双马赫—曾德尔光纤传感系统的定位原理与算法

王晓锋　王辅东　陈焕新

摘要：随着对光纤传感领域研究的深入，分布式光纤周界监测预警系统已经成为许多长距离下边界安防工作的首选，基于双马赫-曾德尔干涉系统的预警系统因有着探测距离远、安装便捷、维护简单、整体成本较低的优点而受到许多研究者的关注。文章对双马赫-曾德尔光纤传感系统的定位原理与算法进行了探讨。

关键词：光纤传感系统；分布式；周界监测；定位原理；监测预警系统 文献标识码：A

中图分类号：TP212 文章编号：1009-2374（2017）08-0019-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.08.009

1 分布式光纤周界监测系统的国内外研究现状

目前而言，国外研究比较多的是基于Sagnac的干涉型原理的预警系统。另外，发展比较迅速的就是结合两种不同的干涉仪结构，使其一起使用的传感的结构，如Mach-Zehnder（M-Z）和Sagnac相结合、Michelson和Sagnac相结合使用，还有就是将两个Sagnac结构相结合，这种结构的研究也是比较完善的。

根据目前的研究情况看，基于Sagnac干涉的光纖预警系统最大的优点是具有非常高的精度，通过现有的文章报道可以得知，目前最好的成绩，能够在长度为5km的光纤回路中实现0.9m的定位精度。因此，基于这项技术，目前有很多公司已经开发出了成品，比如Senstar-Stellar公司推出的TelliFIBER产品，其是基于测量多模光纤中偏振态变化从而得到入侵信息的；澳大利亚的Future Fiber Technology公司，其研究制作的光纤周界监测预警系统Secure Fence主要指标为：一个控制单元的光纤链路长可达80km，而且可以通过将数个控制单元组网的方式来实现更长距离的周界监测预警，并且定位精度达到25m，正确报警的概率大于95%，而误报率低

于3%。

在国内，进行周界监测预警系统研制的单位主要是大中专院校。华中科技大学孙琪真所推出的系统是基于3×3的光耦合器来进行无源零差解调，而信号分析则是通过高速DSP器件，在6.8公里的长度上实现了误差小于100米的定位，并能实时通过设备显示扰动信号的幅度和频率。2008年，南开大学的刘波验证了一种基于M-Z的光纤围栏报警系统，利用互相关技术，在60公里长的光纤上进行了单点扰动和多点扰动原理性实验，在采样速率为20MHz时，最高定位精度可达到10米。电子科技大学饶云江教授课题组研制出了基于拉曼光纤激光器的长距离光纤传感系统。2011年，复旦大学贾波教授发表了分布式光纤振动传感器及其定位技术的研究论文，其中介绍了基于Sagnac和M-Z干涉技术的定位技术并对光纤传感信号进行了分析。

2 双马赫-曾德尔系统

2.1 双M-Z系统的基本结构

对于目前比较常用的，以单路M-Z系统为基础的分布式光纤周界预警系统，我们充分利用其系统原理，发现双M-Z系统对入侵的振动更能进行及时反映，其双路结构能将与发生入侵行为的位置有关的时间信息τ准确反映出来。其原理如图1所示：

图1中的元器件有：光源S，1×2耦合器C1，2×2耦合器C2、C3、C4，光电探测器D1、D2，传感光纤F1、F2以及引导用光纤F3。其中，光源S为长相干光源，能够为系统提供光源输入。D1和D2分别连接数据采集卡，能够对光信号转换成电信号。

图2为其得到的等效光路图，能够从中分析得到如何确定入侵位置的原理。从光源S得到的激光束通过1×2耦合器C1被分成两束，这两束光分别进入2×2耦合器C2和C3的一端：单独来看进入C2的激光束，其在进入C2后再次被分成两束，这两束光在传感光纤F1以及F2中分别作为传感光和参考光，在其中如果光纤发生振动，其振动就会引起激光束的相位信息发生变化，然后这两束光在C4耦合器处被重新合为一束光，然后通过引导光纤传递至C3进而传递到D1，其整个结构构成了一个单马赫-曾德尔干涉仪。同样，在另一路上，也构成了一路马赫-曾德尔干涉系统，这两路系统构成了所谓双M-Z

系统。

2.2 双M-Z系统的定位算法原理

在图2中可以清楚地看出，若入侵的振动信号发生在距离C4耦合器长度为z处，其两路光束传递至光电转换器D1、D2的距离是不同的，其距离差值为2z，很明显如果同时采集D1、D2的信号，这两路信号将会有一个时延τ，而这个时延与发生振动的具体位置有着直接的关联，因此对于分布式光纤周界预警系统的数据处理部分，首先就是确定振动发生的地点，可以通过计算D1、D2采集得到的两路数据来计算其时延，从而进一步得到具体入侵振动发生的地点。其原理性公式如下：

假设在距耦合器C2距离为z处有振动信号，即距离D1距离为z=t1×c/n，则与D2的距离L1+L2-z=t2×c/n，其中n是单模光纤的折射率，c为真空中的光速。

除了存在一个时间τ的延时外，D1和D2所接收到的信号波形理论上应该完全一致，所以两路信号具有很强的相关性。对于求取两路相关性很强的数据的时延，我们一般通过对这两路进行互相关计算，得到互相关峰值，即两路信号相关性最强的时刻，这个时刻与零时刻进行比较，就可以准确地求出两路信号的时延，进而可确定入侵振动发生的准确位置。

3 结语

本文主要介绍了基于双M-Z的分布式光纤周界监测预警系统的硬件结构以及其定位原理，了解其基本原理是有助于日后研究并提高其定位精度。集诸多优势于一身的双M-Z系统，对于其在未来实际工程应用的可行性，我们拭目以待。

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（责任编辑：黄银芳）