分布式光纤安全防卫监测系统灵敏度调节的研究

论文摘要

盗窃对社会治安的威胁日益严重,据国际刑警组织提供的数据,每年因博物馆藏品被盗造成的损失就高达40至60亿美金。而银行因盗窃造成损失也不遑多让,05年巴西发生该国史上最大银行盗窃,一次损失金额即高达7700万美元。我国内的入室盗窃案件近年来出现发案率高及累计盗窃金额高等特点。针对上述盗窃案件的特点,研制一个适合于区域安全监测的系统有很大的实用意义。分布式光纤干涉测量技术因为结合了分布式光纤传感技术与光纤干涉测量技术而拥有很多优点,适合于开发为安全监测系统。现在已有的各种光纤干涉测量系统多是在四种基本的光学干涉仪基础上发展而来,从实际工程应用所需要的8个方面对其进行比较。因为本系统主要用于中短距离的区域安防,根据比较结果,选定单根光纤构建萨格奈克干涉仪为系统原型。根据光波导的横向耦合理论,推导了分光比为1:1的2×2耦合器的导波特性并与分光比为1:1:1的3×3耦合器进行比较,针对本系统特点,选择2×2耦合器。系统选用单模光纤,它在弯曲或者受力时容易影响传输光的偏振态,使其出现互易性双折射,而这会改变干涉光强从而影响系统对破坏入侵行为的判定。在琼斯矩阵的基础上论述了法拉第旋转镜在消除单模光纤双折射效应方面的作用。在上述理论的基础上设计了适合于本系统的整体光路。对本系统采用的各模块进行简单介绍,提出了通过改变系统延迟环长度来改变系统灵敏度的设想。分布式光纤干涉测量技术是基于相位调制原理的,因此在相位调制原理的基础上推导了适用于本系统的灵敏度公式。将灵敏度与延迟环长度相结合,推导了两者之间的关系公式。在前述理论的基础上,搭建实验平台,选定四种不同长度级别的延迟环,针对四类不同的扰动情况,在白天与夜晚两种环境下进行实验。使用六种不同的方法对采集到实验数据进行处理,从中选择分别适用于四类不同扰动的方法并以其数据作为系统针对该类入侵扰动的监测报警依据。针对不同长度的延迟环,根据适用于不同扰动的方法采集得到的数据划定系统报警的阈值浮动范围。对系统实验得到的数据进行分析比较,证明了改变延迟环长度确实可以改变系统灵敏度。通过实验数据验证了推导得到的灵敏度与延迟环长度的关系公式,分析了实验结果与理论推导出现微小偏差的原因。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 安全监测的意义
• 1.2 现行的主要监测方法
• 1.3 分布式光纤传感技术概述
• 1.3.1 利用后向瑞利散射的分布式光纤传感技术
• 1.3.2 利用拉曼效应的分布式光纤传感技术
• 1.3.3 利用布里渊效应的分布式光纤传感技术
• 1.3.4 利用干涉仪原理的分布式传感技术
• 1.4 分布式光纤传感安全监测技术的国内外研究现状
• 1.5 本章小结
• 2 光路的选择
• 2.1 基于光干涉原理的光纤传感系统概述
• 2.1.1 迈克尔逊干涉仪
• 2.1.2 马赫曾德干涉仪
• 2.1.3 萨格奈克干涉仪
• 2.1.4 法布里-珀罗干涉仪
• 2.2 各种改进型的光纤干涉传感系统
• 2.2.1 Sagnac（单根光纤）
• 2.2.2 双Sagnac 干涉仪
• 2.2.3 双MZI 干涉仪
• 2.2.4 Sagnac-MZ 干涉仪
• 2.2.5 Sagnac-Mickelson 干涉仪
• 2.3 本系统采用的光路
• 2.4 本章小结
• 3 系统简介与灵敏度调节原理
• 3.1 系统简介
• 3.1.1 光源的选取
• 3.1.2 检测电路
• 3.1.3 数据采集
• 3.1.4 光路
• 3.2 灵敏度调节原理
• 3.2.1 相位调制原理
• 3.2.2 入侵行为的理论模型
• 3.2.3 变换延迟环长度对系统灵敏度的影响
• 3.3 本章小结
• 4 实验分析
• 4.1 千米级延迟环
• 4.1.1 白天情况下入侵行为的分析
• 4.1.2 夜晚情况下入侵行为的分析
• 4.2 百米级延迟环
• 4.2.1 白天情况下入侵行为的分析
• 4.2.2 夜晚情况下入侵行为的分析
• 4.3 十米级延迟环
• 4.3.1 白天情况下入侵行为的分析
• 4.3.2 夜晚情况下入侵行为的分析
• 4.4 米级延迟环
• 4.4.1 白天情况下入侵行为的分析
• 4.4.2 夜晚情况下入侵行为的分析
• 4.5 实验总结分析
• 4.6 本章小结
• 5 总结展望
• 5.1 论文主要完成的工作与结论
• 5.2 未来工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读硕士学位期间发表论文的目录