CN102157044A - 全光纤定位警戒系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于入侵定位报警的全光纤系统和用于入侵震动信号探测的全光纤系统；它的几种方案，大概包括激光光源、光纤、光纤耦合器、光电探测器、偏振控制器和数据采集与识别处理电路等；本发明有效地解决了光纤中随机产生的双折射现象造成的干涉信号强度不够和不稳定的问题。

Description

全光纤定位警戒系统
技术领域
本发明涉及光纤震动传感技术，具体是指周界入侵信号侦测与报警装置的光纤震动传感技术。
背景技术
本发明主要基于Sagnac光学干涉原理。Sagnac光纤干涉系统是在同一光纤，即Sagnac环中两束沿正反方向传播的来自同一激光源的光形成干涉。当Sagnac环受到外界扰动时，沿正反方向传播的光程将受到影响。尽管两路光受到的影响是一样的，这种影响到达探测器的时间却不一样。探测器上测到的干涉光强将受到影响，从而引起相应的变化响应。
以传统的Sagnac光学干涉环为例，如图1所示，激光器1发出的光经2x2耦合器2分顺时针和逆时针两个方向进入Sagnac 环，经过震动信号感应光纤4及2x2耦合器再汇合到探测器形成稳定的干涉信号。任何扰动施加到Sagnac 环上，都会引起传播光的相位的变化                                               
Figure 2011100864804100002DEST_PATH_IMAGE002
，而这个变化到达探测器的时间差由扰动发生在Sagnac 环上的位置和Sagnac 环的长度决定。时间差越大，探测器探测到的干涉电流变化越大
Figure 2011100864804100002DEST_PATH_IMAGE004
             (1)
上式中,
Figure 2011100864804100002DEST_PATH_IMAGE008
. 
Figure 2011100864804100002DEST_PATH_IMAGE010
为Sagnac环中扰动点顺时针方向到2x2耦合器的距离，
Figure 2011100864804100002DEST_PATH_IMAGE012
为Sagnac环中扰动点逆时针方向到2x2耦合器的距离，
Figure 2011100864804100002DEST_PATH_IMAGE014
 为光在光纤中传播的速度，
Figure 2011100864804100002DEST_PATH_IMAGE016
 为无干涉时探测器从耦合器的一个输出端接受到的光强，
Figure 2011100864804100002DEST_PATH_IMAGE018
 是初始相位差，2x2耦合器将带来π 的相差，但是光纤中的双折射效应也会影响到
Figure 905956DEST_PATH_IMAGE018
。
当
Figure 2011100864804100002DEST_PATH_IMAGE020
较小时，干涉光强的变化为
          (2)
由于 2x2 耦合器的特性，在不考虑光纤中的双折射效应时,上式右边的第一项消失，因此Sagnac光纤干涉系统对微小扰动的响应是扰动的平方，而不是线性响应，较难观测到干涉信号的变化。
Sagnac环通常用单模通讯光纤4作传感光纤，光纤中的双折射效应是不可避免的。Sagnac干涉环的特性使得其干涉信号的强弱也受组成Sagnac环的光纤中的双折射效应影响，会使Sagnac环中的两路相反方向的光经历不同的光程，尽管它们重新汇合后仍然有相同的偏振态。光纤中的双折射效应受安装时光纤被扭曲曲率、温度变化、施加于光纤上的压力等因素的影响。所以既使相同的扰动施加于同样的两个系统，观察到的信号强弱也不会相同。同一个系统在不同的时间，如在白天和在晚上，因为温差即使相同的扰动也会呈献不同强弱的信号。有时甚至观察不到扰动信号。这将使得系统不能稳定可靠地工作。
