摘要：傳統(tǒng)的周界安防或圍欄報(bào)警系統(tǒng)（如主動(dòng)紅外對(duì)射、微波對(duì)射、泄漏電纜、振動(dòng)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(bào)、漏報(bào)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。為解決此問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者競(jìng)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(diǎn)，基于FBG傳感的周界圍欄報(bào)警系統(tǒng)的組成及工作原理，波長(zhǎng)移動(dòng)解調(diào)，多處侵入定...   

　　傳統(tǒng)的周界安防或圍欄報(bào)警系統(tǒng)（如主動(dòng)紅外對(duì)射、微波對(duì)射、泄漏電纜、振動(dòng)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(bào)、漏報(bào)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。為解決此問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者競(jìng)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(diǎn)，基于FBG傳感的周界圍欄報(bào)警系統(tǒng)的組成及工作原理，波長(zhǎng)移動(dòng)解調(diào)，多處侵入定位與入侵模式特征等。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)可靠，達(dá)到了預(yù)期的目的。

　　引言

　　多年來(lái)，傳統(tǒng)的周界安防或圍欄報(bào)警系統(tǒng)(如主動(dòng)紅外對(duì)射、微波對(duì)射、泄漏電纜、振動(dòng)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(dòng)紅外對(duì)射的圍欄報(bào)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(bào)率;再如泄露電纜、振動(dòng)電纜、電子圍欄、電網(wǎng)等圍欄報(bào)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(hào)干擾、串?dāng)_等，使靈敏度下降、誤報(bào)率、漏報(bào)率(如覆蓋上電絕緣物翻過(guò)電圍欄)上升。

　　與上述周界安防或圍欄報(bào)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(bào)警系統(tǒng)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

　　· 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(chǎng)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(dòng)，而且可確定外界擾動(dòng)的位置，系統(tǒng)具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于擴(kuò)展與安裝容易;

　　· 無(wú)輻射、無(wú)易燃易爆材料，既防水又環(huán)保;

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

　　· 可根據(jù)被測(cè)對(duì)象的情況選擇不同的檢測(cè)方法，再加上其對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小，所以它非常有利于在結(jié)構(gòu)檢測(cè)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(bào)警系統(tǒng)，可利用三種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：一是光時(shí)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(lái)，光纖光柵是發(fā)展最為迅速、應(yīng)用最為廣泛的光纖無(wú)源器件之一。由于它的敏感變化參量為光的波長(zhǎng)，因而不受光源、傳輸線路損耗等因素所引起的對(duì)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量和分布式測(cè)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(lái)制成應(yīng)力、壓力、振動(dòng)、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(bào)警系統(tǒng)中，所以它在國(guó)家與人民安全以及反恐斗爭(zhēng)中將具有極大的實(shí)際意義和社會(huì)意義。

　　FBG傳感器原理及優(yōu)點(diǎn)

　　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(shí)現(xiàn)的。FBG于1978年問(wèn)世，它利用摻雜(如鍺、磷等)光纖的光敏性，通過(guò)紫外寫(xiě)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(shí)，根據(jù)光柵理論，在滿(mǎn)足Bragg條件的情況下，就會(huì)發(fā)生全反射，其反射光譜在Bragg波長(zhǎng)處出現(xiàn)峰值。光柵受到外部物理場(chǎng)(如應(yīng)力應(yīng)變、溫度等)的作用時(shí)，其柵距Λ隨之發(fā)生變化，從而改變了后向反射光的波長(zhǎng)。根據(jù)ΔλB變化的大小就可以確定待測(cè)部位相應(yīng)物理量的變化。

圖2  FBG傳感原理

　　FBG好像一個(gè)窄帶的反光鏡，只反射一個(gè)波長(zhǎng)而透射其余的波長(zhǎng)。被反射的波長(zhǎng)稱(chēng)為Bragg波長(zhǎng)，滿(mǎn)足光纖光柵的Bragg方程式，即滿(mǎn)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(zhǎng)的傳感響應(yīng)提供了理論工具，即任何使這兩個(gè)參量發(fā)生改變的過(guò)程，都將引起光柵Bragg波長(zhǎng)的移位。因此，常見(jiàn)的FBG傳感器，就是通過(guò)測(cè)量布拉格波長(zhǎng)的移動(dòng)(或漂移)而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量的檢測(cè)的。

　　在所有引起光柵Bragg波長(zhǎng)移位的外界因素中，最直接的是應(yīng)力、應(yīng)變參量。因?yàn)闊o(wú)論是對(duì)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(zhǎng)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(cè)到反射信號(hào)中光柵Bragg波長(zhǎng)的移位ΔλB，即可檢測(cè)到待測(cè)傳感量的變化。

