CN207132906U - 光纤周界传感定位系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光纤周界传感定位系统，所述光纤周界传感定位系统主要是利用蓝/红带滤波器将ASE光源输出宽带光分为蓝带和红带两功率基本相当的部分并分别进入到两个M‑Z干涉仪中，然后从两个M‑Z干涉仪输出的光经过对应的蓝/红带滤波器或红/蓝带滤波器并分别沿顺时针和逆时针在传输光纤中传播，在传播过程中利用瑞利散射将散射光反向传输回各自的M‑Z干涉仪形成干涉信号，系统根据形成的干涉信号识别判断光纤路径上是否有入侵事件发生；所述入侵扰动点位置的判定方法是基于所述光纤周界传感定位系统的，用于对传输光纤链路上的入侵、振动及自然破坏等现象进行检测，并快速准确定位出光纤路径上发生入侵事件的位置。

Description

光纤周界传感定位系统

技术领域

本实用新型涉及光纤传感领域，尤其涉及一种光纤周界传感定位系统。

背景技术

光纤不仅仅可用于传输信号,还可当作传感器使用。当外界干扰影响到光纤时,光纤传输光的部分特性就会改变,我们通过监测光的特性(衰减、相位、波长、极化、模场分布和传播时间)变化，即可获知光纤是否受到外界干扰。

随着社会的发展，学校、工厂、金融机构、机场、军事基地、输油管道等基础设施的安全运行关系着每个人的切身利益，安防设施要自动化，提高监测效率，减少人工巡检造成的监测漏洞。

现有的基于M-Z干涉仪的周界传感定位系统，都是使用M-Z干涉仪的干涉臂为传输光纤(如图1所示)，并以其中一条干涉臂作为感测臂，另一条干涉臂为参考臂，在线路铺设时候，M-Z干涉仪的两条干涉臂通常相距较近，当传输光纤线路上某处发生振动时，可能使传感臂与参考臂两者产生的相位延迟相同，以至于不发生扰动干涉，而无法实现故障的精确告警。

基于此，本实用新型所研究的一种光纤周界传感定位是基于双M-Z干涉仪并利用传输光纤作为干涉介质的新型光纤周界传感定位系统，通过该新型的光纤周界定位系统可对在传输光纤布设路径上发生的入侵、振动及自然破坏等突发事件进行实时监测并精确定位。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种光纤周界传感定位系统，用以克服背景技术中的缺陷。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：一种光纤周界传感定位系统，包含ASE光源、第一M-Z干涉仪、第二M-Z干涉仪、第一光电探测器及第二光电探测器，还包含有第一蓝/红带滤波器、第二蓝/红带滤波器、红/蓝带滤波器及传输光纤，所述ASE光源与所述第一蓝/红带滤波器连接，所述第一蓝/红带滤波器分别与所述第一M-Z干涉仪及第二M-Z干涉仪连接，所述第一M-Z干涉仪分别与所述第一光电探测器及第二蓝/红带滤波器连接，所述第二M-Z干涉仪分别与所述第二光电探测器及红/蓝带滤波器连接，所述第二蓝/红带滤波器及红/蓝带滤波器之间通过所述传输光纤连接。

上述光纤周界传感定位系统中，还包含有与所述第一光电探测器连接的第一运放器、及与所述第二光电探测器连接的第二运放器、及与所述第一运放器和第二运放器分别连接的模/数转换器、及与所述模/数转换器连接的中央控制器、及与所述中央控制器连接的音箱、以及与所述模/数转换器、中央控制器和音箱分别连接的电源。

优选的，所述第一M-Z干涉仪包含有与所述第一蓝/红带滤波器的蓝带端口连接的第一耦合器、及与所述第二蓝/红带滤波器连接的第三耦合器、以及与所述第一耦合器和第三耦合器连接的两个非对称干涉臂；

所述第二M-Z干涉仪包含有与所述第二蓝/红带滤波器的红带端口连接的第二耦合器、及与所述红/蓝带滤波器连接的第四耦合器、以及与所述第二耦合器和第四耦合器连接的两个非对称干涉臂。

