分布式光纖周界警戒系統(tǒng)技術(shù)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(xué)光電子系統(tǒng)技術(shù)研究所，湖北 武漢430205;2．海軍工程大學(xué)兵器工程系，湖北 武漢430033;3．湘潭大學(xué)材料與光電物理學(xué)院，湖南 湘潭411105)

1 引言

周界警戒系統(tǒng)是安全報(bào)警系統(tǒng)的第一道防線。隨著社會(huì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，軍事要地、重要的設(shè)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(jìn)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(dòng)紅外線對(duì)射、微波主動(dòng)對(duì)射、振動(dòng)電纜、電子圍欄和電網(wǎng)等，雖然它們達(dá)到了一定的安全防御效果，但是還存在一些技術(shù)缺陷。例如主動(dòng)紅外線對(duì)射的圍欄警戒系統(tǒng)的防護(hù)等級(jí)較低，容易跨越，受地形條件限制及惡劣氣候變化影響，誤報(bào)率高。微波主動(dòng)對(duì)射圍欄警戒系統(tǒng)，微波產(chǎn)生的電磁輻射對(duì)人體有傷害，系統(tǒng)易受周圍建筑物強(qiáng)電磁干擾的影響，誤報(bào)率高。振動(dòng)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(shí)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(bào)率、漏報(bào)率提高，且感應(yīng)范圍小、目標(biāo)識(shí)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(bào)率高、容易遭受雷擊等諸多不足，導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性［1］。因此，數(shù)字化、集成化、網(wǎng)絡(luò)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(shù)分類

光纖具有非常優(yōu)異的應(yīng)力敏感特性，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測作用于光纖上的壓力或光纖附近的振動(dòng)，具有極高的傳感靈敏度。分布式光纖振動(dòng)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(dòng))的作用下，改變光纖中的光纖相位，從而對(duì)外界參數(shù)進(jìn)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(shù)構(gòu)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(yù)警安防系統(tǒng)由如下幾個(gè)主要模塊組成:光源發(fā)射模塊、傳感光路模塊、信號(hào)檢測模塊、信號(hào)采集模塊、信號(hào)傳輸模塊及信號(hào)處理模塊。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)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(shè)傳感光纜，實(shí)時(shí)感應(yīng)周圍壓力、振動(dòng)等情況，根據(jù)信號(hào)特征值對(duì)入侵源進(jìn)行識(shí)別并對(duì)人員非法入侵進(jìn)行報(bào)警，并與視頻監(jiān)控系統(tǒng)及報(bào)警器聯(lián)動(dòng)。

2．2 技術(shù)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(dāng)前技術(shù)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(shí)域反射定位(OTDR)技術(shù)的光纖周界警戒系統(tǒng);③基于多模光纖相干技術(shù)的光纖周界警戒系統(tǒng);④基于光纖光柵傳感技術(shù)的光纖周界警戒系統(tǒng)。表1是對(duì)主要光纖周界系統(tǒng)的技術(shù)分類及分析。

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

3 系統(tǒng)主要關(guān)鍵技術(shù)

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(shù)構(gòu)建的智能警戒網(wǎng)絡(luò)和安全警戒系統(tǒng)。系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)主要有:基于振動(dòng)感應(yīng)的光纖光纜傳感單元，微應(yīng)變檢測和定位，光纖入侵信號(hào)采集與處理，系統(tǒng)信號(hào)解調(diào)技術(shù)，系統(tǒng)作用距離，惡劣環(huán)境影響及其對(duì)策等。本文主要對(duì)前面四種關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

3．1 振動(dòng)傳感單元

分布式光纖傳感器技術(shù)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(duì)待測物理量(如溫度、壓力、應(yīng)力和應(yīng)變等)的實(shí)時(shí)動(dòng)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(diǎn)外，其最顯著的特點(diǎn)就是能夠進(jìn)行連續(xù)分布式長距離測量，數(shù)據(jù)處理簡單，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。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(shù)中，目前已經(jīng)研制成功并應(yīng)用于光纖傳感器的光學(xué)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(duì)幾種干涉型光纖振動(dòng)傳感器性能進(jìn)行了比較。

表2 干涉型光纖振動(dòng)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(jié)構(gòu)簡單，對(duì)光源的相干度要求不高，解調(diào)技術(shù)相對(duì)簡單，具有較好的振動(dòng)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(gè)3 dB耦合器后進(jìn)入兩根長度基本相同的傳感光纖，一根作為信號(hào)臂，另一根則為參考比。光纖受到外界振動(dòng)干擾后，引起光波相位變化，形成相位調(diào)制傳感信號(hào)，傳送至光電探測器，檢測干涉光信號(hào)的光強(qiáng)變化，經(jīng)過信號(hào)處理后實(shí)現(xiàn)報(bào)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(shè)兩束相干光的光強(qiáng)分別為I1和I2，當(dāng)信號(hào)臂中傳輸?shù)墓馐艿綁毫?、振?dòng)等外界物理量的調(diào)制作用時(shí)，導(dǎo)致干涉儀中信號(hào)臂光纖長度L、折射率n、芯徑的改變，從而使得信號(hào)臂中所傳輸光的相位也隨之改變，而此時(shí)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(huì)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(diǎn)的光強(qiáng)表示為:

