雙馬赫—曾德爾光纖傳感系統的定位原理與算法

王曉鋒　王輔東　陳煥新

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

關鍵詞：光纖傳感系統；分布式；周界監測；定位原理；監測預警系統 文獻標識碼：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 分布式光纖周界監測系統的國內外研究現狀

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

根據目前的研究情況看，基于Sagnac干涉的光纖預警系統最大的優點是具有非常高的精度，通過現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0.9m的定位精度。因此，基于這項技術，目前有很多公司已經開發出了成品，比如Senstar-Stellar公司推出的TelliFIBER產品，其是基于測量多模光纖中偏振態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測預警系統Secure Fence主要指標為：一個控制單元的光纖鏈路長可達80km，而且可以通過將數個控制單元組網的方式來實現更長距離的周界監測預警，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，進行周界監測預警系統研制的單位主要是大中專院校。華中科技大學孫琪真所推出的系統是基于3×3的光耦合器來進行無源零差解調，而信號分析則是通過高速DSP器件，在6.8公里的長度上實現了誤差小于100米的定位，并能實時通過設備顯示擾動信號的幅度和頻率。2008年，南開大學的劉波驗證了一種基于M-Z的光纖圍欄報警系統，利用互相關技術，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。2011年，復旦大學賈波教授發表了分布式光纖振動傳感器及其定位技術的研究論文，其中介紹了基于Sagnac和M-Z干涉技術的定位技術并對光纖傳感信號進行了分析。

2 雙馬赫-曾德爾系統

2.1 雙M-Z系統的基本結構

對于目前比較常用的，以單路M-Z系統為基礎的分布式光纖周界預警系統，我們充分利用其系統原理，發現雙M-Z系統對入侵的振動更能進行及時反映，其雙路結構能將與發生入侵行為的位置有關的時間信息τ準確反映出來。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以及引導用光纖F3。其中，光源S為長相干光源，能夠為系統提供光源輸入。D1和D2分別連接數據采集卡，能夠對光信號轉換成電信號。

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，在其中如果光纖發生振動，其振動就會引起激光束的相位信息發生變化，然后這兩束光在C4耦合器處被重新合為一束光，然后通過引導光纖傳遞至C3進而傳遞到D1，其整個結構構成了一個單馬赫-曾德爾干涉儀。同樣，在另一路上，也構成了一路馬赫-曾德爾干涉系統，這兩路系統構成了所謂雙M-Z

系統。

2.2 雙M-Z系統的定位算法原理

在圖2中可以清楚地看出，若入侵的振動信號發生在距離C4耦合器長度為z處，其兩路光束傳遞至光電轉換器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，而這個時延與發生振動的具體位置有著直接的關聯，因此對于分布式光纖周界預警系統的數據處理部分，首先就是確定振動發生的地點，可以通過計算D1、D2采集得到的兩路數據來計算其時延，從而進一步得到具體入侵振動發生的地點。其原理性公式如下：

假設在距耦合器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該完全一致，所以兩路信號具有很強的相關性。對于求取兩路相關性很強的數據的時延，我們一般通過對這兩路進行互相關計算，得到互相關峰值，即兩路信號相關性最強的時刻，這個時刻與零時刻進行比較，就可以準確地求出兩路信號的時延，進而可確定入侵振動發生的準確位置。

3 結語

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

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（責任編輯：黃銀芳）