专利名称：连续光波分复用型长距离分布式扰动定位装置及方法
技术领域：
本发明设计属于光纤传感和安防监控领域。尤其涉及长距离分布式安全监测的工程和装备。能够对监测区域的振动进行检测和定位。
背景技术：
对于居民居住小区以及具有重大价值的设施目标，比如大坝，石油、天然气管道， 仓库、博物馆甚至国境线等，对安全防护的需求越来越大。这些具有重大价值的设施和目标，一旦被不法份子渗透破坏，将对人民的生命财产安全乃至国家的安全造成重大的破坏， 因此急需进行有效的安全保护。目前，对于安全监控系统应用比较广泛的是红外对射式方案。该方案虽然简单、廉价，但是易于被入侵者发现，使入侵者可以比较容易的避开监控点。因此该方案很难对入侵者进行有效的监控。除此之外，还有基于“振动电缆”或“泄漏电缆”的防卫系统，这两种方案虽然一定程度上可以解决红外对射式方案的问题，但整个系统成本相对较高，且电子系统也易受外界的干扰，造成“虚报”。针对上述问题，目前已提出了基于光纤的安全监控系统。由普通的通信光纤作为传感器。当外界施加在光纤上的物理量诸如应力等发生变化的时候，通过光纤的光的各个参量如相位、振幅、频率等将会发生相应的变化。通过监测这些变化量即可探知外界的情况。目前，基于光纤的安全监控系统主要采用了基于OTDR技术和干涉技术两种方案。目前 OTDR技术已经发展的较为成熟，采用OTDR的技术方案易于实现，但是该方案灵敏度较低， 无法检测出微小的振动，且随着监测距离的增加，其监测和定位精度将有所降低。针对OTDR所存在的问题，国内外的一些公司和研究机构提出了一系列的方案。如澳大利亚的FFT (Future Fiber Technologies)公司提出的基于Machlehnder干涉仪的光纤监控系统。但是由于需要在实际施工时同时埋设三根光纤，不但增加了系统的成本，而且极大的提高了系统构建的难度。
发明内容
针对目前安全防护系统所存在的问题，本发明提出了一种连续光波分复用型长距离分布式扰动定位装置及方法。该方案具有很高的灵敏性，并能对外界振动点进行精确的定位。技术方案一种连续光波分复用型长距离分布式扰动定位装置，包括所发光波的中心波长不同的，第一波分复用器、第二波分复用器、第三波分复用器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、光纤延迟线、反射镜、折射率匹配液以及传感光纤；第一宽带光源和第二宽带光源的双向端口分别与第一波分复用器的第一双向光端口和第一波分复用器的第二双向光端口相连；第一波分复用器的第三双向光端口与第一光纤耦合器的第一双向光端口相连；第一光纤耦合器的第三双向光端口与光纤延迟线的双向光端口相连；第一光纤耦合器的第四双向光端口和第二双向光端口分别与第二光纤耦合器的第二双向光端口和第三波分复用器的第一双向光端口相连；第二光纤耦合器的第一双向光端口和第二光纤耦合器的第三双向光端口分别与光纤延迟线的另一双向光端口和传感光纤的双向光端口相连；第二波分复用器的第一双向光端口与反射镜相连；第二波分复用器的第二双向光端口与折射率匹配液相连；第二波分复用器的第三双向光端口与传感光纤的另一双向光端口相连；第三波分复用器的第二双向光端口与第一光电检测电路相连；第三波分复用器的第三双向光端口与第二光电检测电路相连。一种连续光波分复用型长距离分布式扰动定位方法，将第一宽带光源发出的中心波长为X1的光和第二宽带光源发出的波长为λ2的光分别通过送入第一波分复用器的第一双向光端口和第一波分复用器的第二双向光端口中，含有不同波长的光信号从第一波分复用器的第三双向光端口中输出，并通过第一光纤耦合器的第一双向光端口送入第一光纤耦合器中，光在第一光纤耦合器中一分为二，一部分光通过第一光纤耦合器的第三双向光端口送入光纤延迟线的一个双向光端口并且通过光纤延迟线的另一个双向光端口及第二光纤耦合器的第一双向光端口送入第二光纤耦合器中，另一部分光通过第一光纤耦合器的第四双向光端口及第二光纤耦合器的第二双向光端口送入第二光纤耦合器中，送入第二光纤耦合器的光从其第三双向光端口中输出，并通过传感光纤及第二波分复用器的第三双向光端口送入第二波分复用器中，两种波长的光信号在第二波分复用器中按波长分开，其中， 