CN111882792B - 基于光栅阵列不饱和干涉的调节方法及分布式周界系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光栅阵列不饱和干涉的调节方法，包括以下步骤：将激光转换为光脉冲发送给光纤光栅阵列，该光纤光栅阵列包括均匀分布的多个弱光栅，相邻弱光栅之间为传输光纤；将经光纤光栅阵列反射后的光分为两路，并对其中一路光进行延时，之后两路光再合路，其中一路中经弱光栅反射的光与另一路中传输光纤的瑞利信号反射光产生不饱和干涉；通过调节光脉冲宽度来调整传感光纤的瑞利信号的反射宽度，以调节不饱和干涉的程度。本发明可实现光纤传感系统的灵敏度的动态调节，进而实现了一种大动态的入侵探测系统，极具应用价值。

Description

基于光栅阵列不饱和干涉的调节方法及分布式周界系统

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种基于光栅阵列不饱和干涉的调节方法及分布式周界系统。

背景技术

自周界安防系统发明以来，已经经历过几代产品的更迭。目前在使用的周界安防系统有高压式电子围栏、感应式电子围栏、红外对射周界系统、视频周界系统、光纤光栅周界安防系统和分布式光纤周界安防系统等多个产品。

随着周界安防系统的发展，客户对于周界安防系统的时效性和报警准确性提出了越来越高的要求。高压式电子围栏和感应式电子围栏容易受到树木、栅栏等环境影响，布防困难；红外对射周界系统容易受到雨雾影响，误报率很高；视频周界系统存在时效性和镜头覆盖率问题；光纤光栅周界系统性能稳定，但是测量距离短；分布式光纤周界安防系统能实现分布式测量，由于光纤的干涉建立在普通光纤瑞利信号干涉的基础上，在干涉上，是改变干涉的有效宽度，但是瑞利信号干涉饱和度无法调节，因此灵敏度无法调节，即在工程现场只存在一种灵敏度，以及没有严格的物理定位能力，在工程现场应用时误报频繁。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中光学类周界系统现场灵敏度不可动态调节的缺陷，提供一种灵敏度可调的基于光栅阵列不饱和干涉的方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种基于光栅阵列不饱和干涉的调节方法，包括以下步骤：

将激光转换为光脉冲发送给光纤光栅阵列，该光纤光栅阵列包括均匀分布的多个弱光栅，相邻弱光栅之间为传输光纤；

将经光纤光栅阵列反射后的光分为两路，并对其中一路光进行延时，之后两路光再合路，其中一路中经弱光栅反射的光与另一路中传输光纤的瑞利信号反射光产生不饱和干涉；

通过调节光脉冲宽度来调整传感光纤的瑞利信号的反射宽度，以调节不饱和干涉的程度。

接上述技术方案，所述弱光栅为啁啾光栅。

接上述技术方案，弱光栅之间的间距在2-10m范围内。

本发明还提供了一种基于光栅阵列不饱和干涉的分布式周界系统，包括激光器、光脉冲产生器、光环形器、光纤光栅阵列、干涉仪、光电探测器、采集卡、处理器和驱动电路；

光脉冲产生器接收激光器发出的激光，在驱动电路的驱动下产生光脉冲，并输出到环形器；环形器接收光脉冲后，通过输出端口输出到光纤光栅阵列，该光纤光栅阵列包括均匀分布的多个弱光栅，相邻弱光栅之间为传输光纤；光纤光栅阵列按照光脉冲先后到达的次序顺序反射脉冲光至环形器回光端，环形器接收光纤光栅阵列反射光再由回光端输出到干涉仪；

干涉仪接收环形器回光端的光信号，并将光信号分成两路，对其中一路光进行延时，再对两路光进行合路，其中一路中经弱光栅反射的光与另一路中传输光纤的瑞利信号反射光产生不饱和干涉，干涉后的光信号输出到光电探测器；驱动电路还用于调节光脉冲发生器的光脉冲宽度来调整传感光纤的瑞利信号的反射宽度，以调节不饱和干涉的程度；

光电探测器接收干涉后的光信号，转换为对应的电信号，然后输出到采集卡；采集卡通过触发信号控制光脉冲发出，同时采集光电探测器的电信号；采集的电信号经过采集卡内部的数字滤波和对应算法处理后传输给处理器；

