用于周界报警干涉型光纤传感器的光缆技术

20lo年第24卷第3期 (总第81期) 测 试 技 术 学 报 JOURNALOFTESTANDMEASUREMENTTECHNOLoGY Voi．24No．32010 (SumNo．81) 文章编号：167卜7449(2010)03一0277一05 用于周界报警干涉型光纤 传感器的光缆技术 李琛，张春熹，梁 生，钟翔，李琳，冯秀娟 (北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100191) 摘 要： 对应用于安全防范、石油管道监测的干涉型光纤传感器的系统结构及工作原理进行分析，由于系 统使用单模光纤。导致两干涉臂输出偏振态变化不一致，使得系统的精度和稳定性降低．为此，对光缆设计 以及成缆技术对系统输出偏振态变化的机理进行研究，建立了数学模型，进行仿真计算并通过环境模拟实 验验证理论模型，为系统的光缆设计提供了理论依据． 关键词：周界报警；光纤传感器；光缆 中图分类号：TH7443文献标识码：A doi：10．3969／j．issn．1671—7449．2010．03．017 ResearchonCable Sensorsfor Technology0fFiberoptic PerimeterSecurity LIChen，ZHANGChunxi，LIANGSheng，ZHONGXiang，LILin，FENGXiujuan (SchoolofInstrumentationScience&0pto—ElectronicsEngineering，BeihangUniversity，Beijing，100l91，China) Abstract：Thispaperpresentsthestructureandprincipleofthefiber—opticsensorwithdual】Ⅵach— Zehnderinterferometers，whichcanbeusedindetectingintruder，cracks，anaoilorfuelleaks．The positionofthedisturbancecanbegotbythetimedelaydifferencebetweentheoutputsignalsofthetwo Mach—Zehnderinterferometers．Thepolarization—inducedfading(PIF)phenomenonwillleadtothe inaccuracyofthepositionofthedisturbance．Sotheresearchfocusesonthecabledesignandtheeffect onthesystemoutput．Accordingtothetheoryanalysis，theresultsoftheexperimentsinthemajor casesarecompared．Thefactorsaffectingthesystemerrorbythecablearediscussed． Keywords：securitysensor；fibe卜opticsensor；cable 在光通信系统的研究中，研究人员发现光纤对外界环境因素十分敏感，温度、压力、电场、磁场等环 境条件的变化将引起光波参量的变化．1977年，光纤传感这一概念被提出，光纤传感以其特有优势引来 了科学界极大的关注，成为传感器领域中研究的热点，目前已报道的各种光纤传感器就达70多种[】习]． 干涉型光纤传感器是目前传感技术研究的热点，它主要应用于测量温度、应变、压力、振动、电场、 磁场、辐射以及探测管道破裂和油料泄漏． 光纤周界报警系统基于干涉型光纤传感器原理，是新一代周界监控系统．它通过监测边界小范围内环 境应力变化对光纤的影响，分析干扰信息，从而对此进行判断和定位报警，此系统适用于安全防范、石油 管道监测．