分布式光纖周界警戒系統(tǒng)技術研究

余明慧，吳晗平，2，3，呂照順，2，王華澤，李軍雨，3

(1．武漢工程大學光電子系統(tǒng)技術研究所，湖北 武漢430205;2．海軍工程大學兵器工程系，湖北 武漢430033;3．湘潭大學材料與光電物理學院，湖南 湘潭411105)

1 引言

周界警戒系統(tǒng)是安全報警系統(tǒng)的第一道防線。隨著社會的發(fā)展，科學技術的進步，軍事要地、重要的設施、電站、易燃易爆物資倉庫等都需要用周界入侵警戒系統(tǒng)進行有效的防范，確保其安全。因此，周界入侵警戒系統(tǒng)越來越受到各方面的重視，用戶需求迫切。

傳統(tǒng)的周界安防警戒系統(tǒng)采用主動紅外線對射、微波主動對射、振動電纜、電子圍欄和電網(wǎng)等，雖然它們達到了一定的安全防御效果，但是還存在一些技術缺陷。例如主動紅外線對射的圍欄警戒系統(tǒng)的防護等級較低，容易跨越，受地形條件限制及惡劣氣候變化影響，誤報率高。微波主動對射圍欄警戒系統(tǒng)，微波產(chǎn)生的電磁輻射對人體有傷害，系統(tǒng)易受周圍建筑物強電磁干擾的影響，誤報率高。振動電纜、電子圍欄和電網(wǎng)等圍欄警戒系統(tǒng)，傳感部分都是有源，系統(tǒng)功耗很大，同時它們又易受電磁輻射和噪聲干擾等影響，使得靈敏度下降，誤報率、漏報率提高，且感應范圍小、目標識別能力弱。傳統(tǒng)的周界安防圍欄警戒系統(tǒng)存在探測距離短、誤報率高、容易遭受雷擊等諸多不足，導致在實際應用中存在一定的局限性［1］。因此，數(shù)字化、集成化、網(wǎng)絡化、智能化的光纖周界安防系統(tǒng)必將成為未來周界安防產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。

2 系統(tǒng)組成、工作原理及技術分類

光纖具有非常優(yōu)異的應力敏感特性，能夠?qū)崟r監(jiān)測作用于光纖上的壓力或光纖附近的振動，具有極高的傳感靈敏度。分布式光纖振動傳感器利用特殊光纖作為傳感元件，將“傳”和“感”合為一體，傳感光纖在外界因素(如溫度、壓力和振動)的作用下，改變光纖中的光纖相位，從而對外界參數(shù)進行檢測。

2．1 系統(tǒng)組成與工作原理

光纖周界警戒系統(tǒng)是利用激光、光纖傳感和光通信等技術構建的安全警戒系統(tǒng)。一套完整的基于分布式光纖傳感的監(jiān)控預警安防系統(tǒng)由如下幾個主要模塊組成:光源發(fā)射模塊、傳感光路模塊、信號檢測模塊、信號采集模塊、信號傳輸模塊及信號處理模塊。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)基本結構Fig．1 Basic structure of the system

系統(tǒng)在區(qū)域四周安裝探測光纜，通過鋪設傳感光纜，實時感應周圍壓力、振動等情況，根據(jù)信號特征值對入侵源進行識別并對人員非法入侵進行報警，并與視頻監(jiān)控系統(tǒng)及報警器聯(lián)動。

2．2 技術分類

近年來，光纖傳感周界入侵警戒系統(tǒng)得到了快速地發(fā)展，當前技術主要有以下幾大類［2］:①基于干涉原理的分布式光纖傳感入侵系統(tǒng);②基于光時域反射定位(OTDR)技術的光纖周界警戒系統(tǒng);③基于多模光纖相干技術的光纖周界警戒系統(tǒng);④基于光纖光柵傳感技術的光纖周界警戒系統(tǒng)。表1是對主要光纖周界系統(tǒng)的技術分類及分析。

表1 光纖周界警戒系統(tǒng)的技術分類及分析Tab．1 Technical classify and analysis of fiber perimeter system

3 系統(tǒng)主要關鍵技術

光纖傳感周界安防系統(tǒng)，是利用激光、光纖傳感和光通信等高科技技術構建的智能警戒網(wǎng)絡和安全警戒系統(tǒng)。系統(tǒng)關鍵技術主要有:基于振動感應的光纖光纜傳感單元，微應變檢測和定位，光纖入侵信號采集與處理，系統(tǒng)信號解調(diào)技術，系統(tǒng)作用距離，惡劣環(huán)境影響及其對策等。本文主要對前面四種關鍵技術進行研究。

