一种基于菲索干涉的超弱光栅周界安防系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于菲索干涉的超弱光栅周界安防系统，该系统包括：探测光缆，由刻写有大量超弱宽谱光栅阵列的光纤铠装成微振动光缆；查询单元，与探测光缆连接，用于产生并分离阵列中目标光栅的反射信号；控制单元，与查询单元连接，用于产生脉冲控制信号并同步进行相位解调，通过信号处理和模式识别，判定入侵行为并定位。本发明专利技术本利用超弱光栅对形成菲索干涉的特点，将长距离光纤周界划分为若干个微型防区，通过检测微型防区内双光栅反射光的迈克逊干涉现象判定是否存在入侵，结合快速防区扫描查询方法实现全光纤分布式传感，有效解决了传统分布式周界安防系统的灵敏度、传感距离、定位、误报等问题，在周界安防领域具有重要的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤周界安防
，尤其涉及一种基于菲索干涉的超弱光栅周界安防系统。
技术介绍
光纤周界安防以光纤作为传感介质和信号传输通道，具有无源、抗电磁干扰、灵敏度高等优点,便于长距离布设,在重要的设施、电站、易燃易爆物资仓库、军事要地等周界安防领域具有广泛的需求，上世纪90年代中期，发达国家已率先将光纤传感技术应用到周界安防领域。目前，全球能掌握该技术并投入使用的主要集中在欧美等少数几个国家，如英国、美国、以色列、澳大利亚等，多采用基于马赫-泽德(M-Z)光学干涉原理的分布式传感技术；国内近几年在该领域也获得快速发展，主要有基于高反射率光栅(FBG)的应变传感和基于光学干涉的分布式传感两种技术。其中，武汉理工光科有限公司的FBG周界安防技术已经在别墅、石化等工程中获得应用，其在误报率、定位精度、耐候性等方面呈现出优势，但由于单光纤上光栅复用数量少，灵敏度低，布设成本高，推广应用困难；基于光学干涉的分布式传感周界安防技术主要有萨格纳克(Sagnac)、迈克尔逊(Mickelson)、马赫-泽德(Mach-Zehnder)等干涉技术。其中，Sagnac干涉技术的信噪比和检测灵敏度高，但解调复杂，传感光纤的环路结构也大幅推高了系统的成本；在光学干涉的分布式传感技术中，基于M-Z干涉的技术最为典型，并获得广泛应用。该技术将探测到正反两路信号进行互相关计算，得到信号延时从而实现入侵定位。但该技术需要在数公里的防区上保证参考臂和传感臂的长度相等，并对参考臂有效隔离来避免受到外界干扰。尽管系统的灵敏度高，但对入射光的偏振态和外界环境因素的影响敏感，容易发生误报和漏报的情况，定位精度不高。国际知名企业澳大利亚未来光纤科技有限公司(FFT)开发的M-Z干涉周界安防系统已经安装了数千公里，定位精度最高25米，误报率3％。总体而言，干涉型分布式周界安防系统尽管具有很高的灵敏度，但普遍存在定位精度差、防区长度受限等问题，且由于光缆整体参与传感，难以分辨出风雨等恶劣天气的扰动和人为入侵的区别，抗环境干扰能力相对差。超弱光栅是对反射率低于0.1％光栅的统称，将一系列中心波长和反射率相同(或者接近)的超弱光栅按照一定的规律排列在传感光纤上，可构成超弱光栅阵列。由于超弱光栅的反射率低，且以普通低损耗光纤作为载体，光脉冲可以在透过大量的超弱光栅同时实现长距离传输，并反射高功率的光脉冲(相比较瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射而言)，这大大简化了探测电路，提升了传感距离，也为大规模光栅传感的应用提供了可能。经过近3年的研究，我们发现超弱光栅不仅继承传统高反射率光栅的特性，还可以开发出新的传感机制。