干涉型分布式光纤周界入侵传感系统与防区拓展技术的研究

摘要

干涉型分布式光纤传感监测系统在光纤周界传感器、油气管道泄漏监测、光缆监测等领域被广泛采用。光纤干涉式传感器具有灵敏度高、实时性好、结构简单、成本低等优点。目前在己报导的文献中,光纤干涉式传感监测系统主要有Sagnac结构、Michelson结构、Math-Zehnder结构,及由以上结构组成的混合传感结构等。
　　 本文在综合光纤周界传感系统研究现状的基础上,分析了传感系统关键器件的性能和防区拓展的方法,包括光纤相位调制机理和光纤耦合器的相位特性、传感系统输出信号的偏振衰落与分析、基于波分复用技术的光纤周界传感系统防区拓展新方法,等等,并对相关问题进行实验测试和研究。具体的内容有:
　　 (1)光纤耦合器是构成光纤干涉式传感器必不可少的元件。本文首先分析推导了光纤耦合器在不同输入条件下的解,并仿真计算了耦合器输出与其结构参数的关系。对于影响光纤干涉传感系统输出特性十分关键的耦合器参数——光纤耦合器各输出端信号相位差的测量问题,提出了一种简便实用的李萨如图形测量方法。本方法利用李萨如椭圆形状与相位差的映射关系原理,同时利用Visual Basic进行可视化编程,实现相位差的测量过程。采用该方法,测量光路结构简单,操作方便,测量结果准确。实验数据表明该测量方法,相位差的测量误差在1°以内。
　　 (2)针对基于Sagnac干涉原理的单轴结构周界传感模型,推导了其输出光强与输入相位扰动之间的关系,分析了输出光强相位灵敏度与系统相位偏置的关系,并用偏置控制器调整周界传感系统相位偏置的方法进行了实验验证。推导了该周界传感系统用输出信号的频谱特性实现定位的方法,并进行实验验证。实验数据表明定位误差可在1.5％以内。
　　 (3)研究分析了采用波分复用技术实现光纤周界传感系统监控防区和通道扩展的新方法。该方法采用波分复用器件与技术,多根传感光纤可以共用一套干涉系统,实现了多个干涉子系统同时、独立的监测。实验结果表明,本系统可以实现多个分散防区同时、独立的入侵检测和定位,信号响应速度快,响应时间小于1 ms,不同防区间信号的串扰小于-20dB。