CN104040598A - 干涉仪型光纤干扰检测装置及其检测方法 - Google Patents

干涉仪型光纤干扰检测装置及其检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及利用光纤的干涉仪型干扰检测装置及其检测方法，本发明能够向检测光纤输出将从光信号发生部输出的光信号分割并沿着不同长度的光程行进后结合而成的检测光信号，并输出将从上述检测光纤返回的检测光信号分割并沿着不同长度的光程行进后结合而成的干涉检测信号，由此能够更加容易地确认侵入人员是否侵入以及侵入地点、侵入对象。

Description

干涉仪型光纤干扰检测装置及其检测方法
技术领域
本发明涉及利用光纤的检测装置，更详细地，涉及能够利用干涉仪以高灵敏度检测向检测用光纤施加的外部干扰的检测系统。
背景技术
一般来说，在对侵入、破坏、老化或冲击引起的破坏等进行监视方面，若利用人力则需要很多人员和费用。并且，当监视人员一不小心或暂离岗位时，可能在警戒方面导致失败，并且，在恶劣气候或视线不完整的夜间的情况下，可能难以借助人力对侵入进行监视。
因此，以对这种军事警戒或重要设施的借助人力的监视的辅助单元或对于不太重要的设施的无人监视为目的，产生了利用传感器的自动监视系统的必要性，为此，出现了红外线摄像头或闭路电视(TV)。但在这种情况下，摄像头与显示器的数量以与监视点的数量成正比的方式增加，因而在监视点的数量方面存在绝对的局限性，并且，这也需要查看显示器的人员常在，因此，具有因暂离岗位或一不小心而侵入监视失败的问题。
为了解决这种电子监视的问题，尝试过一种自动侵入监视，其使用了以适当的高度架设在警戒线的空中的光纤和OTDR(Optical TimeDomain Reflectometry，光时域反射仪)计测器。
这种利用光纤的侵入监视，利用OTDR计测器确认是否侵入和侵入地点，上述OTDR计测器，当假设在警戒线的空中的光纤被侵入人员切断时，能够确认在切断部之后的区域中不存在基于瑞利(Rayleigh)散射的反射以及侵入地点。
另一方面，作为其他形态的利用光纤干扰检测传感器的检测方法有：监视向光纤内添加有稀土类金属元素的特殊光纤上施加由侵入人员引起的压力时的反射光的强度变化的方式；以及利用普通光纤为传感器元件，但利用相干长度比普通激光二极管更长的高功率激光系统，利用OTDR等确认因侵入人员而受到压力的部分的光纤的折射率变化引起的两折射率警戒面中的反射光的干涉而确认侵入位置，并生成自动警报的方式等。
但以如上所述的方式设置的光纤，由于因侵入人员或通过人员、风等自然因素及其他动物等而容易被切断，因而在实际操作上存在诸多问题，并且，在维护方面需要巨大的费用和人力。
一般来说，在利用光纤和OTDR的侵入检测系统的情况下，由于架设在空中的光纤的强度较弱，因而能够被经过的动物或被风摇摆的树枝而轻易折断。但为了改善这一问题而使用强度增强的粗的光纤的情况下，会轻易被侵入人员发现，或者相反地，在该断的时候不断，从而导致难以形成适当的侵入检测的另一问题。另外，如果一旦光纤断开，则在投入专门人员进行维修之前不可能重新使用，且由于没有自动警报功能或报告功能，因而完全没有实用化的可能性。
另一方面，监视基于侵入人员经过特殊光纤时所施加压力的发射光强度的方式，能够以埋设于更加安全的地下的方式使用，但在这种情况下，反射光的强度变化极其甚微，难以用作有效的对人检测传感器。并且，利用OTDR等检测基于光纤的折射率变化的两折射率警戒面中的反射光的干涉的方式，由于传感器的灵敏度下降，且传感器系统的价格过高，因而很难达到常用化。
因此，需要能够更加容易地确认侵入人员是否侵入及侵入地点、侵入对象的检测装置。
发明内容
技术问题
本发明的目的在于，提供能够更加容易地确认侵入人员是否侵入及侵入地点、侵入对象的检测装置。
解决问题的手段
本发明一实施例的干涉仪型光纤干扰检测装置，包括：检测光纤，用于检测外部干扰；光信号发生部，用于输出脉冲形态的光信号；光干涉部，向检测光纤输出将从光信号发生部输出的光信号分割并沿着不同长度的光程行进后结合而成的检测光信号，并输出将从上述检测光纤返回的检测光信号分割并沿着不同长度的光程行进后结合而成的干涉检测信号；光接收部，将从上述光干涉部输出的上述干涉检测光信号转换为电信号并输出；以及信号处理部，分析从上述光接收部输出的电信号，掌握向上述检测光纤施加的外部干扰的位置及种类。
优选地，上述检测光纤可包括由FC/PC(face contact/physicalcontact connector，面接触/物理接触)连接器相连接的多个光纤线缆的连接点的反射点，或利用光纤光栅的反射点。
并且，检测光纤包括保偏光纤或强化了瑞利后向散射的光纤。
优选地，上述光信号发生部，能够使用激光二极管(LD，LaserDiode)、超辐射发光二极管(SLD，Super Luminescent Diode)、利用掺铒光纤(EDF，Erbium Doped Fiber)的放大自发辐射光源(ASE，Amplified Spontaneous Emission)及发光二极管(LED，Light EmittingDiode)中的一种光源，能够使用无偏光光源。并且，光信号发生部的光源可以为短波长光源。