专利(公开号：105180977A，“一种单光纤迈克尔逊干涉传感器及传感系统”)提出了利用两个超弱光栅可实现单跨距的分布式振动传感方法，但单跨距的传感长度受光源相干性的限制，且缺乏精确定位事件点的功能，难以满足多点检测、大范围周界安防的需求，在工程应用中存在巨大障碍。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的不足，本专利技术提供一种灵敏度高、定位方便、经济性好、可长距离传感监测的基于菲索干涉的超弱光栅周界安防系统。本专利技术所采用的技术方案是：一种基于菲索干涉的超弱光栅周界安防系统，包括：探测光缆，由刻写有大量宽谱超弱光栅阵列的光纤铠装成微振动光缆，用于将光缆上局部的振动转化为邻近光栅对反射光菲索干涉后的相位变化。查询单元，与探测光缆连接，用于产生光栅反射谱内的窄线宽光脉冲，接收光栅阵列的反射光脉冲，经光电转换后，通过高速开关电路在时域内分离成对目标光栅的干涉信号。控制单元，与查询单元连接，用于产生调制脉冲信号和延时后的触发信号，同步获取当前光栅对的反射信号，实时完成数字相位解调，通过信号处理和模式识别，判断探测区间上是否有入侵行为。该探测光缆中的宽谱光栅阵列，可以是全同的啁啾光栅或其它宽谱光栅，3dB反射谱宽大于1nm，反射率在-30dB～-40dB之间。光栅阵列的反射率在-30dB～-40dB之间，可以保证光栅反射信号的强度远高于噪声(主要的瑞利散射噪声强度约-60dB)，便于探测和信号处理；考虑超弱光栅阵列在线制备、成缆及线路铺设时，容易产生局部应力，导致相应区域的光栅波长出现漂移。此外，环境温度也会引起中心波长的漂移。因此，选择3dB反射谱宽大于1nm以上全同的啁啾光栅或其它宽谱光栅，将有效保障入射的激光信号被反射，降低了光栅阵列对制备、铺设及工作环境的要求。该查询单元中窄线宽光源的相干长度大于2ne△L，其中ne为光纤纤芯的折射率，△L为两个光栅之间的间距。当光源的相干长度大于两个光栅之间的光程差，即δ>2ne△L，其中，δ为激光光源的相干长度。这种配置可满足两束光稳定干涉的充分条件，附加成本不高，但确保干涉信号的信噪比，大幅降低了对解调装置的技术要求。该查询单元中还可以配置非平衡迈克尔逊干涉仪，用于补偿双光栅反射信号的臂差，满足不同系统对灵敏度和可见度的要求。如前所述，这种双光栅干涉存在一定的光程差，这会影响相位干涉信号的可见度及稳定性。通过配置非平衡迈克尔逊干涉仪，可以减小或消除两束干涉光在光程上的差异，提升可见度和信噪比，配合相应的反馈装置，可以将静态工作点稳定在高灵敏度区域，从而使双光栅干涉具有极高的灵敏度。是否配置以及配置非平衡迈克尔逊干涉仪的精度，决定系统的灵敏度等级，这可以满足各种系统对不同高灵敏度等级的要求。该控制单元还用于存储初始化时各个光栅的时延信息和位置，脉冲的宽度及延时间隔。本专利技术采用扫描的方法对光栅进行初始查询，光栅的位置由时延决定，这是后续光栅查询和位置修正的基础。不同的光栅对之间采用不同的脉冲宽度和延时间隔查询，保存这些初始化的状态信息，在后续查询中直接从存储器中调取，可以大幅提升查询速度。一种基于菲索干涉的超弱光栅周界安防系统的入侵事件定位方法，该系统采用相邻的两个弱光栅构建一个微型振动传感区域，通过定位最大相位变化的传感区域位置来定位入侵事件的发生位置。超弱光栅对将整个传感区域划分为若干个微型传感区域，当有入侵事件发生时，应力引起邻近两个光栅干涉信号的相位变化，且应力会由近及远成衰减式传播。因此，相位变化最大的光栅对必然距离入侵事件发生位置最近，因此，该通过定位最大相位变化的传感区域位置来定位入侵事件的发生位置可以有效提高定位的精度。