CN101894438A - 一种能测压力的定位型光纤振动入侵探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种能测压力的定位型光纤振动入侵探测系统，其包括脉冲激光器1，激光器连接耦合器2，耦合器2一输出端连接光电探测器3，光电探测器3把光信号转变成电信号经放大器4放大后传给数据采集器5，数据采集器5将处理传给计算机6，最终在计算机上显示探测。本发明的有益效果在于：相对于传统的压力检测设备而言，此产品的灵敏度高，可以进行多点测量，也可以根据需要将固定部分绕成环状对于固定地点进行定点检测。

Description

一种能测压力的定位型光纤振动入侵探测系统

技术领域

本发明属于一种光纤振动入侵探测系统，具体地说是一种能测压力的定位性光纤振动入侵探测系统。

背景技术

光纤振动传感技术应用范围十分广泛，在国防领域，该光纤传感器可布设于环境恶劣的边境，对边境安全进行无人值守的实时监控，利用虚拟仪器等高科技技术，可对人类、动物以及车辆等活动进行有效分辨。在公共安全领域，光纤传感器可铺设在机场、体育场以及其它重要活动场所周围，对人员入侵等突发情况进行有效监测。在能源领域，石油管道的安全至关重要，盗油事件时常发生，分布式光纤传感器能够对人为破坏进行预警，有效保证了能源安全；

本发明使用脉冲激光器作为1550nm脉冲激光光源，由感应光纤，光模块，光电探头，信号放大器，数据采集器和计算机组成。其工作原理为：激光器连续不断地发射激光脉冲经光模块进入传感光缆当中，激光脉冲经由反射镜反射回光模块后传输给光电探头转化为电信号，在进过信号放大器，数据采集器进入计算机进行信号处理后输出报警信号。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种能测压力的定位性光纤振动入侵探测系统。另外，本发明应用光纤曲率半径的变化来实现对压力强度信息的监控，同时使用OTDR技术来对时间发生的地点进行定位。

光纤的衰减随弯曲半径的变化可以描述为下式：

$2{\mathrm{\α}}_c=\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}{U}^2}{e_{\mathrm{\γ}}{W}^{3/2}\sqrt{\mathrm{aR}}{V}^2{K}_{\mathrm{\γ}-1}\left(W\right)K_{\mathrm{\γ}+1}\left(W\right)}\·\exp (-\frac{2W^3}{3a^2{\mathrm{\β}}^2}\frac{R}{a})---\left(1\right)$

式中，

其中n₁为纤芯的折射率，n₂为包层的折射率，

为自由空间的波数，R为光纤的弯曲半径，n为纤芯半径，β是传播常数，γ为模式的阶数，对于基模e_γ＝２，对于高阶模e_γ＝１。在光纤中，由于高阶模的损耗远大于低阶模的损耗，因此我们主要考虑LP₀₁和LP₁₁的弯曲损耗。由上式分析弯曲损耗随弯曲半径的变化关系图如附图2所示。

由附图2可见，光纤的弯曲损耗随着弯曲半径的增大而减小，在弯曲半径近似为100mm时，弯曲损耗很小，近似为0，在实际设计时，尽量满足弯曲半径为30mm的条件来减小不必要的弯曲损耗，由图还可以看出，当弯曲半径在小于30mm之后光纤的弯曲损耗会随着半径的变化而有很明显的变化，检测部分光纤因外界压力改变而使得弯曲半径变化，从而改变了光纤的中传输光强信号，通过检测这些光强信号的变化来对压力进行检测。

发明使用OTDR技术来进行定位。OTDR是利用光线在光纤中传输时的瑞利散射和菲涅尔反射所产生的背向散射的一种技术。激光器发出的光经过脉冲发生器调制后，产生所需宽度的光脉冲(通常为10ns-400ns)，经耦合器后入射到待测光纤，光纤中的后向散射光和菲涅耳反射光经耦合器后进入光电探测器，光电探测器把接收到的光信号转换成电信号，进入电脑或示波器进行数据处理。

(2)式和(3)式就是在OTDR中计算光纤中衰减沿长度分布的基本理论公式。采用OTDR技术，一根光纤中的连接点、耦合点以及断点的位置很容易被测量到，而且如果光纤有一段弯曲过大或者被过重外部物体压制等情况也可以被测量到。