上述优选方案中，所述第一M-Z干涉仪的两个非对称干涉臂的长度相差至少300m，所述第二M-Z干涉仪的两个非对称干涉臂的长度相差至少 300m，所述第一M-Z干涉仪的两个非对称干涉臂与所述第二M-Z干涉仪的两个非对称干涉臂长度一一对应且相等。

上述优选方案中，所述第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器及第四耦合器均为分光比为50:50的光纤耦合器。

本实用新型提供一种光纤周界传感定位系统的工作原理如下：

ASE光源输出宽带光经过第一蓝/红带滤波器后分为蓝带和红带两部分功率基本相当的光并分别进入第一M-Z干涉仪和第二M-Z干涉仪，其中，蓝带ASE光进入第一M-Z干涉仪，红带ASE光进入第二M-Z干涉仪，从第一M-Z干涉仪中输出的蓝带ASE光经过对应的第二蓝/红带滤波器沿顺时针方向在传输光纤中传输并至对端的红/蓝带滤波器被滤除；从第二M-Z干涉仪中输出的红带ASE光经过对应的红/蓝带滤波器沿逆时针方向在传输光纤中传输并至对向的第二蓝红带滤波器被滤除；

蓝带或红带ASE光在传输光纤中传输的过程中，若传输光纤上没有任何入侵、振动或者自然破坏等现象时，沿顺时针传输的蓝带ASE光所产生的后向散射光会返回到第一M-Z干涉仪中并在第一耦合器处发生干涉，形成稳定的干涉信号，此时第一探测器会接收到稳定干涉光功率，沿逆时针传输的红带ASE光所产生的后向散射光会返回到第二M-Z干涉仪中并在第二耦合器处发生干涉，形成稳定的干涉信号，此时第二探测器会接收到稳定的光干涉功率；

蓝带或红带ASE光在传输光纤传输的过程中，若传输光纤上某处发生入侵、振动或者自然破坏等现象时，沿顺时针传输的蓝带ASE光或逆时针传输的红带ASE光所产生的后向散射光会受到调制并发生相位改变，在经过第一M-Z干涉仪或第二M-Z干涉仪后会引起干涉信号发生变化，使得第一探测器或第二探测器所接收到的干涉光强发生变化，此时我们可以根据第一和第二探测器所探测到干涉光强发生变化的时延，来定位出入侵、振动或者自然破坏等现象的位置。

与现有技术相比，本实用新型的优点是：(1)通过本实用新型的光纤周界传感定位系统，可以快速检测判断出传输光纤链路的入侵、振动、自然破坏等现象；(2)通过本实用新型的基于光纤周界传感定位系统的入侵扰动点位置的判定方法，可以准确的定位出发生传输光纤链路上发生入侵、振动、自然破坏等扰动事件的扰动点位置。

附图说明

图1为现有的光纤周期传感定位系统；

图2为本实用新型的光纤周界传感定位系统具体连接示意图；

图3为基于本实用新型的光纤周界传感定位系统的传输光纤上发生入侵扰动的具体实施例示意图；

图中：1、ASE光源；2、第一蓝/红带滤波器；A、第一M-Z干涉仪；3-1、第一耦合器；4-1、第一非对称干涉臂；4-2、第二非对称干涉臂；5-1、第三耦合器；B、第二M-Z干涉仪；3-2、第二耦合器；5-2、第四耦合器；6-1、第三非对称干涉臂；6-2、第四非对称干涉臂；7、第二蓝/红带滤波器；8、红/蓝带滤波器；9、传输光纤；10、第一光电探测器；11、第二光电探测器；12、第一运放器；13、第二运放器；14、模/数转换器；15、中央控制器；16、音箱；17、电源。