中心波长为X1的光经第二波分复用器的第一双向光端口送入反射镜中，中心波长为λ2 的光经第二波分复用器的第二双向光端口送入折射率匹配液中且被吸收；由反射镜反射的波长为X1的反射光信号经第二波分复用器的第一双向光端口送入第二波分复用器中，并通过第二波分复用器的第三双向光端口送入传感光纤中，由波长为λ2的背向散射光和波长为X1的反射光组成的传感光纤中的光信号经第二光纤耦合器的第三双向光端口送入第二光纤耦合器中并在第二光纤耦合器中再次一分为二，且分别通过第二光纤耦合器的第一双向光端口及第二双向光端口输出，来自第二光纤耦合器的第一双向光端口的光经光纤延迟线送入第一光纤耦合器，来自第二光纤耦合器的第二双向光端口的光送入第一光纤耦合器，经光经光纤延迟线送入第一光纤耦合器的光与来自第二光纤耦合器的第二双向光端口的光在第一光纤耦合器中发生干涉，并经过第一光纤耦合器的第二双向光端口输出至第三波分复用器并被第三波分复用器分离出中心波长为λ i的光和中心波长为λ 2的光，中心波长为X1的光和中心波长为λ2的光分别通过第三波分复用器的第二双向光端口及第三双向光端口送入第一光电检测电路及第二光电检测电路，将第一光电检测电路检测到的电压信号与第二光电检测电路检测到的电压信号相除，得到扰动点的位置信息。本发明的基于干涉原理的分布式光纤安全防护光路系统，是宽带光源发出的光送入干涉仪中，并通过干涉仪送入传感光纤。该光在传感光纤尾端反射回来，再次经过干涉仪中形成干涉信号，并最终由相应的光电检测电路识别。当外界发生扰动的时候，诸如个人闯入、周围施工以及自然灾害等，则干涉信号将发生相应的变化，从而实现对重点设施的安全防护。在上述的安全防护中，本方案还实现了对外界扰动点的精确定位。两个不同波长的光经过波分复用器送入同一个光纤中。其中一个波长的光在传感光纤尾端由于反射镜的作用反射回干涉仪并形成干涉信号。该干涉信号包含了传感光纤中扰动信号的信息。而另一波长的光由于折射率匹配液的作用，没有反射回来。只有沿传感光纤的背向散射光反射回干涉仪中形成了干涉信号。该干涉信号不仅仅包含了传感光纤上的扰动信息，还包含了扰动点的位置信息。将上述两个干涉信号求取包络，再相除。即可得到扰动点的位置信息。有益效果与现有技术相比，本发明具有如下优点采用了基于干涉的原理来实现对入侵的探测，灵敏度高，当外界入侵者接近防护光纤时，该系统即可准确的探测出入侵的存在。采用了双光源双干涉光路设计，实现了对入侵的定位。光源、光路以及光电检测设备在系统的同一端，简化了系统安装的难度。采用了一根光纤用于传感，降低了系统的成本和传感光缆的敷设难度。
图1是本发明总体框图。其中有宽带光源1，宽带光源2，第一波分复用器3，第一光纤耦合器4，光纤延迟线5，第二光纤耦合器6，传感光纤7，第二波分复用器8，反射镜9， 折射率匹配液10，第一波分复用器11第一光电检测电路12，第二光电检测电路13。
具体实施例方式实施例1一种连续光波分复用型长距离分布式扰动定位装置，包括所发光波的中心波长不同的第一宽带光源1和第二宽带光源2，第一波分复用器3、第二波分复用器8、第三波分复用器11、第一光纤耦合器4、第二光纤耦合器6、光纤延迟线5、反射镜9、折射率匹配液10以及传感光纤7 ；第一宽带光源1和第二宽带光源2的双向光端口分别与第一波分复用器3的第一双向光端口 3a和第一波分复用器3的第二双向光端口北相连；第一波分复用器3的第三双向光端口 3c与第一光纤耦合器4的第一双向光端口如相连；第一光纤耦合器4的第三双向光端口 4c与光纤延迟线5的双向光端口相连；第一光纤耦合器4的第四双向光端口 4d和第二双向光端口 4b分别与第二光纤耦合器6的第二双向光端口 6b和第三波分复用器11的第一双向光端口 Ila相连；第二光纤耦合器6的第一双向光端口 6a和第二光纤耦合器6的第三双向光端口 6c分别与光纤延迟线5的另一双向光端口和传感光纤7的双向光端口相连；第二波分复用器8的第一双向光端口 8a与反射镜9相连；第二波分复用器 8的第二双向光端口 8b与折射率匹配液10相连；第二波分复用器8的第三双向光端口 8c 与传感光纤7的另一双向光端口相连；第三波分复用器11的第二双向光端口 lib与第一光电检测电路12相连；第三波分复用器11的第三双向光端口 Ilc与第二光电检测电路13 相连。