3．1 振動傳感單元

分布式光纖傳感器技術利用光波在光纖傳輸中可沿光纖的幾何分布的特性，完成對待測物理量(如溫度、壓力、應力和應變等)的實時動態(tài)監(jiān)測。分布式光纖傳感器除了具有抗電磁干擾、絕緣性好、耐腐蝕、帶寬大、損耗低、靈敏度高和易于長距離傳輸?shù)葍?yōu)點外，其最顯著的特點就是能夠進行連續(xù)分布式長距離測量，數(shù)據(jù)處理簡單，實時性強。分布式光纖傳感器的工作原理主要基于光的反射和干涉，在光纖干涉?zhèn)鞲屑夹g中，目前已經(jīng)研制成功并應用于光纖傳感器的光學干涉儀包括馬赫－曾德(Mach－Zehnder)干涉儀、薩格奈克(Sagnac)干涉儀、邁克爾遜(Miehelson)干涉儀、法布里－珀羅腔(Fabryperot)干涉儀等［3］。表2對幾種干涉型光纖振動傳感器性能進行了比較。

表2 干涉型光纖振動傳感器性能比較Tab．2 Performance comparison of interferometric fiber optic vibration sensors

光纖M－Z干涉儀具有靈敏度高且光路結構簡單，對光源的相干度要求不高，解調(diào)技術相對簡單，具有較好的振動傳感特性。圖2是它的原理圖。其基本原理是:發(fā)射激光器發(fā)出直流單色光波，經(jīng)第一個3 dB耦合器后進入兩根長度基本相同的傳感光纖，一根作為信號臂，另一根則為參考比。光纖受到外界振動干擾后，引起光波相位變化，形成相位調(diào)制傳感信號，傳送至光電探測器，檢測干涉光信號的光強變化，經(jīng)過信號處理后實現(xiàn)報警。

圖2 光纖M－Z干涉儀的原理圖Fig．2 Principle diagram of optical fiber M－Z interferometer

設兩束相干光的光強分別為I1和I2，當信號臂中傳輸?shù)墓馐艿綁毫Α⒄駝拥韧饨缥锢砹康恼{(diào)制作用時，導致干涉儀中信號臂光纖長度L、折射率n、芯徑的改變，從而使得信號臂中所傳輸光的相位也隨之改變，而此時參考臂中傳輸?shù)墓獠⑽词艿酵饨缫蛩氐挠绊懠聪辔徊话l(fā)生變化，所以這兩束光必然會有相位差的存在，兩束光在3 dB耦合器處匯合并發(fā)生干涉，則干涉場中各點的光強表示為:

其中，Δ是由于外界參量調(diào)制信號臂中傳輸?shù)墓庠斐傻南辔徊睿缮鲜娇傻贸龈缮婀鈴奍隨Δ的改變而改變。反過來，一旦I的變化被檢測到，利用式(1)可反得到兩束光之間Δ變化的信息。

3．2 微應變檢測與定位

如圖3所示，系統(tǒng)采用雙M－Z干涉型分布式光纖傳感器。系統(tǒng)包括激光光源、耦合器、傳感光纖、引導光纖和探測器。系統(tǒng)工作原理如下:激光光源發(fā)出的光經(jīng)過耦合器1后，以1∶1的比例分成等功率的兩束光分別進入耦合器2和3，同時從正反2個方向通過M－Z干涉儀，并從耦合器2和3的另一端拾取兩路光信號，并送入光電探測器1和2后，由信號處理模塊進行處理。

圖3 雙路M－Z干涉儀定位原理圖Fig．3 Positioning diagram of dual M－Z interferometer

當傳感光纖上P點發(fā)生振動時，MZI中順時針方向傳播的光和逆時針方向傳播的光同時產(chǎn)生相同的相位改變Δ，但P點到達光電探測器PD2和PD1的距離不同，所以PD1和PD2接收到的信號之間必定存在時間差Δt。設傳感光纖長度為L，引導光纖長度為d，發(fā)生振動點P的位置離耦合器4的距離為x，忽略其他光纖的長度，則時間差:

因此，只要測得時間差Δt就可以得到發(fā)生振動干擾的位置。

時間差Δt的測量方法有閾值對比法和信號相關運算法。閾值對比法是當兩列波分別到達設定的同一個閾值時，其觸發(fā)時刻的差值就是所求時間差。信號相關運算法是通過計算兩個信號的相關函數(shù)來確定它們的相似性，在兩個信號同源的情況下，相關函數(shù)的峰值點所對應的延時就是兩個信號的時差［4］。相關運算法與閾值對比法相比具有顯著的優(yōu)點:①時間差Δt的計算精度高，可達到單位采樣時間;②抑制噪聲能力較強，無關信號造成的影響可忽略;③不必設置閾值。