具体实施方式

为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施方式，进一步阐述本实用新型是如何实施的。

如图2所示，本实用新型提供的一种光纤周界传感定位系统，包含ASE 光源1、及与ASE光源1连接的第一蓝/红带滤波器2、及与第一蓝/红带滤波器2的连接的第一M-Z干涉仪A、及与第一蓝/红带滤波器2的连接的第二M-Z干涉仪B、及与第一M-Z干涉仪A连接的第一光电探测器10和第二蓝/红带滤波器7、及与第二M-Z干涉仪B连接的第二光电探测器11和红/蓝带滤波器8、及与第一光电探测器10连接的第一运放器12、及与第二光电探测器11连接的第二运放器13、及与第一运放器12和第二运放器13连接的模/数转换器14、及与模/数转换器14连接的中央控制器15、及与中央控制器15连接的音箱16、以及与模/数转换器14、中央控制器15及音箱16分别连接的电源17。

第二蓝/红带滤波器7与红/蓝带滤波器8之间通过传输光纤9连接。

作为本实用新型的一种优选实施例：

其中，第一M-Z干涉仪A包含有与第一蓝/红带滤波器2的蓝带端口连接的第一耦合器3-1、及与第二蓝/红带滤波器7连接的第三耦合器5-1、以及与第一耦合器3-1和第三耦合器5-1连接的第一非对称干涉臂4-1和第二非对称干涉臂4-2；

第二M-Z干涉仪B包含有与第一蓝/红带滤波器2的红带端口连接的第二耦合器3-2、及与红/蓝带滤波器8连接的第四耦合器5-2、以及与第二耦合器3-2和第四耦合器5-2连接的第三非对称干涉臂6-1和第四非对称干涉臂6-2。

第一M-Z干涉仪A的第一非对称干涉臂4-1与第二非对称干涉臂4-2 的长度相差至少300m，第二M-Z干涉仪B的第三非对称干涉臂6-1与第四非对称6-2的长度相差至少300m，第一非对称干涉臂4-1与第三非对称干涉臂6-1长度相等，第二非对称干涉臂4-2与第四非对称干涉臂6-2长度相等；

第一耦合器3-1、第二耦合器3-2、第三耦合器5-1及第四耦合器5-2 均为分光比为50:50的光纤耦合器。

基于本优选实施例，本实用新型提供的一种光纤周界传感定位系统的工作原理如下：

ASE光源1输出宽带光经过第一蓝/红带滤波器2后分为蓝带和红带两部分功率基本相当的光并分别进入第一M-Z干涉仪A和第二M-Z干涉仪B，其中，蓝带ASE光进入第一M-Z干涉仪A，红带ASE光进入第二M-Z干涉仪 B，从第一M-Z干涉仪A中输出的蓝带ASE光经过对应的第二蓝/红带滤波器7后沿顺时针方向在传输光纤9中传输并至对端的红/蓝带滤波器8中被滤除；从第二M-Z干涉仪B中输出的红带ASE光经过对应的红/蓝带滤波器 8后沿逆时针方向在传输光纤9中传输并至对端的第二蓝红带滤波器7中被滤除；

蓝带或红带ASE光在传输光纤9中传输的过程中，若传输光纤9上没有任何入侵、振动或者自然破坏等现象时，沿顺时针传输的蓝带ASE光所产生的后向散射光会返回到第一M-Z干涉仪A中并在第一耦合器3-1处发生干涉，形成稳定的干涉信号，此时第一探测器10会接收到稳定干涉光功率，沿逆时针传输的红带ASE光所产生的后向散射光会返回到第二M-Z干涉仪B中并在第二耦合器3-2处发生干涉，形成稳定的干涉信号，此时第二探测器11会接收到稳定的光干涉功率；

蓝带或红带ASE光在传输光纤9传输的过程中，若传输光纤9上某处发生入侵、振动或者自然破坏等现象时，沿顺时针传输的蓝带ASE光或逆时针传输的红带ASE光所产生的后向散射光会受到调制并发生相位改变，在经过第一M-Z干涉仪A或第二M-Z干涉仪B后会引起干涉信号发生变化，使得第一探测器10或第二探测器11所接收到的干涉光强发生变化，此时我们可以根据第一、第二探测器所探测到干涉光强发生变化的时延，来定位出入侵、振动或者自然破坏等现象的位置。

