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(duì)光纖傳感領(lǐng)域研究的深入，分布式光纖周界監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)已經(jīng)成為許多長(zhǎng)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(cè)距離遠(yuǎn)、安裝便捷、維護(hù)簡(jiǎn)單、整體成本較低的優(yōu)點(diǎn)而受到許多研究者的關(guān)注。文章對(duì)雙馬赫-曾德爾光纖傳感系統(tǒng)的定位原理與算法進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：光纖傳感系統(tǒng)；分布式；周界監(jiān)測(cè)；定位原理；監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP212 文章編號(hào)：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(cè)系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前而言，國(guó)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(gè)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(diǎn)是具有非常高的精度，通過(guò)現(xiàn)有的文章報(bào)道可以得知，目前最好的成績(jī)，能夠在長(zhǎng)度為5km的光纖回路中實(shí)現(xiàn)0.9m的定位精度。因此，基于這項(xiàng)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(cè)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(cè)預(yù)警系統(tǒng)Secure Fence主要指標(biāo)為：一個(gè)控制單元的光纖鏈路長(zhǎng)可達(dá)80km，而且可以通過(guò)將數(shù)個(gè)控制單元組網(wǎng)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)距離的周界監(jiān)測(cè)預(yù)警，并且定位精度達(dá)到25m，正確報(bào)警的概率大于95%，而誤報(bào)率低

于3%。

在國(guó)內(nèi)，進(jìn)行周界監(jiān)測(cè)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(lái)進(jìn)行無(wú)源零差解調(diào)，而信號(hào)分析則是通過(guò)高速DSP器件，在6.8公里的長(zhǎng)度上實(shí)現(xiàn)了誤差小于100米的定位，并能實(shí)時(shí)通過(guò)設(shè)備顯示擾動(dòng)信號(hào)的幅度和頻率。2008年，南開大學(xué)的劉波驗(yàn)證了一種基于M-Z的光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)，利用互相關(guān)技術(shù)，在60公里長(zhǎng)的光纖上進(jìn)行了單點(diǎn)擾動(dòng)和多點(diǎn)擾動(dòng)原理性實(shí)驗(yàn)，在采樣速率為20MHz時(shí)，最高定位精度可達(dá)到10米。電子科技大學(xué)饒?jiān)平淌谡n題組研制出了基于拉曼光纖激光器的長(zhǎng)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(dòng)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(duì)光纖傳感信號(hào)進(jìn)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(duì)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(duì)入侵的振動(dòng)更能進(jìn)行及時(shí)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(shí)間信息τ準(zhǔn)確反映出來(lái)。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(cè)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(zhǎng)相干光源，能夠?yàn)橄到y(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?hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

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(guò)1×2耦合器C1被分成兩束，這兩束光分別進(jìn)入2×2耦合器C2和C3的一端：?jiǎn)为?dú)來(lái)看進(jìn)入C2的激光束，其在進(jìn)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(dòng)，其振動(dòng)就會(huì)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(guò)引導(dǎo)光纖傳遞至C3進(jìn)而傳遞到D1，其整個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)成了一個(gè)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(dòng)信號(hào)發(fā)生在距離C4耦合器長(zhǎng)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(shí)采集D1、D2的信號(hào)，這兩路信號(hào)將會(huì)有一個(gè)時(shí)延τ，而這個(gè)時(shí)延與發(fā)生振動(dòng)的具體位置有著直接的關(guān)聯(lián)，因此對(duì)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(dòng)發(fā)生的地點(diǎn)，可以通過(guò)計(jì)算D1、D2采集得到的兩路數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算其時(shí)延，從而進(jìn)一步得到具體入侵振動(dòng)發(fā)生的地點(diǎn)。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(dòng)信號(hào)，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(gè)時(shí)間τ的延時(shí)外，D1和D2所接收到的信號(hào)波形理論上應(yīng)該完全一致，所以兩路信號(hào)具有很強(qiáng)的相關(guān)性。對(duì)于求取兩路相關(guān)性很強(qiáng)的數(shù)據(jù)的時(shí)延，我們一般通過(guò)對(duì)這兩路進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，得到互相關(guān)峰值，即兩路信號(hào)相關(guān)性最強(qiáng)的時(shí)刻，這個(gè)時(shí)刻與零時(shí)刻進(jìn)行比較，就可以準(zhǔn)確地求出兩路信號(hào)的時(shí)延，進(jìn)而可確定入侵振動(dòng)發(fā)生的準(zhǔn)確位置。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了基于雙M-Z的分布式光纖周界監(jiān)測(cè)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(shì)于一身的雙M-Z系統(tǒng)，對(duì)于其在未來(lái)實(shí)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）