CN101937602A - 多场地光纤振动入侵监测装置 - Google Patents

Abstract

本系统使用套设备对于多个场地进行振动入侵探测具有很高的灵敏度，相对于传统的光纤振动入侵探测系统而言其可以进行空间定位，而且可以同时监测到多个入侵信号；本系统包括温度激光器、光模块、光电探头、信号放大器、计算机和多场地传感部分。所述光模块包括2X2光纤耦合器A、2XN耦合器B以及连接它们的光纤组成；光模块包括放大电路连接数据采集器，数据采集器再连接计算机。

Description

多场地光纤振动入侵监测装置

技术领域

本发明属于一种光纤振动入侵探测系统，具体地说是一种多场地光纤振动入侵监测装置。 

背景技术

光纤振动传感技术的应用十分广泛。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； 

本产品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：提供一种对于振动的探测也更为准确，施工更为简易、灵活，功能实现更为多样，同时一根传感光缆可以根据实际需要划分 多个场地的光纤振动传感系统。 

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案： 

首先以双通道为例，光从光源出发经干涉光路到反射器，再经干涉光路到达光电探测器，可进行干涉的信号共有4条光路。 

(1)1-2-5-6-7-6-5-4-3 

(2)3-4-5-6-7-6-5-2-1 

(3)1-2-5-6-8-6-5-4-3 

(4)3-4-5-6-8-6-5-2-1 

其中(1)和(2)相干，(3)和(4)相干，以传输光路为(1)1-2-5-6-7-6-5-4-3和(2)3-4-5-6-7-6-5-2-1的两束干涉光为例进行信号分析。 

以f₁，f₂分别表示两路在不同时刻被声波调制后的光波频率，f₁可表示为， 

f₁＝f₀+F(t)                                            (1) 

式中的F(t)表示声波在时刻t时的频率，f₀为载波(光波)频率。另一相干光的频率f₂可表示为： 

f₂＝f₀+F(t-τ) 

上式中，F(t-τ)表示声波在时刻t-τ时的频率。 

利用式(1)(2)，差频信号f可表示为： 

f＝f₁-f₂＝F(t)-F(t-τ)                                (2) 

根据光波的多普勒频移原理，光波的频移F(t)与其引起相位变化的外界扰动源速度V(t)成正比，即有： 

$F\left(t\right)=\frac{1}{\mathrm{\λ}}V\left(t\right)---\left(3\right)$

混频后信号的相位差φ(t)在时间上表现为频率的积分： 

$\mathrm{\φ}\left(t\right)=2\mathrm{\π}{\∫}_0^t\mathrm{fdt}=2\mathrm{\π}{\∫}_0^t[F\left(t\right)-F(t-\mathrm{\τ})]\mathrm{dt}=2\mathrm{\π}{\∫}_0^t\frac{1}{\mathrm{\λ}}[V\left(t\right)-V(t-\mathrm{\τ})]\mathrm{dt}---\left(4\right)$

利用数学变换关系，上式可表示为： 

$\mathrm{\φ}\left(t\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\∫}_{-\mathrm{\τ}}^{t}V\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{2\mathrm{\π\τ}}{\mathrm{\λ}}V(t-\frac{\mathrm{\τ}}{2})---\left(5\right)$

假设探测器所接收的一束光的幅度为E(t)，两束光初始相位差为φ₀，因混频产生的相位差为φ，则另一束光的幅度为： 

$E^{\′}\left(t\right)=E\left(t\right)e^{-j(\mathrm{\φ}+{\mathrm{\φ}}_0)}---\left(6\right)$

于是探测器的信号强度为： 

$P\left(t\right)={|E\left(t\right)+E^{\′}\left(t\right)|}^2={\left|E\left(t\right)\right|}^2{|1+e^{-j(\mathrm{\φ}+{\mathrm{\φ}}_0)}|}^2={\left|E\left(t\right)\right|}^2[2+2\cos (\mathrm{\φ}+{\mathrm{\φ}}_0)]---\left(7\right)$

换成用V(t)表示，并泰勒展开得： 

$P\left(t\right)={\left|E\left(t\right)\right|}^2\{2+2\cos [\frac{2\mathrm{\π\τ}}{\mathrm{\λ}}V(t-\frac{\mathrm{\τ}}{2})+{\mathrm{\φ}}_0\left]\right\}$

$={\left|E\left(t\right)\right|}^2[2+2\cos {\mathrm{\φ}}_0-2\sin {\mathrm{\φ}}_0\·\frac{2\mathrm{\π\τ}}{\mathrm{\λ}}V(t-\frac{\mathrm{\τ}}{2})]$

$=2{\left|E\left(t\right)\right|}^2[1+{\cos \mathrm{\φ}}_0-\frac{2\mathrm{\π\τ}{\sin \mathrm{\φ}}_0}{\mathrm{\λ}}V(t-\frac{\mathrm{\τ}}{2})]---\left(8\right)$

经过调节E(t)，使之恒定，这样实质上就完成了P-V的转换，即通过此装置将V(t)还原。(3)和(4)的原理与之相同。 

作为本发明的一种优选方案，耦合器A与耦合器B之间的延时光纤大于脉冲激光的相干长度。 

作为本发明的一种优选方案，脉冲激光器光源位于2X2耦合器A之前，耦合器A的另一端两根光纤与2XN耦合器B连接，其中一根连线当中加入长为k米的延时光纤，耦合器B的另一端可连接N条传感光缆。传感光缆所铺设第一场地到2X2光纤耦合器A，2XN耦合器B的连接多条光纤和反射镜，耦合器A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。 

