CN104751585A - 一种光纤围栏单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤围栏单元，包括光源、光电转换模块，其特征在于：还包括3×3双向单模光纤耦合器、监控光纤回路和延时光纤回路；所述监控光纤回路铺设于监控区域周界；所述3×3双向单模光纤耦合器分光比为1:1:1，其输入端分别连接光源、监控光纤回路的一端、光电转换模块，输出端分别连接监控光纤回路的另一端以及延时光纤回路的两端。本发明解决了现有光纤围栏单元结构复杂、信号强度弱、灵敏度不高、信噪比低的技术问题，在分布式光纤传感监控等应用领域具有广泛的实用前景。

Description

一种光纤围栏单元

技术领域

本发明属于安全监测领域，具体涉及一种全光纤周界围栏中的光纤围栏单元。

背景技术

对军事基地、领使馆、大型工厂、煤矿、电厂、石油管线等进行安全监测，是保证国防安全、社会安定、经济快速发展的一个基本要求。全光纤周界围栏属于分布式光纤传感技术的一种典型应用，采用的光纤传感器具有将传输与传感煤质合而为一的特点，沿布设路径上的光纤可全部成为敏感元件。全光纤周界围栏通过光纤围栏单元特殊的光路设计，使两束光在时间上发生延时，形成干涉，再通过后期处理解调出携带的扰动信息，结构简单、灵敏度高、抗电磁干扰，易于实现分布式传感监测，是现代周界安防的发展趋势。

利用干涉原理进行光纤围栏单元光路设计方面，目前的代表性技术的有Sagnac技术、Michelson技术和Mach-Zehnhar技术。

Sagnac光纤干涉的基本结构是将耦合器的输出端相连接，基本原理是利用同一光纤环中沿相反方向前进的两光波，在外界因素影响下产生不同的相移。如果采用Sagnac干涉方式，缺点有：(1)由于外围光纤环形对称，传感系统会以对称形式感受到物理入侵，顺时针和逆时针的光受到相同的相位改变，造成传感信号抵消，发生互易效应，致使无传感信号的输出，容易产生误报；(2)若需避免互易效应，就需在布设光纤时，将其中一路进行扰动隔离或者采用其他技术，这将造成系统成本大大提高，实现难度增大；(3)对解调电路的要求很高，必须对光源进行调制，或者对解调光路进行扫频解调。

Miehelson光纤干涉的基本原理是光源发出的光，经耦合器分为两路，分别入射到传感光纤和参考光纤，传感光纤和参考光纤的反射光在耦合器处叠加，产生干涉效应。缺点有：(1)是利用光纤反射光进行干涉测量，因此其信号较微弱；(2)该技术要求相干长度大于光学回路的长度，在长距离测量时，需要相干度极高的光源，这就对光源的制作要求很高；(3)需要利用复杂的解调技术进行相位解调。

Mach-Zehnder干涉是一种基于相位干涉的方案，采用两个耦合器，其中一端发出的光，经第一个耦合器后进入两根长度基本相同的单模光纤，两光纤输出的光在第二个耦合器处发生干涉。由于光路的对称性，由另一段发出的光，也可以在第一个耦合器处发生干涉。主要缺点信噪比问题：(1)由于Mach-Zehnder干涉技术中，光是分经两根光纤进行传播的，因此温度等环境的变化作用于传感光纤上，会引起传输光相位的变化，从而使系统的信噪比降低；(2)加强激光功率，可以适当提高信噪比，但是光纤的瑞利散射及其它非线性效应也可能会降低信噪比。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种光纤围栏单元，解决了现有光纤围栏单元结构复杂、信号强度弱、灵敏度不高、信噪比低的技术问题。

本发明的技术方案如下：

一种光纤围栏单元，包括光源、光电转换模块，还包括3×3双向单模光纤耦合器、监控光纤回路和延时光纤回路；所述监控光纤回路铺设于监控区域周界；所述3×3双向单模光纤耦合器分光比为1:1:1，其输入端分别连接光源、监控光纤回路的一端、光电转换模块，输出端分别连接监控光纤回路的另一端以及延时光纤回路的两端。