处理器对采集信号进行解调。

接上述技术方案，该系统还包括报警器，用于接收处理器解调后产生的报警信号，并进行报警。

接上述技术方案，光纤光栅阵列由拉丝塔在线刻写，反射光谱为宽顶光谱，谱宽≥4nm。

接上述技术方案，单个光栅反射率为-40dB，光栅之间的一致性差异≤0.5dB。

接上述技术方案，光脉冲产生器的脉冲动态调节范围为1ns-2000ns，脉冲能量调节范围为0dBm-25dBm。。

本发明产生的有益效果是：本发明通过将光纤光栅阵列中光栅的反射光与光栅之间的传感光纤反射的光进行干涉，产生不饱和干涉，通过调节光脉冲宽度来进行干涉饱和度的调节，从而实现灵敏度的动态调节，进而实现了一种大动态的入侵探测系统，极具应用价值。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例基于光栅阵列不饱和干涉的调节方法流程图；

图2是本发明实施例基于光栅阵列不饱和干涉的分布式周界系统框图；

图3是本发明实施例光纤光栅阵列图；

图4是本发明实施例的光路图；

图5是本发明实施例不饱和干涉图；

图6是本发明实施例干涉仪结构示意图；

图7是本发明实施例信号扰动图；

图8是本发明实施例干涉度调节示意图；

图9是本发明实施例基于光栅阵列不饱和干涉的分布式周界系统的工作流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在光纤光栅阵列中，光栅的位置是固定的，本发明通过改变光脉冲的宽度改变两个光栅之间传感光纤的瑞利信号的反射宽度，这个反射宽度在干涉仪与光栅信号干涉时，会映射为干涉强度变化，因此通过调节脉冲宽度可以改变干涉饱和度。在干涉系统中，干涉的饱和率与灵敏度呈现线性关系，因此改变干涉饱和度，就可以改变灵敏度。本发明通过脉冲宽度实现现场的干涉饱和度调节，从而实现灵敏度的调节，使得整个干涉系统具有极大的动态调节范围，具有广泛的工程适应性。

如图1所示，本发明实施例基于光栅阵列不饱和干涉的调节方法，包括以下步骤：

S1、将激光转换为光脉冲发送给光纤光栅阵列，该光纤光栅阵列包括均匀分布的多个弱光栅，相邻弱光栅之间为传输光纤；

S2、将经光纤光栅阵列反射后的光分为两路，并对其中一路光进行延时，之后两路光再合路，其中一路中经弱光栅反射的光与另一路中传输光纤的瑞利信号反射光产生不饱和干涉；

S3、通过调节光脉冲宽度来调整传感光纤的瑞利信号的反射宽度，以调节不饱和干涉的程度。

如图2所示，本发明实施例的基于光纤光栅阵列不饱和干涉的分布式周界系统，包括窄线宽激光器1、光脉冲产生器2、光环形器3、光纤光栅阵列4、干涉仪5、光电探测器6、采集卡7、处理器8、报警器9和驱动电路10。

光脉冲产生器2接收窄线宽激光器1发出的激光，在驱动电路10的驱动下产生光脉冲，并输出到光环形器3；光环形器3接收光脉冲后，通过输出端口输出到光纤光栅阵列4，该光纤光栅阵列4包括均匀分布的多个弱光栅，相邻弱光栅之间为传输光纤；光纤光栅阵列4按照光脉冲先后到达的次序顺序反射脉冲光至光环形器的回光端，光环形器3接收光纤光栅阵列4反射光再由回光端输出到干涉仪5。

干涉仪5接收光环形器3的回光端的光信号，并将光信号分成两路，对其中一路光进行延时，再对两路光进行合路，其中一路中经弱光栅反射的光与另一路中传输光纤的瑞利信号反射光产生不饱和干涉，干涉后的光信号输出到光电探测器6；驱动电路10还用于调节光脉冲发生器2的光脉冲宽度来调整传感光纤的瑞利信号的反射宽度，以调节不饱和干涉的程度。在保证光脉冲能量不变的情况下，通过调节光脉冲的宽度，可调节光栅与瑞利反射光的干涉强度，从而实现的干涉饱和度调节。

