基于布里淵散射的分布式光纖傳感入侵定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

王輔東+王曉鋒+陳煥新

【摘要】 隨著科技的發(fā)展，以利用光纖傳感技術(shù)作為核心機(jī)理的安防系統(tǒng)已逐漸取代舊式周界安防系統(tǒng)，光纖傳感能夠敏銳的、大范圍的洞察入侵者，尤其是利用布里淵散射的分布式光纖傳感入侵定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該方法是分布式光纖傳感領(lǐng)域目前國(guó)際公認(rèn)精度最高、發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮膶?shí)現(xiàn)方法。

【關(guān)鍵詞】 布里淵 分布式 光纖傳感

隨著社會(huì)發(fā)展，安防已經(jīng)變得越來(lái)越重要，及時(shí)發(fā)現(xiàn)入侵對(duì)我國(guó)安防建設(shè)有種重要的意義，別的安防系統(tǒng)監(jiān)測(cè)距離短且容易受到電磁的擾動(dòng)，而本文中敘述的安防系統(tǒng)不僅監(jiān)測(cè)距離長(zhǎng)而且不容易受到電磁的干擾，對(duì)安防領(lǐng)域具有重要意義。光纖傳感入侵定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以通過(guò)監(jiān)測(cè)光纖應(yīng)變或震動(dòng)等確定事件發(fā)生的位置，已有傳感定位系統(tǒng)多采用Sagnac干涉環(huán)結(jié)構(gòu)或者馬赫-增得干涉結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定位，但無(wú)法同時(shí)滿足高精度和長(zhǎng)距離探測(cè)。這樣的話就必須采用BOTDR原理，利用自制的光纖縱模分布反饋激光器，結(jié)合邊緣濾波調(diào)解技術(shù)，建立一套分布式光纖傳感入侵定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)入侵事件的實(shí)施快速定位監(jiān)測(cè)，空間分辨率也相應(yīng)高了起來(lái)。

一、布里淵散射傳感原理

布里淵散射原理是基于光纖中光波與聲波在傳播過(guò)程的相互作用，這兩者的相互作用會(huì)使光產(chǎn)生頻移，該頻移的產(chǎn)生相當(dāng)于入射波被一個(gè)聲光柵散射產(chǎn)生了反射光子，我們利用這個(gè)頻移，通過(guò)測(cè)得其頻移方向和大小，來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感物理量的轉(zhuǎn)換。光纖所處溫度、所受應(yīng)變皆可通過(guò)布里淵頻移間接計(jì)算得出。在實(shí)際工程使用中，由于入侵事件都是不確定的，所以需要一套具有實(shí)時(shí)監(jiān)控能力且無(wú)盲點(diǎn)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)才能完全監(jiān)測(cè)到入侵、避免出現(xiàn)遺漏，而光纖作為傳感原件是沿線路連續(xù)分布的，這就避免了線路中產(chǎn)生盲點(diǎn)。通過(guò)對(duì)光纖中布里淵散射頻移量大小的監(jiān)控，可以分析得出被入侵點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，以及被入侵程度，這就是目前布里淵散射在光纖傳感入侵定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中最有效的應(yīng)用方式，達(dá)到了兼?zhèn)涓呔?、無(wú)盲點(diǎn)、長(zhǎng)距離、實(shí)時(shí)性等諸多優(yōu)異性能。