优选地，上述光干涉部包括：第一光耦合器，将从上述光信号发生部输入的光信号分割并沿着不同长度的光程输出，将从上述不同长度的光程输入的光信号结合并向上述光接收部输出；以及第二光耦合器，将从上述不同长度的光程输入的光信号结合并向上述检测光纤输出，将从上述检测光纤输入的光信号分割并沿着上述不同长度的光程输出。
优选地，上述第一光耦合器包括一侧的两端口与上述光信号发生部及上述光接收部相连接且另一侧的两端口与上述不同长度的光程相连接的2×2光耦合器，或者一侧的中间端口与上述光信号发生部相连接、上述一侧的上下端端口与第一光接收部及第二光接收部相连接且另一侧的上下端端口与上述不同长度的光程相连接的3×3光耦合器。
并且，上述第二光耦合器包括一侧的两端口与上述不同长度的光程相连接且另一侧的一端口与上述检测光纤相连接的2×2光耦合器。
此时，上述不同长度的光程的路程差比上述光信号的脉冲长度长。
优选地，本发明的干涉仪型光纤干扰检测装置，还可以包括消偏器(depolarizer)，上述消偏器设在上述光干涉部的一路程或上述光信号发生部与上述光干涉部之间。并且，本发明的干涉仪型光纤干扰检测装置，还可以在上述光干涉部的一路程包括相位调制器。
优选地，上述信号处理部在将上述检测光纤的距离划分为多个区间之后，按光信号的脉冲次序对从各区间后向散射并由上述光接收部接收的信号值进行采样，并存储于存储器。
优选地，上述信号处理部通过按上述检测光纤的距离按每个脉冲依次读取存储于上述存储器的信号值，掌握在特定地点的外部干涉引起的后向散射信号的大小变化，来判断是否向被划分为上述多个区间的地点施加干扰。
优选地，上述信号处理部按脉冲列比较存储于存储器的信号值，来掌握外部干扰的频率特性。
优选地，上述信号处理部按被划分为上述多个区间的位置比较存储于上述存储器的信号值，来掌握外部干扰的产生位置和大小。
优选地，上述信号处理部在预设定的时间内对存储于上述存储器的信号值进行平均化。
优选地，上述信号处理部对在没有外部干涉的期间在预设定的时间内对存储于上述存储器的信号值进行平均化的值和在施加外部干扰的期间在预设定的时间内对存储于上述存储器的信号值进行平均化的值进行比较，来判断是否施加了外部干扰。
优选地，只有当生成上述检测光纤的末端的菲涅耳(Fresnel)反射信号发生变化的情况下，上述信号处理部才判断是否施加了外部干扰、掌握外部干扰的频率特性或掌握外部干扰的产生位置和大小。
本发明一实施例的干涉仪型光纤干扰检测方法，包括：第一步骤，分割脉冲形态的光信号，使得被分割的光信号通过具有不同长度的光程行进；第二步骤，结合沿着上述不同长度的光程行进的光信号，并向检测光纤输出；第三步骤，分割从上述检测光纤返回的检测光信号，使得被分割的检测光信号沿着不同长度的光程行进；第四步骤，结合沿着上述不同长度的光程行进的上述检测光信号，来生成干涉检测光信号；以及第五步骤，分析上述干涉检测光信号，来掌握向上述检测光纤施加的外部干扰的位置及种类。
优选地，上述第一步骤中，在对上述光信号进行双分割之后，使被分割的光信号沿着具有比上述光信号的脉冲长度长的路程差的不同的光程行进。
优选地，上述第三步骤中，在对从上述检测光纤返回的上述检测光信号进行双分割之后，使被分割的检测光信号按逆向沿着不同的光程行进。
本发明的干涉仪型光纤干扰检测方法，可以包括如下步骤，即，对在上述第一步骤沿着短光程行进之后在上述第三步骤沿着长光程行进的光信号和对在上述第一步骤沿着长光程行进之后在上述第三步骤沿着短光程行进的光信号追加产生规定的相位差。
优选地，上述第五步骤中，在将上述检测光纤距离划分为多个区间之后，按光信号的脉冲次序对从各区间后向散射的信号值进行采样并存储，之后按上述检测光纤的距离按每个脉冲依次读取所存储的信号值，来掌握特定地点的外部干涉引起的后向散射信号的大小变化，从而判断是否向被划分为上述多个区间的地点施加了外部干扰。
优选地，上述第五步骤中，在将上述检测光纤的距离划分为多个区间之后，按光信号的脉冲次序对从各区间后向散射的信号值进行采样并存储，之后读取所存储的信号值，并按脉冲列进行比较，来掌握外部干扰的频率特性。
优选地，上述第五步骤中，在将上述检测光纤的距离划分为多个区间之后，按光信号的脉冲次序对从各区间后向散射的信号值进行采样并存储，之后读取所存储的信号值，并按被划分为上述多个区间的位置进行比较，来掌握外部干扰的产生位置和大小。
优选地，上述第五步骤中，在预设定的时间内对采样并存储的上述信号值进行平均化。
发明的效果
本发明能够更加容易地确认侵入人员是否侵入及侵入地点、侵入对象，并能以更好的高灵敏度执行结构物的破坏监视或预测。
附图说明
图1为表示本发明一实施例的干涉仪型光纤干扰检测装置的结构的结构图。
图2为用于说明图1的光纤干扰检测装置的工作原理的图，(a)为说明借助一个脉冲信号生成检测光信号，并向检测光纤输出的过程的图，(b)为说明检测光信号被检测光纤反射并返回的过程的图。
图3为示出从光信号发生部连续输出的脉冲信号的干涉检测光信号的状态的图。
图4为更加具体地表示在没有外部干扰的期间在光接收部所观测到的信号的变化状态的图。