光电探测器6接收干涉后的光信号，转换为对应的电信号，然后输出到采集卡；采集卡7通过触发信号控制光脉冲发出，同时采集光电探测器6的电信号；采集的电信号经过采集卡内部的数字滤波和对应算法处理后传输给处理器8；处理器8对采集信号进行解调。报警器9用于接收处理器解调后产生的报警信号，并进行报警。

其中窄线宽激光器1具有优良的线宽特性和功率稳定性；干涉仪4是实现不饱和干涉关键器件；采集卡7是可以调节光脉冲宽度和强度并提供同步采集的关键器件。光脉冲产生器2受控于采集卡7，脉冲宽度和脉冲强度可以调节；调节脉冲宽度用于调节干涉的饱和度，从而实现灵敏度的调节；调节脉冲强度用于适配光纤的长度，用最合适的光功率注入光纤光栅阵列。

干涉光信号通过光电探测器6转换后，由采集卡7采集，然后经过滤波处理获得当前的扰动时域信号。当有扰动发生时，改变了光栅之间的光程，干涉后的信号就会呈现相位突变，经过信号处理，获得的就是扰动的时域信号，利用此信号并经过一些列算法处理后即可报警。

如图3所示：本系统的核心器件是光纤光栅阵列，其采用在线拉丝刻写的弱光纤光栅阵列，与普通光栅相比，弱光纤光栅阵列具有非常低的反射率，本系统使用的弱光栅反射率为-40dB，就是说单个光栅反射光只有注入光的万分之一；本系统使用的弱光栅谱宽为4nm(3dB)，属于啁啾光栅范畴，使用啁啾光栅是因为在大温度范围工作时，光栅的波长会漂移，每变化1℃光栅波长漂移10pm，变化100°就是1000pm(1nm)，但是光栅谱宽达到4nm时，100℃的漂移不会造成光栅的失效；本系统使用的弱光栅呈现均匀分布，本系统使用弱光栅间距可在2-10米范围内调整，误差控制在±1cm，这样的误差可以有效保证干涉仪延迟环的稳定可靠工作；本系统使用的弱光栅由普通单模传输光纤连接而成，当注入光脉冲时，光栅会反射光，传输光纤会反射瑞利光，这两种光的强度具有2个数量级的差别。

如图4所示：本系统光路工作时，首先有光脉冲输出到光环形器，光环形器接收到光脉冲后，通过输出端输出到光栅，光栅产生反射光，传输光纤产生瑞利信号a、b，光栅反射光和瑞利光通过环形器再环回到干涉仪。

如图5所示，光干涉有饱和干涉和不饱和干涉两种，当两个光强相同时，干涉呈现最强状态，灵敏度最高，为饱和干涉；当两个光强差距比较大时，干涉呈现不饱和态，为不饱和干涉，光强差距越大，饱和态越低，灵敏度也越低。调整脉冲宽度的时候，脉冲宽度窄的话，瑞利覆盖少，干涉强度低；脉冲宽度大的话，瑞利覆盖宽，干涉强度高。

如图6所示，本发明实施例的干涉仪由1分2分路器601、延迟器602、1分2分路器602组成；当光通过输入端注入时，分为两个支路，支路C_R1产生延迟，如C_L1支路信号608所示，支路C_R2不产生延迟，如C_L2支路信号605所示；干涉仪的延迟器经过精密计算，严格匹配光纤光栅阵列的间距，使得返回的光栅反射光607和瑞利光606可以对齐，从而实现不饱和干涉。

如图7所示，当系统工作时，有扰动源701对光纤光栅阵列2产生扰动时，光栅702之间光程会受到影响，扰动在干涉仪上会表现出不饱和干涉信号703的变化，通过信号处理，可以获得扰动信号时域图704用于报警处理。

图8为本系统实施例不饱和干涉调节示意图，首先定义饱和干涉为两路光强相等，即是1:1时；当两路光强不相等时，可以理解为不饱和干涉。在分布式光纤系统中，由于光纤是均匀的，因此无论如何调节，其干涉系统都是饱和干涉，灵敏度不可调节；但是在光纤光栅阵列系统中，使用了光纤光栅阵列的反射光和光纤的反射光进行干涉，光纤的反射光可以通过调节脉冲宽度来调节反射到光栅上的能量，因此可以实现饱和度的调节。如图8所示，当光脉冲在光栅直径和光栅间距之间调节时，光纤光栅阵列的反射光和光纤的反射光会呈现干涉强度的变化，从而实现了灵敏度的调节。