上述问题，是所有应用Sagnac干涉原理的光纤系统都不可避免的问题；这些因素会造成光纤干涉信号不稳定、信噪比变差、系统的漏报率及误报率恶化等一系列问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，而提供一种全光纤定位警戒系统和全光纤入侵震动信号探测系统，它具有光纤干涉信号稳定、信噪比
变佳、系统的漏报率及误报率得到明显改善的优点。
本发明的目的可以采用以下技术措施解决：
方案一：一种用于入侵定位警戒的全光纤系统，其特征是，它包括半导体
激光光源、光电探测器、1x2耦合器、2x2耦合器、偏振控制器、光纤和数据采集与识别处理电路；所述2x2耦合器分束比为1：1，光纤为通迅单模光纤；所述半导体激光光源出来后经1x2耦合器分成两束，一束进入2x2耦合器，由2x2耦合器出来的光路先后进入偏振控制器、光纤、1x2耦合器、光纤、1x2耦合器，再回到2x2耦合器形成一个Sagnac环；另一束进入2x2耦合器，由2x2耦合器出来的光路先后进入偏振控制器、光纤、1x2耦合器、光纤、1x2耦合器,再回到2x2耦合器形成另一个Sagnac环，这两个Sagnac环共享传感光纤，探测器分别测量这两个Sagnac干涉系统的干涉信号。
方案二：一种用于入侵定位警戒的全光纤系统，其特征是，它包括半导体激光光源、光电探测器，3x3耦合器、1x2耦合器、光纤、衰减器和数据采集与识别处理电路，衰减器设置在3x3耦合器的其中一输出端；所述半导体激光光源出来后经3x3耦合器，沿顺时针方向经1x2耦合器至1x2耦合器，再经光纤回到3x3耦合器，形成一个Sagnac环；激光光源可沿相反方向传播，光源出来后经3x3耦合器，沿逆时针方向经光纤至1x2耦合器，再经1x2耦合器回到3x3耦合器，产生干涉信号；同时，半导体激光光源可从3x3耦合器出来，经1x2耦合器，光纤到1x2耦合器，另一束光也可从3x3耦合器出来经光纤，1x2耦合器到1x2耦合器，这两束光行成MZI干涉并由探测器观察到。
方案三：一种用于入侵震动信号探测的全光纤系统，其特征是，它包括半导体激光光源、2x2 耦合器、偏振控制器、光纤、光电探测器和数据采集与识别处理电路，光纤的两端分别连接2x2 光纤耦合器和偏振控制器，所述2x2耦合器分束比为1：1，光纤为通迅单模光纤；激光光源出来后经2x2耦合器，由2x2耦合器出来的光进入偏振控制器、光纤再回到2x2耦合器，构成一个
Sagnac环。
方案四：一种用于入侵震动信号探测的全光纤系统，其特征是，它包括半导体激光光源、3x3耦合器、光纤、光电探测器和数据采集与识别处理电路，光纤的两端分别与3x3耦合器的两个同向端口相连接，所述分束比为1：1：1，光纤为通迅单模光纤，激光光源出来后经3x3耦合器，由3x3耦合器出来的光经光纤再回到2x2耦合器，构成一个Sagnac环。
本发明的有益效果是：
（1）本发明在组成Sagnac干涉环的光纤上接入偏振控制器，见方案一的偏振控制器，以及方案三中的偏振控制器，这几个偏振控制器将给针对快光轴或慢光轴有不同入射角的光带来光程差；针对快光轴或慢光轴有不同入射角的光在2x2耦合器汇合时还是会有相同的偏振态，但它们被偏振控制器引入了额外的相差，类似地Sagnac干涉环的光纤中的双折射效应也会带来相差；因此，公式（1）中的
Figure 947731DEST_PATH_IMAGE018
将会受光纤安装时光纤的扭曲曲率、温度变化、施加于光纤上的压力等因素的影响。当
Figure 727468DEST_PATH_IMAGE018
=0或π 时扰动引起的相干光强的变化最小，而当
Figure 122677DEST_PATH_IMAGE018
=π/2 或3π/2 时扰动引起的相干光强的变化最大。虽然我们无法控制光纤中的双折射效应带来的相差，但是我们可以控制偏振控制器引起的相差。在Sagnac干涉环的光纤上装上一个偏振控制器，同时不断调整偏振控制器进行补偿，保持整个光纤系统的始终处于能观察到最大的扰动信号的状态。
