光纖型周界安防系統擾動檢測研究

中國船舶集團第七一五研究所 于振欣

中電海康集團第五十二研究所 孫 崢

周界安防系統對于公共安全維護工作效率有著非常重要的意義，當前最為先進的周界安防系統當屬光纖型周界安防系統，在實際應用中通過光纖傳感器技術的合理利用可以對各項數據進行有效處理。光纖型周界安防系統在實際使用中所具有的優良性能遠遠高于其他類型的安防系統，常用的技術便是相位及偏振檢測。為了降低光纖型周界安防系統的建設成本，本文提出了一種新型的擾動檢測方法，最終通過數學理論推導證明該方法切實可行。

1 相關概念簡介

1.1 光纖通信技術

光纖通信是現代通信技術中非常重要的一個組成部分，光纖技術的發展質量當前已然成為了衡量一個國家科技發展程度的重要指標。在光纖通信應用中，以光纖作為信息的傳播介質，突破了許多傳統通信領域的技術瓶頸，在具體應用中，由于有監測速度快，頻帶寬等一系列優點正在使光纖通信取代傳統通信。

1.2 光纖傳感器

為了使光纖傳感器的功能得以實現，技術人員配備其配備了光纖光源以及光檢測器件。在某些場合通過光纖傳感器的合理利用能夠讓人類完成很多單純依靠人類自身無法進行的測量工作，同時可以保證最終結果的精確度。不僅監測精度高而且監測速度非常快速。

1.3 基于偏振態調制的光纖傳感技術

該技術是通過對光纖偏振的實際變化進行有效監測，以此來對外界物理量進行反應的一種技術，由于在應用中所表現出來的特點通常被人們用來檢測溫度、熱度等物理量。偏振態調制型的光纖傳感器對光源擁有一定的抗干擾能力。

2 基于光纖偏振變化的擾動監測新方法

擾動監測技術在實際應用中最為重要的作用是可以使得光纖型周界安防系統的各項功能得以正常發揮，擾動監測技術應用是否合理將會對安防系統的使用質量造成嚴重影響。為了進一步降低該系統在具體應用中所需要投入的經濟成本，并且使其實現對各類擁有特定頻率的偏振信息進行及時處理，本文經過長期研究后提出了一種更加簡單方便的用來檢測光纖偏振變化的結構。利用光纖耦合器所具有的優良性能，和其他關鍵部件組成檢測光纖，以此來對光纖所產生的偏振變化光路進行有效檢測。該方法在結構上有了新的變化，全面突破了傳統方式的束縛，全面利用光纖耦合器構建起一套完整的監測機構。當光源進入等待檢測的光纖后，光纖內部的光在通過光纖耦合器時，通過光纖耦合器作用的全面發揮將會產生干涉現象生成包含一定信息的干涉光。偏振的具體變化情況可以通過對光纖光強的具體變化來獲得。經過多次試驗之后設計出如圖1所示的線路圖。

發生干涉現象產生一定的干涉光。偏振的具體變化情況可以通過對光纖光強的具體變化來獲得。經過多次試驗之后設計出如圖1所示的線路圖。

圖1 接線圖

圖中7代表光源，而6則代表傳感光纖，8代表偏振檢測模塊，7a這一符號所代表的含義為實驗光纖的輸入以及輸出端口。為了有效節約光纖在實際使用中所需要投入的經濟成本，筆者經過綜合考慮之后將光源、傳感光纖、偏振檢測模塊這三個構件通過普通光纖作用的全面發揮使其緊密地連接在一起。

3 數學理論驗證

為了方便書寫，將偏振檢測線路圖簡化為如圖2所示的結構。從該圖不難看出，端口5a1處所得到的光矢量E0= [EX,EY]T，“T”表示轉置：將擁有雙折射性質的光纖視為一個光偏振檢測部件，通過瓊斯矩陣的合理利用將其作為同側端傳遞矩陣。