　　從彈光效應(yīng)的角度來(lái)看，光纖光柵對(duì)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(duì)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(zhǎng)移位將會(huì)占主要地位。

　　若只考慮軸向應(yīng)變(即縱向壓力)時(shí)，則引起中心波長(zhǎng)位移的相對(duì)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(zhǎng)的變化與應(yīng)變應(yīng)力成正比。也就是說(shuō)，由反射波長(zhǎng)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(huì)引起光纖光柵Bragg波長(zhǎng)的移位。從物理本質(zhì)看，引起波長(zhǎng)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(shí)，對(duì)式(2)展開(kāi)，可得溫度變化ΔT時(shí)所引起的光纖光柵Bragg波長(zhǎng)的移位。通過(guò)理論推導(dǎo)證實(shí)，當(dāng)材料確定后，光纖光柵對(duì)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(duì)于純?nèi)廴谑⒐饫w，當(dāng)不考慮外界因素的影響時(shí)，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(duì)光纖光柵的波長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)的變化與溫度變化ΔT也成正比。即由反射波長(zhǎng)的變化可以得到相應(yīng)的溫度。對(duì)1.55μm波長(zhǎng)，可得到單位溫度變化下引起的波長(zhǎng)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(diǎn)外，還具有下列優(yōu)點(diǎn)：

　　· 抗干擾能力更強(qiáng)，有很高的可靠性和穩(wěn)定性;

　　· 測(cè)量靈敏度高、分辨率高、精度高，具有良好的重復(fù)性;

　　· 動(dòng)態(tài)范圍大、線性好，能自定標(biāo)，可用于對(duì)外界參量的絕對(duì)測(cè)量;

　　· 能在同一根光纖內(nèi)集成多個(gè)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(cè)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(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)，便于維護(hù)保養(yǎng)、便于擴(kuò)展與安裝;

　　· 光柵的寫(xiě)入工藝成熟，便于形成規(guī)模生產(chǎn)等。

　　FBG傳感周界圍欄報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　FBG傳感周界圍欄報(bào)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(bào)警系統(tǒng)，是一種對(duì)威脅公眾安全的突發(fā)事件進(jìn)行監(jiān)控和報(bào)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(jì)的FBG傳感周界圍欄報(bào)警系統(tǒng)由寬帶光源、耦合器、帶所需個(gè)數(shù)FBG傳感器(根據(jù)周界長(zhǎng)度而設(shè))的傳感光纖與傳輸光纖、波長(zhǎng)移動(dòng)解調(diào)裝置、信號(hào)處理系統(tǒng)等組成(如如圖3所示)。

圖3  FBG傳感周界圍欄報(bào)警系統(tǒng)的組成及原理

　　由圖3可見(jiàn)，這種系統(tǒng)是利用單根光纖 (在光敏性光纖上用紫外光寫(xiě)入所需個(gè)數(shù)的Bragg光柵)作為傳感傳輸二合一的器件，通過(guò)對(duì)直接接觸光纖或通過(guò)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(dòng)，以進(jìn)行全程任意點(diǎn)全天候不間斷地持續(xù)和實(shí)時(shí)地監(jiān)控。

　　FBG傳感周界圍欄報(bào)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(gè)數(shù)的FBG周界傳感光纖中，當(dāng)其中的某點(diǎn)FBG傳感器的光纖受到外界入侵的擾動(dòng)后，即使該FBG的波長(zhǎng)發(fā)生變化，其反射光波長(zhǎng)調(diào)制數(shù)據(jù)經(jīng)耦合器通過(guò)傳輸光纖送入監(jiān)控室內(nèi)，其輸入的光到達(dá)波長(zhǎng)移動(dòng)解調(diào)裝置，先由光電探測(cè)器接收放大，再送入波長(zhǎng)移動(dòng)解調(diào)電路解調(diào)，最后經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)分析處理和智能識(shí)別，以判斷出外部有否危害入侵。對(duì)非危害性環(huán)境干擾如雷鳴、鞭炮等，也能進(jìn)行識(shí)別，而可做出無(wú)害判斷;當(dāng)識(shí)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(guò)周界監(jiān)控?cái)z像機(jī)所攝的監(jiān)控圖像的判斷復(fù)核確定，才可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)警或?qū)崟r(shí)告警，以達(dá)到對(duì)侵入設(shè)防區(qū)域周界的威脅行為進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。

　　對(duì)于局部高危區(qū)域，系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音監(jiān)聽(tīng)和記錄。該功能完全無(wú)需采用電或金屬的傳感器，僅用光纖即可實(shí)現(xiàn)，從而豐富了用單一光纖實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的功能和防護(hù)等級(jí)。

