CN201032465Y

CN201032465Y - 周界防卫光纤传感器

Info

Publication number: CN201032465Y
Application number: CNU2007200680072U
Authority: CN
Inventors: 方祖捷; 李俊; 蔡海文; 耿健新
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS; Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2007-03-21
Filing date: 2007-03-21
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2017-03-21

Abstract

一种用于安全防范的周界防卫光纤传感器，其特征在于由光源、传感光纤、光纤耦合器、第一探测器、第二探测器、信号处理器和光纤环行器构成，光源为单纵模或纵模数较少的半导体激光器，光纤耦合器的分束比为1∶1，传感光纤的两端分别同光纤耦合器的两个同向端口相连接，构成一个Sagnac环，上述各元件的位置关系如下：光源的输出端接光纤环行器的第一端口，该光纤环行器的第二端口光纤耦合器的第二端口，该光纤耦合器的第一端口经第一探测器接信号处理器，光纤环行器的第三端口经第二探测器接信号处理器。本实用新型不仅能发现外界扰动，而且可确定外界扰动的位置，并具有成本低、系统结构简单、便于扩展和安装简易的优点。

Description

周界防卫光纤传感器

技术领域

本实用新型涉及安全防范，特别是一种周界防卫光纤传感器，它利用单模光纤在受到外界扰动时，传输光波的相位和偏振态等发生变化的效应，探测对区域周界发生的入侵，并确定入侵发生的部位。本实用新型主要用于军事机构、机要区域、博物馆、银行等区域的安全防范。

背景技术

现代社会的安全防范是一个重要的课题。有效地保护政府机构、军事基地、机场、武器弹药库、监狱、银行金库、博物馆、发电厂、油库、通信设施、港口甚至是国界等重要区域，防止非法入侵，是至关重要的。诸如摄像机监视、红外摄像监视系统、红外中断传感等技术已经广泛应用于机要区域以至于居民小区。但是，道高一尺、魔高一丈，入侵和防卫之间的争斗没有停止。为此，必须发展多种新型防卫技术。

光纤价格低廉、易于安装、隐蔽性较好、不受电磁干扰，在周界防卫中也倍受重视。在先技术之一，是基于多模光纤散斑传感器[T.S.Francis，Appl.Opt.32，4685-4689(1993)；A.Malki，Appl.Opt.35，5198-5201(1996)等]。该方法已经有产品问世，并在许多场合获得应用。其原理是光波在多模光纤中由于不同传输模式之间的干涉形成散斑，散斑图像受外界扰动发生变化用CCD记录散斑，或者用光栏截取局部光功率，就可以感知多模光纤上受到的扰动。这一方法要求使用特种的多模光纤，成本比较高。在先技术之二，是基于单模光纤微弯损耗的机理，从光纤传输损耗的变化，判定是否有外界干扰发生。与使用多模光纤相比，单模光纤的价格较低。但是用微弯损耗感知外界扰动的方法灵敏度比较低。容易产生误报。上述两种方法都不能确定入侵发生在哪一个部位。在先技术之三，是使用光时域反射仪测量扰动的方法，测量光波在光纤中传输时产生的回波随外界扰动的变化。这一方法可以根据接收到回波的时刻相对于发射时刻的时延来确定光纤受扰动的位置。但是，采用这一方法信号很微弱，测量时间较长，响应很慢，不适用于动态的检测。而且时域反射仪的价格也很高。在先技术之四，美国专利US2003/0198425 A1在周界防卫系统中设置两个光纤线路，两路分别传输相反方向的光波。测量扰动发生后光信号在正反方向传输到检测点的时间差，来确定扰动发生的位置。在该专利中，设计了若干种光纤回路结构。但是，光纤Sagnac环被认为是非定位(non-locating)的技术。在周界防卫传感器的应用中，入侵位置的确定是一个重要的功能。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种用于安全防范的周界防卫光纤传感器，它不仅能发现外界扰动，而且可确定外界扰动的位置，并具有成本低、系统结构简单、便于扩展和安装简易的优点。

本实用新型的原理是基于光纤环形镜，光纤环形镜是如图1所示的光纤Sagnac环路(以下简称为Sagnac环)。这一环路是由光纤耦合器两个输出端口相对连接一个环而构成。光从光纤耦合器的一个端口a输入，从端口c、d输出后在环中分顺时针和逆时针两个方向传输，回到光纤耦合器时发生干涉。完全相干部分的光波回到输入端口。这也就是这一环路结构被称为光纤环形镜的原因。光波中不能干涉相消部分将从耦合器的端口b输出。光纤环路中受到扰动时，将引起光波相干性的变化，在端口b将会探测到这一变化。对于动态的变化，由于顺时针和逆时针传输到耦合器的时间与扰动发生的位置有关，因此可以根据这一变化信号的时域特性计算出扰动发生的位置。

