CN107230307A - 一种基于3×3耦合器方案的全光纤干涉型周界安防系统 - Google Patents
一种基于3×3耦合器方案的全光纤干涉型周界安防系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及光纤传感及周界安防领域，具体的说是一种基于3×3耦合器方案的全光纤干涉型周界安防系统，其特征在于包括多波长单频激光发射单元(1)、光源防护单元(2)、波长复用单元(3)、脉冲调制单元(4)、功率放大器(5)、功率分配器(6)、空分传感阵列(7)、前置放大单元(8)、波长解复用单元(9)、干涉匹配单元(10)、光电转换与解调单元(11)、显示及控制单元(12)，其中空分传感阵列(7)包含传输光缆(701)及波分传感阵列(702)，每组波分传感阵列(702)包含多组波长删复用器(7021)、波长增复用器(7022)与干涉仪(7023)，每支干涉仪(7023)对应一个单频光源波长，波长删复用器(7021)的COM端口为输入端口。
Description
技术领域：
本发明涉及光纤传感及周界安防领域，具体的说是一种基于3×3耦合器方案的全光纤干涉型周界安防系统。
背景技术：
以光纤传感技术为基础的周界安防系统是随着光纤通信技术的发展而逐步发展起来的一种新型周界防入侵技术。与其它类型的监控技术相比,光纤传感技术具有显著的特点。光纤传感以光纤为媒介,光波为信息载体,利用光纤的一维空间连续特性来感知和传输外界测量信号,整个光纤长度上任一点都是敏感点,沿光纤链路不存在检测盲区。光纤既是传感媒质,又是传输介质,使得传感系统的结构也大为简化。光纤本身电绝缘,抗电磁干扰,耐高温高压,耐化学腐蚀,布设灵活,因此适用于各种空间环境,并特别适用于易燃、易爆、强电磁干扰等恶劣环境。此外,光纤传感技术,能与现代通信设备高度融合,易于组建大范围长距离的网络型传感,从而更有利于实现周界安防探测系统。
光纤周界安防系统按照原理分类有强度型、偏振型、相位干涉型等，其中相位干涉型光纤周界安防系统因其灵敏度高、测量精度高而得到最广泛的应用。相位干涉型光纤周界安防系统根据其具体解调方式又可划分为可以准确定位的型、型以及可以按照防区定位的Michelson(M-Z)干涉仪型。定位型光纤周界安防系统依赖光纤中的瑞利散射信号作为信号解调的原始信号，瑞利散射强度比入射信号低50dB以上，属于弱信号探测领域，对光学系统噪声、放大能力及信号采集系统的采样精度及硬件要求提出了非常高的要求，因此也造成了系统成本居高不下，限制了该方案的进一步推广应用。目前防区型光纤周界安防系统虽然采用了干涉的方式，提高了入侵探测的灵敏度，且有成本优势，但由于解调方式的限制，仅能够分析入侵信号的频率及强度信息，并未对相位信息进行完整解调，造成解调信号与实际入侵信号的相关度偏低，在实际应用中会引起大量误报警，漏报警现象的出现，在对安全级别及准确度要求较高的场合，该种方案的应用受到了较大限制。
发明内容：
本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种可以在降低系统成本的前提下实现大于64防区入侵、振动信号的实时在线监测，且能够实现大动态范围信号探测及入侵完整信息还原，大大提高可探测信号的范围及探测准确度，降低甚至消除误报及漏报现象的基于3×3耦合器方案的全光纤干涉型周界安防系统。
本发明通过以下措施达到：
一种基于3×3耦合器方案的全光纤干涉型周界安防系统，其特征在于包括多波长单频激光发射单元(1)、光源防护单元(2)、波长复用单元(3)、脉冲调制单元(4)、功率放大器(5)、功率分配器(6)、空分传感阵列(7)、前置放大单元(8)、波长解复用单元(9)、干涉匹配单元(10)、光电转换与解调单元(11)、显示及控制单元(12)，其中空分传感阵列(7)包含传输光缆(701)及波分传感阵列(702)，每组波分传感阵列(702)包含多组波长删复用器(7021)、波长增复用器(7022)与干涉仪(7023)，每支干涉仪(7023)对应一个单频光源波长，波长删复用器(7021)的COM端口为输入端口，透射端口连接干涉仪(7023)的输入端，反射端口连接下一个波长删复用器的COM端口，依次类推；干涉仪(7023)的输出端连接相应波长增复用器(7022)的透射端，波长增复用器(7022)的反射端连接前一个波长增复用器的COM端，依次类推；每一组波长增/删复用器对应一支干涉仪；多波长单频激光发射单元(1)输出不同波长的连续光信号，光信号进入通道数与输出波长数目相等的光源防护单元(2)，光源防护单元(2)的输出端口分别与波长复用单元(3)的相应输入端口相连接，波长复用单元(3)将不同波长的光信号耦合进同一根光纤并输入脉冲调制单元(4)，脉冲调制单元(4)将波分复用后的连续光信号调制成具有一定脉冲宽度的脉冲信号并输入功率放大器5进行放大，经放大后的脉冲光信号输入功率分配器(6)，功率分配器(6)的输出通道数目与空分传感阵列(7)中的波分传感阵列(702)的数量相等，每组波分传感阵列(702)按照其对应的传感光纤长度不同依次排列，波分传感阵列内部的干涉仪(7023)也按照其传感臂光纤的长度依次排列构成不同的入侵振动传感防区，每支干涉仪探测到本防区内部的振动与入侵信号后返回前置放大单元(8)，前置放大单元(8)将各波分传感阵列返回的信号分别进行放大后并输入波长解复用单元(9)，波长解复用单元(9)将不同空分对应不同波长的信号分别输入干涉匹配单元(10)，干涉匹配单元(10)将不同波分不同空分对应的干涉仪两臂的脉冲信号进行匹配并干涉；干涉匹配单元(10)将所有干涉仪对应的干涉信号输出至光电转换与解调单元(11)，解调单元(11)对干涉信号进行光电转换并解调还原出信号的振动强度、频率及相位等信息，经由显示及控制单元(12)完成解调信号的显示及参数设置。