二、實(shí)驗(yàn)與分析

由于本項(xiàng)研究處于早期階段，所以此次試驗(yàn)都是采用自制的激光器、自制傳感光纜以及其他自制光信號(hào)解調(diào)器。并參考了各類(lèi)中外文獻(xiàn)，以及前輩所寫(xiě)的論文，保證本次試驗(yàn)和分析能夠得出更為準(zhǔn)確的結(jié)論，更好的為國(guó)家安防事業(yè)做出貢獻(xiàn)。我們將激光輸出進(jìn)行一定的比例分束，然后小比例的一束作為本振光，另外一個(gè)大比例的經(jīng)偏振控制器調(diào)整偏振態(tài)，通過(guò)電光調(diào)制器進(jìn)行脈沖的調(diào)制，經(jīng)過(guò)摻鉺光纖放大器1放大之后，波分復(fù)用器濾過(guò)自發(fā)輻射噪聲通過(guò)擾偏器和環(huán)形器，輸入到單模傳感光纖里面去。散射回的信號(hào)此時(shí)變得非常非常弱，必須得通過(guò)摻鉺放大器2來(lái)放大，然后再經(jīng)過(guò)一個(gè)環(huán)形器，通過(guò)自己制造的窄帶可調(diào)諧光纖光柵濾波器之后的布里淵反射光和本振光相干，通過(guò)高速光電探測(cè)器的監(jiān)測(cè)，然后得到了實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果---后向布里淵散射信號(hào)。

在實(shí)驗(yàn)中，波分復(fù)用器濾波的通道為1550nm，帶寬30nm，隔離度大于20dB，損耗小于0.15dB，和本振光相比，相對(duì)有一定的偏移量，能滿足實(shí)驗(yàn)的要求并且監(jiān)測(cè)到相干信號(hào)。放大之后的布里淵信號(hào)只有um量級(jí)，采用高速光電探測(cè)器前置放大濾波電路對(duì)信號(hào)再次放大濾波，然后通過(guò)邊緣濾波，將布里淵信號(hào)的平移變化轉(zhuǎn)換成強(qiáng)度變化，并通過(guò)累加平均處理，平均2的12次方次后，得到最終監(jiān)測(cè)結(jié)果。其中前置放大濾波電路實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱電信號(hào)的放大并抑制信號(hào)頻帶以外的噪聲，其濾波中心頻率為11GHz，3dB快帶為1Hz，插入損耗小于0.1dB。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用50ns脈寬的光脈沖，重復(fù)頻率為10KHz，傳感光纖長(zhǎng)度為10km。因此，完成2的12次方次累計(jì)平均處理所需時(shí)間小于1s，即系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)周期小于1s，可滿足快速監(jiān)測(cè)入侵事件的要求。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析表明。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在室溫25度環(huán)境下且光纖不受外力時(shí)，布里淵信號(hào)的中心頻率在10.9GHz左右。因此當(dāng)應(yīng)變和溫度引起的頻移總和超過(guò)初始中心頻率100MHz時(shí)，信號(hào)將越過(guò)帶通濾波器的單邊上升沿的邊界，導(dǎo)致信號(hào)幅值減小，從而引起錯(cuò)誤判斷，限制了系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)范圍。采用更大帶寬的帶通濾波器并合理的選擇其中心頻率，可以擴(kuò)大系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍。

至于如何消除緩變溫度的影響，適應(yīng)野外環(huán)境下的應(yīng)用，以及進(jìn)一步提高系統(tǒng)的應(yīng)變分辨率，將在后續(xù)的工作中研究。

結(jié)論：在BOTDER原理中用單縱模光纖光柵到帶通濾波器理論結(jié)合實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中表明，系統(tǒng)可以在1s對(duì)10km范圍的傳感器進(jìn)行測(cè)量，并達(dá)到5m的空間分辨率和200uε的應(yīng)變分辨率。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明本系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)入侵領(lǐng)域的能力，即便現(xiàn)在所處階段并不成熟，也能對(duì)國(guó)家安防領(lǐng)域起到很重要的積極意義，而且經(jīng)分析判斷和實(shí)驗(yàn)結(jié)論，基于布里淵散射的分布式光纖傳感入侵定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在長(zhǎng)距離入侵定位方面有著良好的前景。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]賈振安，應(yīng)旭東，喬學(xué)光，等.光纖光柵高速動(dòng)態(tài)震動(dòng)信號(hào)調(diào)解技術(shù)的研究[J].光電子。激光，2011，22（5）；729-732.

[2]洪曉斌，郭鴻翔，伍劍.基于布里淵時(shí)域分析的分布式光纖傳感入侵定位系統(tǒng)[J].中國(guó)激光，2010，37（4）；1037-1041.