CN102117525A - 一种光纤入侵检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于波分复用的光纤入侵检测系统，包括光信号的发射部分、光纤传感定位部分和光信号接收与处理部分。两路光信号分别两次通过入侵位置，在光信号接收与处理部分就可以得到一个包含入侵位置的信息，由此确定入侵的具体位置。光纤传感部分采用迈克尔逊干涉仪结构；采用法拉第旋转反射镜(FRM)，消除了由光纤中光信号偏振不稳定所引起的对入侵位置检测的影响；采用3×3耦合器解调入侵引起的相位变化信号；采用波分复用解复用(WDM)技术，通过两路不同波长的光信号完成对入侵位置的定位。

Description

一种光纤入侵检测系统

技术领域

本发明属于安全防范领域，特别是涉及一种光纤入侵检测系统。

背景技术

目前，光纤传感技术在现代安防领域得到了广泛的应用。安防系统中的及时发现和定位入侵行为意义重大。传统的安防系统主要有红外传感技术、视频视频技术、地磁传感技术等，但这些技术都容易受到电磁的干扰、隐蔽性不好，监控距离有限、维护成本较高，而且很多时候还受到电源的限制，同时也增加了安全隐患。分布式光纤传感技术在这方向有着明显的优势，除了光纤传感器通用的“不受电磁干扰、隐蔽性好、灵敏度高等”优点之外，防护现场的传感光缆使用寿命长、无需供电、维护简单，并且安装方便，可广泛应用在各种复杂、危险的环境中。

马赫-泽德干涉型光纤传感系统的传感部分是一种典型的马赫-泽德干涉仪。现有技术中的基本结构1如图1所示，2x2耦合器106和108、光纤(或光缆)107构成马赫-泽德干涉仪。光发射机102发射的光信号被1x2功分器104分成两束光，其中一束光经106、107、108、1x2功分器105后被光电转换接收器103接收，另一束光经105、108、107、106后被光电转换接收器101接收，通过处理101、103接收到的信号，可获得外场变化信息，定位应力、应变或振动发生的位置。

由光发射机102发射的光信号分为沿两个相反方向传输的光，如果传感光纤(或光缆)107的某部分受到外力作用产生形变或振动，那么在107中传输的光信号的相位会发生变化。通过检测两个方向的光信号波形变化的时间差，即可计算出应力、应变或振动发生的位置。

图1中所示现有技术中，光电转换接收机101、103采用单一的光电转换检测器。这种结构存在光电转换检测器输出的直流信号较高、输出的交流信号受偏振的影响、系统检测扰动位置时准确度较差、在长距离应用中灵敏度比较低等缺点。

现有技术中的基本结构2如图2所示，包括光信号的收发部分201、耦合模块1202、引导光纤(或光缆)203、耦合模块2204和传感光纤(或光缆)205，205形成一环形，与其它部分形成一封闭区域。光信号的收发部分201包括光发生器209、放大器206、210以及光电转换器207、208、211、212。其中206、207、208构成一个平衡检测光电转换接收器，210、211、212构成另一个平衡检测光电转换接收器。

图2中所示现有技术采用探测器对组成平衡探测器，克服了图1所示技术中光电转换检测器输出的直流信号较高、输出的交流信号受偏振的影响、系统检测扰动位置时准确度较差的缺点。

图1和图2所示的现有技术采用单一的光信号波长，接收模块接收的光信号中混杂了背向瑞利散射光信号噪声和布里渊散射光信号噪声，这些噪声在长距离监控系统中光发射模块需要发射大功率光信号时严重干扰了有用信号，限制了传感系统的监控范围和接收灵敏度。

发明内容

鉴于现有光纤入侵检测系统存在的缺陷，本发明提供一种基于波分复用技术和迈克尔逊干涉仪结构的光纤入侵检测系统。系统构成包括光信号的发射部分、光纤传感定位部分和光信号接收与处理部分。