脉冲激光器输出的脉冲光波，传输至事件点D，经瑞利散射后，背向散射光在激光器脉冲输出t后被探测器接收，令事件点D至探测器的距离为Z，则：

$Z=\frac{1}{2}\·v\·t=\frac{1}{2}\·\frac{C}{n}\·t---\left(2\right)$

其中v为光在光纤中传输速度，n为光纤有效折射率，C为真空中的光速。

设光脉冲持续时间为Δt，则在t时刻，检测到的后向散射光为[z，z+(υΔt)/2]这段光纤后向散射的总能量。所以，OTDR的空间分辨率为：

$\mathrm{\ΔZ}=\frac{\mathrm{\υ}\·\mathrm{\Δt}}{2}---\left(3\right)$

这样，不同时间测量的反射光强度就对应着整个传感光纤不同位置的散射。因此，可以通过测量后向散射的时间函数来获取不同距离的后向散射信息。

在不同折射率两传输介质的边界，如连接器、机械接续、断裂或光纤终结处，会发生菲涅耳反射。此现象被OTDR用于准确确定沿光纤长度上不连续点的位置。反射的大小依赖于边界表面的平整度及折射率差，利用折射率匹配液可减小菲涅耳反射。

一种能测压力的定位型光纤振动入侵探测系统，主要包括脉冲激光器，激光器你姐耦合器，耦合器一输出端连接光电探测器，光电探测器把光信号转变成电信号经放大器放大后传给数据采集器，数据采集器将处理传给计算机，最终在计算机上显示探测。

作为本发明的一种优选方案，所述耦合器的另一端口连接感应模块；

作为本发明的一种优选方案，所述感应模块被绕成环螺旋状，且螺旋的环的半径递减(或递增)；

其主要功能实施是脉冲激光器发出脉冲信号进入光耦合器当中，由耦合器进入传感光纤当中，传感光纤当中特定的感应部位被绕成的环直径略小于光纤翘曲度，光信号在传感光纤当中发生散射，而散射信号经过传感光纤当中的这些环时会有一些损耗，当外界施对这些环施加压力使得环弯曲时，环的损耗进一步增加，而不同地域反射回的光信号到达光电探测器的时间不同以此来确定是哪个部位照成的损耗，信号由光电探测器进行转换后由光信号变为电信号，在依次经过光电放大器，数据采集器输入计算机进行运算，最后显示的不但是定位的图形，若有入侵发生还能把该部分压力值显示出来。

本发明的有益效果在于：相对于传统的压力检测设备而言，此产品的灵敏度高，可以进行多点测量，在安装过程当中即可以将光缆依需要绕成环状对于对全范围进行压力检测，也可以根据需要将固定部分绕成环状对于固定地点进行定点检测。

附图说明

图1为本发明系统的组成示意图。

图2为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

请参阅图1，本发明揭示了一种定位型光纤振动入侵探测系统，其包括脉冲激光器1、耦合器2、光电探测器3、放大器4、数据采集器5、计算机6与感应模块7。

所述感应模块7包括若干个感应单元。

如图1所示的一种光纤测压传感系统，主要包括分布式光纤传感装置感应部分。系统中光纤激光器接入光耦合器当中，光耦合器另一端连接传感光纤，传感光纤中的感应部位被绕成螺旋状，且换的半径递减或递增；耦合器与激光器同一端连接光探测器，探测器连接光电放大电路，光电放大电路连接数据采集器，数据采集器再连接计算机

其主要功能实施是脉冲激光器发出脉冲信号进入光耦合器当中，由耦合器进入传感光纤当中，传感光纤当中特定的感应部位被绕成的环直径略小于光纤翘曲度，光信号在传感光纤当中发生散射，而散射信号经过传感光纤当中的这些环时会有一些损耗，当外界施对这些环施加压力使得环弯曲时，环的损耗进一步增加，而不同地域反射回的光信号到达光电探测器的时间不同以此来确定是哪个部位照成的损耗，信号由光电探测器进行转换后由光信号变为电信号，在依次经过光电放大器，数据采集器输入计算机进行运算，的到不同部位的压力值显示。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其他变形和改变。

Claims (3)

1.一种能测压力的定位型光纤振动入侵探测系统，其包括脉冲激光器1，激光器连接耦合器2，耦合器2一输出端连接光电探测器3，光电探测器3把光信号转变成电信号经放大器4放大后传给数据采集器5，数据采集器5将处理传给计算机6，最终在计算机上显示探测；

所述耦合器2的另一端连接感应模块，感应模块由若干个感应单元组成，每个感应单元按需要铺设在检测现场。

2.根据权利要求1所述的一种能测压力的定位型光纤振动入侵探测系统，其特征在于：其采用OTDR技术测量感应单元感应单元的弯曲损耗。

3.根据权利要求1所述的一种能测压力的定位型光纤振动入侵探测系统，其特征在于：所述感应单元，最好为螺旋型且每个环的半径依次递增或递减。

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