專利名稱：單模光纖周界防衛(wèi)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及安全防范，是一種利用單模光纖周界防衛(wèi)傳感器。本發(fā)明主要用于軍事機(jī)構(gòu)、機(jī)要區(qū)域、博物館、銀行等區(qū)域的安全防范。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代社會(huì)的安全防范是一個(gè)重要的課題。有效地保護(hù)政府機(jī)構(gòu)、軍事基地、機(jī)場、武器彈藥庫、監(jiān)獄、銀行金庫、博物館、發(fā)電廠、油庫、通信設(shè)施、港口甚至是國界等重要區(qū)域，防止非法入侵，是至關(guān)重要的。諸如攝像機(jī)監(jiān)視、紅外攝像監(jiān)視系統(tǒng)、紅外中斷傳感等技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)要區(qū)域以至于居民小區(qū)。但是，道高一尺、魔高一丈，入侵和防衛(wèi)之間的爭斗沒有停止。為此，必須發(fā)展多種新型防衛(wèi)技術(shù)。
光纖價(jià)格低廉、易于安裝、隱蔽性較好、不受電磁干擾，在周界防衛(wèi)中也倍受重視。在先技術(shù)之一，是使用光時(shí)域反射儀測量擾動(dòng)的方法，測量光波在光纖中傳輸時(shí)產(chǎn)生的回波隨外界擾動(dòng)的變化。這一方法信號(hào)很微弱，測量時(shí)間較長，響應(yīng)很慢，不適用于動(dòng)態(tài)的檢測。而且時(shí)域反射儀的價(jià)格也很高。在先技術(shù)之二，是基于多模光纖散斑傳感器[T.S.Francis，Appl.Opt.32,4685-4689(1993)；A.Malki，Appl.Opt.35，5198-5201(1996)等]。該方法已經(jīng)有產(chǎn)品問世，并在許多場合獲得應(yīng)用。其原理是光波在多模光纖中由于不同傳輸模式之間的干涉形成散斑，散斑圖像受外界擾動(dòng)發(fā)生變化，用CCD記錄散斑，或者用光欄截取局部光功率，就可以感知多模光纖上受到的擾動(dòng)。這一方法要求使用特種的多模光纖，成本比較高。單模光纖由于纖芯細(xì)，生產(chǎn)量大，因此價(jià)格比多模光纖低得多。在先技術(shù)之三，是基于單模光纖微彎損耗的機(jī)理，從光纖傳輸損耗的變化，判定是否有外界干擾發(fā)生。但是這一方法的靈敏度比較低。容易產(chǎn)生誤報(bào)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述在先技術(shù)的不足，提出一種利用單模光纖中光波的偏振態(tài)變化和相位變化感知外界擾動(dòng)的單模光纖周界防衛(wèi)傳感器。該周界防衛(wèi)傳感器應(yīng)具有光信號(hào)功率大、靈敏度高、響應(yīng)速度快、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的原理，是利用單模光纖發(fā)生形變時(shí)，光波的偏振態(tài)和相位發(fā)生變化的效應(yīng)。通常外界入侵產(chǎn)生的力，將引起光纖的彎曲、扭轉(zhuǎn)、振動(dòng)等形變。單模光纖的局部彎曲，必然使該處的光纖段發(fā)生拉伸，如圖1所示。設(shè)發(fā)生彎曲光纖段長度為L，彎曲的曲率半徑為R，根據(jù)幾何關(guān)系，彎曲后光纖的伸長近似可以表示為ΔL≈ L3/24R2。光波增加了傳輸距離，也就是使光波的相位發(fā)生變化Δφ＝2πnΔL/λ。式中n為光纖的折射率，λ為光波波長?？梢姡瑪_動(dòng)相移隨彎曲的曲率半徑的減小而增加。
同時(shí)，光纖在彎曲時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的應(yīng)變分布。從而引起光纖在垂直于光纖軸向平面的兩個(gè)方向上的有效折射率產(chǎn)生差別，也就是發(fā)生了雙折射效應(yīng)。這一效應(yīng)導(dǎo)致光波的偏振態(tài)的變化。根據(jù)應(yīng)力和光彈效應(yīng)的分析，這一雙折射效應(yīng)的大小為δn＝(n3r2/4R2)(p11-p12)(1+v)式中r為光纖半徑，p為彈光系數(shù)，v為泊松比?？梢姡瑥澢鷮?dǎo)致的雙折射也是隨曲率半徑R的減小而增加。
