[实用新型]周界防卫光纤传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及安全防范，特别是一种周界防卫光纤传感器，它利用单模光纤在受到外界扰动时，传输光波的相位和偏振态等发生变化的效应，探测对区域周界发生的入侵，并确定入侵发生的部位。本实用新型主要用于军事机构、机要区域、博物馆、银行等区域的安全防范。

背景技术

现代社会的安全防范是一个重要的课题。有效地保护政府机构、军事基地、机场、武器弹药库、监狱、银行金库、博物馆、发电厂、油库、通信设施、港口甚至是国界等重要区域，防止非法入侵，是至关重要的。诸如摄像机监视、红外摄像监视系统、红外中断传感等技术已经广泛应用于机要区域以至于居民小区。但是，道高一尺、魔高一丈，入侵和防卫之间的争斗没有停止。为此，必须发展多种新型防卫技术。

光纤价格低廉、易于安装、隐蔽性较好、不受电磁干扰，在周界防卫中也倍受重视。在先技术之一，是基于多模光纤散斑传感器[T.S.Francis，Appl.Opt.32，4685-4689(1993)；A.Malki，Appl.Opt.35，5198-5201(1996)等]。该方法已经有产品问世，并在许多场合获得应用。其原理是光波在多模光纤中由于不同传输模式之间的干涉形成散斑，散斑图像受外界扰动发生变化用CCD记录散斑，或者用光栏截取局部光功率，就可以感知多模光纤上受到的扰动。这一方法要求使用特种的多模光纤，成本比较高。在先技术之二，是基于单模光纤微弯损耗的机理，从光纤传输损耗的变化，判定是否有外界干扰发生。与使用多模光纤相比，单模光纤的价格较低。但是用微弯损耗感知外界扰动的方法灵敏度比较低。容易产生误报。上述两种方法都不能确定入侵发生在哪一个部位。在先技术之三，是使用光时域反射仪测量扰动的方法，测量光波在光纤中传输时产生的回波随外界扰动的变化。这一方法可以根据接收到回波的时刻相对于发射时刻的时延来确定光纤受扰动的位置。但是，采用这一方法信号很微弱，测量时间较长，响应很慢，不适用于动态的检测。而且时域反射仪的价格也很高。在先技术之四，美国专利US2003/0198425 A1在周界防卫系统中设置两个光纤线路，两路分别传输相反方向的光波。测量扰动发生后光信号在正反方向传输到检测点的时间差，来确定扰动发生的位置。在该专利中，设计了若干种光纤回路结构。但是，光纤Sagnac环被认为是非定位(non-locating)的技术。在周界防卫传感器的应用中，入侵位置的确定是一个重要的功能。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种用于安全防范的周界防卫光纤传感器，它不仅能发现外界扰动，而且可确定外界扰动的位置，并具有成本低、系统结构简单、便于扩展和安装简易的优点。

本实用新型的原理是基于光纤环形镜，光纤环形镜是如图1所示的光纤Sagnac环路(以下简称为Sagnac环)。这一环路是由光纤耦合器两个输出端口相对连接一个环而构成。光从光纤耦合器的一个端口a输入，从端口c、d输出后在环中分顺时针和逆时针两个方向传输，回到光纤耦合器时发生干涉。完全相干部分的光波回到输入端口。这也就是这一环路结构被称为光纤环形镜的原因。光波中不能干涉相消部分将从耦合器的端口b输出。光纤环路中受到扰动时，将引起光波相干性的变化，在端口b将会探测到这一变化。对于动态的变化，由于顺时针和逆时针传输到耦合器的时间与扰动发生的位置有关，因此可以根据这一变化信号的时域特性计算出扰动发生的位置。

图2为产生这一时域波形的原理的示意图。图中c为光纤中的光速。设扰动地点将环路总长度分为L₁和L₂两段，L₁是顺时针光波(CW)从光纤耦合器到扰动发生点的距离，L₂是逆时针光波(CCW)从光纤耦合器到扰动发生点的距离。这两束光波回到耦合器时所经受的扰动有一个时间差。从干涉信号的这一时间特性，就可以推算扰动点的位置。这对于周界防卫是一个非常重要的信息。

Sagnac环具有干涉反射特性的必要条件是光波在光纤中必须是以单模传输的。也就是说光纤耦合器及构成环路的光纤都是单模光纤。如果是多模光纤，模式之间的干涉就十分复杂，其平均效果会将扰动引起的光信号掩盖掉。因此，要将这一Sagnac环用于传感器，必须利用单模光纤对外界扰动的敏感性。