3．3 信號采集與處理

分布式光纖振動傳感器的信號采集與處理是關鍵技術之一。圖4是信號采集與處理框圖，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)主要由傳感器、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集設備及計算機組成。

圖4 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成Fig．4 Datas acquisition and processing system

傳感器將物理信號轉換為數(shù)據(jù)采集設備可以識別的電壓或電流信號。由于某些輸入的電信號不便于直接進行測量，因此需要加入信號調(diào)理設備對它進行放大、濾波、隔離等處理，使得數(shù)據(jù)采集設備便于對信號進行準確測量。數(shù)據(jù)采集設備采集原始輸入的模擬電信號并將其轉換為數(shù)字信號給計算機進行處理。計算機上安裝應用軟件對接收到的原始數(shù)據(jù)進行解調(diào)得到波長值，并對波長值進行信號處理計算特征值，最后對分析出的報警情況做出相應的處理。

3．4 信號解調(diào)技術

該技術是從探測干涉儀中的光強解調(diào)出相位信息以實現(xiàn)監(jiān)測外界環(huán)境。從光電探測器輸出的光電流中解調(diào)出被測振動信號的方法較多，近年來國內(nèi)外機構進行研究，形成了多種解調(diào)方法。主要有零差解調(diào)法和外差解調(diào)法。表3對各種解調(diào)方法的主要特性進行了比較［5－9］。

零差解調(diào)法是指信號臂的信號光與參考臂的參考光頻率差為零的解調(diào)方法。零差解調(diào)法又分為主動零差法和被動零差法。主動零差法又稱為相位跟蹤檢測法，包括直流相位跟蹤(PTDC)和交流相位跟蹤(PTAC)。主動零差法優(yōu)點是結構簡單、成本低、插入損耗小等特點。缺點是光纖傳感器的動態(tài)范圍受到反饋電路的限制，且易受光功率波動的影響。

表3 解調(diào)方法比較Tab．3 Comparision of demodulation methods

被動零差法是在干涉儀光路中不加移相器不控制工作點。此時干涉儀因受到外界環(huán)境影響，兩臂輸出的光波相位差將不停的改變，且干涉儀一個臂的輸出減弱時，則另一臂的輸出增強。使用這兩個信號進行解調(diào)，可以使系統(tǒng)始終保持最佳的靈敏度。被動零差法解調(diào)電路比主動零差法的解調(diào)電路復雜得多。

外差解調(diào)法是信號光與參考光的頻率差不為零的解調(diào)方法。外差解調(diào)法分為經(jīng)典外差法和合成外差法。其缺點是功耗大，光學器件插入光纖會帶來負面影響。

合成外差檢測技術(SHET)利用壓電陶瓷對干涉儀進行相位調(diào)制后經(jīng)過濾波、混頻等一系列信號處理，最后合成一個與經(jīng)典外差法中類似的輸出信號，再利用FM解調(diào)技術把信號解調(diào)出來。

4 光纖周界警戒系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀90年代中期，發(fā)達國家已經(jīng)將光纖傳感技術用于周界警戒系統(tǒng)中。國外研究比較多的是基于Sagnac的干涉型光纖周界警戒系統(tǒng)和將兩種不同的干涉儀結構結合在一起的傳感結構，如Mach－Zehnder和Sagnac相結合、Michelson和Sagnac相結合使用、兩個Sagnac結構相結合。目前能掌握該技術的主要有澳大利亞、美國、以色列等。

處于世界領先地位的澳大利亞的FFT(Future Fiber Technolog)公司擁有先進的入侵檢測和定位系統(tǒng)［10］。系統(tǒng)是基于M－Z干涉技術的分布式光相位傳感系統(tǒng)，主要由微應變傳感器和定位裝置組成，其研制的光纖周界警戒系統(tǒng)Secure Fence每個控制單元的光纖鏈路長可達80 km，能夠?qū)崿F(xiàn)較長距離的周界監(jiān)測，定位精度達到25 m，報警概率可大于95%，誤報率小于3%［11］。但是，相位解調(diào)技術復雜，無法實現(xiàn)更高的定位精度。

美國Fiber Sensys公司研發(fā)生產(chǎn)的光纖安全防護網(wǎng)絡(FSN)是由主機模塊和最多127個報警處理單元及輸入/輸出模塊組成。通訊光纖作為數(shù)據(jù)傳輸通路，把所有的模塊連接起來。該產(chǎn)品是美國唯一通過軍標認證的產(chǎn)品，美國空軍基地90%以上的周界使用該系統(tǒng)維護。系統(tǒng)防區(qū)數(shù)目為90，防區(qū)長度最長可達5 km，反應時間最長為2 s。但是系統(tǒng)成本高，維護難。

