专利名称：一种光纤入侵检测系统的制作方法
技术领域：
本发明属于安全防范领域，特别是涉及一种光纤入侵检测系统。
背景技术：
目前，光纤传感技术在现代安防领域得到了广泛的应用。安防系统中的及时发现 和定位入侵行为意义重大。传统的安防系统主要有红外传感技术、视频视频技术、地磁传感 技术等，但这些技术都容易受到电磁的干扰、隐蔽性不好，监控距离有限、维护成本较高，而 且很多时候还受到电源的限制，同时也增加了安全隐患。分布式光纤传感技术在这方向有 着明显的优势，除了光纤传感器通用的“不受电磁干扰、隐蔽性好、灵敏度高等”优点之外， 防护现场的传感光缆使用寿命长、无需供电、维护简单，并且安装方便，可广泛应用在各种 复杂、危险的环境中。马赫-泽德干涉型光纤传感系统的传感部分是一种典型的马赫-泽德干涉仪。现 有技术中的基本结构1如图1所示，2x2耦合器106和108、光纤(或光缆)107构成马赫-泽 德干涉仪。光发射机102发射的光信号被1x2功分器104分成两束光，其中一束光经106、 107、108、1x2功分器105后被光电转换接收器103接收，另一束光经105、108、107、106后被 光电转换接收器101接收，通过处理101、103接收到的信号，可获得外场变化信息，定位应 力、应变或振动发生的位置。由光发射机102发射的光信号分为沿两个相反方向传输的光，如果传感光纤(或 光缆)107的某部分受到外力作用产生形变或振动，那么在107中传输的光信号的相位会发 生变化。通过检测两个方向的光信号波形变化的时间差，即可计算出应力、应变或振动发生 的位置。图1中所示现有技术中，光电转换接收机101、103采用单一的光电转换检测器。这 种结构存在光电转换检测器输出的直流信号较高、输出的交流信号受偏振的影响、系统检 测扰动位置时准确度较差、在长距离应用中灵敏度比较低等缺点。现有技术中的基本结构2如图2所示，包括光信号的收发部分201、耦合模块 1202、引导光纤(或光缆)203、耦合模块2204和传感光纤(或光缆)205，205形成一环形， 与其它部分形成一封闭区域。光信号的收发部分201包括光发生器209、放大器206、210以 及光电转换器207、208、211、212。其中206、207、208构成一个平衡检测光电转换接收器， 210、211、212构成另一个平衡检测光电转换接收器。图2中所示现有技术采用探测器对组成平衡探测器，克服了图1所示技术中光电 转换检测器输出的直流信号较高、输出的交流信号受偏振的影响、系统检测扰动位置时准 确度较差的缺点。图1和图2所示的现有技术采用单一的光信号波长，接收模块接收的光信号中混 杂了背向瑞利散射光信号噪声和布里渊散射光信号噪声，这些噪声在长距离监控系统中光 发射模块需要发射大功率光信号时严重干扰了有用信号，限制了传感系统的监控范围和接 收灵敏度。
发明内容
鉴于现有光纤入侵检测系统存在的缺陷，本发明提供一种基于波分复用技术和迈 克尔逊干涉仪结构的光纤入侵检测系统。系统构成包括光信号的发射部分、光纤传感定位 部分和光信号接收与处理部分。本发明中，WDM1314和WDM2315工作在波长2，WDM3 316和WDM4 317工作在波长 1。如图3所示，波长1的光信号从激光器1 301产生以后通过3X3光耦合器302的2端 口进入到迈克尔逊的传感臂321和参考臂322中，在传感臂321和参考臂322中分别经过 WDMl 314和WDM2 315后在末端通过WDM3316和WDM4 317分离到法拉第旋转反射镜(3. 3、 304、307、308)，然后原路返回，再次通过3X3光耦合器302，从1和3端口输出。入侵行 为导致通过此处的光信号的相位会产生不规则变化，从端口输出的光信号不再是稳定的干 涉。1 端 口 输出信号可以表示为=I1Cos { Φ [t- (T1+ τ)] + φ [t- ( \+2Τ2- τ ) ] + φ J，其中 Tl、 Τ2、Τ3是已知参量，τ为包含入侵位置信息的参数。从3端口输出的光信号仅比1端口的 引入一个常数相移(这是由3X3光耦合器工作机理引入的)。在另一个方向，波长2的 光信号从激光器306产生后，采用相似的光路，从系统的另一端输入，同样两次通过入侵位 置，在3X3光耦合器305的1'端口和3'输出传感臂321中和参考臂322中的光信号干 涉后的结果，Γ端口输出的光信号可以表示为:Ι2οο8{Φ [ -(Τ2+Τ3-τ)] + φ [t-(I\+T2+T )] + Φ2}。同样，在3'输出的光信号有着和1'端口输出光信号一样的入侵位置信息，仅多了 一位由3 X 3光耦合器弓I入的常数相移。