作为本发明的一种优选方案，后一场地的传感光纤长度要比前一场地的传感光纤长k米，且两者相差长度要大于脉冲光的相干长度。 

以两个场地为例，脉冲激光器发出的脉冲信号通过耦合器A进入光模块，在由光模块进入传感光纤当中，光束在耦合器B处被分成两部分，其中一部分由反射镜1反射回来作为第一场地的传感信号传输回光模块，再由光模块进入光电转换器变成电信号，在依次经过光电放大器，数据采集器输入计算机进行运算，得到第一场地的振动信息，另一部分进入第二场地传感光缆由反射镜2反射回来作为第二场地的传感信号传输回光模块，再由光模块进入光电转换器变成电信号，在依次经过光电放大器，数据采集器输入计算机进行运算，得到第二场地的振动信息。 

作为本发明的一种优选方案，光束在耦合器B处被分成N部分，可以对N个场地进行空间定位，同时探测到多个入侵信号，其多通道的结构图如图3所示。同双通道结构基本相同，在2xN耦合器处将光信号分成N个信号，不同场地的信号会在不同的时刻回传到干涉仪处，其先后顺序由延时线的长度决定，其中每两端延时光纤之间的长度差要大于k米。可以根据需要设置场地数量，有几个场地就可以设置几段感应光缆。 

作为本发明的一种优选方案，k米为2米到2千米，最好为300米到500米。 

本发明与现有技术的不同之处在于：其作为一个干涉式的分布式振动传感传感器，其省去了传感光纤的设计，使得功能的实现更为灵活，对于振动的探测也更为准确，也使得施工更为简易，同时一套设备可以根可以根据实际需要划分多个场地。 

附图说明

图1为本发明两个通道系统示意图。 

图2双通道信号波形图。 

图3多通道系统传感部分结构图。 

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和图4，本发明揭示了一种多场地光纤振动入侵监测装置，其包括温度激光器、光模块、光电探头、信号放大器、计算机和多场地传感部分。 

为了保证系统中个光束的相干性应有耦合器A与耦合器B之间的延时光纤要大于脉冲激光的相干长度，同时要求后一场地的传感光纤长度要比前一场地的传感光纤长，且两者相差长度要大于脉冲光的相干长度。在满足上述条件的情况之下进行模拟试验，输出端信号图如图2(a)所示，接收端图形如图2(b)所示。 

脉冲激光器光源位于2X2耦合器A之前，耦合器A的另一端两根光纤与2XN耦合器B连接，其中一根连线当中加入长为500m的延时光纤，耦合器B的另一端可连接N条传感光缆。传感光缆所铺设第一场地到2X2光纤耦合器A，2XN耦合器B的连接多条光纤和反射镜，耦合器A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。 

脉冲激光器发出的脉冲信号通过耦合器A进入光模块，在由光模块进入传感光纤当中，光束在耦合器B处被分成两部分，其中一部分由反射镜1反射回来作为第一场地的传感信号传输回光模块，再由光模块进入光电转换器变成电信号，在依次经过光电放大器，数据采集器输入计算机进行运算，得到第一场地的振动信息，另一部分进入第二场地传感光缆由反射镜2反射回来作为第二场地的传感信号传输回光模块，再由光模块进入光电转换器变成电信号，在依次经过光电放 大器，数据采集器输入计算机进行运算，得到第二场地的振动信息。 

本系统使用一根传输光缆对于一个场地进行振动入侵探测具有很高的灵敏度，相对于传统的光纤振动入侵探测系统而言其可以进行空间定位，而且可以同时探测到多个入侵信号，其多通道的结构图如图3所示。同双通道结构基本相同，在1xN耦合器处将光信号分成N个信号，不同场地的信号会在不同的时刻回传到干涉仪处，其先后顺序由延时线的长度决定，其中没两端延时光纤之间的长度差要大于500m。可以根据需要设置场地数量，有几个场地就可以设置几段感应光缆。 

本发明与现有技术的不同之处在于：其作为一个干涉式的分布式振动传感传感器，其省去了传感光纤的设计，使得功能的实现更为灵活，对于振动的探测也更为准确，也使得施工更为简易，同时一套设备可以根可以根据实际需要划分多个场地。 

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 (4)

1.一种多场地光纤振动入侵监测装置，其特征在于，脉冲激光器连接光学模块，光学模块连接多场地探测单元和光电探测器，光电探测器连接放大器，放大器连接数据采集器，数据采集器连接计算机；

所述光学模块由2X2耦合器A与2XN耦合器B以及连接其光纤和延迟光纤；

所述多场地探测单元由若干个场地探测单元并联后每个连接一个反射镜；

所述场地探测单元由设在场地的传感光缆和耦合器、反光镜组成。

2.根据权利要求1所述的多场地光纤振动入侵监测装置，其特征在于：

耦合器A与耦合器B之间的延时光纤大于脉冲激光的相干长度。

3.根据权利要求1所述的多场地光纤振动入侵监测装置，其特征在于：

光束在2xN耦合器处将光信号分成N个信号，不同场地的信号会在不同的时刻回传到干涉仪处，其先后顺序由延时线的长度决定，其中每两端延时光纤之间的长度差要大于k米。

4.根据权利要求4所述的多场地光纤振动入侵监测装置，其特征在于：

k米为2米到2千米，最好为300米到500米。

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