作为优选方案，所述监控光纤回路由传感光缆中的两根光纤的一端熔接而成。

作为优选方案，所述传感光缆为特殊结构的两芯光缆。

作为优选方案，所述光源为中心波长与3×3双向单模光纤耦合器工作波长一致的激光光源或LED光源。

本方案所述的光纤围栏单元具有如下技术效果：只采用了一个3×3双向单模光纤耦合器，使单元结构简单、可靠；进行干涉的信号是两路同等信号叠加，可增加信号的强度，使系统灵敏度高；干涉光是在同等路径的光纤中传播的，因此，在没有扰动的情况下，其光程是一样的，只是在扰动时间上有差别，所以，其信噪比较高；此外，单元布设简单，容易实现，对光源的相干度要求也不高，解调也相对简单。

附图说明

图1为光纤围栏单元结构示意图

图2为光纤围栏单元监控光路扰动模型

具体实施方式

为使得本领域技术人员更易于理解本发明的技术方案，对本发明的光纤围栏单元的结构和工作原理进行说明。

光纤围栏单元包括光源1、光电转换模块2、3×3双向单模光纤耦合器3、监控光纤回路4和延时光纤回路5。按照图1所示的连接关系，3×3双向单模光纤耦合器3分光比约1:1:1，其输入端分别为A1、A2、A3,其输出端分别为B1、B2、B3。监控光纤回路4铺设于监控区域周界，回路两端分别为J1、J2。延时光纤回路两端分别为Y1、Y2。3×3双向单模光纤耦合器3输入端A1、A2、A3分别连接光源、监控光纤回路的J1端、光电转换模块，输出端B1、B2、B3分别连接监控光纤回路的J1端以及延时光纤回路的两端Y1、Y2。

光纤围栏单元所需测量的是监控光纤回路4附近的扰动。下列两条光路因未经过扰动，未携带传感光纤信号，不形成干涉。第一条光路是入射光线经耦合器A2、B2，经延时光纤Y1、Y2，经耦合器B3、A3，最后至光电转换模块；另一条光路是入射光线经耦合器经A2、B3，经延时光纤Y2、Y1，经耦合器B2、A3，最后至光电转换模块。

下列两条光路经过耦合器3次，光强分别为原来的1/27，但是这两路光仅仅是通过延时光纤的方向不同，所以两路光是完全等效的可以合并，合并后光强为入射光强的2/27。第一条光路是入射光线经耦合器A2、B1，经过监控光纤J2、J1，经耦合器A1、B2，经延时光纤Y1、Y2、经耦合器B3、A3,最后至光电转换模块；另一条光路是入射光线经耦合器A2、B1，经过监控光纤J2、J1，经耦合器A1、B3，经延时光纤Y2、Y1、经耦合器B2、A3,最后至光电转换模块。

其他光路的光线都是3次以上经过耦合器，虽然存在可以形成干涉的成对光，但是强度太小，可以忽略不计。

这里通过建立图2中光纤围栏单元监控光路扰动模型，来分析系统传感光路的工作及定位方式。需要说明的是，为了使监控光缆的两根光纤构成环路，本实施例选用传感光缆中的两根光纤，在光缆的尾端将两根光纤熔接，构成回路，这样既方便了传感光缆的布设，提高了光路的稳定性，又可以使相干光两次经过扰动点的调制。

设从传感光缆J1到J2光路总长l₀＝2(l+L)。现在分析形成干涉的两路光：一路为从J1到J2的光，一路为从J2到J1的光。则有如下式1成立：

$T=\frac{n_{\mathrm{eff}}(l_0-2l)}{c}=\frac{2n_{\mathrm{eff}}L}{c}---\left(1\right)$

其中，T为从D到光缆尾端后再返回D所用的时间,n_eff为光纤的有效折射率，L为从扰动点到光纤熔接尾端的距离，l为从耦合器输入端到扰动点的距离，c代表真空中光速。普遍情况下，D点的扰动可以分解为多个正弦频率的扰动的叠加。现在分析其中频率为ω的扰动。因为光弹效应与扰动成正比，所以如下式2：

φ(t)＝φ₀sinωt             (2)

其中，φ(t)为某时刻t(表示某一时刻)由于光弹效应而产生的光相位移动,φ₀,ω为扰动源和光纤特性相关的常量。由于两束相干光都两次经过了调制，前者在t和t+T时刻，后者在t+τ和t+τ+T时刻，T为从扰动点D到光缆尾端后再返回D所用的时间，τ为从扰动点D到3×3双向单模光纤耦合器经过延时光纤再回到扰动点D所用时间，则有如下式3：

