中国船舶集团第七一五研究所 于振欣

中电海康集团第五十二研究所 孙 峥

周界安防系统对于公共安全维护工作效率有着非常重要的意义，当前最为先进的周界安防系统当属光纤型周界安防系统，在实际应用中通过光纤传感器技术的合理利用可以对各项数据进行有效处理。光纤型周界安防系统在实际使用中所具有的优良性能远远高于其他类型的安防系统，常用的技术便是相位及偏振检测。为了降低光纤型周界安防系统的建设成本，本文提出了一种新型的扰动检测方法，最终通过数学理论推导证明该方法切实可行。

1 相关概念简介

1.1 光纤通信技术

光纤通信是现代通信技术中非常重要的一个组成部分，光纤技术的发展质量当前已然成为了衡量一个国家科技发展程度的重要指标。在光纤通信应用中，以光纤作为信息的传播介质，突破了许多传统通信领域的技术瓶颈，在具体应用中，由于有监测速度快，频带宽等一系列优点正在使光纤通信取代传统通信。

1.2 光纤传感器

为了使光纤传感器的功能得以实现，技术人员配备其配备了光纤光源以及光检测器件。在某些场合通过光纤传感器的合理利用能够让人类完成很多单纯依靠人类自身无法进行的测量工作，同时可以保证最终结果的精确度。不仅监测精度高而且监测速度非常快速。

1.3 基于偏振态调制的光纤传感技术

该技术是通过对光纤偏振的实际变化进行有效监测，以此来对外界物理量进行反应的一种技术，由于在应用中所表现出来的特点通常被人们用来检测温度、热度等物理量。偏振态调制型的光纤传感器对光源拥有一定的抗干扰能力。

2 基于光纤偏振变化的扰动监测新方法

扰动监测技术在实际应用中最为重要的作用是可以使得光纤型周界安防系统的各项功能得以正常发挥，扰动监测技术应用是否合理将会对安防系统的使用质量造成严重影响。为了进一步降低该系统在具体应用中所需要投入的经济成本，并且使其实现对各类拥有特定频率的偏振信息进行及时处理，本文经过长期研究后提出了一种更加简单方便的用来检测光纤偏振变化的结构。利用光纤耦合器所具有的优良性能，和其他关键部件组成检测光纤，以此来对光纤所产生的偏振变化光路进行有效检测。该方法在结构上有了新的变化，全面突破了传统方式的束缚，全面利用光纤耦合器构建起一套完整的监测机构。当光源进入等待检测的光纤后，光纤内部的光在通过光纤耦合器时，通过光纤耦合器作用的全面发挥将会产生干涉现象生成包含一定信息的干涉光。偏振的具体变化情况可以通过对光纤光强的具体变化来获得。经过多次试验之后设计出如图1所示的线路图。

发生干涉现象产生一定的干涉光。偏振的具体变化情况可以通过对光纤光强的具体变化来获得。经过多次试验之后设计出如图1所示的线路图。

图1 接线图

图中7代表光源，而6则代表传感光纤，8代表偏振检测模块，7a这一符号所代表的含义为实验光纤的输入以及输出端口。为了有效节约光纤在实际使用中所需要投入的经济成本，笔者经过综合考虑之后将光源、传感光纤、偏振检测模块这三个构件通过普通光纤作用的全面发挥使其紧密地连接在一起。

3 数学理论验证

为了方便书写，将偏振检测线路图简化为如图2所示的结构。从该图不难看出，端口5a1处所得到的光矢量E0= [EX,EY]T，“T”表示转置：将拥有双折射性质的光纤视为一个光偏振检测部件，通过琼斯矩阵的合理利用将其作为同侧端传递矩阵。

为了计算的方便，本文将传输中所发生的光损益进行有效忽略。最终从端口5aM所输出的光有以下两路光的干涉路径：

通过计算相应的输出光强、输入光强，最终可得出，公式中的前两项为常数不会受到偏振变化的影响，而最后一项属于变量会由于偏振的扰动而发生相应的改变，从而最终导致输出光强产生变化。因此要想得到输出端光所发生的偏振变化，只需要对干涉光强的实际变化情况进行全面监测就可得到。

整个偏振监测线路如下所示：当光源亮起将会发射出一道光线，该光线经过探测光纤之后，将会进入到偏振检测模块当中，然后在检测模块内部发生一定的干涉现象，产生光色波纹。在一般情况下整个系统将会处于稳定的状态当中，相应的干涉波纹也会保持在相对稳定的状态当中，让最后输出光线的强度保持在一定的范围之内。当安防系统在实际使用中由于外界各种因素的影响而导致其结构产生一定的破坏时，产生的干涉条纹也会发生相应的变化，导致输出光强产生变化。因此，通过对输出光强的检测就可以发探测到待测光纤是否受到了扰动。为了使整个系统的鲁棒性得到有效保障，本文在待测光纤以及光纤光纤耦合器中加入了一段保偏光纤。为保障该保偏光纤满足要求，其具体消偏长度应该远小于光纤长度。

4 仿真实验验证

4.1 相关实验器材介绍

第一，保偏光纤。保偏光纤在应用中，由于其本身结构的所具有的特点可以在实验中有效保障光纤偏振不会受到影响。普通光纤因为在实际制造中所使用的一些工艺的影响，在应用中无法保证各项应力的对称性。因此，光线在普通光纤中进行传输时相应的偏振状态极不稳定，很容易受到外界因素的影响使其偏振状态发生变化。而保偏光纤是通过增强光纤的双折射特性来对光的偏振状态进行有效保持，本次实验中应用的是一根长度为5m的保偏光纤。

图2 仿真实验线路图

第二，保偏耦合器。为了使用的方便，再制造保偏耦合器时往往将其制作为一个输入端口以及两个输出端口。由于这一结构很适合将其将位于光纤输入端的光线依照指定分光比将其分为两束不同强度的光。为了使分离效果得到保障本次仿真试验应用的是3×3的保偏耦合器。

第三，超辐射发光管。该器件适宜一种自发射的发光元件，在应用中有着光谱宽，相干短等一系列优点。和其他激光器相比，超辐射发光管与保偏耦合器联合应用效果更好。

为了使等效线偏振器件的光路得到有效监测，本文设计了一种全新线路来进行仿真实验，具体如图2所示。

通过该图，不难发现，具体的光路传播路径为：光源受到激发后发出光，光线沿着待检测工程进入到分光器当中。分光器将光线分为两束并使其保持原有的偏振状态不变，集中一路光线将会直接进入到光学偏振器当中。利用线偏振检测仪器对其进行有效处理。为了仿真实验的有效进行，考虑到实验的合理性采用铟镓砷光电探测器作为光电探测仪，该仪器可以对相关信号进行实时监测。而另一路光选择进入到保偏光纤当中，经过保偏光纤进入检测偏振模块，在模块输出端通过光电探测器对其进行有效检测。

4.2 测试结果

本次实验通过仿真系统对被检测光纤进行相应的扰动实验，最终发现扰动结果出现了一定的变化，虽然产生信号的最终强度并不一致，但实验组所表现出来的最终光强变化情况和偏振分束器所得到的最终检验结果相一致，仿真结果服从理论推导的结论。这种现象充分的说明本文所提出的方法有效。

结束语：本文对光纤型周界安防系统扰动监测技术进行了全面的探讨，并且提出了一种新的方式有效降低该系统在应用中所需投入的经济成本。通过仿真实验发现该方法简单易行、灵敏度高。希望通过本文可以为相关工作提供一些参考。