光纖周界傳感系統(tǒng)的研究進(jìn)展

張慶文（廈門大學(xué)光波技術(shù)研究所,福建 廈門 361005）

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光纖周界傳感系統(tǒng)的研究進(jìn)展

張慶文
（廈門大學(xué)光波技術(shù)研究所,福建 廈門 361005）

摘 要：隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，以光纖傳感技術(shù)為基礎(chǔ)的光纖周界傳感系統(tǒng)在周界安防領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。本文重點(diǎn)對(duì)不同種類的光纖周界傳感系統(tǒng)的原理和特點(diǎn)進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)光纖周界傳感系統(tǒng)的未來做出了展望。

關(guān)鍵詞：光纖；周界傳感系統(tǒng)；入侵檢測(cè)

0 引言

傳統(tǒng)的安防檢測(cè)設(shè)備因易受天氣條件和電磁干擾的影響而產(chǎn)生誤報(bào)。而光纖周界傳感系統(tǒng)因其光路簡(jiǎn)單、抗電磁干擾、可復(fù)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)成為光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域中最具發(fā)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(tǒng)的幾種常見分類以及對(duì)應(yīng)的研究成果，并對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展前景做出了展望。

1 基于光纖布拉格光柵(FBG)的傳感系統(tǒng)

基于光纖布拉格光柵（FBG,Fiber Bragg Grating）的傳感系統(tǒng)主要通過檢測(cè)FBG反射信號(hào)的波長(zhǎng)漂移來反應(yīng)待測(cè)物量的變化。2007年饒?jiān)平萚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(gè)寬帶光源，并利用復(fù)用技術(shù)（WDM等)進(jìn)行FBG的多點(diǎn)傳感。當(dāng)FBG受到擾動(dòng)時(shí)，與之對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)的光譜就會(huì)發(fā)生漂移，通過信號(hào)解調(diào)就可以確定受到擾動(dòng)的FBG的具體位置以及入侵的物理信息。這類傳感系統(tǒng)的空間分辨率跟布設(shè)在光纖上的FBG的密度有關(guān)。在各FBG中心波長(zhǎng)不互相重疊的情況下，F(xiàn)BG鋪設(shè)的密度越大，該周界傳感系統(tǒng)的空間分辨率會(huì)得到進(jìn)一步提高。

2 應(yīng)用Φ-OTDR技術(shù)的傳感系統(tǒng)

基于FBG的傳感系統(tǒng)由于受到空間分辨率的限制，使其只能應(yīng)用于空間分辨率要求不高的檢測(cè)環(huán)境中。而應(yīng)用相位敏感的光時(shí)域反射（Φ-OTDR,Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometry）技術(shù)的傳感系統(tǒng)的研究和發(fā)展，使對(duì)入侵的高空間分辨率檢測(cè)成為可能。其原理是當(dāng)入侵物體對(duì)光纖產(chǎn)生壓力時(shí)，由于光彈效應(yīng)，光纖相應(yīng)位置的折射率會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而使該處光的相位發(fā)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(qiáng)度的變化。2015年Tu等[2]在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出了利用差分相位的統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法，這種算法消除了相位測(cè)量時(shí)的不確定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用這種方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)距離監(jiān)測(cè)中心24.61km，峰值為200nε的正弦擾動(dòng)信號(hào)的精確還原。2015年鄭印等[3]在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用時(shí)間域單點(diǎn)振動(dòng)判斷和空間域相鄰點(diǎn)振動(dòng)判斷算法對(duì)25 組不同頻率的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明應(yīng)用了該算法的Φ-OTDR傳感系統(tǒng)能夠?qū)_動(dòng)事件的頻率信息進(jìn)行正確分類，為Φ-OTDR的實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

3 干涉式傳感系統(tǒng)

干涉式的傳感系統(tǒng)是通過外界的壓力作用使光纖的折射率發(fā)生變化，從而使得在光纖中傳播的光相位發(fā)生變化，通過兩束光的干涉將相位變化轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)的變化，以此獲得入侵物體的信息。干涉式傳感系統(tǒng)由一定結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)了一種基于Mach-Zehnder的干涉系統(tǒng)，可以在30km中實(shí)現(xiàn)100m的定位精度，還可以在強(qiáng)降雨中檢測(cè)入侵事件。2014年孫強(qiáng)等[5]利用基于Sagnac的干涉系統(tǒng)對(duì)徑路進(jìn)行探測(cè)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中其準(zhǔn)確度達(dá)到了100%，并且克服了傳統(tǒng)的電磁徑路探測(cè)易受電磁干擾的問題。2015年李勤等[6]提出了由兩個(gè)Michelson干涉儀和一個(gè)延時(shí)環(huán)組成的傳感系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)在20km距離內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)的可行性。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著入侵檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)光纖周界傳感系統(tǒng)的研究也逐漸深入。各種新算法、新結(jié)構(gòu)的提出使光纖周界傳感系統(tǒng)在更多的場(chǎng)合得到了應(yīng)用。通過本文的介紹可以看出，光纖周界傳感系統(tǒng)通過幾十年的發(fā)展，已逐步產(chǎn)生了多種適用于不同場(chǎng)合的檢測(cè)原理，如FBG系統(tǒng)能夠適應(yīng)于多點(diǎn)檢測(cè)，OTDR系統(tǒng)測(cè)量精度很高，干涉系統(tǒng)則可以在較低成本下進(jìn)行超長(zhǎng)距離的檢測(cè)。相較于其他周界傳感系統(tǒng)，光纖周界傳感系統(tǒng)成本低、精度高、適用范圍廣，因此得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但從實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥呦驅(qū)嶋H應(yīng)用仍然有很多問題需要解決。這需要科研工作者從實(shí)際出發(fā)，這樣才能使光纖周界傳感系統(tǒng)有更廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]饒?jiān)平?吳敏,冉曾令等. 基于準(zhǔn)分布式 FBG 傳感器的光纖入侵報(bào)警系統(tǒng)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),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(fā)階, 涂勤昌等.φ-OTDR 識(shí)別不同頻率振動(dòng)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(qiáng),秦威,孫睿幁.基于 Sagnac 干涉的新型光纜徑路探測(cè)方法研究[J].鐵道學(xué)報(bào),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(dòng)傳感器[J].紅外與激光工程,2015,44(01):205-209.

作者簡(jiǎn)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(shù)。

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