（2）为了解决光纤中的双折射现象带来的信号不稳的问题，本发明提供的
另一个方法是使用3x3耦合器，见方案四所示，代替前述的2x2耦合器，而光电探测器将接受3x3耦合器的两个输出脚的光信号；系统采用的3x3耦合器同一边的三个输出脚之间的输出光存在2π/3的相差，当其中一个的输出光由公
式(1)描述，另一个输出则为
         （3）
当较小时，干涉光强的变化为
 （4）
不管
Figure 884146DEST_PATH_IMAGE018
是什么值，公式（2）和（4）的线性项，即右边第一项不可能同时为零，从而保证了扰动引起的干涉信号变化不会因光纤中的双折射效应变得不稳定甚至无法探测。
（3）对于大范围的入侵监测目标，精确测定入侵位置的能力特别重要；本发明公开一种由两个共享传感光纤的Sagnac系统提供定位报警戒功能的设计，如方案一所示；不同于其他使用MZI系统的定位报警系统对激光光源的相干长度要求必较高，本发明使用的Sagnac系统，既使相干长度很短的光源也可以使用，同时Sagnac系统的抗环境噪音干扰的能力也比MZI要强。本发明也公开另一种可定位报警的设计，它使用一个Sagnac干涉系统嵌套于一个MZI干涉系统，见方案二。
(4)方案一中，两个Sagnac环共享传感光纤，探测器分别测量这两个Sagnac干涉系统的干涉信号；两个偏振控制器分别在两个Sagnac环中，如前所述，用来补偿光纤中的双折射效应。
（5）本发明公布两种新型的光纤干涉定位的技术方案；见方案一所示，其中三段光纤有相同的长度L，我们使用部分光纤为参考光纤，另一部分作为传感光纤；
假设t=0时施加于传感光纤上的扰动发生于（方案一）所示从上往下距离x处；探测器将在扰动发生后t1=(L-x)/c 观测到相干信号的变化，而另一探测器将在t2=x/c观测到相干信号的变化,其中c是光在光纤中传播的速度；计算出(t1-t2)
后，扰动发生的位置可由 x =[L-c(t1-t2)]/2 求出。
另一方案二：光纤干涉定位的技术方案；当在图3中的光纤上有扰动时，探测器分别观察到Sagnac信号A1和A2，它们的差值
Figure 2011100864804100002DEST_PATH_IMAGE030
是和外来干扰引起的相位变化成线性关系，K是一常数可由实验测出。同时
Figure 2011100864804100002DEST_PATH_IMAGE032
探测器可测出同样发生在光纤上的扰动引起的MZI干涉信号。分析MZI信号我们可以找到发生2
Figure 2011100864804100002DEST_PATH_IMAGE034
 相差所需的时间，从而知道
Figure 2011100864804100002DEST_PATH_IMAGE036
，而
Figure 275813DEST_PATH_IMAGE020
已知，因此我们可求出x值。
（6）本发明公布的方案三，是光纤干涉技术可以应用到某些不需要精确定位入侵位置，而只需知道入侵事件有没有发生的领域；这通过方案三所示的Sagnac全光纤干涉系统来实现；有效地解决了光纤中的双折射效应引起的干涉信号不稳定带来的各种难题，能可靠灵敏地探测分辨入侵信号，应用市场较广。当入侵发生从而方案三的传感光纤受到扰动，探测器探测到干涉电流的变化时，数据处理识别电路将分析扰动信号的频谱，从而将入侵信号与环境噪音区分开来决定是否触发警报。
（7）本发明的警戒可分为多个级别，分别适用于不同的噪音环境，用户也可以调到适当的警戒级别，以减少误报和漏报。
（8）本发明公布的方案四是光纤干涉系统的技术原理的实施方案，及应
用领域；方案四与方案三的主要区别为2x2 耦合器以及偏振控制器被3x3 耦合器替代。
附图说明
图1是传统的Sagnac光学干涉实施例图；
图2是本发明全光纤定位警戒系统实施例一示意图；
图3是本发明全光纤定位警戒系统实施例二示意图；
