CN110706435A - 一种基于3×3耦合器的光纤周界入侵报警*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于3×3耦合器的光纤周界入侵报警***，包括在周界设置的环形传感光缆、DFB激光源和3×3耦合器，所述DFB激光源的激光输出通过一个隔离器连接耦合器的一个输入端，在耦合器中输入的一路光源被均匀分为相位相差120度角的三路输出，将耦合器的其中两路输出连接在传感光缆的两端，使两路输出在传播过程中经过的光程相等满足干涉条件，进而在耦合器中耦合发生干涉形成干涉光信号，所述两路输出中的其中一路与一个光纤延时环直熔后连接传感光缆，激光耦合器的另外两个输入端作为干涉光信号耦合输出端口，通过光电探测器连接报警监控主机。

Description

一种基于3×3耦合器的光纤周界入侵报警***
技术领域
本发明涉及光电技术领域，特别涉及一种基于3×3耦合器的光纤周界入侵报警***。
背景技术
周界报警***由于面对的入侵对象广泛且复杂，同时受外界环境、气候等因素影响，应用中对***性能方面有着较高的要求。
目前市场上的电类周界监测***实际应用中需要室外供电设备，易受电磁场干扰，***的应用场合及稳定性受到影响。基于光波干涉的光纤周界入侵报警***，传感器部分使用的是光无源器件，弥补了电类传感***的缺陷，具有抗电磁干扰、耐腐蚀、成本低、灵敏度高、误报率低等优点。但由于单模光纤本身的双折射效应，光波传输过程中存在两个正交的线偏振模，外界温度、应力等发生变化后，这两个模式的传播模式不再相同，两模式中存在偏振误差，光波耦合后表现为光强幅度随机发生变化，从而影响了干涉***的稳定性和测量精度。显然这不能满足光纤周界***在高、低温环境下工作的条件，在现场使用过程中，反馈出现信号包络小导致漏报、在室外低温或高温环境中长时间连续工作时传感器灵敏度与常温工作时相比明显降低等问题，影响了传感器的探测性能及稳定性。（由于单模光纤中存在两个正交的线偏振模，外界温度、应力等发生变化后，这两个模式的传播模式不再相同，两模式中存在偏振误差，光波耦合后表现为光强幅度随机发生变化，从而影响了干涉***的稳定性和测量精度。
目前针对光纤中存在的“偏振衰落”影响常用的方法有三种：（1）是使用偏振控制器实时调节，使相干光的偏振态保持一致，但偏振调节控制器算法较为复杂，对于距离长达几公里的光纤来说，其本身的双折射和外界环境引起的双折将导致传感器的可靠性有限；（2）利用法拉第旋转镜进行双折射补偿，该方法虽然可以降低偏振衰落对信号的而影响，同时会导致干涉信号对比度下降，使***的探测灵敏下降，容易出现漏报现象；（3）采用全保偏光纤，利用保偏光纤的特殊结构稳定光波传输时的偏振态，但是保偏光纤价格十分昂贵，导致生产成本的急剧增加。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于3×3耦合器的光纤周界入侵报警***，利用3×3耦合器的内部耦合光波干涉降低了偏振衰落对***性能的影响，具有结构简单、灵敏度高的特点。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种基于3×3耦合器的光纤周界入侵报警***，包括在周界设置的环形传感光缆、DFB激光源和耦合器，其中，所述耦合器是3×3耦合器，所述DFB激光源的激光输出通过一个隔离器连接3×3耦合器的一个输入端，在3×3耦合器中输入的一路光源被均匀分为相位相差120度角的三路输出，将3×3耦合器的其中两路输出连接在传感光缆的两端，使两路输出在传播过程中经过的光程相等满足干涉条件，进而在3×3耦合器中耦合发生干涉形成干涉光信号，所述两路输出中的其中一路与一个光纤延时环直熔后连接传感光缆，3×3耦合器的另外两个输入端作为干涉光信号耦合输出端口通过光电探测器连接报警监控主机。
方案进一步是： 所述DFB激光源是1310nm的窄线宽激光源，功率为1mW。
