光纖周界傳感系統的研究進展

張慶文（廈門大學光波技術研究所,福建 廈門 361005）

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光纖周界傳感系統的研究進展

張慶文
（廈門大學光波技術研究所,福建 廈門 361005）

摘 要：隨著光纖技術的發展，以光纖傳感技術為基礎的光纖周界傳感系統在周界安防領域得到了很好的應用。本文重點對不同種類的光纖周界傳感系統的原理和特點進行分析，同時對光纖周界傳感系統的未來做出了展望。

關鍵詞：光纖；周界傳感系統；入侵檢測

0 引言

傳統的安防檢測設備因易受天氣條件和電磁干擾的影響而產生誤報。而光纖周界傳感系統因其光路簡單、抗電磁干擾、可復用性強等優點成為光纖傳感技術領域中最具發展前景的研究方向之一。本文綜合介紹了近年來光纖周界傳感系統的幾種常見分類以及對應的研究成果，并對該領域的發展前景做出了展望。

1 基于光纖布拉格光柵(FBG)的傳感系統

基于光纖布拉格光柵（FBG,Fiber Bragg Grating）的傳感系統主要通過檢測FBG反射信號的波長漂移來反應待測物量的變化。2007年饒云江等[1]將多根光譜不互相重疊的FBG連接在一根光纖上，這些FBG共用同一個寬帶光源，并利用復用技術（WDM等)進行FBG的多點傳感。當FBG受到擾動時，與之對應的中心波長的光譜就會發生漂移，通過信號解調就可以確定受到擾動的FBG的具體位置以及入侵的物理信息。這類傳感系統的空間分辨率跟布設在光纖上的FBG的密度有關。在各FBG中心波長不互相重疊的情況下，FBG鋪設的密度越大，該周界傳感系統的空間分辨率會得到進一步提高。

2 應用Φ-OTDR技術的傳感系統

基于FBG的傳感系統由于受到空間分辨率的限制，使其只能應用于空間分辨率要求不高的檢測環境中。而應用相位敏感的光時域反射（Φ-OTDR,Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometry）技術的傳感系統的研究和發展，使對入侵的高空間分辨率檢測成為可能。其原理是當入侵物體對光纖產生壓力時，由于光彈效應，光纖相應位置的折射率會發生變化，進而使該處光的相位發生改變。由于干涉作用，相位的變化將引起后向瑞利散射光強度的變化。2015年Tu等[2]在該系統的基礎上提出了利用差分相位的統計計算方法，這種算法消除了相位測量時的不確定性。實驗結果表明，利用這種方法可以實現對距離監測中心24.61km，峰值為200nε的正弦擾動信號的精確還原。2015年鄭印等[3]在該系統的基礎上，利用時間域單點振動判斷和空間域相鄰點振動判斷算法對25 組不同頻率的振動實驗進行驗證，實驗結果表明應用了該算法的Φ-OTDR傳感系統能夠對擾動事件的頻率信息進行正確分類，為Φ-OTDR的實際工程應用提供參考。

3 干涉式傳感系統

干涉式的傳感系統是通過外界的壓力作用使光纖的折射率發生變化，從而使得在光纖中傳播的光相位發生變化，通過兩束光的干涉將相位變化轉化為光強的變化，以此獲得入侵物體的信息。干涉式傳感系統由一定結構的干涉儀組成，最常用的干涉儀有Mach-Zehnder干涉儀、Sagnac干涉儀和Michelson干涉儀。2009年Mahmoud等[4]設計了一種基于Mach-Zehnder的干涉系統，可以在30km中實現100m的定位精度，還可以在強降雨中檢測入侵事件。2014年孫強等[5]利用基于Sagnac的干涉系統對徑路進行探測，在實驗室環境中其準確度達到了100%，并且克服了傳統的電磁徑路探測易受電磁干擾的問題。2015年李勤等[6]提出了由兩個Michelson干涉儀和一個延時環組成的傳感系統，通過實驗驗證了該系統在20km距離內進行檢測的可行性。

4 結語

隨著入侵檢測技術的不斷發展，國內外對光纖周界傳感系統的研究也逐漸深入。各種新算法、新結構的提出使光纖周界傳感系統在更多的場合得到了應用。通過本文的介紹可以看出，光纖周界傳感系統通過幾十年的發展，已逐步產生了多種適用于不同場合的檢測原理，如FBG系統能夠適應于多點檢測，OTDR系統測量精度很高，干涉系統則可以在較低成本下進行超長距離的檢測。相較于其他周界傳感系統，光纖周界傳感系統成本低、精度高、適用范圍廣，因此得到了越來越廣泛的應用。但從實驗模型走向實際應用仍然有很多問題需要解決。這需要科研工作者從實際出發，這樣才能使光纖周界傳感系統有更廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]饒云江,吳敏,冉曾令等. 基于準分布式 FBG 傳感器的光纖入侵報警系統[J].傳感技術學報,2007,20(05):998-1002.

[2]Tu G,Zhang X, Zhang Y, et al. The Development of an φ-OTDR System for Quantitative Vibration Measurement[J]. 2015.

[3]鄭印,段發階, 涂勤昌等.φ-OTDR 識別不同頻率振動事件研究[J].光電工程, 2015,42(5): 68-74.

[4]Mahmoud SS,Katsifolis J.Elimination of rain-induced nuisance alarms in distributed fiber optic perimeter intrusion detection systems[C]//SPIE Defense, Security, and Sensing. International Society for Optics and Photonics, 2009: 731604-731604-11.

[5]孫強,秦威,孫睿幁.基于 Sagnac 干涉的新型光纜徑路探測方法研究[J].鐵道學報,2014,36(04):60-64.

[6]李勤,王洪波,李立京等.基于 Michelson干涉儀的光纖分布式擾動傳感器[J].紅外與激光工程,2015,44(01):205-209.

作者簡介：張慶文（1989-），男，福建建甌人，碩士研究生，研究方向：光纖光柵傳感技術。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.226