△φ(ω,t)＝φ₀{sin[ω(t+τ+T)}+sin[ω(t+τ)]}-φ₀{sinωt+sin[ω(t+T)]}

$=4{\mathrm{\φ}}_0\left[\sin \frac{\mathrm{\ω\τ}}{2}\cos \frac{\mathrm{\ωT}}{2}\cos \mathrm{\ω}(t+\frac{\mathrm{\τ}+T}{2})\right]---\left(3\right)$

其中，△φ(ω,t)为由扰动引起的干涉系统中的光的相移。式3中仅考虑了频率为ω的扰动，若要考虑所有频率的扰动，由于实施的扰动是可以叠加的，因而得到下式4：

$\mathrm{\φ}\left(t\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i\×\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_i(\mathrm{\ω},t)---\left(4\right)$

其中，φ(t)为总的相移,△φ_i(ω,t)为式3中的△φ(ω,t),m_i是由频率为ω的扰动信号幅度大小决定的一个加权系数，不影响最后结论。

设P(ω,t)为光纤耦合器的输出端口得到的随时间变化的输出功率，A为与输入光功率大小有关的一个常量，Ψ为整个系统的初始相位,也可视为常数。因此，输出的交流分量只与干涉系统中的相移φ(t)有关。可以得到如下式5:

P(ω,t)＝A{1+cos[Ψ+φ(t)]}        (5)

对式5作泰勒级数展开并取前两项，得如下式6:

P(ω,t)＝A[1+cosΨ-sinΨsinφ(t)]

＝A[1+cosΨ-sinΨφ(t)]

＝A(1+cosΨ)-AsinΨφ(t)           (6)

对照式3、式4、式6，即得到光电探测器模块的光功率P(ω,t)与D点扰动的关系式。它是一个与时间t和扰动频率ω有关的二元函数，因此存在时域谱和频域谱。

由式3可知，当时，频域谱上与频率ω相关的光强度其交流量始终为0。在频域谱上表现为对应的该特征扰动频率ω对应的光强度明显小于周边频率对应的光强，存在频率缺失点。对分两种情况讨论：

(1)情况一：当时，(式中k为自然数)；则得如下式7：

$\frac{\mathrm{\ω}}{2\mathrm{\π}}=\frac{2k-1}{2T}---\left(7\right)$

将式1代入式7，引入特征频率f_null(k)，则可以得到一系列的频率值的式8：

$f_{\mathrm{null}}\left(k\right)=\frac{\mathrm{\ω}}{2\mathrm{\π}}=\frac{2k-1}{2T}$

$=\frac{2k-1}{2}\×\frac{c}{2n_{\mathrm{eff}}L}---\left(8\right)$

由此可见，与扰动点位置相关的L与特征频率密切相关，可以表示为下式9：

$L=\frac{(2k-1)c}{4n_{\mathrm{eff}}{f}_{\mathrm{null}}}---\left(9\right)$

(2)情况二：当时，频率同样存在“陷波点”。但是它只与τ相关，它的存在干扰了我们对实际扰动引起的“陷波点”的判断，这不是我们需要的。我们可以通过减少延迟光纤的长度，让τ取得很小，这样与其对应的f(1)就非常大，在频谱上就是相对应的陷波点频率位置远离零点，这样就可以避免干扰f_null(k)。

Claims (4)

1.一种光纤围栏单元，包括光源、光电转换模块，其特征在于：还包括3×3双向单模光纤耦合器、监控光纤回路和延时光纤回路；所述监控光纤回路铺设于监控区域周界；所述3×3双向单模光纤耦合器分光比为1:1:1，其输入端分别连接光源、监控光纤回路的一端、光电转换模块，输出端分别连接监控光纤回路的另一端以及延时光纤回路的两端。

2.如权利要求1所述的光纤围栏单元，其特征在于所述监控光纤回路由传感光缆中的两根光纤的一端熔接而成。

3.如权利要求2所述的光纤围栏单元，其特征在于所述传感光缆为特殊结构的两芯光缆。

4.如权利要求1至3中任1项所述的光纤围栏单元，其特征在于所述光源为中心波长与3×3双向单模光纤耦合器工作波长一致的激光光源或LED光源。