它具有传统传感器所不能比拟的优点：适合复杂地形，不受地形限制，不受自然气候的影响；灵 ·收稿日期：2009—12—29 作者简介；李琛(1980一)，女，博士生，主要从事分布式光纤传感器研究． 万方数据 278 测 试技 术学报 2010年第3期 敏度高；传感光缆本身无源，功耗低，使用成本低；可监测的距离长，可达50km；能实现实时监控[2“‘6]． 本文对干涉型光纤周界报警系统的工作原理以及误差进行分析，建立了光缆对系统干涉臂中传输光 信号偏振态的影响模型，进行仿真计算，提出了系统光缆的设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ． 1 系统工作原理及误差分析 光纤周界报警系统由主控计算机、主控仪、引导光缆、传感光缆和外部连接组件这5大部分组成， 如图1所示．其中，主控计算机和主控仪位于监控室内，引导光缆、传感光缆和外部连接组件安装于室 外．主控计算机与主控仪负责光信号的产生、接收，信号的分析和处理；由于在实际应用中，监控室距离 监测区域通常有一段距离，用引导光缆实现光信号的传输，同时实现不敏感扰动；传感光缆通过挂网或 埋地等方式布设在监控周界附近，敏感外界环境的应力变化，经过信号处理后报警；外部连接组件负责 连接引导光缆和传感光缆． 圈1 光纤周界报警系统不意图 圈2光纤周界报警系统原理框图 Fig．1Securitysensorusingfiber—opticinterferometersFig．20pticalarchitectureofdualMach—Zehnderinterferometer8 图2为光纤周界报警系统原理框图，光源发出的光经过耦合器1分为两路：一路经过耦合器2，与 耦合器3以及光纤F：，F。构成一个马赫一曾德干涉仪，干涉后的信号1(signal1)逆时针经光纤F。到达光 电转换器；一路经过光纤F。，到达耦合器3，与耦合器2以及光纤F：，F。构成第二个马赫一曾德干涉仪， 干涉后的信号2(signal2)顺时针到达光电转换器．这两路信号放大滤波处理后，经A／D转换器转换为 数字信号，分析信号的幅度和频谱特征，判断是否有人员扰动，并计算扰动位置． 理想情况下，当有扰动信号作用在马赫一泽德干涉仪的两臂，使得干涉仪两臂的臂长发生改变，两臂 传输的光之间产生了相位差．扰动距光电转换器PINl的距离厶一￡。×c／咒；扰动距耦合器3的距离厶 一f：×f局；干涉仪导引光纤臂长厶一￡。×f肪；其中行为光纤折射率；c为真空中的光速． 探测器PINl输出信号为 z(f)=A1+Blcos[畎￡一f1)+饰]， (1) 探测器PIN2输出信号为 了(f)=A2+B2cos(驴(f—f2一‘3)+鲕)． (2) 由式(1)和式(2)可知，信号z(￡)和y(})之间有时间差r，而且r与扰动的位置成线性关系 r一￡。+￡。一￡，：望量i二刍二二_生立塑． (3) C 由此可知，求得信号z(f)和y(￡)之间的时间差r，就可以得到扰动的位置．扰动距耦合器2的位置为 厶：生_≥业， (4) 二 式中：L一厶+L。+厶是光纤的总长度，是一个常数；时间差r可由信号z(f)和y(z)之间的相关系数求 出． 但在项目实际应用中，系统采用的单模光纤传输的是两个正交的线偏振模，光纤中与两偏振模对应 的折射率恕。和n，并不相等，产生双折射现象，引起输出光的偏振态随机变化．将单色光层，和E：用方位 万方数据 (总第81期) 用于周界报警干涉型光纤传感器的光缆技术(李 琛等) 279 角和椭率角表示 耻蹦[：麓：塞篡珏 驴啪[：勰：竺篡珏 ㈣E2=E6ei％f．。“．n。．j _．。。。I， (5)Lsln巩cOs卢^十1COs巩sln口^J 式中：亿，绍分别为E。和E：的初始相位；眈，巩为E，和￡：的方位角；成，尾为椭率角．叠加后得到光强为 J=寺(E：+露)+∞os(亿一体+艿)， (6) 式中： 口=E既√cos2(眈一以)cos2(危一向)+sin2(成+尾)sin2(以一以)，tan艿．tan(见一以)端． 由以上推导可知，两叠加光的偏振态将直接影响干涉项：当E，和易电矢量方向相同时，可见度为 1，而且没有附加的相位；当芑。