如图9所示，本发明实施例的基于光纤光栅阵列非饱和干涉技术实现的分布式周界系统，主要执行以下步骤：

S901、通过窄线宽激光器产生稳定的恒功率激光，且激光器的波长稳定，然后耦合到光脉冲产生器；

S902、光脉冲产生器接收窄线宽激光器的激光，由驱动电路产生的脉冲驱动产生光脉冲，光脉冲幅度和波长恒定，并输出到环形器；

S903、环形器接收光脉冲后，通过输出端口输出到光纤光栅阵列；光纤光栅阵列由拉丝塔在线刻写的弱光栅均匀分布组成，本系统使用的是啁啾光栅，啁啾光栅谱宽，在温度大幅度波动时，不存在失效问题；光纤光栅阵列按照光脉冲先后到达的次序顺序反射脉冲光至环形器回光端，环形器接收光纤光栅阵列反射光再由回光端输出到干涉仪；

S904、干涉仪接收环形器回光端光信号，并经过内部的干涉光路，产生干涉信号，该干涉信号可以调节干涉饱和度，干涉后的光信号输出到光电探测器；

S905、光电探测器接收干涉后的光信号，转换为对应的电信号，然后输出到采集卡；

S906、采集卡通过触发信号控制光脉冲发出，同时采集光电探测器的电信号，这样能确保时间对齐；采集的电信号经过内部的数字滤波后和对应算法处理后传输给处理器；

S907、处理器根据采集信号，作相应的报警算法处理，然后做出报警，并把告警信号传输到报警器；

S908、报警器输出报警信号。

如上反复的工作，构成了基于光纤光栅阵列不饱和干涉的分布式周界系统。

本发明所述的方法中，步骤S902中：窄线宽激光器输出的恒定激光注入到光脉冲产生器，光脉冲产生器的启动由脉冲电路控制，脉冲电路由采集卡控制；光脉冲产生器具有大的动态范围，可以实现1ns-2000ns的脉冲调节范围，同时可以实现0dBm-25dBm的脉冲能量调节范围；具备这两种调节能力的特点是为了确保有最佳的光脉冲宽度和能量能注入到光纤光栅阵列中，实现最优的回光强度和干涉饱和度。

本发明所述的方法中，步骤S903中：光纤光栅阵列由拉丝塔在线刻写，反射光谱为宽顶光谱，谱宽>4nm，属于啁啾光栅范畴，单个反射率位-40dB，光栅之间的一致性差异<0.5dB；由上述指标决定的光纤光栅阵列，具有良好的阵列特性，当按照等间距刻写时，所形成的光纤光栅阵列具有良好的物理定位能力和清晰的反射光谱，由于光纤光栅阵列反射光强比瑞利信号强100倍，相对于普通光纤，具备20dB以上的信噪比提升。

光纤光栅阵列在工作时，当扰动发生时，造成两个光栅之间的光程发生改变，从而改变了光波的初始相位，继而引发干涉的变化，利用这个变化可以检出现场是否有扰动信号，从而实现入侵信号的探测。

本发明所述的方法中，步骤S904中：本系统使用的干涉仪与普通的干涉仪工作方式不同。普通的干涉仪是基于光纤的全饱和干涉，本系统使用的干涉仪使用了不饱和干涉。两个强度不对称的信号，需要进行一定的时延后产生干涉。不饱和干涉相对于饱和干涉，在干涉结果上，具有灵敏度的区别。干涉的饱和度越高，检测的灵敏度越高；干涉的饱和度越低，检测的灵敏度越低；当干涉饱和度可以进行调节的时候，灵敏度也同时在变化；因此，调节干涉饱和度可以实现解调信号的灵敏度调节，这就是不饱和干涉的优势。

本发明所述的方法中，步骤S906中：采集卡完成光脉冲产生器的驱动工作，包含脉冲宽度的调节和强度调节，同时要保证每次启动采集时的严格同步；为了提高信噪比，本采集卡内部构建了自适应滤波器，可以有效提高信号的信噪比。

