专利名称：周界防卫光纤传感器的制作方法
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、不受电磁千扰，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US2003/0198425A1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I^和丄2两段，^是顺时针光波(CW)从光纤耦合器到扰动发生点的距离，^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AI"-V247 2。光波增加了传输距离， 也就是使光波的相位发生变化/^-2朋Ai/义。式中n为光纤的折射率，人为 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-<formula>formula see original document page 5</formula> 式中/"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。
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
以下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l，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: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l:l。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"和&。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lmW;采用商售h 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。
权利要求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l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l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。
专利摘要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。
文档编号G01J1/42GK201032465SQ20072006800
公开日2008年3月5日 申请日期2007年3月21日 优先权日2007年3月21日
发明者方祖捷, 俊 李, 耿健新, 蔡海文 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所