摘要：傳統(tǒng)的周界安防或圍欄報警系統(tǒng)（如主動紅外對射、微波對射、泄漏電纜、振動電纜、電子圍欄、電網(wǎng)等）雖為安全技術(shù)防范做出了一定的貢獻(xiàn)，然而受一些客觀技術(shù)條件等因素所限，也存在著一定的缺陷，如誤報、漏報現(xiàn)象時有發(fā)生。為解決此問題，國內(nèi)外學(xué)者競相研究光纖圍攔傳感技術(shù)。本文介紹FBG傳感器的原理與優(yōu)點，基于FBG傳感的周界圍欄報警系統(tǒng)的組成及工作原理，波長移動解調(diào)，多處侵入定...   

　　傳統(tǒng)的周界安防或圍欄報警系統(tǒng)（如主動紅外對射、微波對射、泄漏電纜、振動電纜、電子圍欄、電網(wǎng)等）雖為安全技術(shù)防范做出了一定的貢獻(xiàn)，然而受一些客觀技術(shù)條件等因素所限，也存在著一定的缺陷，如誤報、漏報現(xiàn)象時有發(fā)生。為解決此問題，國內(nèi)外學(xué)者競相研究光纖圍攔傳感技術(shù)。本文介紹FBG傳感器的原理與優(yōu)點，基于FBG傳感的周界圍欄報警系統(tǒng)的組成及工作原理，波長移動解調(diào)，多處侵入定位與入侵模式特征等。經(jīng)實驗證明，系統(tǒng)可靠，達(dá)到了預(yù)期的目的。

　　引言

　　多年來，傳統(tǒng)的周界安防或圍欄報警系統(tǒng)(如主動紅外對射、微波對射、泄漏電纜、振動電纜、電子圍欄等)雖為安全技術(shù)防范做出了一定的貢獻(xiàn)。但是，受一些客觀技術(shù)條件等因素所限，也存在著一定的缺陷：如主動紅外對射的圍欄報警系統(tǒng)，適應(yīng)環(huán)境的能力差，易受地形條件的高低、曲折、轉(zhuǎn)彎、折彎等環(huán)境限制，而且它們不適合惡劣氣候，容易受高溫、低溫、強(qiáng)光、灰塵、雨、雪、 霧、霜等自然氣候的影響，易出現(xiàn)誤報率;再如泄露電纜、振動電纜、電子圍欄、電網(wǎng)等圍欄報警系統(tǒng)，均屬于有源的電傳感，系統(tǒng)功耗很大。此外，電子圍欄、電網(wǎng)等具有一定危害性;還易受電磁干擾、信號干擾、串?dāng)_等，使靈敏度下降、誤報率、漏報率(如覆蓋上電絕緣物翻過電圍欄)上升。

　　與上述周界安防或圍欄報警系統(tǒng)相比，利用新型光纖傳感技術(shù)做成的周界安防或圍欄報警系統(tǒng)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢：

　　· 抗電磁干擾，電絕緣性好、安全可靠，耐腐蝕、化學(xué)性能穩(wěn)定，因而完全不受雷電影響，能在惡劣的化學(xué)環(huán)境、野外環(huán)境及強(qiáng)電磁干擾等場所下工作;

　　· 體積小、重量輕，幾何形狀可塑，傳輸損耗小，傳輸容量大，具有非常好的可靠性和穩(wěn)定性;

　　· 不僅能發(fā)現(xiàn)外界的擾動，而且可確定外界擾動的位置，系統(tǒng)具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、便于擴(kuò)展與安裝容易;

　　· 無輻射、無易燃易爆材料，既防水又環(huán)保;

　　· 能源依賴性低，可大大節(jié)省供電設(shè)備與線路的成本，適合長距離使用;

　　· 可根據(jù)被測對象的情況選擇不同的檢測方法，再加上其對被測介質(zhì)影響小，所以它非常有利于在結(jié)構(gòu)檢測等具有復(fù)雜環(huán)境的領(lǐng)域中應(yīng)用等。