光纖振動(dòng)實(shí)際上就是一種周期性振蕩的彎曲，因此其基本特性可以從上述靜態(tài)分析的相移變化和雙折射變化得到。光纖扭轉(zhuǎn)的直接結(jié)果是光波偏振面的旋轉(zhuǎn)。因此與上述雙折射效應(yīng)的表現(xiàn)相似。一般在微弱擾動(dòng)下扭轉(zhuǎn)發(fā)生的幾率比較小。從上述分析可以得出，利用光學(xué)方法監(jiān)測擾動(dòng)引起的相移變化和雙折射變化，就可以感知光纖受擾動(dòng)的情況，從而構(gòu)成一種周界防衛(wèi)傳感系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種單模光纖周界防衛(wèi)傳感器，特征在于其結(jié)構(gòu)包括偏振光源經(jīng)單模傳感光纖接偏振檢測器，該偏振檢測器經(jīng)探測器與信號(hào)處理器相連，所述的單模傳感光纖用于環(huán)繞要求防衛(wèi)的建筑物或區(qū)域。
在所述的偏振光源和單模傳感光纖之間接第一光纖耦合器，在單模傳感光纖和探測器之間接第二光纖耦合器，該第一光纖耦合器與第二光纖耦合器)之間在本機(jī)直接相連，所述的第一光纖耦合器和第二光纖耦合器是分束比為1∶1的光纖耦合器，所述的第二光纖耦合器經(jīng)探測器接所述的信號(hào)處理器。
所述的單模傳感光纖中還分段地串聯(lián)有多臺(tái)光纖耦合器，每臺(tái)光纖耦合器的小功率輸出端經(jīng)信號(hào)傳輸光纖接偏振檢測器和探測器，該探測器通過通信電纜接所述的信號(hào)處理器。
所述的偏振檢測器為光纖偏振分束器或多模散斑偏振傳感器。
所述的偏振光源為光纖耦合輸出的單縱?；蚨嗫v模半導(dǎo)體激光器。
本發(fā)明的周界防衛(wèi)光纖傳感器，具有如下的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)1、與基于時(shí)域反射儀的傳感器方法相比，具有光信號(hào)功率大、靈敏度高、響應(yīng)速度快、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)。
2、由于單模光纖產(chǎn)業(yè)規(guī)模龐大，價(jià)格比多模光纖低，而且各種單模光纖的元器件比較成熟，價(jià)格也低于用量較少的多模光纖元件，因此與基于多模光纖散斑傳感器相比，具有成本低的突出優(yōu)點(diǎn)。
3、本發(fā)明的單模-多模-單模偏振傳感器，結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、靈敏度高、使用方便。
4、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于擴(kuò)展；安裝簡易?？梢园l(fā)展成為分段、分區(qū)復(fù)用的周界防衛(wèi)系統(tǒng)。


圖1為光纖受外力擾動(dòng)時(shí)發(fā)生彎曲的示意2為本發(fā)明實(shí)施例之一，單模光纖偏振擾動(dòng)的傳感器結(jié)構(gòu)示意3是單模-多模-單模光纖偏振檢測原理4為本發(fā)明實(shí)施例之二，單模光纖相移擾動(dòng)的傳感器結(jié)構(gòu)示意5為實(shí)驗(yàn)測得的單模光纖擾動(dòng)傳感信號(hào)圖6為本發(fā)明實(shí)施例之三，分段傳感的周界防衛(wèi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此在限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
先請參閱圖2，為本發(fā)明實(shí)施例之一，由圖可見，本發(fā)明單模光纖周界防衛(wèi)傳感器，其結(jié)構(gòu)包括偏振光源3經(jīng)單模傳感光纖2接偏振檢測器4，該偏振檢測器4經(jīng)探測器5與信號(hào)處理器6相連，所述的單模傳感光纖2用于環(huán)繞要求防衛(wèi)的建筑物或區(qū)域1。