本发明所述的多波长单频激光发射单元(1)可以输出以C34通道(1550.12nm)为中心,间隔为100GHz(0.8nm)，每通道功率小于10dBm,线宽小于10KHz的光信号，最多输出波长通道数不大于8，输出光纤类型可以是G.652D普通单模光纤，也可以是保偏光纤。
本发明所述的光源防护单元(2)为与多波长单频激光发射单元(1)输出波长数目相等的光纤隔离器，其特征为：带宽为1550±15nm,峰值隔离度不小于50dB,插入损耗小于0.7dB,偏振相关损耗不大于0.1dB,回波损耗小于55dB,最大功率为500mW,输入输出光纤类型为G.652D普通单模光纤，与多波长单频激光发射单元1以及波长复用单元3之间的连接方式为法兰盘连接，接头类型可以是FC/APC,SC/APC,PC/APC或E2000。
本发明所述的波长复用单元(3)工作波长数目与多波长单频激光发射单元(1)输出波长数目相同且一一对应，且中心波长精度小于正负0.1nm,插入损耗小于4dB,且各通道间隔离度不低于30dB。
本发明所述的脉冲调制单元(4)为光纤声光调制器，其工作波长为1550±30nm,工作频率低于120MHz，消光比大于55dB,光脉冲上升时间小于50ns，脉冲抖动小于5ns,光纤类型为G.652D普通单模光纤。
本发明所述的功率放大器(5)为EDFA掺铒光纤功率放大器，输入波长范围为1528nm～1563nm,输入光功率小于-5～5dBm,输出功率0～13dBm可调。输入隔离度大于40dB，噪声指数小于4.5dB。
本发明所述的功率分配器(6)为PLC光分路器或FBT熔融拉锥耦合器，分光形式为1×N(N≤64且与空分传感阵列7中的波分传感阵列数目一致)，工作波长为1260～1650nm，插损不大于20dB,偏振相关损耗低于0.3dB,回波损耗低于55dB。
本发明所述的空分传感阵列(7)为若干组传输光缆(701)及其对应波分传感阵列(702)的组合，波分传感阵列(702)的数目与功率分配器(6)的通道数目N一致，每组波分传感阵列(702)的结构完全相同，均包含多组波长删复用器(7021)，波长增复用器(7022)与干涉仪(7023)，其中波长增/删复用器为同一类器件，仅根据使用方式及功能不同区分，其特征为工作波长与多波长单频激光发射单元(1)的波长一一对应，且中心波长精度为±0.1nm,波长规格标准满足ITU要求，信号通频带(@-0.5dB带宽)大于0.6nm,透射端插入损耗小于1dB,反射端插入损耗小于0.6dB,信道平坦度小于0.4dB,透射端隔离度大于30dB,反射端隔离度大于15dB,偏振相关损耗小于0.1dB。干涉仪7023可以是迈克尔逊干涉仪也可以是马赫—泽德干涉仪。如为迈克尔逊干涉仪，波长删复用器7021连接的是一支2×2耦合器，其两输出端分别连接两个法拉第旋转镜，其另外一个输入端连接波长增复用器7022的透射端；2×2耦合器到法拉第旋转镜的光纤，也即光纤干涉仪的参考臂长度即为对应防区的长度，2Km～10Km不等，信号臂比参考臂长度长，臂长差为1～50米不等；具体封装形式为：2×2耦合器与波长增/删复用器共同封装在一个防水、隔热、抗震的密闭盒子中，两支法拉第旋转镜及信号臂冗余光纤与其后一组波长增/删复用器及其相应的2×2耦合器封装在同种盒子中，盒子材料为ABS工程塑料，依次类推，2×2耦合器工作波长为1550±15nm,输出插损小于3.4dB；法拉第旋转镜中心波长为1550nm,带宽±15nm,旋转角度双向90°，插入损耗小于0.5dB，耦合器与法拉第旋转镜的光纤类型均为G.652D普通单模光纤，如为马赫-泽德干涉仪，则波长删复用器7021连接的是一支1×2耦合器，其两输出端分别连接一支2×1耦合器的两输入端，该2×1耦合器的输出端连接波长增复用器7022的透射端，1×2耦合器与2×1耦合器为同类器件，仅根据信号输入输出方向以示区分。两支耦合器之间的连接光纤分别为干涉仪的信号臂及参考臂，其中参考臂的长度与该干涉仪对应的防区长度一致，根据防区的不同从2Km～10Km不等，信号臂比参考臂长度长，臂长差为1～50米不等；具体封装形式为：1×2耦合器与波长删复用器共同封装在一个防水、隔热、抗震的密闭盒子中，2×1耦合器与其对应的波长增复用器、其后一组波长删复用器及信号臂冗余光纤封装在同种盒子中，盒子材料为ABS工程塑料，依次类推，1×2耦合器工作波长为1550±15nm,输出插损≤3.4dB。不同组波分传感阵列间的区别在于其传输光缆701的长度不同，后一条波分传感阵列前的传输光缆长度与前一条波分传感阵列的长度相同，波分传感阵列内部不同干涉仪之间的距离取决于干涉仪参考臂的臂长，也即该防区长度。
本发明所述的前置放大单元(8)为多块前置放大器(Pre-EDFA)的组合，其数量与空分传感阵列(7)中波分传感阵列(702)的数量相同且每一块前置放大器的输入端口与其对应的波分传感阵列(702)的输出端口相连接。每块前置放大器为针对弱信号优化的前置掺铒光纤放大器(Pre-EDFA)，其工作波长范围为1520～1560nm，输入光功率范围为-40～-10dBm,等效噪声系数小于-3dB,典型增益小于16dB,输入端、输出端隔离度均大于30dB。
本发明所述的波长解复用单元(9)包含多块波长解复用器，波长解复用器与波长复用单元(3)为同种器件，仅根据使用方式不同区分。且波长解复用器的数量与空分传感阵列(7)中波分传感阵列(702)的数量一致。