　　光纖周界圍欄報警系統(tǒng)，可利用三種方法來實現(xiàn)：一是光時域反射(OTDR)技術(shù);二是光纖干涉型光纖傳感器;三是FBG分布式光纖傳感器。

　　近年來，光纖光柵是發(fā)展最為迅速、應(yīng)用最為廣泛的光纖無源器件之一。由于它的敏感變化參量為光的波長，因而不受光源、傳輸線路損耗等因素所引起的對光強(qiáng)度變化的干擾，并且它易與系統(tǒng)及其他光纖器件連接而便于構(gòu)成分布式傳感系統(tǒng)，因此可實現(xiàn)實時測量和分布式測量。由于FBG具有優(yōu)良的溫度和應(yīng)變響應(yīng)特性，因而可用來制成應(yīng)力、壓力、振動、火災(zāi)與溫度等傳感器，尤其方便用于周界安防及圍欄入侵報警系統(tǒng)中，所以它在國家與人民安全以及反恐斗爭中將具有極大的實際意義和社會意義。

　　FBG傳感器原理及優(yōu)點

　　FBG(Fiber Bragg Grating)是衍射光柵概念的發(fā)展，其衍射是由光纖內(nèi)部折射率的變化實現(xiàn)的。FBG于1978年問世，它利用摻雜(如鍺、磷等)光纖的光敏性，通過紫外寫入的方法使外界入射光子和纖芯內(nèi)的摻雜粒子相互作用，導(dǎo)致纖芯折射率沿纖軸方向周期性或非周期性的永久性變化，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵(如圖1)。圖中，F(xiàn)BG的周期Λ一般小于1μm。

圖1  均勻周期FBG的結(jié)構(gòu)

　　FBG傳感的基本原理如圖2所示。當(dāng)一束光送進(jìn)FBG時，根據(jù)光柵理論，在滿足Bragg條件的情況下，就會發(fā)生全反射，其反射光譜在Bragg波長處出現(xiàn)峰值。光柵受到外部物理場(如應(yīng)力應(yīng)變、溫度等)的作用時，其柵距Λ隨之發(fā)生變化，從而改變了后向反射光的波長。根據(jù)ΔλB變化的大小就可以確定待測部位相應(yīng)物理量的變化。

圖2  FBG傳感原理

　　FBG好像一個窄帶的反光鏡，只反射一個波長而透射其余的波長。被反射的波長稱為Bragg波長，滿足光纖光柵的Bragg方程式，即滿足條件

　　λB=2neffΛ          (1)

　　式中，∧為Bragg光柵周期;neff為反向耦合模有效折射率。該方程式為光纖光柵在外界作用下Bragg波長的傳感響應(yīng)提供了理論工具，即任何使這兩個參量發(fā)生改變的過程，都將引起光柵Bragg波長的移位。因此，常見的FBG傳感器，就是通過測量布拉格波長的移動(或漂移)而實現(xiàn)對被測量的檢測的。

　　在所有引起光柵Bragg波長移位的外界因素中，最直接的是應(yīng)力、應(yīng)變參量。因為無論是對光柵進(jìn)行拉伸或擠壓，都將導(dǎo)致光柵周期∧的變化，并且光纖本身所具有的彈光效應(yīng)，使得有效折射率也隨著外界應(yīng)力狀態(tài)的變化而改變。據(jù)此，可用光纖Bragg光柵制成靈敏的光纖傳感器。其中，應(yīng)力引起光柵Bragg波長的移位可以由下式統(tǒng)一描述

　　ΔλB=2neffΔΛ+2ΔneffΛ           (2)

　　式中，ΔΛ為光纖本身在應(yīng)力作用下的彈性形變;Δneff為光纖的彈光效應(yīng)。不同的外界應(yīng)力狀態(tài)將導(dǎo)致ΔΛ和Δneff的不同變化。因此，只要檢測到反射信號中光柵Bragg波長的移位ΔλB，即可檢測到待測傳感量的變化。

