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)稱為Bragg波長(zhǎng),，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(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,，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,，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(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,、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的使用,，相信在民用市場(chǎng)上定會(huì)得到迅速普及推廣。