图5为更加具体地表示向x地点施加外部干扰的期间在光接收部所观测到的信号的变化状态的图。
图6为更加具体地表示向x地点和y地点同时施加外部干扰的期间在光接收部所观测到的信号的变化状态的图。
图7为在图1的检测装置中用于说明信号处理部50的信号处理方法的图。
图8为表示本发明另一实施例的干涉仪型光纤干扰检测装置的结构的结构图。
图9为在图8的干涉仪中表示各信号的相位差的信号的强度的图。
具体实施方式
本发明一实施例的干涉仪型光纤干扰检测装置，包括：检测光纤，用于检测外部干扰；光信号发生部，用于输出脉冲形态的光信号；光干涉部，向检测光纤输出将从光信号发生部输出的光信号分割并沿着不同长度的光程行进后结合而成的检测光信号，并输出将从上述检测光纤返回的检测光信号分割并沿着不同长度的光程行进后结合而成的干涉检测信号；光接收部，将从上述光干涉部输出的上述干涉检测光信号转换为电信号并输出；以及信号处理部，分析从上述光接收部输出的电信号，掌握向上述检测光纤施加的外部干扰的位置及种类。
本发明一实施例的干涉仪型光纤干扰检测方法，包括：第一步骤，分割脉冲形态的光信号，使得被分割的光信号通过具有不同长度的光程行进；第二步骤，结合沿着上述不同长度的光程行进的光信号，并向检测光纤输出；第三步骤，分割从上述检测光纤返回的检测光信号，使得被分割的检测光信号沿着不同长度的光程行进；第四步骤，结合沿着上述不同长度的光程行进的上述检测光信号，来生成干涉检测光信号；以及第五步骤，分析上述干涉检测光信号，来掌握向上述检测光纤施加的外部干扰的位置及种类。
用于实施发明的方式
以下，参照附图对本发明的优选实施例进行更加详细的说明。
图1为表示本发明一实施例的干涉仪型光纤干扰检测装置的结构的结构图。
本实施例的干涉仪型光纤干扰检测装置包括光信号发生部10、光干涉部20、检测光纤30、光接收部40及信号处理部50。
光信号发生部10周期性地输出脉冲形态的光信号。这种光信号发生部10可包括用于生成光脉冲的光源以及用于驱动光源的驱动部。此时，作为光源，可使用激光二极管、超辐射发光二极管、利用掺铒光纤的放大自发辐射光源及发光二极管等。尤其，优选地，光源使用短波长(0.8μm，1.3μm等)的光源，由此在检测光纤30中引起更多与波长的四次方成反比的瑞利后向散射，使得反射信号的大小增加。
光干涉部20将从光信号发生部10输出的光脉冲转换为具有连续的多个脉冲的检测光信号，并向检测光纤30输出。即，光干涉部20将从光信号发生部10输出的光脉冲分割为多个光脉冲，并使被分割的光脉冲沿着不同长度的路径行进之后，使上述被分割的光脉冲相结合，由此生成具有连续的多个脉冲的检测光信号。并且，光干涉部20以使从检测光纤30反射回来的检测光信号的脉冲中的一部分重叠的方式生成干涉检测光信号，并向光接收部40输出这些干涉检测光信号。即，光干涉部20将从检测光纤30反射回来的检测光信号分割为多个检测光信号，并使被分割的检测光信号沿着不同长度的光程行进之后，使上述被分割的检测光信号重新结合，由此生成干涉检测光信号，并向光接收部40输出，上述干涉检测光信号重叠在相同地点(反射点)，在不同时间反射的脉冲。这种光干涉部20包括：光耦合器22、26，用于将所输入的单一光脉冲分割为多个光脉冲信号，并结合所输入的多个光脉冲信号；以及光程24S、24L，与光耦合器22、26之间相连接，并具有不同长度L1、L2。此时，光耦合器22、26为具有50％的结合比的定向耦合器，且光程24S、24L的长度之差L1－L2比光脉冲的长度长。
检测光纤30与光干涉部20相连接，来检测外部干扰。此时，优选地，检测光纤30为了强化后向散射的反射信号而使用强化了瑞利后向散射的光纤。作为这种方法，可在光核心产生较多的瑕疵(defect)或添加杂质。或者能够由多个光纤线缆构成检测光纤，并利用面接触/物理接触连接器连接各光纤线缆，以人为的方式生成在光纤线缆连接点产生的菲涅耳反射，由此增加反射信号。或者可在检测光纤30的核心形成光纤光栅，来形成反射点，由此以人为的方式增加反射信号。并且，在不以线性方式铺设检测光纤30也要检测外部干扰的特殊地区，可通过以螺旋状或线圈状多次缠绕的方式提高敏感度。并且，优选地，为了去除偏光状态的相干性的变化，使用保偏光纤作为检测光纤30。
光接收部40将通过光干涉部20接收的干涉检测光信号转换为与光信号的强度成正比的电信号，并向信号处理部50输出。作为这种光接收部40，可使用光检测器(photo detector)。
信号处理部50对光接收部40的电信号进行分析，掌握向检测光纤30施加的外部干扰的位置，来掌握干扰的种类，例如，外部人的侵入或风之类的自然现象引起的干扰等。即，信号处理部50测定不同时间段的检测光纤30的各位置的后向散射的大小，并按光脉冲的次序比较信号，由此掌握外部干扰的频率特性，并且，按各位置比较信号，来掌握外部干扰的产生位置及大小。
图2为用于说明图1的光纤干扰检测装置的工作原理的图，(a)为说明借助一个脉冲信号生成检测光信号，并向检测光纤输出的过程的图，(b)为说明检测光信号被检测光纤反射并返回的过程的图。
图2中，为了便于说明，对光信号发生部10输出一个光脉冲信号的情况进行说明。