其中，Δ是由于外界參量調(diào)制信號(hào)臂中傳輸?shù)墓庠斐傻南辔徊?，由上式可得出干涉光?qiáng)I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(yīng)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(dǎo)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(jìn)入耦合器2和3，同時(shí)從正反2個(gè)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(hào)，并送入光電探測器1和2后，由信號(hào)處理模塊進(jìn)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(dāng)傳感光纖上P點(diǎn)發(fā)生振動(dòng)時(shí)，MZI中順時(shí)針方向傳播的光和逆時(shí)針方向傳播的光同時(shí)產(chǎn)生相同的相位改變?chǔ)?，但P點(diǎn)到達(dá)光電探測器PD2和PD1的距離不同，所以PD1和PD2接收到的信號(hào)之間必定存在時(shí)間差Δt。設(shè)傳感光纖長度為L，引導(dǎo)光纖長度為d，發(fā)生振動(dòng)點(diǎn)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(shí)間差:

因此，只要測得時(shí)間差Δt就可以得到發(fā)生振動(dòng)干擾的位置。

時(shí)間差Δt的測量方法有閾值對(duì)比法和信號(hào)相關(guān)運(yùn)算法。閾值對(duì)比法是當(dāng)兩列波分別到達(dá)設(shè)定的同一個(gè)閾值時(shí)，其觸發(fā)時(shí)刻的差值就是所求時(shí)間差。信號(hào)相關(guān)運(yùn)算法是通過計(jì)算兩個(gè)信號(hào)的相關(guān)函數(shù)來確定它們的相似性，在兩個(gè)信號(hào)同源的情況下，相關(guān)函數(shù)的峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的延時(shí)就是兩個(gè)信號(hào)的時(shí)差［4］。相關(guān)運(yùn)算法與閾值對(duì)比法相比具有顯著的優(yōu)點(diǎn):①時(shí)間差Δt的計(jì)算精度高，可達(dá)到單位采樣時(shí)間;②抑制噪聲能力較強(qiáng)，無關(guān)信號(hào)造成的影響可忽略;③不必設(shè)置閾值。

3．3 信號(hào)采集與處理

分布式光纖振動(dòng)傳感器的信號(hào)采集與處理是關(guān)鍵技術(shù)之一。圖4是信號(hào)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(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集設(shè)備及計(jì)算機(jī)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集設(shè)備可以識(shí)別的電壓或電流信號(hào)。由于某些輸入的電信號(hào)不便于直接進(jìn)行測量，因此需要加入信號(hào)調(diào)理設(shè)備對(duì)它進(jìn)行放大、濾波、隔離等處理，使得數(shù)據(jù)采集設(shè)備便于對(duì)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確測量。數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集原始輸入的模擬電信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。計(jì)算機(jī)上安裝應(yīng)用軟件對(duì)接收到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)得到波長值，并對(duì)波長值進(jìn)行信號(hào)處理計(jì)算特征值，最后對(duì)分析出的報(bào)警情況做出相應(yīng)的處理。

3．4 信號(hào)解調(diào)技術(shù)

該技術(shù)是從探測干涉儀中的光強(qiáng)解調(diào)出相位信息以實(shí)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(dòng)信號(hào)的方法較多，近年來國內(nèi)外機(jī)構(gòu)進(jìn)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(duì)各種解調(diào)方法的主要特性進(jìn)行了比較［5－9］。

零差解調(diào)法是指信號(hào)臂的信號(hào)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(dòng)零差法和被動(dòng)零差法。主動(dòng)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(dòng)零差法優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、插入損耗小等特點(diǎn)。缺點(diǎn)是光纖傳感器的動(dòng)態(tài)范圍受到反饋電路的限制，且易受光功率波動(dòng)的影響。

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

被動(dòng)零差法是在干涉儀光路中不加移相器不控制工作點(diǎn)。此時(shí)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(gè)臂的輸出減弱時(shí)，則另一臂的輸出增強(qiáng)。使用這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，可以使系統(tǒng)始終保持最佳的靈敏度。被動(dòng)零差法解調(diào)電路比主動(dòng)零差法的解調(diào)電路復(fù)雜得多。

外差解調(diào)法是信號(hào)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(diǎn)是功耗大，光學(xué)器件插入光纖會(huì)帶來負(fù)面影響。