為了計算的方便，本文將傳輸中所發生的光損益進行有效忽略。最終從端口5aM所輸出的光有以下兩路光的干涉路徑：

通過計算相應的輸出光強、輸入光強，最終可得出，公式中的前兩項為常數不會受到偏振變化的影響，而最后一項屬于變量會由于偏振的擾動而發生相應的改變，從而最終導致輸出光強產生變化。因此要想得到輸出端光所發生的偏振變化，只需要對干涉光強的實際變化情況進行全面監測就可得到。

整個偏振監測線路如下所示：當光源亮起將會發射出一道光線，該光線經過探測光纖之后，將會進入到偏振檢測模塊當中，然后在檢測模塊內部發生一定的干涉現象，產生光色波紋。在一般情況下整個系統將會處于穩定的狀態當中，相應的干涉波紋也會保持在相對穩定的狀態當中，讓最后輸出光線的強度保持在一定的范圍之內。當安防系統在實際使用中由于外界各種因素的影響而導致其結構產生一定的破壞時，產生的干涉條紋也會發生相應的變化，導致輸出光強產生變化。因此，通過對輸出光強的檢測就可以發探測到待測光纖是否受到了擾動。為了使整個系統的魯棒性得到有效保障，本文在待測光纖以及光纖光纖耦合器中加入了一段保偏光纖。為保障該保偏光纖滿足要求，其具體消偏長度應該遠小于光纖長度。

4 仿真實驗驗證

4.1 相關實驗器材介紹

第一，保偏光纖。保偏光纖在應用中，由于其本身結構的所具有的特點可以在實驗中有效保障光纖偏振不會受到影響。普通光纖因為在實際制造中所使用的一些工藝的影響，在應用中無法保證各項應力的對稱性。因此，光線在普通光纖中進行傳輸時相應的偏振狀態極不穩定，很容易受到外界因素的影響使其偏振狀態發生變化。而保偏光纖是通過增強光纖的雙折射特性來對光的偏振狀態進行有效保持，本次實驗中應用的是一根長度為5m的保偏光纖。

圖2 仿真實驗線路圖

第二，保偏耦合器。為了使用的方便，再制造保偏耦合器時往往將其制作為一個輸入端口以及兩個輸出端口。由于這一結構很適合將其將位于光纖輸入端的光線依照指定分光比將其分為兩束不同強度的光。為了使分離效果得到保障本次仿真試驗應用的是3×3的保偏耦合器。

第三，超輻射發光管。該器件適宜一種自發射的發光元件，在應用中有著光譜寬，相干短等一系列優點。和其他激光器相比，超輻射發光管與保偏耦合器聯合應用效果更好。

為了使等效線偏振器件的光路得到有效監測，本文設計了一種全新線路來進行仿真實驗，具體如圖2所示。

通過該圖，不難發現，具體的光路傳播路徑為：光源受到激發后發出光，光線沿著待檢測工程進入到分光器當中。分光器將光線分為兩束并使其保持原有的偏振狀態不變，集中一路光線將會直接進入到光學偏振器當中。利用線偏振檢測儀器對其進行有效處理。為了仿真實驗的有效進行，考慮到實驗的合理性采用銦鎵砷光電探測器作為光電探測儀，該儀器可以對相關信號進行實時監測。而另一路光選擇進入到保偏光纖當中，經過保偏光纖進入檢測偏振模塊，在模塊輸出端通過光電探測器對其進行有效檢測。

4.2 測試結果

本次實驗通過仿真系統對被檢測光纖進行相應的擾動實驗，最終發現擾動結果出現了一定的變化，雖然產生信號的最終強度并不一致，但實驗組所表現出來的最終光強變化情況和偏振分束器所得到的最終檢驗結果相一致，仿真結果服從理論推導的結論。這種現象充分的說明本文所提出的方法有效。

結束語：本文對光纖型周界安防系統擾動監測技術進行了全面的探討，并且提出了一種新的方式有效降低該系統在應用中所需投入的經濟成本。通過仿真實驗發現該方法簡單易行、靈敏度高。希望通過本文可以為相關工作提供一些參考。