光信号发生部10输出的一个光脉冲11在光耦合器22分割为相同的两个脉冲12、13，被分割的各脉冲12、13沿着具有不同长度L1、L2的光程24L、24S分别行进之后，通过光耦合器26结合成检测光信号14，并进入到检测光纤30。此时，若两脉冲12、13所行进的光程的长度之差L1－L2比光脉冲的长度长，则检测光信号14以在空间上完全被分离的形态向检测光纤30进入并行进。
进行检测光纤30的检测光信号14借助存在于检测光纤30的瑞利后向散射(Rayleigh backscattering)使检测光信号14的一部分从反射点31、32反射，并向光干涉部20返回。虽然实际的瑞利后向散射在检测光纤30整体中分布地产生，但本实施例为了便于说明，以仅在两个地点31、32形成反射的方式进行了说明。
从反射点31、32反射的检测光信号15、16重新被光耦合器26分割，并沿着不同的光程24L、24S行进之后，在光耦合器22结合，由光接收部40接收。此时，光接收部40所接收的信号17、18作为沿着不同的路程24L、24S行进的检测光信号的一部分重叠并干涉的干涉检测光信号，成为每个反射点31、32包括三个脉冲的脉冲信号。
干涉检测光信号17的第一个脉冲为从光信号发生部10输出的脉冲11通过光干涉部20的短路程24S行进之后，从检测光纤30的一反射点31反射，并重新通过光干涉部20的短路程24S返回的信号。以下为了便于说明，将该信号称之为SS脉冲。
干涉检测光信号17的第三个脉冲为从光信号发生部10输出的脉冲11通过光干涉部20的长路程24L行进之后，从检测光纤30的一反射点31反射，并重新通过光干涉部20的长路程24L返回的信号。以下为了便于说明，将该信号称之为LL脉冲。
干涉检测光信号17的中间脉冲为从光信号发生部10输出的脉冲11通过光干涉部20的短路程24S行进之后，从检测光纤30的一反射点31反射，并通过光干涉部20的长路程24L返回的信号(SL脉冲)与从通过光干涉部20的长路程24L行进之后，从检测光纤30的一反射点31反射，并通过光干涉部20的短路程24S返回的信号(LS脉冲)相重叠的信号。以下为了便于说明，将这种相重叠的信号称之为SL/LS脉冲。此时，SL脉冲与LS脉冲仅改变了次序，会沿着相同的光程行进，因而两信号的光程长度相同，生成相干性高的干涉信号。一般来说，只要在两个光的偏光相同的情况下，相干性才会高。在SL/LS脉冲的情况下，由于SL脉冲和LS脉冲的偏光状态会因存在于光纤的双折射以及随着时间而变的双折射的变化而不同，因而干涉信号的相干性会随着周边环境的变化而发生变化。因此，优选地，将保偏光纤使用于整体光纤，来去除周边环境的偏光依赖性。或者，可在光信号发生部10使用无偏光光源。
虽然两信号(SL脉冲、LS脉冲)所经过的光程的长度相同，但由于在不同的时间通过检测光纤30的反射点31，因而当通过时，可经历不同的相位。若两信号(SL脉冲、LS脉冲)经历不同的相位，则SL/LS脉冲的大小根据两信号的相位差而发生变化，因此，只要测定该变化，就能检测外部干扰。
以上仅对反射点31所反射的干涉检测光信号17进行了说明，但反射点32所反射的干涉检测光信号18也通过与干涉检测光信号17相同的过程而生成。
若外部干扰仅在两反射点31、32之间产生，则由于反射点31所反射的检测光信号15未经过产生干扰的地点，因而对检测光信号15的干涉检测光信号17的中间脉冲不受外部干扰的影响。但由于反射点32所反射的检测光信号16经过产生干扰的地点，因而受到外部干扰的影响，使得干涉检测光信号18的中间脉冲的大小发生变化。因此，利用这种原理分析从各反射点31、32返回的干涉检测光信号17、18的大小变化，从而能够检测是否产生干扰以及干扰的位置。
图3为示出从光信号发生部连续输出的脉冲信号的干涉检测光信号的状态的图。
图2中，为了便于说明，例举了检测光信号从独立的两个反射点31、32发生的情况。但在实际上为了检测干扰位置而利用瑞利后向散射的情况下，由于反射点以非常接近的方式连续存在，因而检测光信号以分布的反射形态反射，由此，由光接收部40所接收的信号并非呈现出如图2所示的独立的脉冲列，而是呈现出如图3(a)所示的连续的线。
此时，若随着时间继续观察一边从光信号发生部10连续输出光脉冲，一边返回到光接收部40的信号，则未到达存在外部干扰的位置(活动(event)位置)而返回的信号51如图3(b)所示，在信号的大小方面没有变化，但经过了存在外部干扰的位置并返回的信号52由于外部干扰而如图3(c)所示，在信号的大小方面存在变化。
图4及图6为更加具体地示出随着外部干扰而在光接收部观测到的信号的变化状态，图4示出在没有外部干扰的期间的信号状态，图5示出在向x地点施加外部干扰的期间的信号状态，图6示出向x地点和y地点同时施加外部干扰的期间的信号状态。
在此，假设在光干涉部20的短路程24S中的光的行进时间为t1，在长路程24L中的光的行进时间为t2，在检测光纤30中的光的行进时间为t3。优选地，各路程的长度以t1＜t2＜t3的条件设定。并且，光耦合器22、26作为具有50％的结合比的2×2定向耦合器，通过耦合器22、26的光信号以双臂的方式分割，使光被各分一半，并且，与直接通过的情况相比，向反方向臂耦合的光具有π/2的相位差。