图4是本发明全光纤定位警戒系统实施例三示意图；
图5是本发明全光纤定位警戒系统实施例四示意图。
具体实施方式
实施例一：如图2所示，一种用于入侵定位警戒的全光纤系统，其特征是，它包括半导体激光光源1、光电探测器2、3、1x2耦合器4、11、12、2x2耦合器5、6、偏振控制器7、8、光纤9、10、13和数据采集与识别处理电路；所述半导体激光光源1出来后经1x2耦合器4分成两束，一束进入2x2耦合器5，由2x2耦合器5出来的光路先后进入偏振控制器7、光纤9、1x2耦合器11、光纤13、1x2耦合器12，再回到2x2耦合器5形成一个Sagnac环；另一束进入2x2耦合器6，由2x2耦合器6出来的光路先后进入偏振控制器8、光纤10、1x2耦合器12、光纤13、1x2耦合器11,再回到2x2耦合器6形成另一个Sagnac环，这两个Sagnac环共享传感光纤13，探测器2和3分别测量这两个Sagnac干涉系统的干涉信号。
其中，上述2x2耦合器5、6分束比为1：1，光纤9、10、13为通迅单模光纤。
激光器1，探测器2和3， 1x2耦合器4、11和12，2x2 耦合器5和6，偏
振控制器7和8，光纤9、10可集中置于一处或机盒内，而传感光纤13布置于所需警戒的区域，入侵者直接或间接触碰传感光纤引起的光纤震动都能触发警报。
实施例二：如图3所示，一种用于入侵定位警戒的全光纤系统，其特征是，它包括半导体激光光源1、光电探测器2、3、11，3x3耦合器4、1x2耦合器7、8、10、光纤6、9、衰减器5和数据采集与识别处理电路，衰减器5设置在3x3耦合器4的其中一输出端；所述半导体激光光源1出来后经3x2耦合器4，沿顺时针方向经1x2耦合器7至1x2耦合器8，再经光纤6回到3x3耦合器4，形成一个Sagnac环；激光光源1可沿相反方向传播，光源出来后经3x3耦合器4，沿逆时针方向经光纤6至1x2耦合器8，再经1x2耦合器7回到3x3耦合器4，产生干涉信号；同时，半导体激光光源1可从3x3耦合器4出来，经1x2耦合器7，光纤9到1x2耦合器10，另一束光也可从3x3耦合器4出来经光纤6，1x2耦合器8到1x2耦合器10，这两束光行成MZI干涉并由探测器11观察到。
激光器1，探测器2、3、11， 3x3耦合器4,衰减器5，1x2 耦合器7、8、10，光纤9可集中置于一处或机盒内，而传感光纤6布置于所需警戒的区域，入侵者直接或间接触碰传感光纤引起的光纤震动都能触发警报。
实施例三：如图4所示，一种用于入侵震动信号探测的全光纤系统，其特征是，它包括半导体激光光源1、2x2 耦合器2、偏振控制器3、光纤4、光电探测器5和数据采集与识别处理电路，光纤4的两端分别连接2x2 光纤耦合器2和偏振控制器3，激光光源1出来后经2x2耦合器2，由2x2耦合器(2)出来的光进入偏振控制器3、光纤4再回到2x2耦合器2，构成一个Sagnac环。
所述2x2耦合器2分束比为1：1，光纤4为通迅单模光纤。
激光器1，2x2 耦合器2，偏振控制器3和探测器5 可集中置于一处或机盒内，而传感光纤4布置于室内或室外入侵者可能经过或触及的地方，入侵者直接或间接触及传感光纤引起的光纤震动都能触发警报。入侵者说话或引发的声
音传至传感光纤4也能触发警报。任何一段传感光纤可布置成从机盒出发经需警戒位置再回到机盒，也可制成一根双光纤的光缆，从机盒出发穿过各处警戒位置，光缆的另一段不必回到机盒，只需在其终端使两根光纤连接。上述的各种具体布置方法都不会影响本发明的正常工作。
实施例四：如图5所示，一种用于入侵震动信号探测的全光纤系统，其特征是，它包括半导体激光光源1、3x3耦合器2、光纤4、光电探测器5和数据采集与识别处理电路，光纤4的两端分别与3x3耦合器的两个同向端口相连接，激光光源1出来后经3x3耦合器2，由3x3耦合器2出来的光经光纤4再回到2x2耦合器2，构成一个Sagnac环。
所述分束比为1：1：1，光纤4为通迅单模光纤。