　　從彈光效應(yīng)的角度來看，光纖光柵對縱向壓力較橫向壓力更為敏感。綜合彈光和波導(dǎo)兩種效應(yīng)，光纖光柵對于均勻橫向應(yīng)力的靈敏度較縱向伸縮要小，因而在復(fù)雜應(yīng)力情況下，由縱向壓力引起的波長移位將會占主要地位。

　　若只考慮軸向應(yīng)變(即縱向壓力)時，則引起中心波長位移的相對變化為

　　式中， 為光纖光柵應(yīng)變靈敏度系數(shù)， 為軸向應(yīng)變。由式(3)可看出，反射波長的變化與應(yīng)變應(yīng)力成正比。也就是說，由反射波長的變化可以得到相應(yīng)的應(yīng)變力。

　　外界溫度的改變，同樣也會引起光纖光柵Bragg波長的移位。從物理本質(zhì)看，引起波長移位的原因主要有：光纖熱光效應(yīng)、光纖熱膨脹效應(yīng)、光纖內(nèi)部熱應(yīng)力引起的彈光效應(yīng)。從光柵Bragg方程式(1)出發(fā)，當(dāng)外界溫度改變時，對式(2)展開，可得溫度變化ΔT時所引起的光纖光柵Bragg波長的移位。通過理論推導(dǎo)證實，當(dāng)材料確定后，光纖光柵對溫度的靈敏度系數(shù)基本上是與材料系數(shù)相關(guān)的常數(shù)。因此，對于純?nèi)廴谑⒐饫w，當(dāng)不考慮外界因素的影響時，其溫度靈敏度系數(shù)基本上取決于材料的折射率溫度系數(shù)，而彈光效應(yīng)與波導(dǎo)效應(yīng)將不對光纖光柵的波長移位造成顯著影響。故可得下列表達(dá)式，即

　　式中，αn為熱光系數(shù);αΛ為線性熱膨脹系數(shù)。對于熔融石英光纖，αn=0.86×10-5/oC，而αΛ=5.5×10-7/oC。

　　由式(4)可看出，反射波長的變化與溫度變化ΔT也成正比。即由反射波長的變化可以得到相應(yīng)的溫度。對1.55μm波長，可得到單位溫度變化下引起的波長移位為10.8pm/oC。

　　光纖光柵傳感器除具有一般光纖傳感器的優(yōu)點外，還具有下列優(yōu)點：

　　· 抗干擾能力更強(qiáng)，有很高的可靠性和穩(wěn)定性;

　　· 測量靈敏度高、分辨率高、精度高，具有良好的重復(fù)性;

　　· 動態(tài)范圍大、線性好，能自定標(biāo)，可用于對外界參量的絕對測量;

　　· 能在同一根光纖內(nèi)集成多個傳感器復(fù)用，便于構(gòu)成各種形式的光纖傳感網(wǎng)絡(luò);

　　· 便于遠(yuǎn)距離監(jiān)測橋梁等建筑物，便于作成智能傳感器，而應(yīng)用廣泛;

　　· 結(jié)構(gòu)簡單、壽命長，便于維護(hù)保養(yǎng)、便于擴(kuò)展與安裝;

　　· 光柵的寫入工藝成熟，便于形成規(guī)模生產(chǎn)等。

　　FBG傳感周界圍欄報警系統(tǒng)的設(shè)計

　　FBG傳感周界圍欄報警系統(tǒng)是利用激光、光纖傳感和光通信等高科技技術(shù)構(gòu)建的安全報警系統(tǒng)，是一種對威脅公眾安全的突發(fā)事件進(jìn)行監(jiān)控和報警的現(xiàn)代防御體系。它是基于FBG分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于周界監(jiān)控防護(hù)的新系統(tǒng)。

　　所設(shè)計的FBG傳感周界圍欄報警系統(tǒng)由寬帶光源、耦合器、帶所需個數(shù)FBG傳感器(根據(jù)周界長度而設(shè))的傳感光纖與傳輸光纖、波長移動解調(diào)裝置、信號處理系統(tǒng)等組成(如如圖3所示)。