　　波長(zhǎng)移動(dòng)解調(diào)

　　實(shí)際上，研究FBG傳感器的關(guān)鍵問(wèn)題是如何精確測(cè)量FBG反射波長(zhǎng)的移動(dòng)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(jià)格便宜，但其光譜分辨力只在0.1 nm數(shù)量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到FBG解調(diào)需要的pm級(jí)的分辨力。為了提高Bragg波長(zhǎng)漂移量的測(cè)量精度，各國(guó)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，針對(duì)大型建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域研制了一種便攜式FBG波長(zhǎng)解調(diào)儀，它基于無(wú)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(hào)，并利用單片機(jī)控制FBG波長(zhǎng)信息的采集、顯示以及存儲(chǔ)。該解調(diào)儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，可實(shí)現(xiàn)大量程波長(zhǎng)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)表明，該光纖光柵解調(diào)儀解調(diào)范圍達(dá)15 nm，波長(zhǎng)測(cè)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(zhǎng)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(diǎn)間線性插入一些點(diǎn)，再利用相關(guān)譜法得到Bragg波長(zhǎng)移動(dòng)量。該方法不但可以有效抑制噪聲，而且能精確地測(cè)量Bragg波長(zhǎng)移動(dòng)量，從而實(shí)現(xiàn)高精度地測(cè)量溫度、應(yīng)變等外界參量。理論分析和實(shí)驗(yàn)表明：采用相關(guān)譜法測(cè)量Bragg波長(zhǎng)移動(dòng)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(diǎn)間插入一定數(shù)量的點(diǎn)，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(zhǎng)分辨力達(dá)到1 pm，溫度測(cè)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(bào)警系統(tǒng)存在多處同時(shí)受擾判斷問(wèn)題。因此，在判斷有威脅侵入行為發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)需能根據(jù)光信號(hào)調(diào)制的分析，對(duì)侵入行為發(fā)生點(diǎn)實(shí)時(shí)進(jìn)行定位，從而便于安保人員對(duì)目標(biāo)明確地及時(shí)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(bào)警系統(tǒng)中多個(gè)FBG傳感器在同時(shí)受擾時(shí)，定位報(bào)警信號(hào)難，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)警信號(hào)的有效識(shí)別和判斷的問(wèn)題，可以利用一種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)和小波包特征熵算法的分析方法來(lái)解決。我們首先對(duì)報(bào)警信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?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(hào)的能量分布;其次做歸一化得到信號(hào)的能量分布特征向量;最后運(yùn)用相關(guān)性分析，以實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)警信號(hào)的識(shí)別和判斷。

　　實(shí)驗(yàn)證明，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)?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(bào)警系統(tǒng)中同時(shí)受擾判斷的定位報(bào)警問(wèn)題。因此充分證明了，利用這種方法對(duì)于解決光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)中FBG傳感器的級(jí)聯(lián)判斷報(bào)警信號(hào)是有效的。

　　從一般對(duì)光纖周界圍欄的侵入與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，我們得出了六種不同的入侵報(bào)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(dòng)入侵模式;(c)為車(chē)輛入侵模式;(d)為翻越入侵模式;(e)為剪切入侵模式;(f)搖動(dòng)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(bào)警信號(hào)中提取其長(zhǎng)度、極值、幅度、周期、均值、小波系數(shù)均值、信號(hào)波動(dòng)、應(yīng)變特征、嶧值特征、沖擊特征、振動(dòng)特征等各種特征數(shù)據(jù);其次，根據(jù)閾值單元判斷信號(hào)含有哪些特征;最后，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定的隸屬函數(shù)來(lái)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(hào)。

圖4  六種入侵模式

　　經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)方案可行，系統(tǒng)可靠，完全達(dá)到了預(yù)期的目的。

　　結(jié)語(yǔ)

　　由上述介紹可知，基于長(zhǎng)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(cè)系統(tǒng)，不僅具有抗電磁干擾、抗腐蝕、易復(fù)用的特點(diǎn)，而且具有技術(shù)成熟、成本較低、報(bào)警定位精確、可靠性高等優(yōu)勢(shì)，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(shì)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(dòng)復(fù)核后，再驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警。本方案的特點(diǎn)是：簡(jiǎn)單高效、安裝便捷、方便用戶(hù)、維護(hù)簡(jiǎn)單，且靈敏度還可以根據(jù)實(shí)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(hù)的使用，相信在民用市場(chǎng)上定會(huì)得到迅速普及推廣。