本实用新型提供的基于光纤周界传感定位系统的入侵扰动点位置的判定方法，它包含如下步骤：

步骤1、采集光波在光纤链路传输过程中，稳态状态下发生干涉的信号参数,具体操作方法为：

1.1将ASE光源1输出的宽带光经过第一蓝/红带滤波器2后分成蓝带和红带两部分功率基本相当的光，分别进入第一M-Z干涉仪A和第二M-Z 干涉仪B；

1.2将从第一M-Z干涉仪A输出的蓝带ASE光经第二蓝/红带滤波器7 二次滤除红带ASE光后，沿顺时针方向在传输光纤9中传输至对向的第二 M-Z干涉仪B前的红/蓝滤波器8中滤除；

1.3将从第二M-Z干涉仪B输出的红带ASE光经红/蓝带滤波器8二次滤除蓝带ASE光后，沿逆时针方向在传输光纤9中传输至对向的第一M-Z 干涉仪A前的第二蓝/红带滤波器7中滤除；

1.4将沿顺时针/逆时针方向在传输光纤9中传输的蓝带ASE光/红带 ASE光所产生的后向散射光，沿逆时针/顺时针方向传回第一M-Z干涉仪A/ 第二M-Z干涉仪B中发生干涉后输出到第一光电探测器10/第二光电探测 11中，通过第一探测器10/第二光电探测11将接收到的干涉信号转换电信号后传输到第一运放器12/第二运放器13中，再经过第一运放器12/第二运放器13放大处理后传输到模/数转换器14中，最后经模/数转换器14 转换后传输至中央控制器15并进行相应的信号参数识别；

其中，因第一M-Z干涉仪A和第二M-Z干涉仪B的两干涉臂均不等长在两干涉臂的交汇处会产生光波干涉，而当外界没有入侵扰动时，此时在第一M-Z干涉仪A和第二M-Z干涉仪B中会产生稳定的干涉，而第一光电探测器10和第二光电探测11将会接收到稳定的光功率，故而中央控制器 15中将采集带稳态的干涉光波信号参数；

步骤2、将系统实时采集到的光纤信号与步骤1中采集到的稳态光信号进行参数对比，判断出光纤路径上是否发生入侵扰动，具体操作方法为：

2.1通过光电探测器实时将接收到光信号转变为电信号后，经运放器及模/数转换器处理后传输到中央控制器中；

2.2利用中央控制器对步骤2.1中所接收的信号进行识别处理，获取相应的信号参数并与步骤1中所采集到的稳态状态参数进行比对；

2.3当步骤2.2中获取的信号参数与步骤1中的参数一致时，则表示光纤路径没有发生入侵事件；

2.4当步骤2.2中获取的信号参数与步骤1中的参数不一致时，则表示光纤路径发生了入侵事件，与之同时系统会通过音箱发出相应的报警提示音；

如图3所示，当传输光纤9上某处(例如C处)发生入侵、振动或者自然破坏等现象时，将导致传输光纤9局部产生应变，而光纤折射率因为弹光效应的存在也会产生对应的变化，故后向散射光在经过此处时的相位也会产生相应的变化，而这部分相位变化的后向散射光在返回到M-Z干涉仪也会产生相应的干涉相位变化，根据光的干涉特性，故在中央控制器中将获取到与稳态干涉不一样的干涉信号，以此可以判断光纤路径上是否发生了入侵事件；

步骤3、依据步骤2，当检测到光纤路径上发生入侵事件时，从中央控制器15中识别并获取到第一光电探测器10与第二光电探测器11各自在接收到相同干涉波形信号的时刻t₁、t₂，并计算出两者的延迟差；

由于引起两干涉仪的干涉信号发生变化的机械扰动为同源，且两干涉仪的特征长度基本相当，根据光产生干涉所具备的条件，可推断影响两干涉仪产生相同的干涉结果除在振幅上可能存在些许差异外，仅会在时间上产生延迟差，而这个时间上的延迟差仅与光从扰动点分别到两个干涉仪的所传输的距离长短有关，故而可根据两干涉仪产生相同干涉波形信号的延迟差来推到出光纤上发生机入侵的扰动点位置；