圖3  FBG傳感周界圍欄報警系統(tǒng)的組成及原理

　　由圖3可見，這種系統(tǒng)是利用單根光纖 (在光敏性光纖上用紫外光寫入所需個數(shù)的Bragg光柵)作為傳感傳輸二合一的器件，通過對直接接觸光纖或通過承載物，如覆土、鐵絲網(wǎng)、圍欄、管道等，傳遞給光纖(纜)的各種擾動，以進(jìn)行全程任意點全天候不間斷地持續(xù)和實時地監(jiān)控。

　　FBG傳感周界圍欄報警系統(tǒng)的工作原理是：由寬帶光源發(fā)出的光，經(jīng)耦合器傳輸?shù)讲荚O(shè)有所需個數(shù)的FBG周界傳感光纖中，當(dāng)其中的某點FBG傳感器的光纖受到外界入侵的擾動后，即使該FBG的波長發(fā)生變化，其反射光波長調(diào)制數(shù)據(jù)經(jīng)耦合器通過傳輸光纖送入監(jiān)控室內(nèi)，其輸入的光到達(dá)波長移動解調(diào)裝置，先由光電探測器接收放大，再送入波長移動解調(diào)電路解調(diào)，最后經(jīng)信號處理系統(tǒng)分析處理和智能識別，以判斷出外部有否危害入侵。對非危害性環(huán)境干擾如雷鳴、鞭炮等，也能進(jìn)行識別，而可做出無害判斷;當(dāng)識別有攀爬鐵絲網(wǎng)、按壓圍墻、禁行區(qū)域的奔跑或行走，以及可能威脅周界建筑物的機(jī)械施工等后，為提高可靠性，必須再經(jīng)過周界監(jiān)控攝像機(jī)所攝的監(jiān)控圖像的判斷復(fù)核確定，才可實現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)警或?qū)崟r告警，以達(dá)到對侵入設(shè)防區(qū)域周界的威脅行為進(jìn)行實時監(jiān)測的目的。

　　對于局部高危區(qū)域，系統(tǒng)還可實現(xiàn)語音監(jiān)聽和記錄。該功能完全無需采用電或金屬的傳感器，僅用光纖即可實現(xiàn)，從而豐富了用單一光纖實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的功能和防護(hù)等級。

　　波長移動解調(diào)

　　實際上，研究FBG傳感器的關(guān)鍵問題是如何精確測量FBG反射波長的移動量。傳統(tǒng)上一般應(yīng)用光譜儀解調(diào)系統(tǒng)，雖然近年出現(xiàn)的微型光譜儀體積小、價格便宜，但其光譜分辨力只在0.1 nm數(shù)量級，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到FBG解調(diào)需要的pm級的分辨力。為了提高Bragg波長漂移量的測量精度，各國學(xué)者研究了很多解調(diào)方法，如邊緣濾波器法，可調(diào)諧濾波器法，干涉儀掃描法與雙腔干涉儀掃描法等。2007年天津大學(xué)精儀學(xué)院光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點實驗室，針對大型建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測應(yīng)用領(lǐng)域研制了一種便攜式FBG波長解調(diào)儀，它基于無源比例解調(diào)原理，以熔融拉錐器件作為線性濾波器，采用鎖相放大技術(shù)提取微弱信號，并利用單片機(jī)控制FBG波長信息的采集、顯示以及存儲。該解調(diào)儀結(jié)構(gòu)簡單、成本低，可實現(xiàn)大量程波長測量。實驗表明，該光纖光柵解調(diào)儀解調(diào)范圍達(dá)15 nm，波長測量精度為12.4 pm。

　　采用一種基于F-P可調(diào)諧濾波器和波長基準(zhǔn)器，并用插值-相關(guān)譜法進(jìn)行處理。首先在原始光譜中每相鄰兩點間線性插入一些點，再利用相關(guān)譜法得到Bragg波長移動量。該方法不但可以有效抑制噪聲，而且能精確地測量Bragg波長移動量，從而實現(xiàn)高精度地測量溫度、應(yīng)變等外界參量。理論分析和實驗表明：采用相關(guān)譜法測量Bragg波長移動量是可行的，且可以提高信噪比，進(jìn)而提高解調(diào)精度。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合線性插值的方法，在原始光譜中每相鄰兩點間插入一定數(shù)量的點，可以進(jìn)一步提高解調(diào)精度。采用這種解調(diào)方法可使Bragg光柵波長分辨力達(dá)到1 pm，溫度測量精度達(dá)到±0.2℃。

