專利名稱：一種光纖入侵檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于安全防范領(lǐng)域，特別是涉及一種光纖入侵檢測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，光纖傳感技術(shù)在現(xiàn)代安防領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。安防系統(tǒng)中的及時(shí)發(fā)現(xiàn) 和定位入侵行為意義重大。傳統(tǒng)的安防系統(tǒng)主要有紅外傳感技術(shù)、視頻視頻技術(shù)、地磁傳感 技術(shù)等，但這些技術(shù)都容易受到電磁的干擾、隱蔽性不好，監(jiān)控距離有限、維護(hù)成本較高，而 且很多時(shí)候還受到電源的限制，同時(shí)也增加了安全隱患。分布式光纖傳感技術(shù)在這方向有 著明顯的優(yōu)勢(shì)，除了光纖傳感器通用的“不受電磁干擾、隱蔽性好、靈敏度高等”優(yōu)點(diǎn)之外， 防護(hù)現(xiàn)場(chǎng)的傳感光纜使用壽命長(zhǎng)、無(wú)需供電、維護(hù)簡(jiǎn)單，并且安裝方便，可廣泛應(yīng)用在各種 復(fù)雜、危險(xiǎn)的環(huán)境中。馬赫-澤德干涉型光纖傳感系統(tǒng)的傳感部分是一種典型的馬赫-澤德干涉儀?，F(xiàn) 有技術(shù)中的基本結(jié)構(gòu)1如圖1所示，2x2耦合器106和108、光纖(或光纜)107構(gòu)成馬赫-澤 德干涉儀。光發(fā)射機(jī)102發(fā)射的光信號(hào)被1x2功分器104分成兩束光，其中一束光經(jīng)106、 107、108、1x2功分器105后被光電轉(zhuǎn)換接收器103接收，另一束光經(jīng)105、108、107、106后被 光電轉(zhuǎn)換接收器101接收，通過(guò)處理101、103接收到的信號(hào)，可獲得外場(chǎng)變化信息，定位應(yīng) 力、應(yīng)變或振動(dòng)發(fā)生的位置。由光發(fā)射機(jī)102發(fā)射的光信號(hào)分為沿兩個(gè)相反方向傳輸?shù)墓猓绻麄鞲泄饫w(或 光纜)107的某部分受到外力作用產(chǎn)生形變或振動(dòng)，那么在107中傳輸?shù)墓庑盘?hào)的相位會(huì)發(fā) 生變化。通過(guò)檢測(cè)兩個(gè)方向的光信號(hào)波形變化的時(shí)間差，即可計(jì)算出應(yīng)力、應(yīng)變或振動(dòng)發(fā)生 的位置。圖1中所示現(xiàn)有技術(shù)中，光電轉(zhuǎn)換接收機(jī)101、103采用單一的光電轉(zhuǎn)換檢測(cè)器。這 種結(jié)構(gòu)存在光電轉(zhuǎn)換檢測(cè)器輸出的直流信號(hào)較高、輸出的交流信號(hào)受偏振的影響、系統(tǒng)檢 測(cè)擾動(dòng)位置時(shí)準(zhǔn)確度較差、在長(zhǎng)距離應(yīng)用中靈敏度比較低等缺點(diǎn)?，F(xiàn)有技術(shù)中的基本結(jié)構(gòu)2如圖2所示，包括光信號(hào)的收發(fā)部分201、耦合模塊 1202、引導(dǎo)光纖(或光纜)203、耦合模塊2204和傳感光纖(或光纜)205，205形成一環(huán)形， 與其它部分形成一封閉區(qū)域。光信號(hào)的收發(fā)部分201包括光發(fā)生器209、放大器206、210以 及光電轉(zhuǎn)換器207、208、211、212。其中206、207、208構(gòu)成一個(gè)平衡檢測(cè)光電轉(zhuǎn)換接收器， 210、211、212構(gòu)成另一個(gè)平衡檢測(cè)光電轉(zhuǎn)換接收器。圖2中所示現(xiàn)有技術(shù)采用探測(cè)器對(duì)組成平衡探測(cè)器，克服了圖1所示技術(shù)中光電 轉(zhuǎn)換檢測(cè)器輸出的直流信號(hào)較高、輸出的交流信號(hào)受偏振的影響、系統(tǒng)檢測(cè)擾動(dòng)位置時(shí)準(zhǔn) 確度較差的缺點(diǎn)。圖1和圖2所示的現(xiàn)有技術(shù)采用單一的光信號(hào)波長(zhǎng)，接收模塊接收的光信號(hào)中混 雜了背向瑞利散射光信號(hào)噪聲和布里淵散射光信號(hào)噪聲，這些噪聲在長(zhǎng)距離監(jiān)控系統(tǒng)中光 發(fā)射模塊需要發(fā)射大功率光信號(hào)時(shí)嚴(yán)重干擾了有用信號(hào)，限制了傳感系統(tǒng)的監(jiān)控范圍和接 收靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有光纖入侵檢測(cè)系統(tǒng)存在的缺陷，本發(fā)明提供一種基于波分復(fù)用技術(shù)和邁 克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)的光纖入侵檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)成包括光信號(hào)的發(fā)射部分、光纖傳感定位 部分和光信號(hào)接收與處理部分。本發(fā)明中，WDM1314和WDM2315工作在波長(zhǎng)2，WDM3 316和WDM4 317工作在波長(zhǎng) 1。