本发明所述的干涉匹配单元10为一组3×3匹配干涉仪的组合，3×3匹配干涉仪的数量与波长解复用单元(9)的输出通道数一致，其具备一个输入端口1001及三个输出端口1002,1003,1004，每个输入端口1001与波长解复用单元(9)的其中一路输出端口相连接，且1001端口对应其内部光纤环形器的1端口，光纤环形器的2端口连接3×3耦合器的2输入端口，3×3耦合器的输入端口1,3分别对应1002及1004端口，光纤环形器的3端口对应1003端口，3×3耦合器的4,5端口分别连接一支光纤法拉第旋转镜，且4端口到其所连接的法拉第旋转镜光纤长度为1m,5端口到其所连接的法拉第旋转镜光纤长度比4端口所连接光纤长度长，长度差与干涉仪7023两臂的臂长差相等，3×3耦合器的6端口悬空，不连接任何器件并需要在光纤端面做烧球处理，3×3耦合器的三个输出1002,1003,1004端口分别连接光电转换及解调单元11中的三个连续输入通道并作为该波长解复用单元(9)输出通道的原始待解调信号，其它通道连接方式与此通道一致，3×3耦合器带宽为1550±10nm,通道插入损耗小于6dB,额外损耗小于0.3dB,偏振相关损耗小于0.15dB，光纤类型为G.652D普通单模光纤，法拉第旋转镜与干涉仪7023中的法拉第旋转镜为同类器件。
本发明所述的光电转换及解调单元(11)中的光电转换单元通道数目与波长解复用单元(9)总输出通道数目相同，且光电转换及解调单元(11)的每三个连续通道对应一个3×3匹配干涉仪的三路输出，光电转换及解调单元(11)内部集成了相应数目的通信PIN探测器，PIN探测器工作波长为1100～1600nm,响应度为0.9A/W，暗电流典型值为0.3nA,回波损耗小于-40dB,饱和输入光功率典型值3dBm。光电转换及解调单元(11)内部集成了能够执行3×3解调算法的Altera公司的5系列FPGA芯片及与上位机实现10Gbps通信的VITESSE公司生产的VSC系列PHY芯片。
本发明的3×3解调原理如下：假设每一通道3×3耦合器输出的三路信号分别为V1、V2、V3，可以分别表示为：
V2＝A+B·cosφ(t)
其中φ(t)＝φs+φn，φs为信号，φn为噪声，A、B为常数，与发生干涉的两束光信号强度有关，由上式可知(V1+V2+V3)/3＝A，三路输出信号去除直流量A可得：
分别对上述三个式子进行微分可得：
M＝∑[a·(e-f)+b·(f-d)+c·(d-e)]，
K＝g2+h2+i2，φ(t)＝∫M/K；上式信号通过高通滤波器，滤除环境漂移即可得到待检测信号。
本发明所述的显示及控制单元(12)为显示软件部分，其特征是能够显示波分传感阵列(702)中任一阵元所表示的防区的振动及入侵信号强度、频率及相位信息，同时能够判断振动及入侵行为类型，包括踩踏、敲击、攀爬、剪断及大型设备靠近等。
本发明的有益效果在于：1、本发明采用3×3耦合器解调方案，光源无需进行调制，减小了激光调制过程中模式跳变对系统稳定性的影响，同时，在解调算法中采用三路信号相加后乘以1/3的方式来得到直流分量，因此消除直流分量后系统不受光源变化的影响，对光源的要求相应降低，使系统成本大大降低。2、本发明采用3×3耦合器解调方案，不仅能够解调入侵及振动信号的强度及频率信息，而且能反映信号的相位信息，能够更准确的判断信号的行为特征并作出区分，能够有效避免目前光纤周界安防领域普遍遇到的误报、漏报率偏高的问题。3、本发明采用3×3耦合器解调方案，没有低通滤波器的使用，所以区别于传统的PGC相位解调方案，保留了干涉信号Bessel函数中的高阶小项，系统的动态范围大大提高(大于160dB)，这就使本系统既能够检测微弱扰动信号(振动对应的相移量小于10-6rad)，又可以检测高强度的入侵信息(振动相移量接近103rad),对不同信号的探测适应能力大大提高。4、本发明采用了多种复用方式形成多防区传感阵列，但是放弃了采用时分复用的常规手段，降低了解调系统对于时序的要求，因此对于光电转换与解调单元11中光电探测器的带宽要求也显著降低，使用通信领域PIN探测器即可满足要求，该类型PIN探测器与高带宽探测器成本相差上百倍，在系统光电转换通道数量越来越多的情况下，该方案能够显著降低系统成本。
附图说明：
附图1为本发明的光路结构示意图。
附图2为本发明中空分传感阵列结构示意图。
附图3为本发明中波分传感阵列示意图。
附图4为本发明中波分传感阵列示意图。
附图5为本发明中3×3匹配干涉仪光路。
附图6为本发明中3×3耦合器方案信号解调框架图。
附图标记：多波长单频激光发射单元1，光源防护单元2，波长复用单元3，脉冲调制单元4，功率放大器5，功率分配器6，空分传感阵列7，前置放大单元8，波长解复用单元9，干涉匹配单元10，光电转换与解调单元11，显示及控制单元12，传输光缆701，波分传感阵列702，多组波长删复用器7021，波长增复用器7022，干涉仪7023，多组波长删复用器7021，波长增复用器7022，输入端口1001，输出端口1002,1003,1004。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如附图所示，本发明提供的一种基于3×3耦合器方案的全光纤干涉型周界安防系统包含多波长单频激光发射单元1，光源防护单元2，波长复用单元3，脉冲调制单元4，功率放大器5，功率分配器6，空分传感阵列7，前置放大单元8，波长解复用单元9，干涉匹配单元10，光电转换与解调单元11，显示及控制单元12。其中空分传感阵列7完成振动及入侵信号传感功能，其余部分完成信号探测、放大、波长复用/解复用、干涉匹配、解调、显示控制等功能；空分传感阵列7包含传输光缆701及波分传感阵列702，每组波分传感阵列702包含多组波长删复用器7021，波长增复用器7022与干涉仪7023，每支干涉仪7023对应一个单频光源波长，波长删复用器7021的COM端口为输入端口，透射端口连接干涉仪7023的输入端，反射端口连接下一个波长删复用器的COM端口，依次类推。干涉仪7023的输出端连接相应波长增复用器7022的透射端，波长增复用器7022的反射端连接前一个波长增复用器的COM端，依次类推。每一组波长增/删复用器7021/7022对应一支干涉仪；