图2为产生这一时域波形的原理的示意图。图中c为光纤中的光速。设扰动地点将环路总长度分为L₁和L₂两段，L₁是顺时针光波(CW)从光纤耦合器到扰动发生点的距离，L₂是逆时针光波(CCW)从光纤耦合器到扰动发生点的距离。这两束光波回到耦合器时所经受的扰动有一个时间差。从干涉信号的这一时间特性，就可以推算扰动点的位置。这对于周界防卫是一个非常重要的信息。

Sagnac环具有干涉反射特性的必要条件是光波在光纤中必须是以单模传输的。也就是说光纤耦合器及构成环路的光纤都是单模光纤。如果是多模光纤，模式之间的干涉就十分复杂，其平均效果会将扰动引起的光信号掩盖掉。因此，要将这一Sagnac环用于传感器，必须利用单模光纤对外界扰动的敏感性。

本实用新型的扰动传感的原理，是利用单模光纤发生形变时，光波的偏振态和相位发生变化的效应。通常外界入侵产生的力，将引起光纤的弯曲、扭转、振动等形变。单模光纤的局部弯曲，必然使该处的光纤段发生拉伸，如图3所示。设发生弯曲光纤段长度为L，弯曲的曲率半径为R，根据几何关系，弯曲后光纤的伸长近似可以表示为：ΔL≈L³/24R²。光波增加了传输距离，也就是使光波的相位发生变化：Δφ＝2πnΔL/λ。式中n为光纤的折射率，λ为光波波长。可见，扰动相移随弯曲的曲率半径的减小而增加。

同时，光纤弯曲时，光纤内部将产生不均匀的应变分布。从而引起光纤在垂直于光纤轴向平面的两个方向上的有效折射率产生差别，也就是发生了双折射效应。这一效应导致光波的偏振态的变化。根据应力和光弹效应的分析，这一双折射效应的大小为：

δn＝(n³r²/4R²)(P₁₁-P₁₂)(1+v)

式中：r为光纤半径，p为弹光系数，v为泊松比。可见，光纤弯曲导致的双折射也是随曲率半径的减小而增加。

光纤振动实际上就是一种周期性振荡的弯曲，因此其基本特性可以从上述静态分析的相移变化和双折射变化得到。光纤扭转的直接结果是光波偏振面的旋转。因此与上述双折射效应的表现相似。一般在微弱扰动下扭转发生的几率比较小。从上述分析可以得出，利用光学方法监测扰动引起的相移变化和双折射变化，就可以感知光纤受扰动的情况，从而构成一种周界防卫传感器件。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种周界防卫光纤传感器，其特点是由光源、传感光纤、光纤耦合器、第一探测器、第二探测器、信号处理器和光纤环行器构成，所述的光源为单纵模或纵模数较少的半导体激光器，所述的光纤耦合器的分束比为1∶1，所述的传感光纤的两端分别同所述的光纤耦合器的两个同向端口相连接，构成一个Sagnac环，用于环绕要求防卫的建筑物或区域，上述各元件的位置关系如下：

所述的光源的输出端接所述的光纤环行器的第一端口，该光纤环行器的第二端口所述的光纤耦合器的第二端口，该光纤耦合器的第一端口经第一探测器接所述的信号处理器，所述的光纤环行器的第三端口经第二探测器接所述的信号处理器。

所述的传感光纤为商售的单模光纤。

所述的传感光纤为单模双光纤光缆，该单模双光纤光缆一端的两根光纤与所述的光纤耦合器的两端口相连，光缆的另一端的用两根相同的单模光纤连接到一个偏振旋转器，构成一个中点发生偏振旋转的Sagnac环。

本实用新型的周界防卫光纤传感器，具有如下的特点和优点：

1、本实用新型采用单模光纤构成的Sagnac环路，具有可以发现外界扰动并确定其位置的功能。

2、由于单模光纤产业规模庞大，价格比多模光纤低，而且各种单模光纤的元器件比较成熟，价格也低于用量较少的多模光纤元件，因此与基于多模光纤散斑传感器相比，具有成本低的突出优点。

3、与基于时域反射仪的传感器方法相比，具有光信号功率大、灵敏度高、响应速度快、价格低廉的优点。

4、系统结构简单，便于扩展；安装简易。

附图说明

图1为光纤Sagnac环示意图

图2为利用Sagnac环实现扰动位置检测的原理示意图

图3光纤受外力扰动时发生弯曲的示意图

图4为本实用新型周界防卫光纤传感器实施例之一结构示意图

图5为本实用新型周界防卫光纤传感器实施例之二结构示意图

图6双光纤Sagnac环实现扰动位置检测的原理示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。

先请参阅图4，图4为本实用新型周界防卫光纤传感器实施例之一结构示意图。由图可见，本实用新型周界防卫光纤传感器，由光源3、传感光纤2、光纤耦合器4、第一探测器51、第二探测器52、信号处理器6和光纤环行器7构成，所述的光源3为单纵模或纵模数较少的半导体激光器，所述的光纤耦合器4的分束比为1∶1，所述的传感光纤2的两端分别同所述的光纤耦合器4的两个同向端口相连接，构成一个Sagnac环，用于环绕要求防卫的建筑物或区域1，上述各元件的位置关系如下：