实施例2一种连续光波分复用型长距离分布式扰动定位方法，将第一宽带光源1发出的中心波长为λ工的光和第二宽带光源2发出的波长为λ 2的光分别通过送入第一波分复用器 3的第一双向光端口 3a和第一波分复用器3的第二双向光端口北中，含有不同波长的光信号从第一波分复用器3的第三双向光端口 3c中输出，并通过第一光纤耦合器4的第一双向光端口如送入第一光纤耦合器4中，光在第一光纤耦合器4中一分为二，一部分光通过第一光纤耦合器4的第三双向光端口如送入光纤延迟线5的一个双向光端口并且经过光纤延迟线5的另一个双向光端口及第二光纤耦合器6的第一双向光端口 6a送入第二光纤耦合器6中，另一部分光通过第一光纤耦合器4的第四双向光端口 4d及第二光纤耦合器6的第二双向光端口 6b送入第二光纤耦合器6中，送入第二光纤耦合器6的光从其第三双向光端口 6c中输出，并通过传感光纤7及第二波分复用器8的第三双向光端口 8c送入第二波分复用器8中，两种波长的光信号在第二波分复用器8中按波长分开，其中，中心波长为X1 的光经第二波分复用器8的第一双向光端口 8a送入反射镜9中，中心波长为λ2的光经第二波分复用器8的第二双向光端口 8b送入折射率匹配液10中且被吸收；由反射镜9反射的波长为λ工的反射光信号经第二波分复用器8的第一双向光端口 8a送入第二波分复用器 8中，并通过第二波分复用器8的第三双向光端口 8c送入传感光纤7中，由波长为λ2的背向散射光和波长为λ工的反射光组成的传感光纤7中的光信号经第二光纤耦合器6的第三双向光端口 6c送入第二光纤耦合器6中并在第二光纤耦合器6中再次一分为二，且分别通过第二光纤耦合器6的第一双向光端口 6a及第二双向光端口 6b输出，来自第二光纤耦合器6的第一双向光端口 6a的光经光纤延迟线5送入第一光纤耦合器4，来自第二光纤耦合器6的第二双向光端口 6b的光送入第一光纤耦合器4，经光经光纤延迟线5送入第一光纤耦合器4的光与来自第二光纤耦合器6的第二双向光端口 6b的光在第一光纤耦合器4中发生干涉，并经过第一光纤耦合器4的第二双向光端口 4b输出至第三波分复用器11并被第三波分复用器11分离出中心波长为X1的光和中心波长为λ 2的光，中心波长为X1W 光和中心波长为λ 2的光分别通过第三波分复用器11的第二双向光端口 lib及第三双向光端口 Ilc送入第一光电检测电路12及第二光电检测电路13，将第一光电检测电路12检测到的电压信号与第二光电检测电路13检测到的电压信号相除，得到扰动点的位置信息。下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。如图1所示，第二光纤耦合器6是1 X 2光纤耦合器。第一光纤耦合器4是2 X 2光纤耦合器。光纤延迟线5都采用康宁公司的G. 652光纤，光纤长度为10公里。宽带光源1和宽带光源2采用新加坡DenseLight公司的光源�？镈L-BZ1-CS3184A和DL-BZ1-CS5107A。 传感光纤采用康宁公司的G. 652光纤，长度为50公里。第一光电检测电路1和第二光电检测电路2由光电二极管、运算放大器LF356以及相应的电阻、电容元件组成，A/D采集�？椴捎肗I公司的数据采集卡PCI6251。如图1所示，宽带光源1发出的中心波长为λ工的光和宽带光源2发出的波长为 λ 2的光经光源的光输出端口分别送入第一波分复用器3中的双向光端口 3a和北中。含有不同波长的光信号从第一波分复用器3中的双向光端口 3c中输出，并送入第一光纤耦合器4的双向光端口如中。光在第一光纤耦合器4中一分为二，分别通过其双向光端口如送入光纤延迟线5的一个双向光端口和通过其双向光端口 4d送入第二光纤耦合器6的双向光端口 6b中。送入光纤延迟线5的光经过光纤延迟线的另一个双向光端口送入第二光纤耦合器6的双向光端口 6a中。送入第二光纤耦合器6的光从其双向光端口 6c中输出， 送入传感光纤7中，并通过传感光纤送入第二波分复用器8的双向光端口 8c中。不同波长的光信号在第二波分复用器8中按波长分开。其中，波长为λ工的光经第二波分复用器8的双向光端口 8a送入镜子9中，波长为λ 2的光经第二波分复用器8的双向光端口 8b送入折射率匹配液10中。