多波长单频激光发射单元1输出不同波长的连续光信号，光信号进入通道数与输出波长数目相等的光源防护单元2，光源防护单元2的输出端口分别与波长复用单元3的不同输入端口相连接，波长复用单元3将不同波长的光信号耦合进同一根光纤并输入脉冲调制单元4，脉冲调制单元4将波分复用后的连续光信号调制成具有一定脉冲宽度的脉冲信号并输入功率放大器5进行放大，经放大后的脉冲光信号输入功率分配器6，功率分配器6的输出通道数目与空分传感阵列7中的波分传感阵列702的数量相等。每组波分传感阵列702按照其对应的传感光纤长度不同依次排列，波分传感阵列内部的干涉仪7023也按照其传感臂光纤的长度依次排列构成不同的入侵振动传感防区。每支干涉仪探测到本防区内部的振动与入侵信号后返回前置放大单元8，前置放大单元8将各波分传感阵列返回的信号分别进行放大后并输入波长解复用单元9，波长解复用单元9将不同空分对应不同波长的信号分别输入干涉匹配单元10，干涉匹配单元10将不同波分不同空分对应的干涉仪两臂的脉冲信号进行匹配并干涉。干涉匹配单元10将所有干涉仪对应的干涉信号输出至光电转换与解调单元11，解调单元11对干涉信号进行光电转换并解调还原出信号的振动强度、频率及相位等信息，经由显示及控制单元12完成解调信号的显示及参数设置；
多波长单频激光发射单元1输出不同波长的连续光信号，光信号进入通道数与输出波长数目相等的光源防护单元2，防止光链路上各节点回波对多波长单频激光发射单元1造成干扰或不可逆性损坏。
光源防护单元2的输出端口分别与波长复用单元3的不同输入端口相连接，波长复用单元3将不同波长的光信号耦合进同一根光纤并输入脉冲调制单元4。
脉冲调制单元4将波分复用后的连续光信号调制成具有一定脉冲宽度的脉冲信号。
脉冲光信号进入功率放大器5进行功率放大，弥补光信号调制、传输过程中的光功率损耗，同时需要控制功率放大器5的输出功率，避免空分传感阵列7中出现非线性效应。
功率放大器5的输出端口与功率分配器6的输入端口相连接，功率分配器6的输出通道数目与空分传感阵列7中的波分传感阵列702的数量相等。每组波分传感阵列702按照其对应的传感光纤长度不同依次排列，波分传感阵列内部的干涉仪7023也按照其传感臂光纤的长度依次排列构成不同的入侵振动传感防区。
每支干涉仪探测到本防区内部的振动与入侵信号后返回前置放大单元8，前置放大单元8将各波分传感阵列返回的信号分别进行放大后并输入波长解复用单元9，波长解复用单元9将不同空分对应不同波长的信号分别输入干涉匹配单元10，干涉匹配单元10将不同波分传感阵列对应的干涉仪两臂的脉冲信号进行匹配并干涉。
干涉匹配单元10将所有干涉仪对应的干涉信号输出至光电转换与解调单元11，光电转换与解调解调单元11对干涉信号进行光电转换并解调还原出信号的振动强度、频率及相位等信息，经由显示及控制单元12完成各防区入侵及振动信号的显示及参数配置功能。
本优选实例中，多波长单频激光发射单元2中的单频激光器优选美国RedfernIntegrated Optics inc公司的RIO ORION系列低相位噪声窄线宽激光模块，可以输出以C34通道(1550.12nm)为中心,间隔为100GHz(0.8nm)，每通道功率小于10dBm,线宽小于10KHz的光信号，最多输出波长通道数不大于8，输出光纤类型可以是G.652D普通单模光纤或保偏光纤；光源防护单元2为与多波长单频激光发射单元1波长数目相等的光纤隔离器，带宽为1550±15nm,峰值隔离度不小于50dB,插入损耗小于0.7dB,回波损耗小于55dB,最大功率为500mW,输入输出光纤类型为G.652D普通单模光纤，与多波长单频激光发射单元1以及波长复用单元3之间的连接方式为法兰盘连接，接头类型可以是FC/APC,SC/APC,PC/APC或E2000。波长复用单元3工作波长与多波长单频激光发射单元1输出的波长数目相同且一一对应，中心波长精度小于正负0.1nm,插入损耗小于4dB,各通道间隔离度不低于30dB。脉冲调制单元4为光纤声光调制器，其工作波长为1550±30nm,工作频率低于120MHz，消光比大于55dB,光脉冲上升时间小于50ns,光纤类型为G.652D普通单模光纤。功率放大器5为EDFA掺铒光纤功率放大器，输入波长范围为1528nm～1563nm,输入光功率小于-5～5dBm,输出功率0～13dBm可调。输入隔离度为大于40dB，噪声指数小于4.5dB。功率分配器6为PLC光分路器或FBT熔融拉锥耦合器，分光形式为1×N(N≤64且数量与波分传感阵列数目一致)，工作波长为1260～1650nm，插损不大于20dB,偏振相关损耗低于0.3dB,回波损耗低于55dB。空分传感阵列7为若干组传输光缆701及其对应波分传感阵列702的组合，波分传感阵列702的数目与功率分配器6的通道数目N一致，每组波分传感阵列702的结构完全相同，均包含多组波长删复用器7021，波长增复用器7022与干涉仪7023。其中波长增/删复用器为同一类器件，仅根据使用方式及功能不同区分。其特征为工作波长与多波长单频激光发射单元1的波长一一对应，且中心波长精度为±0.1nm,波长规格标准满足ITU要求，信号通频带(@-0.5dB带宽)＞0.6nm,透射端插入损耗小于1dB,反射端插入损耗小于0.6dB,信道平坦度＜0.4dB,透射端隔离度＞30dB,反射端隔离度大于15dB,偏振相关损耗＜0.1dB。干涉仪7023可以是迈克尔逊干涉仪也可以是马赫—泽德干涉仪。如为迈克尔逊干涉仪，则波长删复用器7021连接的是一支2×2耦合器，其两输出端分别连接两个法拉第旋转镜，其另外一个输入端连接波长增复用器7022的透射端。2×2耦合器到法拉第旋转镜的光纤，也即光纤干涉仪的参考臂长度即为对应防区的长度，2Km～10Km不等，信号臂比参考臂长度长，臂长差为1～50米不等。信号臂长度具体封装形式为：2×2耦合器与波长增/删复用器共同封装在一个防水、隔热、抗震的密闭盒子中，两支法拉第旋转镜及信号臂冗余光纤与其后一组波长增/删复用器及其相应的2×2耦合器封装在同种盒子中，盒子材料为ABS工程塑料，依次类推。2×2耦合器工作波长为1550±15nm,输出插损≤3.4dB。法拉第旋转镜中心波长为1550nm,带宽±15nm,旋转角度双向90°，插入损耗≤0.5dB。