步骤4、依据步骤3，计算确定出传输光纤上发生入侵扰动点的位置：

4.1假设传输光纤长度为L，其上发生入侵扰动点的位置到第一M-Z 干涉仪的距离为x,则在传输光纤9上分别沿顺时和逆时针传输的蓝带ASE 光和红带ASE光各自所产生的后向散射光在经过此扰动点并分别返回至各自干涉仪后产生相同干涉波形的时间差为：

其中，v为光在光纤中传播的速度，而(c为真空中的光速，n为光纤介质折射率)，故两个干涉仪产生相同干涉波形的时间差最终为：

4.2根据步骤3可知两干涉仪产生相同干涉波形的时间差与步骤3中获取到的第一光电探测器10与第二光电探测器11各自在接收到相同干涉波形信号时的延迟差相等，即：

Δt＝t₁-t₂

4.3根据步骤4.2求得的差值，确定传输光纤9上发生入侵扰动点的位置,其计算结果为：

最后说明，以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种光纤周界传感定位系统，包含ASE光源(1)、第一M-Z干涉仪(A)、第二M-Z干涉仪(B)、第一光电探测器(10)及第二光电探测器(11)，其特征在于：还包含有第一蓝/红带滤波器(2)、第二蓝/红带滤波器(7)、红/蓝带滤波器(8)及传输光纤(9)，所述ASE光源(1)与所述第一蓝/红带滤波器(2)连接，所述第一蓝/红带滤波器(2)分别与所述第一M-Z干涉仪(A)及第二M-Z干涉仪(B)连接，所述第一M-Z干涉仪(A)分别与所述第一光电探测器(10)及第二蓝/红带滤波器(7)连接，所述第二M-Z干涉仪(B)分别与所述第二光电探测器(11)及红/蓝带滤波器(8)连接，所述第二蓝/红带滤波器(7)及红/蓝带滤波器(8)之间通过所述传输光纤(9)连接。

2.根据权利要求1所述的一种光纤周界传感定位系统，其特征在于：还包含有与所述第一光电探测器(10)连接的第一运放器(12)、及与所述第二光电探测器(11)连接的第二运放器(13)、及与所述第一运放器(12)和第二运放器(13)分别连接的模/数转换器(14)、及与所述模/数转换器(14)连接的中央控制器(15)、及与所述中央控制器(15)连接的音箱(16)，以及与所述模/数转换器(14)、中央控制器(15)和音箱(16)分别连接的电源(17)。

3.根据权利要求1所述的一种光纤周界传感定位系统，其特征在于：所述第一M-Z干涉仪(A)包含有与所述第一蓝/红带滤波器(2)蓝带端口连接的第一耦合器(3-1)、及与所述第二蓝/红带滤波器(7)连接的第三耦合器(5-1)、以及与所述第一耦合器(3-1)及第三耦合器(5-1)连接的第一非对称干涉臂(4-1)和第二非对称干涉臂(4-2)；

所述第二M-Z干涉仪(B)包含有与所述第二蓝/红带滤波器(2)红带端口连接的第二耦合器(3-2)、及与所述红/蓝带滤波器(8)连接的第四耦合器(5-2)、以及与所述第二耦合器(3-2)及第四耦合器(5-2)连接的第三非对称干涉臂(6-1)和第四非对称干涉臂(6-2)。

4.根据权利要求3所述的一种光纤周界传感定位系统，其特征在于：所述第一M-Z干涉仪(A)的第一非对称干涉臂(4-1)与第二非对称干涉臂(4-2)的长度相差至少300m，所述第二M-Z干涉仪(B)的第三非对称干涉臂(6-1)与第四非对称干涉臂(6-2)的长度相差至少300m，所述第一非对称干涉臂(4-1)与第三非对称干涉臂(6-1)长度相等，所述第二非对称干涉臂(4-2)与第四非对称干涉臂(6-2)长度相等。

5.根据权利要求3所述的一种光纤周界传感定位系统，其特征在于：所述第一耦合器(3-1)、第二耦合器(3-2)、第三耦合器(5-1)及第四耦合器(5-2)均为分光比为50:50的光纤耦合器。