光纖周界探測系統的應用研究

李 毅 孫學梅

（天津工業大學計算機科學與軟件學院 中國 天津 050081）

光纖周界探測系統的探測傳感器是一種傳光型光纖振動傳感器。所謂傳光型光纖振動傳感器是指在光纖傳感系統中，光纖僅作為光波的傳輸通路，而利用其它如光學式或機械式的敏感特性來感受被測范圍振動的變化。由于利用光纖來探測和傳輸信號，因此它也具有電絕緣、抗電磁干擾和安全防爆等優點，適用于傳統傳感器所不能勝任的測量場所。

使用光纖作為傳感器的光纖周界探測系統，彌補了現有視頻探測系統所存在有死角和視頻探測系統無法主動報警，遇霧霾、夜晚等天氣無法有效監測的缺陷。可以實現長距離大范圍區域周界探測、報警等功，并且前端探測器與傳輸信息光纜均屬于無源器件，使得該系統適用于有特殊要求的場合。

1 系統原理

在實際應用中，當外界壓力作用于綁扎在彈性柵格上的感應光纜，受力部分的感應光纜中傳輸光就會發生相位發生變化。長度為 的光纖，入射光和出射光的相位差是：

其中 為光波傳播常數，為光纖折射率，為光纖長度，當感應光纖隨物體變化，出射光的相位變化為：

上式的第一項代表由于聲壓引起的光纖長度的變化，其中：

由于β的變化而引起的ΔΦ來源于兩個作用：彈光效應：引起了光纖折射率的變化；縱向應變引起了光纖直徑D的變化。即：

由于感應光纖應主要形變是由物體的軸向應變 (沿光纖纖芯方向)引起的，物體的橫向應變和剪切應變對光纖應變的影響可以忽略不計。所以在光纖中傳輸光會產生相位上的變化。

我們利用這一變化，利用軟件計算出在感應光纜沒有受力時的入射光和出射光的光程差，當感應光纜受外力時探測出當前光程差，通過軟件比兩者進行詳細的比對，實現對外界入侵信息的探測。

2 系統拓撲結構

3 系統特性分析

在實際應用中影響系統穩定工作的因素是多種多樣的，例如大風、暴雨、冰雹等外界因素，也有光源長時間工作穩定性、外部接口松動、外部光纜彎曲以及固定探頭松動而產生的影響。下面探討下這兩個因素對系統性能的影響以及相應的改良算法。

3.1 光源影響

系統的光源影響主要體現在強度變化和頻譜漂移兩個方向，但是對于使用光譜解調方案，定義對應于固定波長的光強為 ，其因光源影響而導致的強度系數為I（λ），發生變化后的強度系數為aλ′則進入兩個CCD的對應波長的光強定義為 aλI1（λ）、aλI2（λ），由于只有一路過探頭因此我們用另一路作為參考量做除法有：

由上式可知通過探測光路與對比光路光強進行除法運算可以消除光源對系統的影響。

3.2 外部結構影響

在實際運用過程中，系統外部的接口會因為振動或是其他原因會有松動等現象會對傳感路的光強產生影響；敷設于外部的傳輸光纖會由于敷設及運用過程中的彎曲而對傳感路的光強產生影響；溫度探頭會因為在運用過程中的振動及其它因素產生松動而對傳感路的光強產生影響。這三種因素產生的原因雖然不同但是對系統的影響卻是相同的，定義其變化系數為ε，設使用的為等分耦合器代入公式有：

通過公式可以看出通過簡單的對比不能去除掉外部結構對系統的影響。

對其對數做微分有

由公式可知系統運用以上算法可以有效的消除系統外部結構的不穩定性對系統性能的影響。

4 系統應用結構

在現場應用中我們采用在監控機房設置安裝中心機柜，機柜為200*60*60cm。機柜內安裝工控計算機、報警主機、繼電器擴展模塊、系統軟件組成。

在系統前端的采集設備由無源單防區控制器、光終端、通信光纜、傳感光纜、等組成，如圖1。

圖1

5 系統在工作中穩定性分析

光纖周界探測系統在實際工作中運行具有較的高靈敏度，不論感應光纜采用地埋式敷設還是采用掛網式敷設，都能在3秒內快速確定探測物的位置。由于系統基于震動產生相位差的報警原理，所以無法避免由于大風、暴雨吹動感應光纜產生的報警；在實際工作中，也有由于飛鳥、貓、狗等動物打鬧撥動了感應光纜產生的報警。

采用地埋式敷設的光纖周界探測系統，同時也受到大雪和冷凍天氣的影響，由于大雪使感應光纖與地面的厚度增大，使得受力后光纖變形小不足以產生報警信息。在冷凍天氣敷設在光纖與上土層板塊化，受力后光纖變形小也不足以產生報警。

另外在實際施工過程中，由于施工人員覆蓋土層的厚度不同，會影響探測的林敏度。

所以基于以上考慮，光纖周界探測系統和視頻探測有效的聯動才能達到理想的周界安防效果。

［1］董小鵬,鄭俊達.基于波分復用的光纖多防區周界傳感系統[J].中國激光39,905007--1(2012).

［2］吳媛,卞龐.基于相位載波復用的光纖周界安防系統及其實現方法[J].光子學報,2011,4.