耦合器与法拉第旋转镜的光纤类型均为G.652D普通单模光纤。如为马赫-泽德干涉仪，则波长删复用器7021连接的是一支1×2耦合器，其两输出端分别连接一支2×1耦合器的两输入端，该2×1耦合器的输出端连接波长增复用器7022的透射端，1×2耦合器与2×1耦合器为同类器件，仅根据信号输入输出方向以示区分。两支耦合器之间的连接光纤分别为干涉仪的信号臂及参考臂，其中参考臂的长度与该干涉仪对应的防区长度一致，根据防区的不同从2Km～10Km不等，信号臂比参考臂长度长，臂长差为1～50米不等。具体封装形式为：1×2耦合器与波长删复用器共同封装在一个防水、隔热、抗震的密闭盒子中，2×1耦合器与其对应的波长增复用器、其后一组波长删复用器及信号臂冗余光纤封装在同种盒子中，盒子材料为ABS工程塑料，依次类推。1×2耦合器工作波长为1550±15nm,输出插损≤3.4dB。不同组波分传感阵列间的区别在于其传输光缆701的长度不同，后一条波分传感阵列前的传输光缆长度与前一条波分传感阵列的长度相同，波分传感阵列内部不同干涉仪之间的距离取决于干涉仪参考臂的臂长，也即该防区长度。前置放大单元8为多块前置放大器(Pre-EDFA)的组合，其数量与空分传感阵列7中波分传感阵列702的数量一致，且每一块前置放大器的输入端口与其对应的波分传感阵列702的输出端口相连接。每块前置放大器为针对弱信号优化的前置放大器(Pre-EDFA)，其工作波长范围为1520～1560nm，输入光功率范围为-40～-10dBm,等效噪声系数小于-3dB,典型增益小于16dB,输入端、输出端隔离度均大于30dB。波长解复用单元9包含多块波长解复用器，波长解复用器与波长复用单元3为同种器件，仅根据使用方式不同区分。且波长解复用器的数量与空分传感阵列7中波分传感阵列702的数量一致。干涉匹配单元10为一组3×3匹配干涉仪的组合，3×3匹配干涉仪的数量与波长解复用单元9的输出通道数一致，其具备一个输入端口1001及三个输出端口1002,1003,1004，每个输入端口1001与波长解复用单元9的其中一路输出端口相连接，且1001端口对应其内部光纤环形器的1端口，光纤环形器的2端口连接3×3耦合器的2输入端口，3×3耦合器的输入端口1,3分别对应1002及1004端口，光纤环形器的3端口对应1003端口，3×3耦合器的4,5端口分别连接一支光纤法拉第旋转镜，且4端口到其所连接的法拉第旋转镜光纤长度为1m,5端口到其所连接的法拉第旋转镜光纤长度比4端口所连接光纤长度长，长度差与干涉仪7023两臂的臂长差相等。3×3耦合器的6端口悬空，不连接任何器件并需要在光纤端面做烧球处理。3×3耦合器的三个输出1002,1003,1004端口分别连接光电转换及解调单元11中的三个连续输入通道并作为该波长解复用单元9输出通道的原始待解调信号。其它通道连接方式与此通道一致。3×3耦合器带宽为1550±10nm,通道插入损耗小于6dB,额外损耗小于0.3dB,偏振相关损耗小于0.15dB。光纤类型为G.652D普通单模光纤。法拉第旋转镜与干涉仪7023中的法拉第旋转镜为同类器件。光电转换及解调单元11中的光电转换单元通道数目与波长解复用单元9总输出通道数目相同，且光电转换及解调单元11的每三个连续通道对应一个3×3匹配干涉仪的三路输出。光电转换及解调单元11内部集成了相应数目的通用通信PIN探测器，优选Fibercom公司生产的FT2113-007系列探测器，工作波长为1100～1600nm,响应度为0.9A/W，暗电流典型值为0.3nA,回波损耗小于-40dB,饱和输入光功率典型值3dBm。光电转换及解调单元11内部集成了能够执行3×3解调算法的FPGA芯片，优选美国Altera公司的5系列产品，以及与上位机实现10Gbps通信的PHY芯片，优选美国VITESSE公司生产的VSC系列产品。显示及控制单元12能够显示波分传感阵列702中任一阵元所表示的防区的振动及入侵信号强度、频率及相位信息，同时能够判断振动及入侵行为类型，包括踩踏、敲击、攀爬、剪断及大型设备靠近等等。
综上所述，本发明所提供的一种基于3×3耦合器方案的全光纤干涉型周界安防系统，不仅能反映入侵及振动信号的强度及频率信息，而且能够反映信号的相位信息，能够更真实地还原信号的全部信息。同时由于3*3耦合器解调方法的使用，信号解调具有灵敏度高、动态范围大的优点，使系统不仅能探测微弱扰动信号，而且能够探测高强度的入侵及振动信号，扩大了系统对不同信号的适应范围。同时由于3×3耦合器解调方案及复用方案的选择使得系统对激光器及PIN探测器的指标要求降低，大大压缩了系统成本，为系统的大规模应用提供了前提。
综上所述仅为本发明较佳的实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所做的等效变化及修饰，皆应属于本发明的技术范畴。
Claims (9)
1.一种基于3×3耦合器方案的全光纤干涉型周界安防系统，其特征在于包括多波长单频激光发射单元(1)、光源防护单元(2)、波长复用单元(3)、脉冲调制单元(4)、功率放大器(5)、功率分配器(6)、空分传感阵列(7)、前置放大单元(8)、波长解复用单元(9)、干涉匹配单元(10)、光电转换与解调单元(11)、显示及控制单元(12)，其中空分传感阵列(7)包含传输光缆(701)及波分传感阵列(702)，每组波分传感阵列(702)包含多组波长删复用器(7021)、波长增复用器(7022)与干涉仪(7023)，每支干涉仪(7023)对应一个单频光源波长，波长删复用器(7021)的COM端口为输入端口，透射端口连接干涉仪(7023)的输入端，反射端口连接下一个波长删复用器的COM端口，依次类推；干涉仪(7023)的输出端连接相应波长增复用器(7022)的透射端，波长增复用器(7022)的反射端连接前一个波长增复用器的COM端，依次类推；每一组波长增/删复用器对应一支干涉仪；多波长单频激光发射单元(1)输出不同波长的连续光信号，光信号进