由于反射镜9的反射作用，波长为λ工的反射光信号由反射镜9经第二波分复用器 8的双向光端口 8a送入波分复用器8中。并通过第二波分复用8的双向光端口 8c送入传感光纤7中。由于折射率匹配液10对光有吸收作用，波长为λ2的光没有反射回传感光纤 7中，因此传感光纤7中只有背向散射光信号。此时传感光纤7中的光信号由波长为入2的背向散射光和波长为λ工的反射光组成。该光信号经传感光纤7的另一个双向光端口动如第二光纤耦合器6的双向光端口 6c中。并在第二光纤耦合器6中再次一分为二，分别经过第二光纤耦合器6的双向光端口 6a和6b送入光纤延迟线5的双向光端口和第一光纤耦合器4的双向光端口 4d中。送入光纤延迟线5的光信号经过其另一个双向光端口送入第一光纤耦合器4的双向光端口如中，并通过第一光纤耦合器4的双向光端口 4b输出。反射光和背向散射光同时在第一光纤耦合器4中发生干涉。反射光信号的干涉路径为1 —3a —:3c —4a—4c —5 —6a—6c —7 —8c —8a—9 —8a —8c —7 —6c —6b —4d —4b1 —3a —:3c —4a—4d —6b —6c —7 —8c —8a —9 —8a—8c —7 —6c —6a—5 —4c —4b背向散射光信号的干涉路径为2 — 3b — 3c — 4a — 4c — 5 — 6a — 6c — 7 — 6c — 6b — 4d — 4b
2 — 3b — 3c — 4a — 4d — 6b — 6c — 7 — 6c — 6a — 5 — 4c — 4b干涉信号通过第一光纤耦合器4的双向光端口 4b送入第三波分复用器11的双向光端口 Ila中。并在第三波分复用器11中按波长分开。波长为X1的光经第三波分复用器11的双向端口 lib送入第一光电检测电路12中；波长为λ 2的光经第三波分复用器11 的双向端口 Ilc送入第二光电检测电路13中。光在光纤中传输时，光功率随传播距离的变化可以表示为P (ζ) = P0 口 exp (_ α ζ)其中，Ptl是光源的入纤功率；α是光纤对光信号的衰减系数。当有扰动作用于传感光纤7是，第三波分复用器11的双向光端口 lib的交流光功率信号可以表示为P1 = P0 □ exp [- α (21,+1^ ] □ cos (Δ φ)第三波分复用器11的双向光端口 Ilc的交流光功率信号可以表示为P2(Z) = P0 □ exp [_α (z+L2) ] □ cos (Δ φ)其中，L1和L2分别是传感光纤7和光纤延迟线5的长度，Δ φ是由于扰动导致的光功率信号相位的变化，ζ是扰动点的位置。将P1和P2相除，即可得到扰动点的位置信息。
权利要求
1.一种连续光波分复用型长距离分布式扰动定位装置，其特征在于，包括所发光波的中心波长不同的第一宽带光源(1)和第二宽带光源O)，第一波分复用器(3)、第二波分复用器(8)、第三波分复用器(11)、第一光纤耦合器G)、第二光纤耦合器(6)、光纤延迟线 (5)、反射镜(9)、折射率匹配液(10)以及传感光纤(7)；第一宽带光源(1)和第二宽带光源(2)的双向光端口分别与第一波分复用器(3)的第一双向光端口(3a)和第一波分复用器(3)的第二双向光端口(3b)相连；第一波分复用器C3)的第三双向光端口(3c)与第一光纤耦合器⑷的第一双向光端口 Ga)相连；第一光纤耦合器⑷的第三双向光端口 Ge)与光纤延迟线( 的双向光端口相连；第一光纤耦合器(4)的第四双向光端口 Gd)和第二双向光端口 Gb)分别与第二光纤耦合器(6)的第二双向光端口(6b)和第三波分复用器(11) 的第一双向光端口(Ila)相连；第二光纤耦合器(6)的第一双向光端口(6a)和第二光纤耦合器(6)的第三双向光端口 O^c)分别与光纤延迟线( 的另一双向光端口和传感光纤(7) 的双向光端口相连；第二波分复用器(8)的第一双向光端口(8a)与反射镜(9)相连；第二波分复用器(8)的第二双向光端口(8b)与折射率匹配液(10)相连；第二波分复用器(8) 的第三双向光端口(8c)与传感光纤(7)的另一双向光端口相连；第三波分复用器(11)的第二双向光端口(lib)与第一光电检测电路(1 相连；第三波分复用器(11)的第三双向光端口(Ilc)与第二光电检测电路(13)相连。