在本發(fā)明中為商用的通信單模光纖；3為光源，在這一結(jié)構(gòu)中應(yīng)為偏振光源，可采用光纖耦合輸出的單縱模或多縱模半導(dǎo)體激光器；4為偏振檢測器；5為探測器；探測經(jīng)過檢偏后的光功率大?。?為信號(hào)處理器，對擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，判斷是否和屬于哪一類入侵。
圖2偏振檢測器4，可以采用商品光纖偏振分束器。其作用是將輸入光波的兩個(gè)偏振分量分布從兩個(gè)光纖端口輸出。當(dāng)一束偏振光波E輸入偏振分束器時(shí)，兩輸出端的光功率分別等于入射光波的兩個(gè)偏振分量I1＝|E∥|2和I2＝|E⊥|2當(dāng)輸入光波的偏振方向改變時(shí)，兩輸出端口的功率比將發(fā)生此消彼長的變化。因此可以用兩個(gè)光電探測器的信號(hào)的變化感知入射光波偏振態(tài)的擾動(dòng)。
圖2結(jié)構(gòu)中的偏振檢測器4，也可以采用本發(fā)明提出的多模散斑法偏振傳感器，如圖3所示。該檢測器由一段多模光纖(MMF)和前后兩段單模光纖(SMF)直接連接構(gòu)成。光波從單模光纖輸入，具有單一的基模分布的光斑A。在多模光纖中演變?yōu)橐环N多模散斑B。輸出用一段單模光纖作為光闌，選取散斑中的一部分功率，這一散斑的分布與入射光波的偏振態(tài)有關(guān)。入射光波的偏振方向變化時(shí)，光斑分布將發(fā)生變化。因而從輸出單模光纖中探測到的光功率也將隨之變化。
請參閱圖4，圖4為本發(fā)明實(shí)施例之二，單模光纖相移擾動(dòng)的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，是基于相位擾動(dòng)的傳感器。由圖可見，本發(fā)明單模光纖周界防衛(wèi)傳感器特點(diǎn)是在所述的偏振光源3和單模傳感光纖2之間接第一光纖耦合器71，在單模傳感光纖2和探測器5之間接第二光纖耦合器72，該第一光纖耦合器71與第二光纖耦合器72之間在本機(jī)直接相連，所述的第一光纖耦合器71和第二光纖耦合器72是分束比為1∶1的光纖耦合器，所述的第二光纖耦合器72經(jīng)探測器5接所述的信號(hào)處理器6。圖中1為要求防衛(wèi)的建筑物或區(qū)域；2為傳感光纖，在本發(fā)明中為商用的通信單模光纖；光源3，在本方法中應(yīng)采用單縱?；蚩v模數(shù)較少的半導(dǎo)體激光器；兩個(gè)光纖耦合器，一般用1∶1分束比的光纖耦合器；探測器5，探測由相位擾動(dòng)和光源原有相位之間的干涉信號(hào)；6為信號(hào)處理器，對擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，判斷是否和屬于哪一類入侵。
根據(jù)本發(fā)明的思想，發(fā)射光源采用普通通信波段1550nm的激光二極管，單模尾纖輸出，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)功率為3mW。偏振檢測器4采用單模-多模-單模光纖結(jié)構(gòu)。輸出光信號(hào)用InGaAs-PIN探測器5接收，并用常規(guī)放大電路放大。輸出信號(hào)用數(shù)據(jù)采集卡采集，記錄在PC機(jī)中。在單模光纖段施加外力使其彎曲形變時(shí)，探測器可明顯地探測到信號(hào)強(qiáng)度的變化。圖5是用Labview顯示的擾動(dòng)信號(hào)。
請參閱圖6，圖6為本發(fā)明實(shí)施例之三，分段傳感的周界防衛(wèi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。本實(shí)施例的特點(diǎn)是所述的單模傳感光纖2中還分段地串聯(lián)有多臺(tái)光纖耦合器8，每臺(tái)光纖耦合器8的小功率輸出端經(jīng)信號(hào)傳輸光纖22接偏振檢測器4和探測器5，該探測器5通過通信電纜23接所述的信號(hào)處理器6。圖中1為多個(gè)被防衛(wèi)的建筑物或區(qū)域。光纖耦合器8，用來對傳感光纖中光波的特性進(jìn)行分段監(jiān)控。