方案进一步是：所述传感光缆和光纤延时环光纤均采用单模光纤。
方案进一步是：所述3×3耦合器和光纤延时环放置在四壁设置有吸震材料的防震盒中。
方案进一步是：所述传感光缆以波浪形固定在周界间隔桩上设置的围栏上。
方案进一步是：所述光纤延时环的光纤长度通过公式1确定，
Figure 970352DEST_PATH_IMAGE001
公式1
其中：
n1为光纤延时环折射率；
n2为传感光缆折射率；
c为光在真空中的传播速度；
L2为传感光缆长度；
f为信号处理电路能实现的调制解调频率。
本发明优点包括：
1．使用的×3耦合器调制后，各个端口输出光之间相位相差120度，降低了偏振衰落对***的影响，降低了***的漏报、误报。
2. 使用的光源为窄线宽DFB激光器，与SLED带宽光源相比光源相干性变强，可监测的周界有效距离提升。同时，窄线宽光源对干涉相位变化更为敏感，对振动信号的探测灵敏度大大提升。
3. 振动光缆是环形回路结构，增大了与外界环境的接触面积，有利于提高检测灵敏度。
4. 可根据提取出的振动信号波形包络、幅值、能量等特征的不同，实现对入侵信号的分类识别。
5. 本发明具有较高的环境适应性，结构简单，传感光路中仅使用了一个光学耦合器件，节省了生产成本、易于实施；环形回路的设计，提高了***检测灵敏度高；根据入侵信号特征的不同可对入侵信号进行分类判别报警。
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明周界围栏示意图；
图3是利用本发检测到的敲击、攀爬、地埋走动入侵信号示意图。
具体实施方式
作为基于耦合器的光纤周界入侵报警，曾尝试采用了SFP光源+2×2光模块耦合器的光路结构，由于耦合器两个输出端光路相位差为180度，偏振衰落对***影响较大，引起***产生漏报、误报。在现场使用过程中，反馈出现信号包络小导致了漏报、在室外低温或高温环境中长时间连续工作时光纤传感器灵敏度与常温工作时相比出现明显降低等问题。然而经过多次试验使用3×3耦合器，各个端口输出光之间相位相差120度可以降低光源频率随机漂移产生的相位噪声，降低偏振衰落对***的影响，降低了***的漏报、误报。
为此，本实施例一种基于3×3耦合器的光纤周界入侵报警***，是Sagnac干涉型光纤报警***，如图1所示，所述光纤周界入侵报警***包括在周界设置的环形传感光缆1、激光源2和耦合器3，如图2所示，传感光缆1以波浪形布置固定在环形周界间隔桩4上设置的围栏5上。其中，激光源采用DFB激光源，是1310nm的窄线宽激光源，功率为1mW，DFB光源的使用提高了防区周界的有效监测距离。同时，窄线宽光源对干涉相位变化更为敏感，对振动信号的探测灵敏度大大提升。所述耦合器是3×3耦合器，3×3耦合器是一种标准器件，光源能量被均分为1:1:1、相位差120度输出，所述DFB激光源的激光输出通过一个隔离器6连接3×3耦合器的一个输入端in1，在3×3耦合器中输入的一路光源被均匀分为相位相差120度角的三路输出，将3×3耦合器的其中两路输出out1和out 3，也可以是out1和out 2，或者out2和out 3，连接在传感光缆1的两端，使两路输出在传播过程中经过的光程相等满足干涉条件，进而在3×3耦合器中耦合发生光干涉形成干涉光信号，所述两路输出中的其中一路与一个光纤延时环7直熔（串接）后连接传感光缆1，3×3耦合器3的另外两个输入端，输入端in2和输入端in3作为干涉光信号耦合输出端口通过光电探测器8连接报警监控主机9。
其中：所述传感光缆和光纤延时环光纤均采用单模光纤。并且，所述3×3耦合器和光纤延时环放置在四壁设置有海绵吸震材料的防震盒中。
实施例中：当围栏发生扰动时，产生的振动的信号作用到传感光缆上，传感光缆中传播的顺、逆时针两路光信号的传播的路径发生变化，导致形成的干涉光的相位发生改变，通过光电探测器将传感器的相位变化信息转化为探测到的光强信号，即可实现周界区域的安全监测。
Figure 895582DEST_PATH_IMAGE002