最后，申请人重申，上述的实施方案并非尽穷性，本发明还可以有其它实施方式；凡采用同等替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种用于入侵定位警戒的全光纤系统，其特征是，它包括半导体激光光源（1）、光电探测器（2、3）、1x2耦合器（4、11、12）、2x2耦合器（5、6）、偏振控制器(7、8）、光纤（9、10、13）和数据采集与识别处理电路；所述半导体激光光源（1）出来后经1x2耦合器（4）分成两束，一束进入2x2耦合器(5)，由2x2耦合器(5)出来的光路先后进入偏振控制器（7）、光纤（9）、1x2耦合器(11)、光纤(13)、1x2耦合器(12)，再回到2x2耦合器(5)形成一个Sagnac环；另一束进入2x2耦合器(6)，由2x2耦合器(6)出来的光路先后进入偏振控制器（8）、光纤（10）、1x2耦合器(12)、光纤(13)、1x2耦合器(11),再回到2x2耦合器(6)形成另一个Sagnac环，这两个Sagnac环共享传感光纤(13)，探测器(2)和(3)分别测量这两个Sagnac干涉系统的干涉信号。
2.根据权利要求1所述用于入侵定位警戒的全光纤系统，其特征是，所述2x2耦合器(5、6)分束比为1：1，光纤（9、10、13）为通迅单模光纤，两个Sagnac 环中每个都接入偏振控制器（7，8）。
3.一种用于入侵定位警戒的全光纤系统，其特征是，它包括半导体激光光源（1）、光电探测器（2、3、11），3x3耦合器（4）、1x2耦合器（7、8、10）、光纤（6、9）、衰减器（5）和数据采集与识别处理电路，衰减器（5）设置在3x3耦合器（4）的其中一输出端；所述半导体激光光源（1）出来后经3x3耦合器（4），沿顺时针方向经1x2耦合器（7）至1x2耦合器（8），再经光纤（6）回到3x3耦合器（4），形成一个Sagnac环；激光光源（1）可沿相反方向传播，光源出来后经3x3耦合器（4），沿逆时针方向经光纤（6）至1x2耦合器（8），再经1x2耦合器（7）回到3x3耦合器（4），产生干涉信号；同时，半导体激光光源（1）可从3x3耦合器（4）出来，经1x2耦合器（7），光纤（9）到1x2耦合器（10），另一束光也可从3x3耦合器（4）出来经光纤（6），1x2耦合器（8）
到1x2耦合器（10），这两束光行成MZI干涉并由探测器（11）观察到。
4.根据权利要求3所述用于入侵定位警戒的全光纤系统，其特征是，使用了3x3耦合器（4），所述1x2耦合器(7、8,10)分束比为1：1，光纤（6、9）为通迅单模光纤。
5.一种用于入侵震动信号探测的全光纤系统，其特征是，它包括半导体激光光源（1）、2x2 耦合器（2）、偏振控制器(3)、光纤（4）、光电探测器（5）和数据采集与识别处理电路，光纤（4）的两端分别连接2x2 光纤耦合器（2）和偏振控制器(3)，激光光源（1）出来后经2x2耦合器（2），由2x2耦合器(2)出来的光进入偏振控制器（3）、光纤（4）再回到2x2耦合器(2)，构成一个Sagnac环。
6.根据权利要求5所述用于入侵震动信号探测的全光纤系统，其特征是，所述2x2耦合器(2)分束比为1：1，光纤（4）为通迅单模光纤，所构成的Sagnac环中接入偏振控制器（3）。
7.一种用于入侵震动信号探测的全光纤系统，其特征是，它包括半导体激光光源（1）、3x3耦合器（2）、光纤（4）、光电探测器（5）和数据采集与识别处理电路，光纤（4）的两端分别与3x3耦合器的两个同向端口相连接，激光光源（1）出来后经3x3耦合器（2），由3x3耦合器(2)出来的光经光纤（4）再回到2x2耦合器(2)，构成一个Sagnac环。
8.根据权利要求7所述用于入侵震动信号探测的全光纤系统，其特征是，使用了3x3耦合器（2），所述分束比为1：1：1，光纤（4）为通迅单模光纤。
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