入通道数与输出波长数目相等的光源防护单元(2)，光源防护单元(2)的输出端口分别与波长复用单元(3)的相应输入端口相连接，波长复用单元(3)将不同波长的光信号耦合进同一根光纤并输入脉冲调制单元(4)，脉冲调制单元(4)将波分复用后的连续光信号调制成具有一定脉冲宽度的脉冲信号并输入功率放大器5进行放大，经放大后的脉冲光信号输入功率分配器(6)，功率分配器(6)的输出通道数目与空分传感阵列(7)中的波分传感阵列(702)的数量相等，每组波分传感阵列(702)按照其对应的传感光纤长度不同依次排列，波分传感阵列内部的干涉仪(7023)也按照其传感臂光纤的长度依次排列构成不同的入侵振动传感防区，每支干涉仪探测到本防区内部的振动与入侵信号后返回前置放大单元(8)，前置放大单元(8)将各波分传感阵列返回的信号分别进行放大后并输入波长解复用单元(9)，波长解复用单元(9)将不同空分对应不同波长的信号分别输入干涉匹配单元(10)，干涉匹配单元(10)将不同波分不同空分对应的干涉仪两臂的脉冲信号进行匹配并干涉；干涉匹配单元(10)将所有干涉仪对应的干涉信号输出至光电转换与解调单元(11)，解调单元(11)对干涉信号进行光电转换并解调还原出信号的振动强度、频率及相位等信息，经由显示及控制单元(12)完成解调信号的显示及参数设置。
2.根据权利要求1所述的一种基于3×3耦合器方案的全光纤干涉型周界安防系统，其特征在于多波长单频激光发射单元(1)输出以C34通道(1550.12nm)为中心,间隔为100GHz(0.8nm)，每通道功率小于10dBm,线宽小于10KHz的光信号，最多输出波长通道数不大于8，输出光纤类型可以是G.652D普通单模光纤或保偏光纤。
3.根据权利要求1所述的一种基于3×3耦合器方案的全光纤干涉型周界安防系统，其特征在于所述的光源防护单元(2)为与多波长单频激光发射单元(1)输出波长数目相等的光纤隔离器，其特征为：带宽为1550±15nm,峰值隔离度不小于50dB,插入损耗小于0.7dB,偏振相关损耗不大于0.1dB,回波损耗小于55dB,最大功率为500mW,输入输出光纤类型为G.652D普通单模光纤，与多波长单频激光发射单元1以及波长复用单元3之间的连接方式为法兰盘连接，接头类型可以是FC/APC,SC/APC,PC/APC或E2000；所述的波长复用单元(3)工作波长数目与多波长单频激光发射单元(1)输出波长数目相同且一一对应，且中心波长精度小于正负0.1nm,插入损耗小于4dB,且各通道间隔离度不低于30dB；所述的脉冲调制单元(4)为光纤声光调制器，其工作波长为1550±30nm,工作频率低于120MHz，消光比大于55dB,光脉冲上升时间小于50ns，脉冲抖动小于5ns,光纤类型为G.652D普通单模光纤；所述的功率放大器(5)为EDFA掺铒光纤功率放大器，输入波长范围为1528nm～1563nm,输入光功率小于-5～5dBm,输出功率0～13dBm可调，输入隔离度大于40dB，噪声指数小于4.5dB。；所述的功率分配器(6)为PLC光分路器或FBT熔融拉锥耦合器，分光形式为1×N(N≤64且与空分传感阵列7中的波分传感阵列数目一致)，工作波长为1260～1650nm，插损不大于20dB,偏振相关损耗低于0.3dB,回波损耗低于55dB。
4.根据权利要求1所述的一种基于3×3耦合器方案的全光纤干涉型周界安防系统，其特征在于所述的空分传感阵列(7)为若干组传输光缆(701)及其对应波分传感阵列(702)的组合，波分传感阵列(702)的数目与功率分配器(6)的通道数目N一致，每组波分传感阵列(702)的结构完全相同，均包含多组波长删复用器(7021)，波长增复用器(7022)与干涉仪(7023)，其中波长增/删复用器为同一类器件，仅根据使用方式及功能不同区分，其特征为工作波长与多波长单频激光发射单元(1)的波长一一对应，且中心波长精度为±0.1nm,波长规格标准满足ITU要求，信号通频带(@-0.5dB带宽)大于0.6nm,透射端插入损耗小于1dB,反射端插入损耗小于0.6dB,信道平坦度小于0.4dB,透射端隔离度大于30dB,反射端隔离度大于15dB,偏振相关损耗小于0.1dB。干涉仪7023可以是迈克尔逊干涉仪也可以是马赫—泽德干涉仪。如为迈克尔逊干涉仪，波长删复用器7021连接的是一支2×2耦合器，其两输出端分别连接两个法拉第旋转镜，其另外一个输入端连接波长增复用器7022的透射端；2×2耦合器到法拉第旋转镜的光纤，也即光纤干涉仪的参考臂长度即为对应防区的长度，2Km～10Km不等，信号臂比参考臂长度长，臂长差为1～50米不等；具体封装形式为：2×2耦合器与波长增/删复用器共同封装在一个防水、隔热、抗震的密闭盒子中，两支法拉第旋转镜及信号臂冗余光纤与其后一组波长增/删复用器及其相应的2×2耦合器封装在同种盒子中，盒子材料为ABS工程塑料，依次类推，2×2耦合器工作波长为1550±15nm,输出插损小于3.4dB；法拉第旋转镜中心波长为1550nm,带宽±15nm,旋转角度双向90°，插入损耗小于0.5dB，耦合器与法拉第旋转镜的光纤类型均为G.652D普通单模光纤，如为马赫-泽德干涉仪，则波长删复用器7021连接的是一支1×2耦合器，其两输出端分别连接一支2×1耦合器的两输入端，该2×1耦合器的输出端连接波长增复用器7022的透射端，1×2耦合器与2×1耦合器为同类器件，仅根据信号输入输出方向以示区分。两支耦合器之间的连接光纤分别为干涉仪的信号臂及参考臂，其中参考臂的长度与该干涉仪对应的防区长度一致，根据防区的不同从2Km～10Km不等，信号臂比参考臂长度长，臂长差为1～50米不等；具体封装形式为：1×2耦合器与波长删复用器共同封装在一个防水、隔热、抗震的密闭盒子中，2×1耦合器与其对应的波长增复用器、其后一组波长删复用器及信号臂冗余光纤封装在同种盒子中，盒子材料为ABS工程塑料，依次类推，1×2耦合器工作波长为1550±15nm,输出插损≤3.4dB。不同组波分传感阵列间的区别在于其传输光缆701的长度不同，后一条波分传感阵列前的传输光缆长度与前一条波分传感阵列的长度相同，波分传感阵列内部不同干涉仪之间的距离取决于干涉仪参考臂的臂长，也即该防区长度。