和层。正交时，可见度为o，此时，干涉仪输出的信号表现为两束光光强之 和，没有干涉项，所要检测的信号为O，无法获取有用信息，这是最差的情况；其它状态时，可见度在O 和1之间，所要检测的信号幅值以及附加相位随两光束偏振态而变化，能检测到干涉现象，但不稳定， 同时信号处理后得到的相位信息包含了附加相位，给测量结果造成了误差．这里所说的幅值波动和附加 相位就是偏振衰落现象，它将严重影响系统的温度性和定位精度． 2光缆结构对系统影响分析 光缆制造技术日趋成熟、品种分类繁多、应用场合不断拓宽，本文研究的光纤周界报警系统主要安 装于室外的铁丝网或者浅埋于所监测周界附近，系统使用光缆的结构和制造工艺将直接影响传感臂中光 的偏振态．本文主要从以下三个方面进行分析． 2．1纯弯曲引起的双折射 弯曲引起的双折射包括：①光缆在安装时引起光纤的弯曲双折射；②光缆在制造过程中，为了保证 光纤相对于光缆有一定余量，将光纤以螺旋或者正弦形式束在中心管中(中心管式光缆)或者以螺旋形式 绞合在中心加强件上(层绞式或者骨架式光缆)，由此引起的双折射．对光纤在中心管或者在中心加强件 上的状态建立数学模型——正弦模型和螺旋模型，如图3所示． 1 (a)正弦分布 (b)螺旋分布 Fig．3Themodeoffiberinthecenterpiece 1)光纤在中心式光缆呈现近似正弦分布，光纤宏弯半径为 [1+(挚)2c。。z(孕)]。／z风2_巷希’ 式中：R。为套管等效内半径，由式(7)可得，R。的最大值为o。，最小值为 R^岫2赢· 通过实践验证，中心管式光缆的最小曲率半径一般在40～60mm[7]． (7) (8) 万方数据 280 测 试技术学报 2010年第3期 2)光纤在套管中呈现螺旋线分布时，光纤宏弯半径的最小值为 如一Rr[1+(赢)2]· (9) 3)含有光纤的套管以螺旋线状绞合在中心件上，光纤宏弯半径的最小值为 R^=舡1+‘赤)2]， (10) 式中：R为套管中心至中心件中心的距离． 其实对于套管以螺旋线状绞合在中心件上的光纤，它总的宏弯半径也是以上两种弯曲的叠加结果， 综合的宏弯半径可按式(11)进行估算 去≤击+忐， ㈣， 根据上述推导可以相应地得到光纤在光缆中的弯曲半径，这样就能够通过微弯导致感应双折射的公 式(见式(12))求出半径为口的光纤在光缆中的双折射 炙=o·25，z3(1+P)(户·z一夕，1)(美)2， (12) 式中：ID为泊松比；户⋯户。。为弹光系数． 2．2侧向力引起的双折射 在光缆中，由于外界环境以及光缆安装方式的影响，光纤可能受到侧向压力． 厂作用的光纤，相对应的双折射为 以一鲁咒}L笋(户。。一户。。)丢， 式中：y=6．5×10-12N／m2，是SiO。的杨氏模量，将各个系数代人可得 乱：3．63×10叫z丢． 单位长度受到侧向力 (13) (14) 2．3扭转引起的双折射 由上述对光纤在套管中建立的正弦模型以及螺旋模型可知，光纤在光缆中是扭转的．而对于扭转情 况下的光纤，近似认为它以均匀的扭转率27rⅣ (rad／m)(N为每米的圈数)绕其轴扭转时，产生2∞ 了切应力从而导致圆双折射，感生双折射为 以=2丌gⅣ， (15)l∞ 式中：g的理论值为O．16，目前实验中测试的 。 值为O．14[8_l0。． 1 图4为这几种因素对光缆中光纤折射率造 成的影响进行对比．仿真中，设光纤在光缆中的 螺旋半径40～60mm，应力差的变化范围O≤厂 ≤100N／m2．为了能较好地对各个因素的影响～5’。 圈4光缆中不同因素对折射率影响的仿真对比图 Simulationoftherefractiveindexinfluencedbydifferentelements 进行对比，将影响参数值归一化．由图4可知，光纤在光缆中扭转所产生的偏振双折射比较大． 3 实验验证与系统光缆设计 图5为1km光缆在室温、外部应力作用、升温条件下输出的偏振态，可知室温条件下，光缆输出的 偏振态稳定；施加应力时，光缆输出的偏振态与应力的大小、频率有关．