光纖型周界安防系統(tǒng)擾動(dòng)檢測(cè)研究

中國(guó)船舶集團(tuán)第七一五研究所 于振欣

中電?？导瘓F(tuán)第五十二研究所 孫 崢

周界安防系統(tǒng)對(duì)于公共安全維護(hù)工作效率有著非常重要的意義，當(dāng)前最為先進(jìn)的周界安防系統(tǒng)當(dāng)屬光纖型周界安防系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中通過光纖傳感器技術(shù)的合理利用可以對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理。光纖型周界安防系統(tǒng)在實(shí)際使用中所具有的優(yōu)良性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他類型的安防系統(tǒng)，常用的技術(shù)便是相位及偏振檢測(cè)。為了降低光纖型周界安防系統(tǒng)的建設(shè)成本，本文提出了一種新型的擾動(dòng)檢測(cè)方法，最終通過數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)證明該方法切實(shí)可行。

1 相關(guān)概念簡(jiǎn)介

1.1 光纖通信技術(shù)

光纖通信是現(xiàn)代通信技術(shù)中非常重要的一個(gè)組成部分，光纖技術(shù)的發(fā)展質(zhì)量當(dāng)前已然成為了衡量一個(gè)國(guó)家科技發(fā)展程度的重要指標(biāo)。在光纖通信應(yīng)用中，以光纖作為信息的傳播介質(zhì)，突破了許多傳統(tǒng)通信領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸，在具體應(yīng)用中，由于有監(jiān)測(cè)速度快，頻帶寬等一系列優(yōu)點(diǎn)正在使光纖通信取代傳統(tǒng)通信。

1.2 光纖傳感器

為了使光纖傳感器的功能得以實(shí)現(xiàn)，技術(shù)人員配備其配備了光纖光源以及光檢測(cè)器件。在某些場(chǎng)合通過光纖傳感器的合理利用能夠讓人類完成很多單純依靠人類自身無法進(jìn)行的測(cè)量工作，同時(shí)可以保證最終結(jié)果的精確度。不僅監(jiān)測(cè)精度高而且監(jiān)測(cè)速度非常快速。

1.3 基于偏振態(tài)調(diào)制的光纖傳感技術(shù)

該技術(shù)是通過對(duì)光纖偏振的實(shí)際變化進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，以此來對(duì)外界物理量進(jìn)行反應(yīng)的一種技術(shù)，由于在應(yīng)用中所表現(xiàn)出來的特點(diǎn)通常被人們用來檢測(cè)溫度、熱度等物理量。偏振態(tài)調(diào)制型的光纖傳感器對(duì)光源擁有一定的抗干擾能力。

2 基于光纖偏振變化的擾動(dòng)監(jiān)測(cè)新方法

擾動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中最為重要的作用是可以使得光纖型周界安防系統(tǒng)的各項(xiàng)功能得以正常發(fā)揮，擾動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用是否合理將會(huì)對(duì)安防系統(tǒng)的使用質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。為了進(jìn)一步降低該系統(tǒng)在具體應(yīng)用中所需要投入的經(jīng)濟(jì)成本，并且使其實(shí)現(xiàn)對(duì)各類擁有特定頻率的偏振信息進(jìn)行及時(shí)處理，本文經(jīng)過長(zhǎng)期研究后提出了一種更加簡(jiǎn)單方便的用來檢測(cè)光纖偏振變化的結(jié)構(gòu)。利用光纖耦合器所具有的優(yōu)良性能，和其他關(guān)鍵部件組成檢測(cè)光纖，以此來對(duì)光纖所產(chǎn)生的偏振變化光路進(jìn)行有效檢測(cè)。該方法在結(jié)構(gòu)上有了新的變化，全面突破了傳統(tǒng)方式的束縛，全面利用光纖耦合器構(gòu)建起一套完整的監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)。當(dāng)光源進(jìn)入等待檢測(cè)的光纖后，光纖內(nèi)部的光在通過光纖耦合器時(shí)，通過光纖耦合器作用的全面發(fā)揮將會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象生成包含一定信息的干涉光。偏振的具體變化情況可以通過對(duì)光纖光強(qiáng)的具體變化來獲得。經(jīng)過多次試驗(yàn)之后設(shè)計(jì)出如圖1所示的線路圖。