2.一种连续光波分复用型长距离分布式扰动定位方法，其特征在于，将第一宽带光源 (1)发出的中心波长为X1的光和第二宽带光源(2)发出的波长为λ 2的光分别通过送入第一波分复用器(3)的第一双向光端口(3a)和第一波分复用器(3)的第二双向光端口(3b) 中，含有不同波长的光信号从第一波分复用器(3)的第三双向光端口(3c)中输出，并通过第一光纤耦合器(4)的第一双向光端口 Ga)送入第一光纤耦合器(4)中，光在第一光纤耦合器(4)中一分为二，一部分光通过第一光纤耦合器(4)的第三双向光端口 Ge)送入光纤延迟线( 的一个双向光端口并且经过光纤延迟线( 的另一个双向光端口及第二光纤耦合器(6)的第一双向光端口(6a)送入第二光纤耦合器(6)中，另一部分光通过第一光纤耦合器(4)的第四双向光端口 Gd)及第二光纤耦合器(6)的第二双向光端口(6b)送入第二光纤耦合器(6)中，送入第二光纤耦合器(6)的光从其第三双向光端口(6c)中输出，并通过传感光纤(7)及第二波分复用器(8)的第三双向光端口(8c)送入第二波分复用器(8) 中，两种波长的光信号在第二波分复用器(8)中按波长分开，其中，中心波长为X1的光经第二波分复用器(8)的第一双向光端口(8a)送入反射镜(9)中，中心波长为λ2的光经第二波分复用器(8)的第二双向光端口(8b)送入折射率匹配液(10)中且被吸收；由反射镜 (9)反射的波长为A1的反射光信号经第二波分复用器(8)的第一双向光端口(8a)送入第二波分复用器(8)中，并通过第二波分复用器(8)的第三双向光端口(8c)送入传感光纤 (7)中，由波长为λ 2的背向散射光和波长为X1的反射光组成的传感光纤(7)中的光信号经第二光纤耦合器(6)的第三双向光端口(6c)送入第二光纤耦合器(6)中并在第二光纤耦合器(6)中再次一分为二，且分别通过第二光纤耦合器(6)的第一双向光端口(6a)及第二双向光端口(6b)输出，来自第二光纤耦合器(6)的第一双向光端口(6a)的光经光纤延迟线( 送入第一光纤耦合器G)，来自第二光纤耦合器(6)的第二双向光端口(6b)的光送入第一光纤耦合器，经光经光纤延迟线( 送入第一光纤耦合器(4)的光与来自第二光纤耦合器(6)的第二双向光端口(6b)的光在第一光纤耦合器(4)中发生干涉，并经过第一光纤耦合器(4)的第二双向光端口 Gb)输出至第三波分复用器(11)并被第三波分复用器(11)分离出中心波长为X1的光和中心波长为λ2的光，中心波长为X1的光和中心波长为λ2的光分别通过第三波分复用器(11)的第二双向光端口(lib)及第三双向光端口 (Ilc)送入第一光电检测电路(12)及第二光电检测电路(13)，将第一光电检测电路(12) 检测到的电压信号与第二光电检测电路(13)检测到的电压信号相除，得到扰动点的位置 fn息ο
全文摘要
本发明公开了一种连续光波分复用型长距离分布式扰动定位装置及方法。采用光纤实现长距离分布式扰动的传感与定位。两个宽带光源分别发出中心波长为λ1和λ2光，通过波分复用器送入光纤中，并各自形成一个独立的干涉光路，其干涉光信号分别为一套独立的光电检测电路接收。其中，中心波长为λ2的干涉光信号，由于尾端波分复用器和折射率匹配液的作用，无光信号反射。因此，其干涉光信号是传感光纤中的背向散射信号，信号中包含了扰动点及扰动特征及其位置的信息。而中心波长为λ1的干涉光信号，由于光纤尾端波分复用器及反射镜的作用，仅包含了扰动点的扰动特征信息。将两个干涉光路的光信号相除，即可得到扰动点的位置信息。
文档编号G01H9/00GK102322879SQ20111013080
公开日2012年1月18日 申请日期2011年5月18日 优先权日2011年5月18日
发明者单雪康, 孙小菡, 韦朴 申请人:东南大学
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