基于布里淵散射的分布式光纖傳感入侵定位監測系統

王輔東+王曉鋒+陳煥新

【摘要】 隨著科技的發展，以利用光纖傳感技術作為核心機理的安防系統已逐漸取代舊式周界安防系統，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測系統。該方法是分布式光纖傳感領域目前國際公認精度最高、發展潛力最大的實現方法。

【關鍵詞】 布里淵 分布式 光纖傳感

隨著社會發展，安防已經變得越來越重要，及時發現入侵對我國安防建設有種重要的意義，別的安防系統監測距離短且容易受到電磁的擾動，而本文中敘述的安防系統不僅監測距離長而且不容易受到電磁的干擾，對安防領域具有重要意義。光纖傳感入侵定位監測系統可以通過監測光纖應變或震動等確定事件發生的位置，已有傳感定位系統多采用Sagnac干涉環結構或者馬赫-增得干涉結構實現定位，但無法同時滿足高精度和長距離探測。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，結合邊緣濾波調解技術，建立一套分布式光纖傳感入侵定位系統監測，實現了對入侵事件的實施快速定位監測，空間分辨率也相應高了起來。

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程的相互作用，這兩者的相互作用會使光產生頻移，該頻移的產生相當于入射波被一個聲光柵散射產生了反射光子，我們利用這個頻移，通過測得其頻移方向和大小，來實現傳感物理量的轉換。光纖所處溫度、所受應變皆可通過布里淵頻移間接計算得出。在實際工程使用中，由于入侵事件都是不確定的，所以需要一套具有實時監控能力且無盲點的監測系統才能完全監測到入侵、避免出現遺漏，而光纖作為傳感原件是沿線路連續分布的，這就避免了線路中產生盲點。通過對光纖中布里淵散射頻移量大小的監控，可以分析得出被入侵點的準確位置，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測系統中最有效的應用方式，達到了兼備高精度、無盲點、長距離、實時性等諸多優異性能。

二、實驗與分析

由于本項研究處于早期階段，所以此次試驗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解調器。并參考了各類中外文獻，以及前輩所寫的論文，保證本次試驗和分析能夠得出更為準確的結論，更好的為國家安防事業做出貢獻。我們將激光輸出進行一定的比例分束，然后小比例的一束作為本振光，另外一個大比例的經偏振控制器調整偏振態，通過電光調制器進行脈沖的調制，經過摻鉺光纖放大器1放大之后，波分復用器濾過自發輻射噪聲通過擾偏器和環形器，輸入到單模傳感光纖里面去。散射回的信號此時變得非常非常弱，必須得通過摻鉺放大器2來放大，然后再經過一個環形器，通過自己制造的窄帶可調諧光纖光柵濾波器之后的布里淵反射光和本振光相干，通過高速光電探測器的監測，然后得到了實驗的最終結果---后向布里淵散射信號。

在實驗中，波分復用器濾波的通道為1550nm，帶寬30nm，隔離度大于20dB，損耗小于0.15dB，和本振光相比，相對有一定的偏移量，能滿足實驗的要求并且監測到相干信號。放大之后的布里淵信號只有um量級，采用高速光電探測器前置放大濾波電路對信號再次放大濾波，然后通過邊緣濾波，將布里淵信號的平移變化轉換成強度變化，并通過累加平均處理，平均2的12次方次后，得到最終監測結果。其中前置放大濾波電路實現對微弱電信號的放大并抑制信號頻帶以外的噪聲，其濾波中心頻率為11GHz，3dB快帶為1Hz，插入損耗小于0.1dB。實驗系統采用50ns脈寬的光脈沖，重復頻率為10KHz，傳感光纖長度為10km。因此，完成2的12次方次累計平均處理所需時間小于1s，即系統的監測周期小于1s，可滿足快速監測入侵事件的要求。

經過實驗分析表明。實驗系統在室溫25度環境下且光纖不受外力時，布里淵信號的中心頻率在10.9GHz左右。因此當應變和溫度引起的頻移總和超過初始中心頻率100MHz時，信號將越過帶通濾波器的單邊上升沿的邊界，導致信號幅值減小，從而引起錯誤判斷，限制了系統的監測范圍。采用更大帶寬的帶通濾波器并合理的選擇其中心頻率，可以擴大系統監測的動態范圍。

至于如何消除緩變溫度的影響，適應野外環境下的應用，以及進一步提高系統的應變分辨率，將在后續的工作中研究。

結論：在BOTDER原理中用單縱模光纖光柵到帶通濾波器理論結合實際的實驗中表明，系統可以在1s對10km范圍的傳感器進行測量，并達到5m的空間分辨率和200uε的應變分辨率。這項實驗表明本系統在監測入侵領域的能力，即便現在所處階段并不成熟，也能對國家安防領域起到很重要的積極意義，而且經分析判斷和實驗結論，基于布里淵散射的分布式光纖傳感入侵定位監測系統在長距離入侵定位方面有著良好的前景。

參 考 文 獻

[1]賈振安，應旭東，喬學光，等.光纖光柵高速動態震動信號調解技術的研究[J].光電子。激光，2011，22（5）；729-732.

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