一种基于菲索干涉的超弱光栅周界安防系统查询方法，包括以下步骤：步骤一、根据光栅间隔设定脉冲宽度，以控制单元允许的最小时延作为增量，沿光纤长度方向进行初始化扫描查询，采用时延-强度二维算法识别阵列中的各个光栅及其位置，配置脉冲参数，设定查询方式；步骤二、启动光纤上成对光栅的相位扫描查询；步骤三、监测成对光栅上反射信号的相位值是否有超出设定值；步骤四、若超出设定值，暂停扫描查询模式，直接查询前、后相邻光栅对上的相位变化；步骤五、对相邻3个成对光栅传感区的相位变化进行特征参量比较和分析，判定是否有入侵行为；步骤六、如有入侵行为，设定最大相位变化的成对光栅区域为入侵事件发生区域，反馈该对光栅的位置及强度等级，并发出即时告警，继续下一对光栅的查询；步骤七、全光纤查询结束，修改查询方式配置，重新开始查询。系统的查询方式可以设定为：①偶数光栅对查询，②奇数光栅对查询，③依次查询，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于菲索干涉的超弱光栅周界安防系统，其特征在于：包括探测光缆，由刻写有大量宽谱超弱光栅阵列的光纤铠装成微振动光缆，用于将光缆上局部的振动转化为邻近光栅对反射光菲索干涉后的相位变化；查询单元，与探测光缆连接，用于产生光栅反射谱内的窄线宽光脉冲，接收光栅阵列的反射光脉冲，经光电转换后，通过高速开关电路在时域内分离成对目标光栅的干涉信号；控制单元，与查询单元连接，用于产生调制脉冲信号和延时后的触发信号，同步获取当前光栅对的反射信号，实时完成数字相位解调，通过信号处理和模式识别，判断探测区间上是否有入侵行为。

【技术特征摘要】
1.一种基于菲索干涉的超弱光栅周界安防系统，其特征在于：包括探测光缆，由刻写有大量宽谱超弱光栅阵列的光纤铠装成微振动光缆，用于将光缆上局部的振动转化为邻近光栅对反射光菲索干涉后的相位变化；查询单元，与探测光缆连接，用于产生光栅反射谱内的窄线宽光脉冲，接收光栅阵列的反射光脉冲，经光电转换后，通过高速开关电路在时域内分离成对目标光栅的干涉信号；控制单元，与查询单元连接，用于产生调制脉冲信号和延时后的触发信号，同步获取当前光栅对的反射信号，实时完成数字相位解调，通过信号处理和模式识别，判断探测区间上是否有入侵行为。2.根据权利要求1所述一种基于菲索干涉的超弱光栅周界安防系统，其特征在于：该探测光缆中的宽谱光栅阵列，是全同的啁啾光栅或其它宽谱光栅，3dB反射谱宽大于1nm，反射率在-30dB～-40dB之间。3.根据权利要求1所述一种基于菲索干涉的超弱光栅周界安防系统，其特征在于：该查询单元中窄线宽光源的相干长度大于2ne△L，其中ne为光纤纤芯的折射率，△L为两个光栅之间的间距。4.根据权利要求1所述一种基于菲索干涉的超弱光栅周界安防系统，其特征在于：该查询单元中配置非平衡迈克尔逊干涉仪，用于补偿双光栅反射信号的臂差。5.根据权利要求1所述一种基于菲索干涉的超弱光栅周界安防系统，其特征在于：该控制单元还用于存储初始化时各个光栅的时延信息和位置，脉冲的宽度及延时间隔。6.采用如权利要求1～5所述任意一种基于菲索干涉的超弱光栅周界安防系统的入侵事件定位方法，其特征在于：该系统采用相邻的两个弱光栅构建一个微型振动传...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗志会，陈思，王凤钧，陈小刚，肖焱山，潘礼庆，杨先卫，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42