3 X 3光耦合器的4路输出光信号通过光电转换器 转换(309、310、312、313)为电信号后传送到信号处理器311中进行处理运算首先，将4个 端口(1端口、3端口、1'端口、3'端口)输出的信号振幅进行归一化；其次，1端口和3端 口的信号引入时延TfT1-T3后，和1'端口、3'端口输出的信号进行三角函数运算后输出 一路信号甲:008{Φ [ -(Τ1+τ)]-φ [ -(Τ1+2Τ2+τ)]}+οο8(Φ1-φ2)；再次，Γ 端口和 3' 端口的信号引入时延TJT3-T1后，和1端口、3端口输出的信号进行三角函数运算后输出另 一路信号乙:008{Φ [ -(Τ2+Τ3-τ)]-φ [ -(3Τ2+Τ3-τ)]}+οο8(Φ1-φ2)；最后，信号甲和信 号乙存着Tci = I^T3-TPT的时延，Tl、Τ2、Τ3都为已知量，通过信号甲和信号乙两路的 信号的相关性运算，获得τ的具体值，由此获得入侵行为的具体位置信息。
图1为现有技术中光纤传感系统结构1 ；图2为现有技术中光纤传感系统结构2 ；图3为本发明光纤传感系统总体结构示意图；图4为本发明实施例的光纤传感系统传感部分的光路图；图5为本发明实施例3X3耦合器1端口和1'端口输出的信号；图6为本发明实施例信号处理器输出的两路信号；
具体实施例方式本发明提供一种光纤传感系统结构。以下结合附图对本发明进行详细说明。实施例一
本发明提供一种基于迈克尔逊干涉仪结构光纤入侵检测系统。如图3所示，系统 构成包括光信号的发射部分318、光纤传感定位部分319和光信号接收与处理部分320。本实施例中，所述光信号发射部分318，采用的均为分布式反馈半导体激光器。其 中激光器310是工作在1310nm波段，另一台激光器306工作在1550nm波段。所述光纤传感定位部分319采用迈克尔逊干涉仪结构。传感光纤(或光 缆)321与3X3光耦合器(302、305)、反射镜(303、304、307、308) —起构成马赫-泽德 (Mach-Zehnder)干涉仪，传感臂321与干涉臂322的两端都各自连接了一个1310波分复用 解复用器(315、317)和一个1550nm波分复用解复用器(314、316)。所述光信号接收与处理部分320采用4个光电转换器(309、310、312、313)和一台 信号处理器311。所述3X3耦合器(302、30幻采用熔锥型或其他工艺制作，每个输出臂的光相位不 同并且已知。本实施例中，传感光纤(或光缆)321总的长度为4千米，信号处理器311的信息采 集频率为1兆赫兹。我们在远离3X3光耦合器302约60m处踩踏传感光纤(或光缆)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 ‘端口得到如图5的信号输出， 在信号处理器311得出了如图6的信号输出。通过信号甲和信号乙两路的信号的相关性运 算，我们得到在光纤的第一个采样点(离3X3光耦合器302约100m) 士50m范围内发生了 入侵行为。上述实施例仅用于说明本发明，而非用于限定本发明。
权利要求
1.一种光纤入侵检测系统，包括光信号的发射部分、光纤传感定位部分和光信号接收 与处理部分。光纤传感部分采用迈克尔逊干涉仪结构；采用法拉第旋转反射镜，消除了由光 纤中光信号偏振不稳定所引起的对入侵位置检测的影响；采用3X3耦合器解调入侵引起 的相位变化信号；采用波分复用解复用技术，通过两路不同波长的光信号完成对入侵位置 的定位。
2.根据权利要求1所述的光纤入侵检测系统，其特征在于传感部分采用迈克尔逊干 涉仪结构。
3.根据权利要求1所述的光纤入侵检测系统，其特征在于环境引起的光信号偏振态 随机变化可消除。
4.根据权利要求1所述的光纤入侵检测系统，其特征在于采用3X3耦合器解调入侵 引起的相位变化信号。
5.根据权利要求1所述的光纤入侵检测系统，其特征在于采用两路工作在不同波长 的光信号完成对入侵位置的定位。
6.根据权利要求3所述的光纤入侵检测系统，其特征在于采用法拉第旋转反射镜 (FRM)来消除偏振起伏效应。
7.根据权利要求5所述的光纤入侵检测系统，其特征在于采用波分复用解复用技术。
全文摘要
本发明提供一种基于波分复用的光纤入侵检测系统，包括光信号的发射部分、光纤传感定位部分和光信号接收与处理部分。两路光信号分别两次通过入侵位置，在光信号接收与处理部分就可以得到一个包含入侵位置的信息，由此确定入侵的具体位置。光纤传感部分采用迈克尔逊干涉仪结构；采用法拉第旋转反射镜(FRM)，消除了由光纤中光信号偏振不稳定所引起的对入侵位置检测的影响；采用3×3耦合器解调入侵引起的相位变化信号；采用波分复用解复用(WDM)技术，通过两路不同波长的光信号完成对入侵位置的定位。
文档编号G02B6/293GK102117525SQ201010287290
公开日2011年7月6日 申请日期2010年9月20日 优先权日2010年9月20日
发明者伍剑, 刘方森, 徐坤, 林金桐, 洪小斌, 郭宏翔 申请人:北京邮电大学, 苏州市盛信光纤传感科技有限公司北京科技分公司