其分束比可以設(shè)計(jì)為一個(gè)小的比例，只要滿足檢測需要就可以，而讓大部分光功率向下行傳感光纖傳輸。圖中設(shè)置了兩個(gè)光纖耦合器，將整個(gè)傳感光纖劃分為三段。可以根據(jù)使用場合，設(shè)置多個(gè)光纖耦合器。22為信號(hào)傳輸光纖，是從光纖耦合器8分束小部分光功率出來，進(jìn)行偏振特性或相位特性的檢測。安裝時(shí)需防止外界干擾。也可就近引入建筑物。4為偏振檢測器，可以根據(jù)實(shí)際條件選用上述方案中的光纖偏振分束器，也可以用單模-多模-單模偏振傳感器。5為探測器。光學(xué)解調(diào)后將信號(hào)由通信電纜23發(fā)送到信號(hào)處理器6。在信號(hào)處理器中對多路輸入的擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，判斷是否和屬于哪一類入侵，并融合不同區(qū)段發(fā)送過來的信息，判斷外界干擾發(fā)生在哪一個(gè)區(qū)段。
由于本發(fā)明采用單模光纖作為傳感光纖，相關(guān)的連接、分束等元件均為單模光纖元件，因此傳輸損耗和元件插入損耗均很小。這就提供了長距離、分段傳感監(jiān)控的可能性。
權(quán)利要求
1.一種單模光纖周界防衛(wèi)傳感器，特征在于其結(jié)構(gòu)包括偏振光源(3)經(jīng)單模傳感光纖(2)接偏振檢測器(4)，該偏振檢測器(4)經(jīng)探測器(5)與信號(hào)處理器(6)相連，所述的單模傳感光纖(2)用于環(huán)繞要求防衛(wèi)的建筑物或區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單模光纖周界防衛(wèi)傳感器，其特征是在所述的偏振光源(3)和單模傳感光纖(2)之間接第一光纖耦合器(71)，在單模傳感光纖(2)和探測器(5)之間接第二光纖耦合器(72)，該第一光纖耦合器(71)與第二光纖耦合器(72)之間在本機(jī)直接相連，所述的第一光纖耦合器(71)和第二光纖耦合器(72)是分束比為1∶1的光纖耦合器，所述的第二光纖耦合器(72)經(jīng)探測器(5)接所述的信號(hào)處理器(6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單模光纖周界防衛(wèi)傳感器，其特征在于所述的單模傳感光纖(2)中還分段地串聯(lián)有多臺(tái)光纖耦合器(8)，每臺(tái)光纖耦合器(8)的小功率輸出端經(jīng)信號(hào)傳輸光纖(22)接偏振檢測器(4)和探測器(5)，該探測器(5)通過通信電纜(23)接所述的信號(hào)處理器(6)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的單模光纖周界防衛(wèi)傳感器，其特征在于所述的偏振檢測器(4)為光纖偏振分束器或多模散斑偏振傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的單模光纖周界防衛(wèi)傳感器，其特征在于所述的偏振光源(3)為光纖耦合輸出的單縱?；蚨嗫v模半導(dǎo)體激光器。
全文摘要
一種單模光纖周界防衛(wèi)傳感器，結(jié)構(gòu)包括偏振光源經(jīng)單模傳感光纖接偏振檢測器，該偏振檢測器經(jīng)探測器與信號(hào)處理器相連，所述的單模傳感光纖用于環(huán)繞要求防衛(wèi)的建筑物或區(qū)域。本發(fā)明主要用于軍事機(jī)構(gòu)、機(jī)要區(qū)域、博物館、銀行等區(qū)域的安全防范。本發(fā)明具有光信號(hào)功率大、靈敏度高、響應(yīng)速度快、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G08B13/18GK101021961SQ20071003811
公開日2007年8月22日 申請日期2007年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月15日
發(fā)明者方祖捷, 李俊, 蔡海文, 耿健新 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所