以色列Magel有限公司開發(fā)的Intelli－FIBER振動傳感光纜探測系統(tǒng)防區(qū)數(shù)目為64，單防區(qū)最長1000 m，響應時間最短可達0．5 s，可以獨立布防也可以聯(lián)合組網(wǎng)［10］。

國內(nèi)光纖周界系統(tǒng)的研究主要集中在院校，如復旦大學研究了基于Sagnac和M－Z干涉技術的定位技術［12］、華中科技大學研究了一種混合波分/時分復用的傳感無源光網(wǎng)絡概念，并實現(xiàn)了長距離大容量的周界警戒系統(tǒng)［13］、南開大學對M－Z干涉原理的分布式光纖傳感系統(tǒng)中微振動信號進行了時頻分析，將振動信號進行模式識別從而實現(xiàn)智能環(huán)境感知［14］、北京交通大學研究了一種適用于通信與傳感領域的單光纖與單光柵光纜安防系統(tǒng)，實現(xiàn)了單根光纖構成干涉場用來探測入侵與定位［15］。在當前國內(nèi)周界警戒領域中，分布式光纖周界警戒系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的應用，如:金融機構、軍事基地、重要港口、核電站、邊境等軍事和民事領域。

近年來，我國光纖周界警戒產(chǎn)品雖然在短期內(nèi)取得了較好的成績，但是在迅速發(fā)展的同時，也存在諸多的不足之處。主要表現(xiàn)為以下幾個方面:①科研投入不足，自主創(chuàng)新能力薄弱;②易產(chǎn)生誤報且價格偏高;③產(chǎn)品環(huán)境適應性差。

5 光纖周界警戒技術發(fā)展趨勢

最近幾年來，隨著國內(nèi)安防市場需求的不斷增長以及相關技術的快速發(fā)展，國內(nèi)安防行業(yè)的總體發(fā)展趨勢可以總結為數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化等等。

(1)數(shù)字化

安防監(jiān)控產(chǎn)品采用的模擬攝像機其功能、圖像分辨率都很單一，無法滿足現(xiàn)代安防系統(tǒng)對圖像質(zhì)量、圖像清晰度、安防特色功能的需求。隨著信號采集、處理、分析、傳輸和顯示技術的成熟，模擬攝像機將會逐步被全數(shù)字化的IP攝像機取代，IP攝像機更高的圖像質(zhì)量和圖像分辨率，視音頻不再采用模擬同軸電纜輸入，而是通過各種IP網(wǎng)絡，從而完成安防產(chǎn)業(yè)技術的數(shù)字化進程。

(2)智能化

智能安防為安防行業(yè)帶來一系列的變革，打破了安防系統(tǒng)的傳統(tǒng)思維，拓寬了周界警戒產(chǎn)品的應用領域。現(xiàn)今智能安防已經(jīng)在網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、防盜警戒系統(tǒng)得到了應用。隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，未來的安防必將整合在物聯(lián)網(wǎng)的大平臺下。通過智慧傳感芯片，將信息進行及時感知，實時傳送，讓人與物能夠?qū)崟r的智慧互動，為我們帶來一個安全和智慧的新安防時代。

(3)網(wǎng)絡化

周界警戒產(chǎn)品的網(wǎng)絡化可以分為兩個層面，一是安全防范技術的網(wǎng)絡化，主要表現(xiàn)是安防系統(tǒng)的結構由集總式向分布式過渡，分布式的設計有利于合理的設備配置和充分的資源共享，它將導致安防系統(tǒng)實現(xiàn)各種子系統(tǒng)真正意義上的集成。另一個是安全行業(yè)服務的網(wǎng)絡化，隨著網(wǎng)絡技術的飛躍發(fā)展，網(wǎng)絡的信息服務功能也在不斷的增強，奠定了安防行業(yè)服務網(wǎng)絡化的基礎。

6 結語

光纖周界警戒系統(tǒng)作為新一代安防監(jiān)測系統(tǒng)將以高可靠性、高靈敏度、高性價比等優(yōu)點獲得了廣泛的市場認可，成為了周界安防領域的新產(chǎn)品類型。但是目前還有許多技術問題有待解決，比如在各種復雜環(huán)境下如何保證系統(tǒng)可靠性等。如果將這些問題解決了，光纖周界警戒產(chǎn)品將會創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益及社會價值。

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