5.根据权利要求1所述的一种基于3×3耦合器方案的全光纤干涉型周界安防系统，其特征在于所述的前置放大单元(8)为多块前置放大器(Pre-EDFA)的组合，其数量与空分传感阵列(7)中波分传感阵列(702)的数量相同且每一块前置放大器的输入端口与其对应的波分传感阵列(702)的输出端口相连接。每块前置放大器为针对弱信号优化的前置掺铒光纤放大器(Pre-EDFA)，其工作波长范围为1520～1560nm，输入光功率范围为-40～-10dBm,等效噪声系数小于-3dB,典型增益小于16dB,输入端、输出端隔离度均大于30dB。
6.根据权利要求1所述的一种基于3×3耦合器方案的全光纤干涉型周界安防系统，其特征在于所述的波长解复用单元(9)包含多块波长解复用器，波长解复用器与波长复用单元(3)为同种器件，仅根据使用方式不同区分。且波长解复用器的数量与空分传感阵列(7)中波分传感阵列(702)的数量一致。
7.根据权利要求1所述的一种基于3×3耦合器方案的全光纤干涉型周界安防系统，其特征在于所述的干涉匹配单元10为一组3×3匹配干涉仪的组合，3×3匹配干涉仪的数量与波长解复用单元(9)的输出通道数一致，其具备一个输入端口1001及三个输出端口1002,1003,1004，每个输入端口1001与波长解复用单元(9)的其中一路输出端口相连接，且1001端口对应其内部光纤环形器的1端口，光纤环形器的2端口连接3×3耦合器的2输入端口，3×3耦合器的输入端口1,3分别对应1002及1004端口，光纤环形器的3端口对应1003端口，3×3耦合器的4,5端口分别连接一支光纤法拉第旋转镜，且4端口到其所连接的法拉第旋转镜光纤长度为1m,5端口到其所连接的法拉第旋转镜光纤长度比4端口所连接光纤长度长，长度差与干涉仪7023两臂的臂长差相等，3×3耦合器的6端口悬空，不连接任何器件并需要在光纤端面做烧球处理，3×3耦合器的三个输出1002,1003,1004端口分别连接光电转换及解调单元11中的三个连续输入通道并作为该波长解复用单元(9)输出通道的原始待解调信号，其它通道连接方式与此通道一致，3×3耦合器带宽为1550±10nm,通道插入损耗小于6dB,额外损耗小于0.3dB,偏振相关损耗小于0.15dB，光纤类型为G.652D普通单模光纤，法拉第旋转镜与干涉仪7023中的法拉第旋转镜为同类器件。
8.根据权利要求1所述的一种基于3×3耦合器方案的全光纤干涉型周界安防系统，其特征在于所述的光电转换及解调单元(11)中的光电转换单元通道数目与波长解复用单元(9)总输出通道数目相同，且光电转换及解调单元(11)的每三个连续通道对应一个3×3匹配干涉仪的三路输出，光电转换及解调单元(11)内部集成了相应数目的通信PIN探测器，PIN探测器工作波长为1100～1600nm,响应度为0.9A/W，暗电流典型值为0.3nA,回波损耗小于-40dB,饱和输入光功率典型值3dBm。光电转换及解调单元(11)内部集成了能够执行3×3解调算法的Altera公司的5系列FPGA芯片及与上位机实现10Gbps通信的VITESSE公司生产的VSC系列PHY芯片。
9.根据权利要求1所述的一种基于3×3耦合器方案的全光纤干涉型周界安防系统，其特征在于3×3解调原理如下：假设每一通道3×3耦合器输出的三路信号分别为V1、V2、V3，可以分别表示为：
<mrow>
<mi>V</mi>
<mn>1</mn>
<mo>=</mo>
<mi>A</mi>
<mo>+</mo>
<mi>B</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>c</mi>
<mi>o</mi>
<mi>s</mi>
<mo>&lsqb;</mo>
<mi>&phi;</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>t</mi>
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<mo>-</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>&pi;</mi>
</mrow>
<mn>3</mn>
</mfrac>
<mo>&rsqb;</mo>
</mrow>
V2＝A+B·cosφ(t)
<mrow>
<mi>V</mi>
<mn>3</mn>
<mo>=</mo>
<mi>A</mi>
<mo>+</mo>
<mi>B</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>c</mi>
<mi>o</mi>
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<mi>t</mi>
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</mrow>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>&pi;</mi>
</mrow>
<mn>3</mn>
</mfrac>
<mo>&rsqb;</mo>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中φ(t)＝φs+φn，φs为信号，φn为噪声，A、B为常数，与发生干涉的两束光信号强度有关，由上式可知(V1+V2+V3)/3＝A，三路输出信号去除直流量A可得：
分别对上述三个式子进行微分可得：
<mrow>
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mi>d</mi>