所述的光源3的输出端接所述的光纤环行器7的第一端口a，该光纤环行器7的第二端口b接所述的光纤耦合器4的第二端口b，该光纤耦合器4的第一端口a经第一探测器5 1接所述的信号处理器6，所述的光纤环行器7的第三端口c经第二探测器52接所述的信号处理器6。

所述的传感光纤2为商售的单模光纤。

光源3采用单纵模或纵模数较少的半导体激光器。光纤耦合器4的分束比为1∶1。传感光纤2的两端分别同光纤耦合器4的两个同向端口相连接，构成一个Sagnac环。7为光纤环行器；其功能是，光从第一端口a进入，从第二端口b输出(不会从第三端口c输出)；如果从第二端口输b入，就从第三端口c输出(不会从第一端口a输出)。第一探测器51和第二探测器52分别探测由光纤耦合器4的第一端口a输出和由第二端口b返回的光波。6为信号处理器，对从第一探测器51和为第二探测器52提供的扰动信号进行综合分析，判断是否和属于哪一类入侵。

图5为本实用新型周界防卫光纤传感器实施例之二结构示意图，图中21为传感光纤，在本实施例中采用商用的单模双光纤光缆。光缆一端的两根光纤与光纤耦合器4的两端口相连。光缆的另一端的用两根相同的单模光纤连接到一个偏振旋转器9，构成一个中点发生偏振旋转的Sagnac环。偏振旋转器可以利用商用的半波片，它使两个方向的传输的光波产生相反的旋转。在这种布局下，扰动点对于这种双光纤环具有对称的几何分布。由于采用了偏振旋转器，顺时针和逆时针光波经受的两次扰动具有不同的偏振性质，因此在回到光纤耦合器处发生干涉时，将得到与位置有关的时域信号。这就为扰动的定位提供了信息。其原理示意图见图6。图中点划线代表双光纤光缆的远端，对于连接的环来说是一个中点。双光纤的每一段在中途某一处受到扰动，将其长度分为L₁和L₂。对于顺时针和逆时针的光波前一半路程是一样的，后一半路程在另外一根光纤上传输，中点处经过偏振旋转器9，偏振状态发生了不同的变化。因此在回到光纤耦合器时两光波的干涉结果也发生了变化。

在这一光纤环路结构中，光源3发射的光波经过光纤环行器到光纤耦合器4的端口b，经耦合比为1∶1的耦合器分为幅度相等的两束光，分别进入传感光纤的两条光纤中，并经过偏振旋转器9后从另一条光纤返回。因此在传感光纤中存在两个方向传输的光波。在稳定的情况下，返回光纤耦合器4的光波，由于干涉效应，一部分从光纤耦合器4的第二端口b返回输出；经过环行器7后被第二探测器52接收。另外一部分由于偏振旋转效应，不能干涉相消，将从耦合器4的第一端口a输出，被第一探测器51接收。接收的光电信号在信号处理器6中计算分析，并得到时域的变化信息，对入侵及其位置作出判断。

根据本实用新型的思想，发射光源采用普通通信波段1550nm的激光二极管，单模尾纤输出，直流驱动，输出功率为1mW；采用商售1∶1光纤耦合器构建Sagnac环。输出光信号用InGaAs-PIN探测器接收，并用常规放大电路放大。输出信号用数据采集卡采集，记录在PC机中。在Sagnac环某处施加外力使其弯曲形变时，探测器可明显地探测到信号强度的变化。图5所示的技术方案之二，虽然需要的光纤长度增加了一倍，但是铺设时不需要回到检测仪器处，便于在有这种要求的场合使用。

Claims

1.一种周界防卫光纤传感器，其特征在于由光源(3)、传感光纤(2)、光纤耦合器(4)、第一探测器(51)、第二探测器(52)、信号处理器(6)、和光纤环行器(7)构成，所述的光源(3)为单纵模或纵模数较少的半导体激光器，所述的光纤耦合器(4)的分束比为1∶1，所述的传感光纤(2)的两端分别同所述的光纤耦合器(4)的两个同向端口相连接，构成一个Sagnac环，用于环绕要求防卫的建筑物或区域(1)，上述各元件的位置关系如下：

所述的光源(3)的输出端接所述的光纤环行器(7)的第一端口(a)，该光纤环行器(7)的第二端口(b)接所述的光纤耦合器(4)的第二端口(b)，该光纤耦合器(4)的第一端口(a)经第一探测器(51)接所述的信号处理器(6)，所述的光纤环行器(7)的第三端口(c)经第二探测器(52)接所述的信号处理器(6)。

2.根据权利要求1所述的周界防卫光纤传感器，其特征在于所述的传感光纤(2)为商售的单模光纤。

3.根据权利要求1所述的周界防卫光纤传感器，其特征在于所述的传感光纤(2)为单模双光纤光缆，该单模双光纤光缆一端的两根光纤与所述的光纤耦合器(4)的两端口相连，光缆的另一端的用两根相同的单模光纤连接到一个偏振旋转器(9)，构成一个中点发生偏振旋转的Sagnac环。