首先，参照图4对完全没有外部干扰的情况进行说明如下。
SS脉冲从光信号发生部10出发，经由光干涉部20的短路程24S向检测光纤30入射之后，以分布的方式从检测光纤30的整体反射，并重新经由光干涉部20的短路程24S向光接收部40入射。
此时，每当通过定向耦合器22、26时，光的强度减半(减少3dB)，且瑞利后向散射不仅在检测光纤30中产生，而且还在构成光干涉部20的光纤中产生。因此，将从光信号发生部10输出的光脉冲通过耦合器22之后，在短路程24S直接后向散射，并重新经由耦合器22向光接收部40入射的光的相对强度设定为“1”的情况下，SS脉冲的时间的后向散射的大小如图4的a)信号。即，在光脉冲在短路程24S内后向散射而返回的时间内(～2t1)，其强度为“1”，而光脉冲在经由耦合器24向检测光纤30入射之后从检测光纤30后向散射而返回的时间内(2t1～2(t1+t3))会以往复耦合器26的方式再通过两次，因而其强度减少至1/4，成为0.25。尤其，在检测光纤30行进的期间内，由于在前部分积累的后向散射而越靠近后方，其强度越减少。并且，能够因检测光纤30的末端的菲涅耳反射而在2(t1+t3)出现反射峰值。在2(t1+t3)中以箭头的方式显示了该峰值。在a)信号中，除了光干涉部20的2t1为止的信号之外，与通常的OTDR信号相同。
LL脉冲与SS脉冲相比，仅在光干涉部20内沿着长路程24L行进的问题上存在差异，其他则相同。因此，在将从光信号发生部10输出的光脉冲通过耦合器22之后，在长路程24L直接进行后向散射，并重新经由耦合器22向光接收部40入射的光的相对强度设定为“1”的情况下，LL脉冲的时间的后向散射的大小如图4的b)信号。
SL/LS脉冲为将相同的路程以不同的次序行进的两脉冲12、13的后向散射的重叠，借助两脉冲的相位差，SL/LS脉冲的大小会发生变化。SL/LS脉冲仅作用于检测光纤30的后向散射。因此，从作为沿着光干涉部20的短路程24S和长路程24L行进的时间的t1+t2开始生成信号，并持续到检测光纤30的末端产生后向散射的t1+t2+t3为止。此时，也能因检测光纤30的末端的菲涅耳反射而在t1+t2+t3出现反射峰值。这种SL/LS脉冲的时间的后向散射的干涉信号的大小如同c)信号。虚线表示能够因干涉而引起的最大信号的大小，这也因积累于前部分的后向散射而越靠近后方，其强度越减少。由于外部干扰，信号的大小可从最大值变化为“0”，并且，在完全没有干扰的期间，由于SL脉冲和LS脉冲相互具有π的相位差，因而相互产生相消干涉，使信号的大小成为“0”。
在光接收部40的最终信号成为SS脉冲、LL脉冲及SL/LS脉冲相结合的形态，通常地，这三种信号延迟相干时间(coherence time)以上并合并，因而如d)信号，成为合并上述三种信号的光强度(intensity)的形态。由于完全没有外部干扰的期间，SL/LS脉冲成为“0”，因此，在光接收部40的最终信号如d)信号，成为SS脉冲和LL脉冲之和。
之后，参照图5对外部干扰向x地点施加，且其相位差为π的情况进行说明如下。此时为在行进SL脉冲的期间内，因外部干扰而施加π的相位差，且在行进LS脉冲的期间内没有干扰的情况。
首先，SS脉冲和LL脉冲的情况为并非干涉信号的简单的瑞利后向散射的信号，因而与完全没有外部干扰的期间的信号相同。因此，图5的a)、b)信号的形态与图4的a)、b)相同。只是在由于外部干扰而在干扰地点产生较大的光损失的情况下，可在干扰地点产生高度差。
在SL/LS脉冲的情况下，在x地点之前进行后向散射的光不经历外部干扰，因而光强度仍旧为“0”。相反，在x地点之后由于均追加产生π的相位差，因而增强干涉，成为最大强度(SS脉冲或LL脉冲的四倍)，且信号的形态如c)所示。
在光接收部40的最终信号成为由a)SS脉冲、b)LL脉冲及c)SL/LS脉冲相结合的如d)的形态。若将此与图4的d)相比较，则在x地点产生增强干涉引起的高度差，因此可知向x地点施加了外部干扰。并且，也可以类推该外部干扰的大小。
然后，参照图6对向x地点及y地点施加外部干扰的情况进行说明。此时为在y地点行进SL脉冲的期间内，追加施加π/2的相位差，而在行进LS脉冲的期间内没有干扰的情况。
此时，SS脉冲和LL脉冲的情况也与上述的图4及图5相同。即，a)、b)的信号形态与图4及图5的a)、b)信号形态相同。
在SL/LS脉冲的情况下，在x地点之前进行后向散射的光不经历外部干扰，因而光强度仍旧为“0”。而x地点到y地点为止，由于均追加产生π的相位差，因而如图5所示，增强干涉，成为最大强度(SS脉冲或LL脉冲的四倍)。并且，从y地点之后开始，追加施加π/2的相位差，使得相位差成为π+π/2，因此，其信号形态如c)，成为中间强度(SS脉冲或LL脉冲的两倍)。
在光接收部40的最终信号成为由a)SS脉冲、b)LL脉冲及c)SL/LS脉冲相结合的如d)的形态。若将此与图4的d)相比较，则在x地点和y地点产生增强干涉引起的高度差，因此可知向x地点及y地点施加了外部干扰。并且，也可以类推该外部干扰的大小。即，即使一同向多个地点施加外部干扰的期间，也可以通过最终信号的分离而了解施加干扰的所有位置。