温度变化时，光缆输出偏振态变 化的程度与温度变化的范围和剧烈程度有关． 综合理论分析和实验测试结果，相比之下光缆中偏振态受温度变化的影响比较大，这是由于在实际 万方数据 (总第81期) 用于周界报警干涉型光纤传感器的光缆技术(李琛等) 281 工程应用中，光缆一般是被捆扎在铁丝网上，由于监控的距离很长，再加上光缆被固定而产生的应力方 向不都相同，其实是可以互相抵消的，这样应力产生的双折射变化范围不会很大，同样光纤在光缆中弯 曲、扭转产生的总的双折射也不会很大．但是由于光缆上温度变化比较一致，当温度浮动时，光缆的双折 射变化将与温度变化量成线性关系． 圈5光缆在不同影响因泵F偏振态演变 田6现场使用光缆的结构及外观 Fig．5Measuredthestatesofpolarizationindifferentconditions Fig．6Thestructureofthecable 实际施工中使用的光缆根据现场实地情况设计(见图6)，缆芯由两根松套束管和4根填充绳绕中心 加强件绞合成的．整根光缆为非金属，不受雷电感应的影响．缆芯外包有护套，最外层为防鼠防白蚁外 护套．完整的护套起到了光缆径向防潮的作用．填充绳和加强件减少了弯曲、测压和冲击等外力对光缆 的影响．松套管中和缆芯所有的缝隙充满防潮阻水油膏和化合物，确保纵向不漏水，具有良好的阻水功 能．工作温度一40～+60℃，适合工作于热带和寒带地区．允许弯曲半径为10倍缆芯，这样光缆可以 根据实地需要，呈一字型或者S型安装．光缆中有6根光纤，设有两根备份，可以用于系统维护或者与 其它光纤通信系统合成． 4 结束语 通过对于涉型光纤周界报警系统的工作原理进行了分析和理论推导．当干涉仪输入偏振态变化不一 致时，输出信号的偏振衰落是造成系统误差的主要因素．同时对光缆引起系统双折射的机理进行了定性 定量的分析，通过不同环境变化实验对比表明，温度变化时在光缆中产生各向异性应力引起的双折射是 导致系统误差的主要因素． 参考文献： [1]KopolaI A． comparisonofdistributedfiberopticsensingmethodsforlocationandquantityinformation measurements[J]．0pticalEnginee“ng，2002，41(1)：181—189． [2]JeffBushcD，PepeDavis．Buriedfiberintrusiondetectionsensorwithminimalfalsealarmrates[J]．Proc．sPlE， 1998，3489． [3]DakinJ P．Distributedopticalfibersensors[J]．sPIE，1797(DistributedandMultiplexedFiber0pticsensors11)， 1992：76—103． [4]uddE．sagnacdistributedsensorconcepts[J]．Proc．sPIE，1991，1586；46—52． [5]DakinJP，strongAP．Anoveldistributedopticalfibresensingsystemenablinglocationofdisturbancesinasagnac 100pinterferometer[J]．Proc．sPIE．，1987：325—328． [6]MakiMc．Fiberopticfencesensordevelopments[J]．IEEEAEsssystemsMagazine．2004：8—13． [7]吴平，严映律．光纤与光缆技术[M]．成都：西南交通大学出版社，2003：148—152． [8]JeuhommeB．单模纤维光学原理与应用[M]．周洋溢，译．桂林：广西师范大学出版社，1988：72—93． [9]阎吉祥，魏光辉，哈流柱，等．矩阵光学[M]．北京：兵器工业出版社，1995：100一120． 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