如圖3所示，波長(zhǎng)1的光信號(hào)從激光器1 301產(chǎn)生以后通過(guò)3X3光耦合器302的2端 口進(jìn)入到邁克爾遜的傳感臂321和參考臂322中，在傳感臂321和參考臂322中分別經(jīng)過(guò) WDMl 314和WDM2 315后在末端通過(guò)WDM3316和WDM4 317分離到法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡(3. 3、 304、307、308)，然后原路返回，再次通過(guò)3X3光耦合器302，從1和3端口輸出。入侵行 為導(dǎo)致通過(guò)此處的光信號(hào)的相位會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則變化，從端口輸出的光信號(hào)不再是穩(wěn)定的干 涉。1 端 口 輸出信號(hào)可以表示為=I1Cos { Φ [t- (T1+ τ)] + φ [t- ( \+2Τ2- τ ) ] + φ J，其中 Tl、 Τ2、Τ3是已知參量，τ為包含入侵位置信息的參數(shù)。從3端口輸出的光信號(hào)僅比1端口的 引入一個(gè)常數(shù)相移(這是由3X3光耦合器工作機(jī)理引入的)。在另一個(gè)方向，波長(zhǎng)2的 光信號(hào)從激光器306產(chǎn)生后，采用相似的光路，從系統(tǒng)的另一端輸入，同樣兩次通過(guò)入侵位 置，在3X3光耦合器305的1'端口和3'輸出傳感臂321中和參考臂322中的光信號(hào)干 涉后的結(jié)果，Γ端口輸出的光信號(hào)可以表示為:Ι2οο8{Φ [ -(Τ2+Τ3-τ)] + φ [t-(I\+T2+T )] + Φ2}。同樣，在3'輸出的光信號(hào)有著和1'端口輸出光信號(hào)一樣的入侵位置信息，僅多了 一位由3 X 3光耦合器弓I入的常數(shù)相移。3 X 3光耦合器的4路輸出光信號(hào)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換(309、310、312、313)為電信號(hào)后傳送到信號(hào)處理器311中進(jìn)行處理運(yùn)算首先，將4個(gè) 端口(1端口、3端口、1'端口、3'端口)輸出的信號(hào)振幅進(jìn)行歸一化；其次，1端口和3端 口的信號(hào)引入時(shí)延TfT1-T3后，和1'端口、3'端口輸出的信號(hào)進(jìn)行三角函數(shù)運(yùn)算后輸出 一路信號(hào)甲:008{Φ [ -(Τ1+τ)]-φ [ -(Τ1+2Τ2+τ)]}+οο8(Φ1-φ2)；再次，Γ 端口和 3' 端口的信號(hào)引入時(shí)延TJT3-T1后，和1端口、3端口輸出的信號(hào)進(jìn)行三角函數(shù)運(yùn)算后輸出另 一路信號(hào)乙:008{Φ [ -(Τ2+Τ3-τ)]-φ [ -(3Τ2+Τ3-τ)]}+οο8(Φ1-φ2)；最后，信號(hào)甲和信 號(hào)乙存著Tci = I^T3-TPT的時(shí)延，Tl、Τ2、Τ3都為已知量，通過(guò)信號(hào)甲和信號(hào)乙兩路的 信號(hào)的相關(guān)性運(yùn)算，獲得τ的具體值，由此獲得入侵行為的具體位置信息。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中光纖傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1 ；圖2為現(xiàn)有技術(shù)中光纖傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2 ；圖3為本發(fā)明光纖傳感系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例的光纖傳感系統(tǒng)傳感部分的光路圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例3X3耦合器1端口和1'端口輸出的信號(hào)；圖6為本發(fā)明實(shí)施例信號(hào)處理器輸出的兩路信號(hào)；
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供一種光纖傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例一
本發(fā)明提供一種基于邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)光纖入侵檢測(cè)系統(tǒng)。如圖3所示，系統(tǒng) 構(gòu)成包括光信號(hào)的發(fā)射部分318、光纖傳感定位部分319和光信號(hào)接收與處理部分320。本實(shí)施例中，所述光信號(hào)發(fā)射部分318，采用的均為分布式反饋半導(dǎo)體激光器。其 中激光器310是工作在1310nm波段，另一臺(tái)激光器306工作在1550nm波段。所述光纖傳感定位部分319采用邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)。傳感光纖(或光 纜)321與3X3光耦合器(302、305)、反射鏡(303、304、307、308) —起構(gòu)成馬赫-澤德 (Mach-Zehnder)干涉儀，傳感臂321與干涉臂322的兩端都各自連接了一個(gè)1310波分復(fù)用 解復(fù)用器(315、317)和一個(gè)1550nm波分復(fù)用解復(fù)用器(314、316)。