合成外差檢測技術(shù)(SHET)利用壓電陶瓷對(duì)干涉儀進(jìn)行相位調(diào)制后經(jīng)過濾波、混頻等一系列信號(hào)處理，最后合成一個(gè)與經(jīng)典外差法中類似的輸出信號(hào)，再利用FM解調(diào)技術(shù)把信號(hào)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(jì)90年代中期，發(fā)達(dá)國家已經(jīng)將光纖傳感技術(shù)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(jié)構(gòu)結(jié)合在一起的傳感結(jié)構(gòu)，如Mach－Zehnder和Sagnac相結(jié)合、Michelson和Sagnac相結(jié)合使用、兩個(gè)Sagnac結(jié)構(gòu)相結(jié)合。目前能掌握該技術(shù)的主要有澳大利亞、美國、以色列等。

處于世界領(lǐng)先地位的澳大利亞的FFT(Future Fiber Technolog)公司擁有先進(jìn)的入侵檢測和定位系統(tǒng)［10］。系統(tǒng)是基于M－Z干涉技術(shù)的分布式光相位傳感系統(tǒng)，主要由微應(yīng)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(gè)控制單元的光纖鏈路長可達(dá)80 km，能夠?qū)崿F(xiàn)較長距離的周界監(jiān)測，定位精度達(dá)到25 m，報(bào)警概率可大于95%，誤報(bào)率小于3%［11］。但是，相位解調(diào)技術(shù)復(fù)雜，無法實(shí)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(hù)網(wǎng)絡(luò)(FSN)是由主機(jī)模塊和最多127個(gè)報(bào)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(biāo)認(rèn)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(hù)。系統(tǒng)防區(qū)數(shù)目為90，防區(qū)長度最長可達(dá)5 km，反應(yīng)時(shí)間最長為2 s。但是系統(tǒng)成本高，維護(hù)難。

以色列Magel有限公司開發(fā)的Intelli－FIBER振動(dòng)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(yīng)時(shí)間最短可達(dá)0．5 s，可以獨(dú)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(fù)旦大學(xué)研究了基于Sagnac和M－Z干涉技術(shù)的定位技術(shù)［12］、華中科技大學(xué)研究了一種混合波分/時(shí)分復(fù)用的傳感無源光網(wǎng)絡(luò)概念，并實(shí)現(xiàn)了長距離大容量的周界警戒系統(tǒng)［13］、南開大學(xué)對(duì)M－Z干涉原理的分布式光纖傳感系統(tǒng)中微振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了時(shí)頻分析，將振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行模式識(shí)別從而實(shí)現(xiàn)智能環(huán)境感知［14］、北京交通大學(xué)研究了一種適用于通信與傳感領(lǐng)域的單光纖與單光柵光纜安防系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了單根光纖構(gòu)成干涉場用來探測入侵與定位［15］。在當(dāng)前國內(nèi)周界警戒領(lǐng)域中，分布式光纖周界警戒系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，如:金融機(jī)構(gòu)、軍事基地、重要港口、核電站、邊境等軍事和民事領(lǐng)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(shí)，也存在諸多的不足之處。主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)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(bào)且價(jià)格偏高;③產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性差。

5 光纖周界警戒技術(shù)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(guān)技術(shù)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(jié)為數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等等。

(1)數(shù)字化

安防監(jiān)控產(chǎn)品采用的模擬攝像機(jī)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(duì)圖像質(zhì)量、圖像清晰度、安防特色功能的需求。隨著信號(hào)采集、處理、分析、傳輸和顯示技術(shù)的成熟，模擬攝像機(jī)將會(huì)逐步被全數(shù)字化的IP攝像機(jī)取代，IP攝像機(jī)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(luò)，從而完成安防產(chǎn)業(yè)技術(shù)的數(shù)字化進(jìn)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(yīng)用領(lǐng)域。現(xiàn)今智能安防已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、防盜警戒系統(tǒng)得到了應(yīng)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(tái)下。通過智慧傳感芯片，將信息進(jìn)行及時(shí)感知，實(shí)時(shí)傳送，讓人與物能夠?qū)崟r(shí)的智慧互動(dòng)，為我們帶來一個(gè)安全和智慧的新安防時(shí)代。

(3)網(wǎng)絡(luò)化

周界警戒產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)化可以分為兩個(gè)層面，一是安全防范技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化，主要表現(xiàn)是安防系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由集總式向分布式過渡，分布式的設(shè)計(jì)有利于合理的設(shè)備配置和充分的資源共享，它將導(dǎo)致安防系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種子系統(tǒng)真正意義上的集成。另一個(gè)是安全行業(yè)服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛躍發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的信息服務(wù)功能也在不斷的增強(qiáng)，奠定了安防行業(yè)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)。

6 結(jié)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(jià)比等優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛的市場認(rèn)可，成為了周界安防領(lǐng)域的新產(chǎn)品類型。但是目前還有許多技術(shù)問題有待解決，比如在各種復(fù)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(huì)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)價(jià)值。

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