雙馬赫—曾德爾光纖傳感系統(tǒng)的定位原理與算法

王曉鋒　王輔東　陳煥新

摘要：隨著對光纖傳感領(lǐng)域研究的深入，分布式光纖周界監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)已經(jīng)成為許多長距離下邊界安防工作的首選，基于雙馬赫-曾德爾干涉系統(tǒng)的預(yù)警系統(tǒng)因有著探測距離遠、安裝便捷、維護簡單、整體成本較低的優(yōu)點而受到許多研究者的關(guān)注。文章對雙馬赫-曾德爾光纖傳感系統(tǒng)的定位原理與算法進行了探討。

關(guān)鍵詞：光纖傳感系統(tǒng)；分布式；周界監(jiān)測；定位原理；監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng) 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP212 文章編號：1009-2374（2017）08-0019-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.08.009

1 分布式光纖周界監(jiān)測系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前而言，國外研究比較多的是基于Sagnac的干涉型原理的預(yù)警系統(tǒng)。另外，發(fā)展比較迅速的就是結(jié)合兩種不同的干涉儀結(jié)構(gòu)，使其一起使用的傳感的結(jié)構(gòu)，如Mach-Zehnder（M-Z）和Sagnac相結(jié)合、Michelson和Sagnac相結(jié)合使用，還有就是將兩個Sagnac結(jié)構(gòu)相結(jié)合，這種結(jié)構(gòu)的研究也是比較完善的。

根據(jù)目前的研究情況看，基于Sagnac干涉的光纖預(yù)警系統(tǒng)最大的優(yōu)點是具有非常高的精度，通過現(xiàn)有的文章報道可以得知，目前最好的成績，能夠在長度為5km的光纖回路中實現(xiàn)0.9m的定位精度。因此，基于這項技術(shù)，目前有很多公司已經(jīng)開發(fā)出了成品，比如Senstar-Stellar公司推出的TelliFIBER產(chǎn)品，其是基于測量多模光纖中偏振態(tài)變化從而得到入侵信息的；澳大利亞的Future Fiber Technology公司，其研究制作的光纖周界監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)Secure Fence主要指標(biāo)為：一個控制單元的光纖鏈路長可達80km，而且可以通過將數(shù)個控制單元組網(wǎng)的方式來實現(xiàn)更長距離的周界監(jiān)測預(yù)警，并且定位精度達到25m，正確報警的概率大于95%，而誤報率低

于3%。

在國內(nèi)，進行周界監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研制的單位主要是大中專院校。華中科技大學(xué)孫琪真所推出的系統(tǒng)是基于3×3的光耦合器來進行無源零差解調(diào)，而信號分析則是通過高速DSP器件，在6.8公里的長度上實現(xiàn)了誤差小于100米的定位，并能實時通過設(shè)備顯示擾動信號的幅度和頻率。2008年，南開大學(xué)的劉波驗證了一種基于M-Z的光纖圍欄報警系統(tǒng)，利用互相關(guān)技術(shù)，在60公里長的光纖上進行了單點擾動和多點擾動原理性實驗，在采樣速率為20MHz時，最高定位精度可達到10米。電子科技大學(xué)饒云江教授課題組研制出了基于拉曼光纖激光器的長距離光纖傳感系統(tǒng)。2011年，復(fù)旦大學(xué)賈波教授發(fā)表了分布式光纖振動傳感器及其定位技術(shù)的研究論文，其中介紹了基于Sagnac和M-Z干涉技術(shù)的定位技術(shù)并對光纖傳感信號進行了分析。

2 雙馬赫-曾德爾系統(tǒng)

2.1 雙M-Z系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

對于目前比較常用的，以單路M-Z系統(tǒng)為基礎(chǔ)的分布式光纖周界預(yù)警系統(tǒng)，我們充分利用其系統(tǒng)原理，發(fā)現(xiàn)雙M-Z系統(tǒng)對入侵的振動更能進行及時反映，其雙路結(jié)構(gòu)能將與發(fā)生入侵行為的位置有關(guān)的時間信息τ準(zhǔn)確反映出來。其原理如圖1所示：

圖1中的元器件有：光源S，1×2耦合器C1，2×2耦合器C2、C3、C4，光電探測器D1、D2，傳感光纖F1、F2以及引導(dǎo)用光纖F3。其中，光源S為長相干光源，能夠為系統(tǒng)提供光源輸入。D1和D2分別連接數(shù)據(jù)采集卡，能夠?qū)庑盘栟D(zhuǎn)換成電信號。

圖2為其得到的等效光路圖，能夠從中分析得到如何確定入侵位置的原理。從光源S得到的激光束通過1×2耦合器C1被分成兩束，這兩束光分別進入2×2耦合器C2和C3的一端：單獨來看進入C2的激光束，其在進入C2后再次被分成兩束，這兩束光在傳感光纖F1以及F2中分別作為傳感光和參考光，在其中如果光纖發(fā)生振動，其振動就會引起激光束的相位信息發(fā)生變化，然后這兩束光在C4耦合器處被重新合為一束光，然后通過引導(dǎo)光纖傳遞至C3進而傳遞到D1，其整個結(jié)構(gòu)構(gòu)成了一個單馬赫-曾德爾干涉儀。同樣，在另一路上，也構(gòu)成了一路馬赫-曾德爾干涉系統(tǒng)，這兩路系統(tǒng)構(gòu)成了所謂雙M-Z

系統(tǒng)。

2.2 雙M-Z系統(tǒng)的定位算法原理

在圖2中可以清楚地看出，若入侵的振動信號發(fā)生在距離C4耦合器長度為z處，其兩路光束傳遞至光電轉(zhuǎn)換器D1、D2的距離是不同的，其距離差值為2z，很明顯如果同時采集D1、D2的信號，這兩路信號將會有一個時延τ，而這個時延與發(fā)生振動的具體位置有著直接的關(guān)聯(lián)，因此對于分布式光纖周界預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理部分，首先就是確定振動發(fā)生的地點，可以通過計算D1、D2采集得到的兩路數(shù)據(jù)來計算其時延，從而進一步得到具體入侵振動發(fā)生的地點。其原理性公式如下：

假設(shè)在距耦合器C2距離為z處有振動信號，即距離D1距離為z=t1×c/n，則與D2的距離L1+L2-z=t2×c/n，其中n是單模光纖的折射率，c為真空中的光速。

除了存在一個時間τ的延時外，D1和D2所接收到的信號波形理論上應(yīng)該完全一致，所以兩路信號具有很強的相關(guān)性。對于求取兩路相關(guān)性很強的數(shù)據(jù)的時延，我們一般通過對這兩路進行互相關(guān)計算，得到互相關(guān)峰值，即兩路信號相關(guān)性最強的時刻，這個時刻與零時刻進行比較，就可以準(zhǔn)確地求出兩路信號的時延，進而可確定入侵振動發(fā)生的準(zhǔn)確位置。

3 結(jié)語

本文主要介紹了基于雙M-Z的分布式光纖周界監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)以及其定位原理，了解其基本原理是有助于日后研究并提高其定位精度。集諸多優(yōu)勢于一身的雙M-Z系統(tǒng)，對于其在未來實際工程應(yīng)用的可行性，我們拭目以待。

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）