發(fā)生干涉現(xiàn)象產(chǎn)生一定的干涉光。偏振的具體變化情況可以通過對(duì)光纖光強(qiáng)的具體變化來獲得。經(jīng)過多次試驗(yàn)之后設(shè)計(jì)出如圖1所示的線路圖。

圖1 接線圖

圖中7代表光源，而6則代表傳感光纖，8代表偏振檢測(cè)模塊，7a這一符號(hào)所代表的含義為實(shí)驗(yàn)光纖的輸入以及輸出端口。為了有效節(jié)約光纖在實(shí)際使用中所需要投入的經(jīng)濟(jì)成本，筆者經(jīng)過綜合考慮之后將光源、傳感光纖、偏振檢測(cè)模塊這三個(gè)構(gòu)件通過普通光纖作用的全面發(fā)揮使其緊密地連接在一起。

3 數(shù)學(xué)理論驗(yàn)證

為了方便書寫，將偏振檢測(cè)線路圖簡(jiǎn)化為如圖2所示的結(jié)構(gòu)。從該圖不難看出，端口5a1處所得到的光矢量E0= [EX,EY]T，“T”表示轉(zhuǎn)置：將擁有雙折射性質(zhì)的光纖視為一個(gè)光偏振檢測(cè)部件，通過瓊斯矩陣的合理利用將其作為同側(cè)端傳遞矩陣。

為了計(jì)算的方便，本文將傳輸中所發(fā)生的光損益進(jìn)行有效忽略。最終從端口5aM所輸出的光有以下兩路光的干涉路徑：

通過計(jì)算相應(yīng)的輸出光強(qiáng)、輸入光強(qiáng)，最終可得出，公式中的前兩項(xiàng)為常數(shù)不會(huì)受到偏振變化的影響，而最后一項(xiàng)屬于變量會(huì)由于偏振的擾動(dòng)而發(fā)生相應(yīng)的改變，從而最終導(dǎo)致輸出光強(qiáng)產(chǎn)生變化。因此要想得到輸出端光所發(fā)生的偏振變化，只需要對(duì)干涉光強(qiáng)的實(shí)際變化情況進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)就可得到。

整個(gè)偏振監(jiān)測(cè)線路如下所示：當(dāng)光源亮起將會(huì)發(fā)射出一道光線，該光線經(jīng)過探測(cè)光纖之后，將會(huì)進(jìn)入到偏振檢測(cè)模塊當(dāng)中，然后在檢測(cè)模塊內(nèi)部發(fā)生一定的干涉現(xiàn)象，產(chǎn)生光色波紋。在一般情況下整個(gè)系統(tǒng)將會(huì)處于穩(wěn)定的狀態(tài)當(dāng)中，相應(yīng)的干涉波紋也會(huì)保持在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)當(dāng)中，讓最后輸出光線的強(qiáng)度保持在一定的范圍之內(nèi)。當(dāng)安防系統(tǒng)在實(shí)際使用中由于外界各種因素的影響而導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的破壞時(shí)，產(chǎn)生的干涉條紋也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，導(dǎo)致輸出光強(qiáng)產(chǎn)生變化。因此，通過對(duì)輸出光強(qiáng)的檢測(cè)就可以發(fā)探測(cè)到待測(cè)光纖是否受到了擾動(dòng)。為了使整個(gè)系統(tǒng)的魯棒性得到有效保障，本文在待測(cè)光纖以及光纖光纖耦合器中加入了一段保偏光纖。為保障該保偏光纖滿足要求，其具體消偏長(zhǎng)度應(yīng)該遠(yuǎn)小于光纖長(zhǎng)度。