本系统工作时的独特之处在于：光脉冲宽度的调整，在普通光纤干涉上，是改变干涉的有效宽度，干涉的饱和度没有改变，因此灵敏度无法调节；在光纤光栅阵列系统中，光栅的位置是固定的，改变光脉冲的宽度，会改变两个光栅之间的瑞利信号的反射宽度，这个反射宽度在干涉仪与光栅信号干涉时，会映射为干涉强度变化，因此通过调节脉冲宽度可以改变干涉饱和度。在干涉系统中，干涉的饱和率与灵敏度呈现线性关系，因此改变干涉饱和度，就可以改变灵敏度。通过采集卡控制光脉冲发生器产生的脉冲宽度实现现场的干涉饱和度调节，从而实现灵敏度的调节，使得本系统在现场具有极大的动态调节范围，具有广泛的工程适应性。

综上，本发明提出一种全新的利用光纤光栅阵列光纤实现的非饱和干涉技术，解决了光学类周界系统现场灵敏度不可动态调节的问题；通过调节光脉冲宽度实现的灵敏度调节方式，在国内外尚属首次，具有独特的优势。本发明的提出和实现，为光纤光栅阵列周界安防系统的推广打下了坚实的基础，必将带来周界安防系统的一次革命。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于光栅阵列不饱和干涉的调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

将激光转换为光脉冲发送给光纤光栅阵列，该光纤光栅阵列包括均匀分布的多个弱光栅，相邻弱光栅之间为传输光纤；

将经光纤光栅阵列反射后的光分为两路，并对其中一路光进行延时，之后两路光再合路，其中一路中经弱光栅反射的光与另一路中传输光纤的瑞利信号散射光产生不饱和干涉；

通过调节光脉冲宽度来调整传感光纤的瑞利信号的宽度，以调节不饱和干涉的程度。

2.根据权利要求1所述的基于光栅阵列不饱和干涉的调节方法，其特征在于，所述弱光栅为啁啾光栅。

3.根据权利要求1所述的基于光栅阵列不饱和干涉的调节方法，其特征在于，弱光栅之间的间距在2-10m范围内。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于光栅阵列不饱和干涉的调节方法，其特征在于，在弱光栅直径和弱光栅间距之间调节光脉冲的宽度。

5.一种基于光栅阵列不饱和干涉的分布式周界系统，其特征在于，包括激光器、光脉冲产生器、 光环形器、光纤光栅阵列、干涉仪、光电探测器、采集卡、处理器和驱动电路；

光脉冲产生器接收激光器发出的激光，在驱动电路的驱动下产生光脉冲，并输出到环形器；环形器接收光脉冲后，通过输出端口输出到光纤光栅阵列，该光纤光栅阵列包括均匀分布的多个弱光栅，相邻弱光栅之间为传输光纤；光纤光栅阵列按照光脉冲先后到达的次序顺序反射脉冲光至环形器回光端，环形器接收光纤光栅阵列反射光再由回光端输出到干涉仪；

干涉仪接收环形器的回光端的光信号，并将光信号分成两路，对其中一路光进行延时，再对两路光进行合路，其中一路中经弱光栅反射的光与另一路中传输光纤的瑞利信号散射光产生不饱和干涉，干涉后的光信号输出到光电探测器；驱动电路还用于调节光脉冲发生器的光脉冲宽度来调整传感光纤的瑞利信号的散射宽度，以调节不饱和干涉的程度；

光电探测器接收干涉后的光信号，转换为对应的电信号，然后输出到采集卡；采集卡通过触发信号控制光脉冲发出，同时采集光电探测器的电信号；采集的电信号经过采集卡内部的数字滤波和对应算法处理后传输给处理器；

处理器对采集信号进行解调。

6.根据权利要求5所述的基于光栅阵列不饱和干涉的分布式周界系统，其特征在于，该系统还包括报警器，用于接收处理器解调后产生的报警信号，并进行报警。

7.根据权利要求6所述的基于光栅阵列不饱和干涉的分布式周界系统，其特征在于，光纤光栅阵列由拉丝塔在线刻写，反射光谱为宽顶光谱，谱宽>4nm。

8.根据权利要求5所述的基于光栅阵列不饱和干涉的分布式周界系统，其特征在于，单个光栅反射率为-40dB，光栅之间的一致性差异<0.5dB。

9.根据权利要求5-8中任一项所述的基于光栅阵列不饱和干涉的分布式周界系统，其特征在于，光脉冲产生器的脉冲动态调节范围为1ns-2000ns，脉冲能量调节范围为0dBm-25dBm。

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