由于3×3耦合器的耦合相移为
Figure 119890DEST_PATH_IMAGE003
，理想的3×3耦合器的琼斯矩阵表达式为：
Figure 119070DEST_PATH_IMAGE004
Figure 403421DEST_PATH_IMAGE005
光源发出的光经过×3耦合器后，OUT1和OUT2端口的光信号强度为：
Figure 815948DEST_PATH_IMAGE006
OUT1和OUT2端口的两光信号经过传感光缆再次回到耦合器产生的两路干涉光强度为：
Figure 843947DEST_PATH_IMAGE007
式中，
Figure 25529DEST_PATH_IMAGE008
为产生的顺、逆光信号的相位差。外界有扰动时作用于传感光缆时将受到调制，干涉光强度随之发生改变，因此通过监测干涉光强度可实现外界入侵行为的安全预警。由于3×3耦合器构建的相位差为，降低了光源噪声涨落及偏振衰落对***性能的影响，同时提高了***的响应范围，因此不需要任何调制器件，即可实现信号动态范围大的高灵敏探测。
一般情况下光纤延时环在光路中的作用是延长光波的传播时间，降低***的本征频率，从而降低传感信号的调制解调难度。除此之外，本实施例设计的传感***中光纤延时环还具有提高探测灵敏度的作用。实验过程中发现光纤延时环长度过长时探测到的信号噪声过大，增加***解调难度。太低时对外界振动信号不敏感，影响***探测性能。因此，延时环选取合适的长度，对降低信号噪声，提高传感精度具有重要作用。因此，本实施例所述光纤延时环的光纤长度通过公式1确定，
公式1
其中：
n1为光纤延时环折射率；
n2为传感光缆折射率；
c为光在真空中的传播速度；
L2为传感光缆长度；
f为信号处理电路能实现的调制解调频率。
由于光纤延时环和传感光缆采用的为同一种单模光纤，因此光纤延时环折射率n1和传感报警光纤折射率n2作为单模光纤均为1.4662，光在真空中的传播速度c是3×108m/s，本实施例信号处理电路能实现的调制解调频率f是10KHz。
对于本实施例的测试结果如图3所示，将传感光缆固定在围栏上，分别对围栏进行。同时将光缆敷设在地毯下面，进行走动测试。结果表明，***在2秒内能对外界入侵动作做出快速响应。

Claims (6)

1.一种基于3×3耦合器的光纤周界入侵报警***，包括在周界设置的环形传感光缆、DFB激光源和耦合器，其特征在于，所述耦合器是3×3耦合器，所述DFB激光源的激光输出通过一个隔离器连接3×3耦合器的一个输入端，在3×3耦合器中输入的一路光源被均匀分为相位相差120度角的三路输出，将3×3耦合器的其中两路输出连接在传感光缆的两端，使两路输出在传播过程中经过的光程相等满足干涉条件，进而在3×3耦合器中耦合发生干涉形成干涉光信号，所述两路输出中的其中一路与一个光纤延时环直熔后连接传感光缆，3×3耦合器的另外两个输入端作为干涉光信号耦合输出端口通过光电探测器连接报警监控主机。
2.根据权利要求1所述的光纤周界入侵报警***，其特征在于，所述DFB激光源是1310nm的窄线宽激光源，功率为1mW。
3.根据权利要求1所述的光纤周界入侵报警***，其特征在于，所述传感光缆和光纤延时环光纤均采用单模光纤。
4.根据权利要求1所述的光纤周界入侵报警***，其特征在于，所述3×3耦合器和光纤延时环放置在四壁设置有吸震材料的防震盒中。
5.根据权利要求1所述的光纤周界入侵报警***，其特征在于，所述传感光缆以波浪形固定在周界间隔桩上设置的围栏上。
6.根据权利要求1所述的光纤周界入侵报警***，其特征在于，所述光纤延时环的光纤长度通过公式1确定，
Figure DEST_PATH_IMAGE001
公式1
其中：
n1为光纤延时环折射率；
n2为传感光缆折射率；
c为光在真空中的传播速度；
L2为传感光缆长度；
f为信号处理电路能实现的调制解调频率。
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