像这样，即使在多处持续产生干扰的期间，每个脉冲分析由光信号发生部10继续反复生成脉冲信号并输入之后，由光接收部40接收的信号，由此能够检测出干扰的位置、干扰信号的频率及强度等。
图7为在图1的检测装置中用于说明信号处理部50的信号处理方法的图。
参照图7，更详细地说明如图6所示，在检测光纤30的多个地点施加外部干扰的期间，从光接收机40所接收的最终信号找出外部干扰的产生位置，分析外部干扰的大小及频率特性等，由此区别外部干扰的种类(外部人员的侵入或自然现象等)的方法。
如上所述，每当光信号发生部10所输出的一个光脉冲在检测光纤30进行后向散射，并到达光接收部40时，生成如图6的d)的信号。此时，图6的时间轴为与检测光纤30的距离(位置)成正比的值。因此，若由光信号发生部10持续反复生成脉冲信号并输出，由光接收部40继续测定所接收的信号，则可随着时间测定检测光纤30的各位置中的后向散射的大小。此时，由光信号发生部10反复输出的光脉冲的重复率相当于测定各地点的后向散射的采样速度(sampling rate)。因此，重复率越快，越能检测高频率的外部干扰。这借助作为沿着最长路程行进的光返回的时间的2(t2+t3)而受到限制。即，在光干涉部20的长路程24L和检测光纤30的总长度为20km的情况下，2(t2+t3)为200μs，因而脉冲重复率限制为5kHz，由此，能够测定的外部干扰的最大频率限制为2.5kHz。因此，呈现最大测定距离(检测光纤的长度)变得越大，测定速度变得越慢的关系。
若将检测光纤30的距离(distance＝xi)作为x轴，将重复脉冲列的时间(次序)(sweep(n))作为y轴，以概念性的方式示出在(x，y)的后向散射的大小S(距离,次序)，则能够以如图7(a)的方式呈现。此时，简单地以直线方式显示了如图6d)的每脉冲列次序的后向散射信号S。
图7的(b)为表示将所测定的信号S数字化，并存储于存储器的图，在(b)的S(xi，n)中，xi表示检测光纤的被数据化的距离，n表示脉冲列的次序(sweep次序)。
即，信号处理部50将检测光纤30的距离xi分为m个区间之后，按脉冲列的次序对在各区间进行后向散射的信号值S(xi，n)进行采样，并存储于存储器。此时，距离区间间隔通常定为检测装置的空间分辨率(spatial resolution)的程度。空间分辨率与脉冲宽度成反比。因此，在通信用光纤中，脉冲宽度为10ns的情况下，具有1m的空间分辨率，在脉冲宽度为10ns的情况下，具有10m的空间分辨率。
在使用脉冲宽度的为10ns的光脉冲的情况下，20km的检测光纤30被分为2000个(m＝2000)的区间，并且，使借助脉冲宽度决定的最小延迟长度(delay line：光干涉部的长路程与短路程之差)成为20m。延迟长度越长，所干涉的两脉冲的时间差越大，因此，为了测定音频频率带的外部干扰，可能需要数百m至1km的延迟长度。
若信号处理部50按检测光纤的距离xi在存储器依次读取每个脉冲的信号值，并按不同时间段分析上述信号值，则如图3的(c)，能够掌握在特殊地点的外部干扰引起的后向散射信号的大小变化。因此，信号处理部50可同时测定是否对共计m个地点施加外部干扰。
并且，信号处理部50可通过按脉冲列比较从存储器读取的信号值，来掌握外部干扰的频率特性，并且，通过按各位置xi比较信号值，来了解外部干扰的产生位置和大小。
但是，通常由后向散射的光的干涉脉冲的外部干扰引起的大小变化较小，因此，为了提高信噪比(SNR)，以在适当的时间内将存储于存储器的每脉冲列次序的信号值平均化的方式分析信号。在平均时间长的情况下，可能难以测定高频率变化，而在平均时间短的情况下，由于信噪比变差，因而这要考虑外部干扰的大小和频率来决定。
并且，信号处理部50对在没有外部干涉的情况下，在预设定的时间内对存储于存储器的信号值进行平均化的值和在施加外部干扰的期间，在预设定的时间内对存储于存储器的信号值进行平均化的值进行比较，由此能够判断是否施加外部干扰。
图8为表示本发明另一实施例的干涉仪型光纤干扰检测装置的结构的结构图。
图8为了减少由光信号发生部10所生成的光脉冲的强度噪声引起的信噪比的降低，并提高灵敏度(sensitivity)，在图1的光干涉部20中，将光耦合器22替换为3×3光耦合器28。由此，在光耦合器28的中间端口连接光信号发生部10，并且在上述光耦合器28的上下端端口分别连接光接收部42、44。并且，光耦合器28的另一端的上下端端口分别通过长路程24L及短路程24S与光耦合器26的两端口相连接，由此构成光干涉仪。
对当构成如图8的光干涉仪时，提高信噪比及灵敏度的原理进行说明如下。
在中间端口s及上下端端口p1、p2观测由检测光纤30的任意点(x地点)后向散射的光引起的干涉信号的情况下，其强度变化如以下公式。
IS＝I0(1+cosΔΦ(x))
Ip1＝I0(1+cos(ΔΦ(x)-2π/3))
Ip2＝I0(1+cos(ΔΦ(x)+2π/3))