　　多處侵入定位及入侵模式特征

　　一般，光纖Bragg光柵周界圍欄報警系統(tǒng)存在多處同時受擾判斷問題。因此，在判斷有威脅侵入行為發(fā)生時，系統(tǒng)需能根據(jù)光信號調(diào)制的分析，對侵入行為發(fā)生點實時進(jìn)行定位，從而便于安保人員對目標(biāo)明確地及時采取有效措施，以制止侵入行為后續(xù)事件發(fā)生。

　　為解決光纖圍欄報警系統(tǒng)中多個FBG傳感器在同時受擾時，定位報警信號難，而無法實現(xiàn)對報警信號的有效識別和判斷的問題，可以利用一種基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EMD)和小波包特征熵算法的分析方法來解決。我們首先對報警信號進(jìn)行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解，再結(jié)合小波包分解，得到小波包系數(shù)提取其信號的能量分布;其次做歸一化得到信號的能量分布特征向量;最后運用相關(guān)性分析，以實現(xiàn)對報警信號的識別和判斷。

　　實驗證明，結(jié)合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解和小波包特征熵算法能夠有效解決FBG傳感器的光纖圍欄報警系統(tǒng)中同時受擾判斷的定位報警問題。因此充分證明了，利用這種方法對于解決光纖圍欄報警系統(tǒng)中FBG傳感器的級聯(lián)判斷報警信號是有效的。

　　從一般對光纖周界圍欄的侵入與實驗數(shù)據(jù)中，我們得出了六種不同的入侵報警模式，其典型的特征圖如圖4所示。圖4中：(a)為行走入侵模式;(b)為跑動入侵模式;(c)為車輛入侵模式;(d)為翻越入侵模式;(e)為剪切入侵模式;(f)搖動入侵模式。顯然，前三種為地面入侵模式;后三種為圍欄入侵模式。本系統(tǒng)首先從報警信號中提取其長度、極值、幅度、周期、均值、小波系數(shù)均值、信號波動、應(yīng)變特征、嶧值特征、沖擊特征、振動特征等各種特征數(shù)據(jù);其次，根據(jù)閾值單元判斷信號含有哪些特征;最后，根據(jù)經(jīng)驗確定的隸屬函數(shù)來分析判別這些特征，并用特征組合的方法判斷其為何種入侵模式的信號。

圖4  六種入侵模式

　　經(jīng)實驗證明，設(shè)計方案可行，系統(tǒng)可靠，完全達(dá)到了預(yù)期的目的。

　　結(jié)語

　　由上述介紹可知，基于長距離準(zhǔn)分布式FBG傳感器的光纖圍欄作為一種新型的安防監(jiān)測系統(tǒng)，不僅具有抗電磁干擾、抗腐蝕、易復(fù)用的特點，而且具有技術(shù)成熟、成本較低、報警定位精確、可靠性高等優(yōu)勢，是目前智能安防監(jiān)控的一種主流發(fā)展方向，在安防領(lǐng)域勢必?fù)碛袕V闊的應(yīng)用前景。

　　值得指出的是，為提高可靠性，本方案最后均經(jīng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)集成聯(lián)動復(fù)核后，再驅(qū)動聲光報警。本方案的特點是：簡單高效、安裝便捷、方便用戶、維護(hù)簡單，且靈敏度還可以根據(jù)實際的安裝環(huán)境變化而調(diào)整，穩(wěn)定可靠。因此，在它轉(zhuǎn)化定型生產(chǎn)后，將非常適合于大中小型的周界圍欄布防用戶的使用，相信在民用市場上定會得到迅速普及推廣。