本发明中，WDM1314和WDM2315工作在波长2，WDM3 316和WDM4 317工作在波长1。如图3所示，波长1的光信号从激光器1 301产生以后通过3×3光耦合器302的2端口进入到迈克尔逊的传感臂321和参考臂322中，在传感臂321和参考臂322中分别经过WDM1 314和WDM2 315后在末端通过WDM3316和WDM4 317分离到法拉第旋转反射镜(3.3、304、307、308)，然后原路返回，再次通过3×3光耦合器302，从1和3端口输出。入侵行为导致通过此处的光信号的相位会产生不规则变化，从端口输出的光信号不再是稳定的干涉。1端口输出信号可以表示为：I₁cos{φ[t-(T₁+τ)]+φ[t-(T₁+2T₂-τ)]+φ₁}，其中T1、T2、T3是已知参量，τ为包含入侵位置信息的参数。从3端口输出的光信号仅比1端口的引入一个常数相移(这是由3×3光耦合器工作机理引入的)。在另一个方向，波长2的光信号从激光器306产生后，采用相似的光路，从系统的另一端输入，同样两次通过入侵位置，在3×3光耦合器305的1′端口和3′输出传感臂321中和参考臂322中的光信号干涉后的结果，1′端口输出的光信号可以表示为：I₂cos{φ[t-(T2+T3-τ)]+φ[t-(T₁+T₂+τ)]+φ₂}。同样，在3′输出的光信号有着和1′端口输出光信号一样的入侵位置信息，仅多了一位由3×3光耦合器引入的常数相移。3×3光耦合器的4路输出光信号通过光电转换器转换(309、310、312、313)为电信号后传送到信号处理器311中进行处理运算：首先，将4个端口(1端口、3端口、1′端口、3′端口)输出的信号振幅进行归一化；其次，1端口和3端口的信号引入时延T₂+T₁-T₃后，和1′端口、3′端口输出的信号进行三角函数运算后输出一路信号甲：cos{φ[t-(T₁+τ)]-φ[t-(T₁+2T₂+τ)]}+cos(φ₁-φ₂)；再次，1′端口和3′端口的信号引入时延T₂+T₃-T₁后，和1端口、3端口输出的信号进行三角函数运算后输出另一路信号乙：cos{φ[t-(T₂+T₃-τ)]-φ[t-(3T₂+T₃-τ)]}+cos(φ₁-φ₂)；最后，信号甲和信号乙存着τ₀＝T₂+T₃-T₁-2τ的时延，T1、T2、T3都为已知量，通过信号甲和信号乙两路的信号的相关性运算，获得τ的具体值，由此获得入侵行为的具体位置信息。

附图说明

图1为现有技术中光纤传感系统结构1；

图2为现有技术中光纤传感系统结构2；

图3为本发明光纤传感系统总体结构示意图；

图4为本发明实施例的光纤传感系统传感部分的光路图；

图5为本发明实施例3×3耦合器1端口和1′端口输出的信号；

图6为本发明实施例信号处理器输出的两路信号；

具体实施方式

本发明提供一种光纤传感系统结构。以下结合附图对本发明进行详细说明。

实施例一

本发明提供一种基于迈克尔逊干涉仪结构光纤入侵检测系统。如图3所示，系统构成包括光信号的发射部分318、光纤传感定位部分319和光信号接收与处理部分320。

本实施例中，所述光信号发射部分318，采用的均为分布式反馈半导体激光器。其中激光器310是工作在1310nm波段，另一台激光器306工作在1550nm波段。

所述光纤传感定位部分319采用迈克尔逊干涉仪结构。传感光纤(或光缆)321与3×3光耦合器(302、305)、反射镜(303、304、307、308)一起构成马赫-泽德(Mach-Zehnder)干涉仪，传感臂321与干涉臂322的两端都各自连接了一个1310波分复用解复用器(315、317)和一个1550nm波分复用解复用器(314、316)。

所述光信号接收与处理部分320采用4个光电转换器(309、310、312、313)和一台信号处理器311。

所述3×3耦合器(302、305)采用熔锥型或其他工艺制作，每个输出臂的光相位不同并且已知。

本实施例中，传感光纤(或光缆)321总的长度为4千米，信号处理器311的信息采集频率为1兆赫兹。我们在远离3×3光耦合器302约60m处踩踏传感光纤(或光缆)321，在3×3光耦合器302的1端口和在3×3光耦合器305的1′端口得到如图5的信号输出，在信号处理器311得出了如图6的信号输出。通过信号甲和信号乙两路的信号的相关性运算，我们得到在光纤的第一个采样点(离3×3光耦合器302约100m)±50m范围内发生了入侵行为。

上述实施例仅用于说明本发明，而非用于限定本发明。

Claims (7)

1.一种光纤入侵检测系统，包括光信号的发射部分、光纤传感定位部分和光信号接收与处理部分。光纤传感部分采用迈克尔逊干涉仪结构；采用法拉第旋转反射镜，消除了由光纤中光信号偏振不稳定所引起的对入侵位置检测的影响；采用3×3耦合器解调入侵引起的相位变化信号；采用波分复用解复用技术，通过两路不同波长的光信号完成对入侵位置的定位。

2.根据权利要求1所述的光纤入侵检测系统，其特征在于：传感部分采用迈克尔逊干涉仪结构。

3.根据权利要求1所述的光纤入侵检测系统，其特征在于：环境引起的光信号偏振态随机变化可消除。

4.根据权利要求1所述的光纤入侵检测系统，其特征在于：采用3×3耦合器解调入侵引起的相位变化信号。

5.根据权利要求1所述的光纤入侵检测系统，其特征在于：采用两路工作在不同波长的光信号完成对入侵位置的定位。

6.根据权利要求3所述的光纤入侵检测系统，其特征在于：采用法拉第旋转反射镜(FRM)来消除偏振起伏效应。

7.根据权利要求5所述的光纤入侵检测系统，其特征在于：采用波分复用解复用技术。

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