在此，I0为与检测光纤30的x地点所后向散射的光的强度成正比的量，△Φ(x)为SL脉冲与LS脉冲经由x地点时的相位差。
三个干涉信号的光强度在相互之间产生2π/3(120度)的相位差，并且，各信号的相位差的信号的强度如图9所示。
求得在与上下端端口相连接的光接收部42、44所观测到的信号之差和信号值之和如以下公式。
I p 1 - I p 2 = 3 I 0 sin ΔΦ ( x )
Ip1+Ip2＝I0(2-cosΔΦ(x))
若利用从在光接收部42、44观测到的信号之差求得相位差△Φ(x)，则可以去除基本存在的通常的光时域反射仪信号(图4的a)SS信号、b)LL信号)，由此能够减少光源的强度噪声引起的影响。并且，Ip1、Ip2根据相位差，其强度向反方向发生变化，因此具有提高灵敏度(准确地为比例因子(scale factor))的效果。
若信号之差(Ip1-Ip2)除以信号值和(Ip1+Ip2)，并将信号标准化，则可以求得与光的强度I0无关的相位差的公式。
上述的本发明的优选实施例仅用于例示，只要是说书领域技术人员就能通过附加的发明要求保护范围的技术思想和范围进行多种修改、变更、代替及附加，而这种修改、变更等应视为属于发明要求保护范围。
在上述实施例中，还可以在光干涉部20的一路程包括相位调节器，使得按不同时间段进行相位调节的SL脉冲和LS脉冲的相位变得不同，由此提高信噪比。
即，可通过使用相位调制器进行正弦波形态的相位调制，并将此重新解调或分析相位调制谐波(harmonic)成分的方式提高信噪比。或者，若以SL脉冲和LS脉冲经过的瞬间在两信号产生π/2的规定的相位差的方式驱动相位调制器，则由于干涉信号位于正交相位(quadraturephase)，因而可以提高敏感度。
并且，在光干涉部20的某一路程或在光信号发生部10与光干涉部之间还包括消偏器，由此能够去除光信号的偏光依赖性。
并且，上述实施例虽然说明了信号处理部50将由光接收部40所接收的信号均存储于存储器，并对此进行正常分析的情况，但在这种情况下，由于执行不必要的数据存储及分析，因而有可能并不有效。由于与后向散射的大小相比，检测光纤30的末端的菲涅耳反射大小非常大，因此，在向检测光纤30施加外部干扰的期间，菲涅耳反射信号的变化可以被容易地测定。因此，可使信号处理部50仅存储在检测光纤30的末端的菲涅耳反射信号发生变化的情况下所接收的干涉信号，或者对相应的信号进行精密分析。即，优选地，为了有效的测定结果管理及详细信号分析，可将检测光纤30的末端的菲涅耳反射信号使用为触发信号、确认是否产生活动的信号、警报信号、活动产生地点及性格的精密信号分析开始信号等。
产业上的可利用性
本发明能够更加容易地确认侵入人员是否侵入及侵入地点、侵入对象，并能以更好的高灵敏度执行结构物的破坏监视或预测。

Claims (30)

1.一种干涉仪型光纤干扰检测装置，其特征在于，包括：
检测光纤，用于检测外部干扰；
光信号发生部，用于输出脉冲形态的光信号；
光干涉部，向上述检测光纤输出将从上述光信号发生部输出的光信号分割并沿着不同长度的光程行进后结合而成的检测光信号，并输出将从上述检测光纤返回的检测光信号分割并沿着不同长度的光程行进后结合而成的干涉检测信号；
光接收部，将从上述光干涉部输出的上述干涉检测光信号转换为电信号并输出；以及
信号处理部，分析从上述光接收部输出的电信号，掌握向上述检测光纤施加的外部干扰的位置及种类。
2.根据权利要求1所述的干涉仪型光纤干扰检测装置，其特征在于，上述检测光纤是强化了瑞利后向散射的光纤。
3.根据权利要求1所述的干涉仪型光纤干扰检测装置，其特征在于，上述检测光纤包括由FC/{C连接器相连接的多个光纤线缆。
4.根据权利要求1所述的干涉仪型光纤干扰检测装置，其特征在于，上述检测光纤包括利用光纤光栅的反射点。
5.根据权利要求1所述的干涉仪型光纤干扰检测装置，其特征在于，上述检测光纤为保偏光纤。
6.根据权利要求1所述的干涉仪型光纤干扰检测装置，其特征在于，上述光信号发生部包括无偏光光源。
7.根据权利要求1所述的干涉仪型光纤干扰检测装置，其特征在于，上述光信号发生部包括选自激光二极管、超辐射发光二极管、利用掺铒光纤的放大自发辐射光源及发光二极管中的一种光源。
8.根据权利要求1所述的干涉仪型光纤干扰检测装置，其特征在于，上述光信号发生部的光源为短波长光源。
9.根据权利要求1所述的干涉仪型光纤干扰检测装置，其特征在于，上述光干涉部包括：
第一光耦合器，将从上述光信号发生部输入的光信号分割并沿着不同长度的光程输出，将从上述不同长度的光程输入的光信号结合并向上述光接收部输出；以及
第二光耦合器，将从上述不同长度的光程输入的光信号结合并向上述检测光纤输出，将从上述检测光纤输入的光信号分割并沿着上述不同长度的光程输出。
10.根据权利要求9所述的干涉仪型光纤干扰检测装置，其特征在于，上述第一光耦合器为一侧的两端口与上述光信号发生部及上述光接收部相连接且另一侧的两端口与上述不同长度的光程相连接的2×2光耦合器。
11.根据权利要求9所述的干涉仪型光纤干扰检测装置，其特征在于，上述第一光耦合器为一侧的中间端口与上述光信号发生部相连接、上述一侧的上下端端口与第一光接收部及第二光接收部相连接且另一侧的上下端端口与上述不同长度的光程相连接的3×3光耦合器。