<mo>=</mo>
<mi>B</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mover>
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<mi>&phi;</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>t</mi>
<mo>)</mo>
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<mo>&CenterDot;</mo>
</mover>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>sin</mi>
<mo>&lsqb;</mo>
<mi>&phi;</mi>
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<mo>)</mo>
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<mo>-</mo>
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<mn>2</mn>
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<mn>3</mn>
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<mi>d</mi>
<mo>=</mo>
<mi>B</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mover>
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<mi>&phi;</mi>
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<mo>(</mo>
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
<mo>&CenterDot;</mo>
</mover>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>sin</mi>
<mi>&phi;</mi>
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<mo>)</mo>
</mrow>
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<mi>f</mi>
<mo>=</mo>
<mi>B</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
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</mrow>
<mo>&CenterDot;</mo>
</mover>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>sin</mi>
<mo>&lsqb;</mo>
<mi>&phi;</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>t</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>&pi;</mi>
</mrow>
<mn>3</mn>
</mfrac>
<mo>&rsqb;</mo>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
<mo>,</mo>
<mi>M</mi>
<mo>=</mo>
<mi>&Sigma;</mi>
<mo>&lsqb;</mo>
<mi>a</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>e</mi>
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<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>+</mo>
<mi>b</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>f</mi>
<mo>-</mo>
<mi>d</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>+</mo>
<mi>c</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>d</mi>
<mo>-</mo>
<mi>e</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>&rsqb;</mo>
<mo>,</mo>
</mrow>
K＝g2+h2+i2，φ(t)＝∫M/K；上式信号通过高通滤波器，滤除环境漂移即可得到待检测信号。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710639539.5A CN107230307A (zh) | 2017-07-31 | 2017-07-31 | 一种基于3×3耦合器方案的全光纤干涉型周界安防系统 |
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