4 仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 相關(guān)實(shí)驗(yàn)器材介紹

第一，保偏光纖。保偏光纖在應(yīng)用中，由于其本身結(jié)構(gòu)的所具有的特點(diǎn)可以在實(shí)驗(yàn)中有效保障光纖偏振不會(huì)受到影響。普通光纖因?yàn)樵趯?shí)際制造中所使用的一些工藝的影響，在應(yīng)用中無法保證各項(xiàng)應(yīng)力的對(duì)稱性。因此，光線在普通光纖中進(jìn)行傳輸時(shí)相應(yīng)的偏振狀態(tài)極不穩(wěn)定，很容易受到外界因素的影響使其偏振狀態(tài)發(fā)生變化。而保偏光纖是通過增強(qiáng)光纖的雙折射特性來對(duì)光的偏振狀態(tài)進(jìn)行有效保持，本次實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的是一根長(zhǎng)度為5m的保偏光纖。

圖2 仿真實(shí)驗(yàn)線路圖

第二，保偏耦合器。為了使用的方便，再制造保偏耦合器時(shí)往往將其制作為一個(gè)輸入端口以及兩個(gè)輸出端口。由于這一結(jié)構(gòu)很適合將其將位于光纖輸入端的光線依照指定分光比將其分為兩束不同強(qiáng)度的光。為了使分離效果得到保障本次仿真試驗(yàn)應(yīng)用的是3×3的保偏耦合器。

第三，超輻射發(fā)光管。該器件適宜一種自發(fā)射的發(fā)光元件，在應(yīng)用中有著光譜寬，相干短等一系列優(yōu)點(diǎn)。和其他激光器相比，超輻射發(fā)光管與保偏耦合器聯(lián)合應(yīng)用效果更好。

為了使等效線偏振器件的光路得到有效監(jiān)測(cè)，本文設(shè)計(jì)了一種全新線路來進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，具體如圖2所示。

通過該圖，不難發(fā)現(xiàn)，具體的光路傳播路徑為：光源受到激發(fā)后發(fā)出光，光線沿著待檢測(cè)工程進(jìn)入到分光器當(dāng)中。分光器將光線分為兩束并使其保持原有的偏振狀態(tài)不變，集中一路光線將會(huì)直接進(jìn)入到光學(xué)偏振器當(dāng)中。利用線偏振檢測(cè)儀器對(duì)其進(jìn)行有效處理。為了仿真實(shí)驗(yàn)的有效進(jìn)行，考慮到實(shí)驗(yàn)的合理性采用銦鎵砷光電探測(cè)器作為光電探測(cè)儀，該儀器可以對(duì)相關(guān)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。而另一路光選擇進(jìn)入到保偏光纖當(dāng)中，經(jīng)過保偏光纖進(jìn)入檢測(cè)偏振模塊，在模塊輸出端通過光電探測(cè)器對(duì)其進(jìn)行有效檢測(cè)。

4.2 測(cè)試結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)通過仿真系統(tǒng)對(duì)被檢測(cè)光纖進(jìn)行相應(yīng)的擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，最終發(fā)現(xiàn)擾動(dòng)結(jié)果出現(xiàn)了一定的變化，雖然產(chǎn)生信號(hào)的最終強(qiáng)度并不一致，但實(shí)驗(yàn)組所表現(xiàn)出來的最終光強(qiáng)變化情況和偏振分束器所得到的最終檢驗(yàn)結(jié)果相一致，仿真結(jié)果服從理論推導(dǎo)的結(jié)論。這種現(xiàn)象充分的說明本文所提出的方法有效。

結(jié)束語：本文對(duì)光纖型周界安防系統(tǒng)擾動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了全面的探討，并且提出了一種新的方式有效降低該系統(tǒng)在應(yīng)用中所需投入的經(jīng)濟(jì)成本。通過仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該方法簡(jiǎn)單易行、靈敏度高。希望通過本文可以為相關(guān)工作提供一些參考。