所述光信號(hào)接收與處理部分320采用4個(gè)光電轉(zhuǎn)換器(309、310、312、313)和一臺(tái) 信號(hào)處理器311。所述3X3耦合器(302、30幻采用熔錐型或其他工藝制作，每個(gè)輸出臂的光相位不 同并且已知。本實(shí)施例中，傳感光纖(或光纜)321總的長(zhǎng)度為4千米，信號(hào)處理器311的信息采 集頻率為1兆赫茲。我們?cè)谶h(yuǎn)離3X3光耦合器302約60m處踩踏傳感光纖(或光纜)321， 在3 X 3光耦合器302的1端口和在3 X 3光耦合器305的1 ‘端口得到如圖5的信號(hào)輸出， 在信號(hào)處理器311得出了如圖6的信號(hào)輸出。通過(guò)信號(hào)甲和信號(hào)乙兩路的信號(hào)的相關(guān)性運(yùn) 算，我們得到在光纖的第一個(gè)采樣點(diǎn)(離3X3光耦合器302約100m) 士50m范圍內(nèi)發(fā)生了 入侵行為。上述實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而非用于限定本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種光纖入侵檢測(cè)系統(tǒng)，包括光信號(hào)的發(fā)射部分、光纖傳感定位部分和光信號(hào)接收 與處理部分。光纖傳感部分采用邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)；采用法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡，消除了由光 纖中光信號(hào)偏振不穩(wěn)定所引起的對(duì)入侵位置檢測(cè)的影響；采用3X3耦合器解調(diào)入侵引起 的相位變化信號(hào)；采用波分復(fù)用解復(fù)用技術(shù)，通過(guò)兩路不同波長(zhǎng)的光信號(hào)完成對(duì)入侵位置 的定位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖入侵檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于傳感部分采用邁克爾遜干 涉儀結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖入侵檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于環(huán)境引起的光信號(hào)偏振態(tài) 隨機(jī)變化可消除。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖入侵檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于采用3X3耦合器解調(diào)入侵 引起的相位變化信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖入侵檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于采用兩路工作在不同波長(zhǎng) 的光信號(hào)完成對(duì)入侵位置的定位。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖入侵檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于采用法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡 (FRM)來(lái)消除偏振起伏效應(yīng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光纖入侵檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于采用波分復(fù)用解復(fù)用技術(shù)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于波分復(fù)用的光纖入侵檢測(cè)系統(tǒng)，包括光信號(hào)的發(fā)射部分、光纖傳感定位部分和光信號(hào)接收與處理部分。兩路光信號(hào)分別兩次通過(guò)入侵位置，在光信號(hào)接收與處理部分就可以得到一個(gè)包含入侵位置的信息，由此確定入侵的具體位置。光纖傳感部分采用邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)；采用法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡(FRM)，消除了由光纖中光信號(hào)偏振不穩(wěn)定所引起的對(duì)入侵位置檢測(cè)的影響；采用3×3耦合器解調(diào)入侵引起的相位變化信號(hào)；采用波分復(fù)用解復(fù)用(WDM)技術(shù)，通過(guò)兩路不同波長(zhǎng)的光信號(hào)完成對(duì)入侵位置的定位。
文檔編號(hào)G02B6/293GK102117525SQ201010287290
公開(kāi)日2011年7月6日 申請(qǐng)日期2010年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月20日
發(fā)明者伍劍, 劉方森, 徐坤, 林金桐, 洪小斌, 郭宏翔 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué), 蘇州市盛信光纖傳感科技有限公司北京科技分公司