CN102034327A - 一种多防区定位型光纤振动入侵探测系统 - Google Patents

Abstract

本系统使用一根传输光缆对于一个防区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；本系统包括温度激光器、光模块、光电探头、信号放大器、计算机和多防区传感部分。所述光模块包括2X2光纤耦合器A、2X2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

一种多防区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，具体地说是一种多防区定位型光纤振动入侵探测系统。

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防区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：

首先以两通道为例，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。

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(模拟实验延时光纤长为500m，可根据实际情况调整)，同时要求每个防区的传感光纤长度要比延时光纤要长，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3所示，接收端图形如图4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2X2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2的另一端连接传感光缆。传感光缆所铺设第一防区到2X2光纤耦合器1，耦合器1的另一端一条线连接一个光纤反射镜1，另一条线连接第二防区传感光缆，第二防区传感光缆连接耦合器2，耦合器1的另一端一个出口用光纤连接反射镜1，另一出口连接第二防区传感光缆；接入光纤反射镜2。耦合器1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1进入光模块，在由光模块进入传感光纤当中，光束在耦合器3处被分成两部分，其中一部分由反射镜1反射回来作为第一防区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，得到第一防区的振动信息，另一部分进入第二防区传感光缆由反射镜2反射回来作为第二防区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，得到第二防区的振动信息。其中第二防区的信号要减去第一防区中的信号扰动以消除第一防区中的振动对第二防区的传感信号的影响。

本系统使用一根传输光缆对于一个防区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。同两通道结构基本相同，在一个通道的末端接入一个耦合器将光束分成两部分，一部分由反射镜反射回来作为这个防区的传感信号，另一半进入下个防区继续向后传输，有几个防区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，同时一根传感光缆可以根据实际需要划分多个防区。

附图说明

图1为本发明两个通道系统示意图。

图2为激光发射脉冲波形图。

图3两通道接受信号波形图。

图4为本发明多多防区传感部分结构图。

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防区定位型光纤振动入侵探测系统，其包括温度激光器、光模块、光电探头、信号放大器、计算机和多防区传感部分。

所述光模块包括2X2光纤耦合器A、2X2耦合器B以及连接它们的光纤，其中一根光纤多出长为500m的延时光纤。

脉冲激光器光源位于光学模块的2X2耦合器A之前，耦合器A的另一端两根线都连接2X2耦合器B，其中一根连线当中加入长为500m的延时光纤，耦合器2的另一端连接第一防区传感光缆。第一防区传感光缆所铺设末端连接2X2光纤耦合器1，耦合器1的另一端一个出口用光纤连接反射镜1，另一出口连接第二防区传感光缆；第二防区传感光缆连接耦合器2，耦合器2的另一端一个出口用光纤连接反射镜2，另一出口连接第三防区传感光缆；第三防区传感光缆连接耦合器3，耦合器3的另一端一个出口用光纤连接反射镜3，另一出口连接第四防区传感光缆......直到第n防区传感光缆连接反光镜n结束。

脉冲激光器发出的脉冲信号通过耦合器1进入光模块，在由光模块进入传感光纤当中，光束在耦合器3处被分成两部分，其中一部分由反射镜1反射回来作为第一防区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，得到第一防区的振动信息，另一部分进入第二防区传感光缆由反射镜2反射回来作为第二防区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，得到第二防区的振动信息。其中第二防区的信号要减去第一防区中的信号扰动以消除第一防区中的振动对第二防区的传感信号的影响。

光电探测器连接放大电路，放大电路连接数据采集器，数据采集器再连接计算机。

本系统使用一根传输光缆对于一个防区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。同两通道结构基本相同，在一个通道的末端接入一个耦合器将光束分成两部分，一部分由反射镜反射回来作为这个防区的传感信号，另一半进入下个防区继续向后传输，有几个防区就可以设置几段感应光缆。

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)

1.一种多防区定位型光纤振动入侵探测系统，其特征在于，脉冲激光器连接光学模块，光学模块连接多防区探测单元和光电探测器，光电探测器连接数据采集器，数据采集器连接计算机；

所述光学模块由2X2耦合器A与2X2耦合器B以及连接其光纤和延迟光纤；

所述多防区探测单元由若干个防区探测单元串联最后连接一个反射镜；

所述防区探测单元由设在防区的传感光缆和耦合器、反光镜组成。

2.根据权利要求1所述的多防区定位型光纤振动入侵探测系统，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所述的多防区定位型光纤振动入侵探测系统，其特征在于：

光电探测器还可以连接放大器，放大器连接数据采集器。

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