双向光端口(10b)；第四光纤耦合器(8)的第三双向光端口(8b)和第四双向光端口(8d)分别连接第五光纤耦合器(9)的第五双向光端口(9c)和第二光纤延迟线5的一个双向光端口；第二光纤延迟线(5)的另一个双向光端口与1×3光纤耦合器(10)的第十二双向光端口(10c)相连，第十三双向光端口(10d)为输出端。

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