12.根据权利要求10或11所述的干涉仪型光纤干扰检测装置，其特征在于，上述第二光耦合器为一侧的两端口与上述不同长度的光程相连接且另一侧的一端口与上述检测光纤相连接的2×2光耦合器。
13.根据权利要求13所述的干涉仪型光纤干扰检测装置，其特征在于，上述不同长度的光程的程差比上述光信号的脉冲长度长。
14.根据权利要求1所述的干涉仪型光纤干扰检测装置，其特征在于，还包括消偏器，该消偏器设在上述光干涉部的一路程或上述光信号发生部与上述光干涉部之间。
15.根据权利要求1所述的干涉仪型光纤干扰检测装置，其特征在于，在上述光干涉部的一路程还包括相位调制器。
16.根据权利要求1所述的干涉仪型光纤干扰检测装置，其特征在于，上述信号处理部在将上述检测光纤的距离划分为多个区间之后，按光信号的脉冲次序对从各区间后向散射并由上述光接收部接收的信号值进行采样，并存储于存储器。
17.根据权利要求16所述的干涉仪型光纤干扰检测装置，其特征在于，上述信号处理部通过按上述检测光纤的距离按每个脉冲依次读取存储于上述存储器的信号值，掌握在特定地点的外部干涉引起的后向散射信号的大小变化，来判断是否向被划分为上述多个区间的地点施加了干扰。
18.根据权利要求16所述的干涉仪型光纤干扰检测装置，其特征在于，上述信号处理部按脉冲列比较存储于存储器的信号值，来掌握外部干扰的频率特性。
19.根据权利要求16所述的干涉仪型光纤干扰检测装置，其特征在于，上述信号处理部按被划分为上述多个区间的位置比较存储于上述存储器的信号值，来掌握外部干扰的产生位置和大小。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的干涉仪型光纤干扰检测装置，其特征在于，上述信号处理部在预设定的时间内对存储于上述存储器的信号值进行平均化。
21.根据权利要求20所述的干涉仪型光纤干扰检测装置，其特征在于，上述信号处理部对在没有外部干涉的期间在预设定的时间内对存储于上述存储器的信号值进行平均化的值和在施加外部干扰的期间在预设定的时间内对存储于上述存储器的信号值进行平均化的值进行比较，来判断是否施加了外部干扰。
22.根据权利要求17至19中任一项所述的干涉仪型光纤干扰检测装置，其特征在于，只有当在上述检测光纤的末端生成的菲涅耳反射信号发生变化的情况下，上述信号处理部才判断是否施加了外部干扰、掌握外部干扰的频率特性或掌握外部干扰的产生位置和大小。
23.一种干涉仪型光纤干扰检测方法，其特征在于，包括：
第一步骤，分割脉冲形态的光信号，使得被分割的光信号通过具有不同长度的光程行进；
第二步骤，结合沿着上述不同长度的光程行进的光信号，并向检测光纤输出；
第三步骤，分割从上述检测光纤返回的检测光信号，使得被分割的检测光信号沿着不同长度的光程行进；
第四步骤，结合沿着上述不同长度的光程行进的上述检测光信号，来生成干涉检测光信号；以及
第五步骤，分析上述干涉检测光信号，来掌握向上述检测光纤施加的外部干扰的位置及种类。
24.根据权利要求23所述的干涉仪型光纤干扰检测方法，其特征在于，上述第一步骤中，在对上述光信号进行双分割之后，使被分割的光信号沿着具有比上述光信号的脉冲长度长的路程差的不同的光程行进。
25.根据权利要求23或24所述的干涉仪型光纤干扰检测方法，其特征在于，上述第三步骤中，在对从上述检测光纤返回的上述检测光信号进行双分割之后，使被分割的检测光信号按逆向沿着不同的光程行进。
26.根据权利要求23所述的干涉仪型光纤干扰检测方法，其特征在于，对在上述第一步骤沿着短光程行进之后在上述第三步骤沿着长光程行进的光信号和对在上述第一步骤沿着长光程行进之后在上述第三步骤沿着短光程行进的光信号追加产生规定的相位差。
27.根据权利要求23所述的干涉仪型光纤干扰检测方法，其特征在于，上述第五步骤中，在将上述检测光纤距离划分为多个区间之后，按光信号的脉冲次序对从各区间后向散射的信号值进行采样并存储，之后按上述检测光纤的距离按每个脉冲依次读取所存储的信号值，来掌握特定地点的外部干涉引起的后向散射信号的大小变化，从而判断是否向被划分为上述多个区间的地点施加了外部干扰。
28.根据权利要求23所述的干涉仪型光纤干扰检测方法，其特征在于，上述第五步骤中，在将上述检测光纤的距离划分为多个区间之后，按光信号的脉冲次序对从各区间后向散射的信号值进行采样并存储，之后读取所存储的信号值，并按脉冲列进行比较，来掌握外部干扰的频率特性。
29.根据权利要求23所述的干涉仪型光纤干扰检测方法，其特征在于，上述第五步骤中，在将上述检测光纤的距离划分为多个区间之后，按光信号的脉冲次序对从各区间后向散射的信号值进行采样并存储，之后读取所存储的信号值，并按被划分为上述多个区间的位置进行比较，来掌握外部干扰的产生位置和大小。
30.根据权利要求27至29中任一项所述的干涉仪型光纤干扰检测方法，其特征在于，上述第五步骤中，在预设定的时间内对采样并存储的上述信号值进行平均化。
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