光纖周界探測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用研究

李 毅 孫學(xué)梅

（天津工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件學(xué)院 中國(guó) 天津 050081）

光纖周界探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)傳感器是一種傳光型光纖振動(dòng)傳感器。所謂傳光型光纖振動(dòng)傳感器是指在光纖傳感系統(tǒng)中，光纖僅作為光波的傳輸通路，而利用其它如光學(xué)式或機(jī)械式的敏感特性來感受被測(cè)范圍振動(dòng)的變化。由于利用光纖來探測(cè)和傳輸信號(hào)，因此它也具有電絕緣、抗電磁干擾和安全防爆等優(yōu)點(diǎn)，適用于傳統(tǒng)傳感器所不能勝任的測(cè)量場(chǎng)所。

使用光纖作為傳感器的光纖周界探測(cè)系統(tǒng)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有視頻探測(cè)系統(tǒng)所存在有死角和視頻探測(cè)系統(tǒng)無法主動(dòng)報(bào)警，遇霧霾、夜晚等天氣無法有效監(jiān)測(cè)的缺陷?？梢詫?shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離大范圍區(qū)域周界探測(cè)、報(bào)警等功，并且前端探測(cè)器與傳輸信息光纜均屬于無源器件，使得該系統(tǒng)適用于有特殊要求的場(chǎng)合。

1 系統(tǒng)原理

在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)外界壓力作用于綁扎在彈性柵格上的感應(yīng)光纜，受力部分的感應(yīng)光纜中傳輸光就會(huì)發(fā)生相位發(fā)生變化。長(zhǎng)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(shù)，為光纖折射率，為光纖長(zhǎng)度，當(dāng)感應(yīng)光纖隨物體變化，出射光的相位變化為：

上式的第一項(xiàng)代表由于聲壓引起的光纖長(zhǎng)度的變化，其中：

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

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

我們利用這一變化，利用軟件計(jì)算出在感應(yīng)光纜沒有受力時(shí)的入射光和出射光的光程差，當(dāng)感應(yīng)光纜受外力時(shí)探測(cè)出當(dāng)前光程差，通過軟件比兩者進(jìn)行詳細(xì)的比對(duì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界入侵信息的探測(cè)。

2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)特性分析

在實(shí)際應(yīng)用中影響系統(tǒng)穩(wěn)定工作的因素是多種多樣的，例如大風(fēng)、暴雨、冰雹等外界因素，也有光源長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定性、外部接口松動(dòng)、外部光纜彎曲以及固定探頭松動(dòng)而產(chǎn)生的影響。下面探討下這兩個(gè)因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響以及相應(yīng)的改良算法。

3.1 光源影響

系統(tǒng)的光源影響主要體現(xiàn)在強(qiáng)度變化和頻譜漂移兩個(gè)方向，但是對(duì)于使用光譜解調(diào)方案，定義對(duì)應(yīng)于固定波長(zhǎng)的光強(qiáng)為 ，其因光源影響而導(dǎo)致的強(qiáng)度系數(shù)為I（λ），發(fā)生變化后的強(qiáng)度系數(shù)為aλ′則進(jìn)入兩個(gè)CCD的對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光強(qiáng)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(cè)光路與對(duì)比光路光強(qiáng)進(jìn)行除法運(yùn)算可以消除光源對(duì)系統(tǒng)的影響。

3.2 外部結(jié)構(gòu)影響

在實(shí)際運(yùn)用過程中，系統(tǒng)外部的接口會(huì)因?yàn)檎駝?dòng)或是其他原因會(huì)有松動(dòng)等現(xiàn)象會(huì)對(duì)傳感路的光強(qiáng)產(chǎn)生影響；敷設(shè)于外部的傳輸光纖會(huì)由于敷設(shè)及運(yùn)用過程中的彎曲而對(duì)傳感路的光強(qiáng)產(chǎn)生影響；溫度探頭會(huì)因?yàn)樵谶\(yùn)用過程中的振動(dòng)及其它因素產(chǎn)生松動(dòng)而對(duì)傳感路的光強(qiáng)產(chǎn)生影響。這三種因素產(chǎn)生的原因雖然不同但是對(duì)系統(tǒng)的影響卻是相同的，定義其變化系數(shù)為ε，設(shè)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(jiǎn)單的對(duì)比不能去除掉外部結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)的影響。

對(duì)其對(duì)數(shù)做微分有

由公式可知系統(tǒng)運(yùn)用以上算法可以有效的消除系統(tǒng)外部結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

4 系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)

在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中我們采用在監(jiān)控機(jī)房設(shè)置安裝中心機(jī)柜，機(jī)柜為200*60*60cm。機(jī)柜內(nèi)安裝工控計(jì)算機(jī)、報(bào)警主機(jī)、繼電器擴(kuò)展模塊、系統(tǒng)軟件組成。

在系統(tǒng)前端的采集設(shè)備由無源單防區(qū)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(tǒng)在工作中穩(wěn)定性分析

光纖周界探測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際工作中運(yùn)行具有較的高靈敏度，不論感應(yīng)光纜采用地埋式敷設(shè)還是采用掛網(wǎng)式敷設(shè)，都能在3秒內(nèi)快速確定探測(cè)物的位置。由于系統(tǒng)基于震動(dòng)產(chǎn)生相位差的報(bào)警原理，所以無法避免由于大風(fēng)、暴雨吹動(dòng)感應(yīng)光纜產(chǎn)生的報(bào)警；在實(shí)際工作中，也有由于飛鳥、貓、狗等動(dòng)物打鬧撥動(dòng)了感應(yīng)光纜產(chǎn)生的報(bào)警。

采用地埋式敷設(shè)的光纖周界探測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)也受到大雪和冷凍天氣的影響，由于大雪使感應(yīng)光纖與地面的厚度增大，使得受力后光纖變形小不足以產(chǎn)生報(bào)警信息。在冷凍天氣敷設(shè)在光纖與上土層板塊化，受力后光纖變形小也不足以產(chǎn)生報(bào)警。

另外在實(shí)際施工過程中，由于施工人員覆蓋土層的厚度不同，會(huì)影響探測(cè)的林敏度。

所以基于以上考慮，光纖周界探測(cè)系統(tǒng)和視頻探測(cè)有效的聯(lián)動(dòng)才能達(dá)到理想的周界安防效果。

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

［2］吳媛,卞龐.基于相位載波復(fù)用的光纖周界安防系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法[J].光子學(xué)報(bào),2011,4.