基于分布式光纖傳感技術(shù)的邊境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

葉雯

（公安海警學(xué)院 電子技術(shù)系，浙江 寧波 315801）

基于分布式光纖傳感技術(shù)的邊境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

葉雯

（公安海警學(xué)院 電子技術(shù)系，浙江 寧波 315801）

本文研制了一種適用于邊境安全監(jiān)控，具有實(shí)時(shí)、多點(diǎn)、長距離遠(yuǎn)程監(jiān)控能力的分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于我國廣闊的陸地和海洋邊境線上，對(duì)我國邊境安防管理的發(fā)展具有極為重要的意義。

分布式光纖傳感；邊境監(jiān)控；瑞利散射

自從20世紀(jì)80年代低損耗光纖問世以來，光纖傳感技術(shù)一直處于傳感技術(shù)發(fā)展的前沿，與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器具有抗電磁干擾、耐腐蝕、質(zhì)量輕、體積小、靈敏度高、易組成光纖傳感網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海、石油化工、電力、核工業(yè)、土木工程、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。而其中的分布式光纖傳感器近年來得到了廣泛的關(guān)注，是光纖傳感技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。[1-4]

中國是一個(gè)大國，與14個(gè)國家接壤，中國陸地邊境線長2.2萬余公里，大陸海岸線長1.8萬多公里，邊境線跨越大、距離長，給國家安全造成了極大的挑戰(zhàn)，而中國的邊境情況一直是不安定的。現(xiàn)在我國的邊境線安防的基本情況是：過度依賴人力防護(hù)，雖然也對(duì)技術(shù)防護(hù)有了一定認(rèn)識(shí)和投入，但卻非常忽視實(shí)體防護(hù)的作用，導(dǎo)致國家的邊境線許多實(shí)體防護(hù)設(shè)施落后陳舊，防護(hù)手段單一，易于突破。僅僅依靠人防來進(jìn)行防御，對(duì)人的依賴性太高，所以在對(duì)邊境線安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，要把物防(實(shí)體防護(hù))、技防(技術(shù)防范)和人防(人力防范)結(jié)合在一起。

本文講述了一種基于分布式光纖傳感技術(shù)的邊境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)無人值守自動(dòng)監(jiān)控，在有目標(biāo)侵入等異常狀態(tài)出現(xiàn)時(shí)，立即給出報(bào)警信號(hào)；并且具有同時(shí)識(shí)別多個(gè)目標(biāo)同時(shí)在不同位置出現(xiàn)的功能，給出眾目標(biāo)各自所對(duì)應(yīng)的位置信息；通過配置相應(yīng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可以在分布式光纖傳感系統(tǒng)給出報(bào)警信號(hào)后，自動(dòng)迅速啟動(dòng)針對(duì)該位置的詳細(xì)視頻監(jiān)控和攝錄；根據(jù)相關(guān)預(yù)警信號(hào)和視頻攝錄，可以針對(duì)性地派出人員，處理所發(fā)生的事件，這樣可以極大地提高邊境守衛(wèi)人員的工作效率，增強(qiáng)邊境監(jiān)控的有效性，消除監(jiān)控盲區(qū)。

1 分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

作為一種干涉系統(tǒng)，分布式光纖振動(dòng)傳感器通過檢測(cè)光纖不同位置的瑞利散射信號(hào)的光相位變化來檢測(cè)入侵信號(hào)，因此具有極高的檢測(cè)靈敏度。光纖傳感器整個(gè)系統(tǒng)的基本框架如圖1所示，包括信號(hào)發(fā)射端、信號(hào)接收端、信號(hào)處理單元和傳感光纖等四個(gè)部分。其中信號(hào)發(fā)射端、信號(hào)接收端和信號(hào)處理與控制單元三個(gè)部分可以集成為一個(gè)整體，工作時(shí)放置于用戶端，傳感光纖則是一根距離最長可達(dá)到50km的普通光纜，用于感知外界的振動(dòng)信號(hào)。

圖1 分布式光纖振動(dòng)傳感器原理結(jié)構(gòu)圖

光纖傳感器系統(tǒng)工作時(shí)，由脈沖信號(hào)發(fā)射單元按一定頻率發(fā)出一個(gè)經(jīng)放大后的窄頻光脈沖，脈沖寬度在10-100ns之間，該脈沖經(jīng)由光環(huán)形器后沿著傳感光纖向外傳輸；由于光纖材料內(nèi)部的瑞利散射（導(dǎo)致光纖損耗的主要原因），沿著光纖各個(gè)不同位置都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)背向的散射信號(hào)，其光波長與發(fā)射的脈沖光相同；背向的散射光經(jīng)由光環(huán)形器進(jìn)入脈沖信號(hào)接收單元，并得到濾波和放大處理；在此基礎(chǔ)上，隨時(shí)間變化的背向散射光信號(hào)（實(shí)際上代表了沿著光纖不同位置處產(chǎn)生的散射信號(hào)）在信號(hào)處理與控制單元被轉(zhuǎn)換為隨時(shí)間變化的電信號(hào)波形，經(jīng)高速模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換采樣后，可以由軟件進(jìn)行自動(dòng)分析。由此，完成一個(gè)脈沖信號(hào)的發(fā)射、傳輸、接收和轉(zhuǎn)換過程周期。脈沖的頻率根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)定，其最高頻率受限于傳感光纖的鋪設(shè)長度，脈沖周期應(yīng)大于光脈沖在光纖中的來回渡越時(shí)間。根據(jù)傳感光纖的總長度，可以確定下一個(gè)脈沖的發(fā)射時(shí)間，例如，對(duì)于10km的光纖長度，光纖發(fā)射和經(jīng)過的光纖總長度為20km，對(duì)應(yīng)的來回傳輸時(shí)間為10-4S，因此脈沖間隔必須大于10-4S，以使得兩個(gè)脈沖信號(hào)之間無干擾。這樣脈沖的最高頻率可以設(shè)定為10kHz。如果光纖長度擴(kuò)展為50km，對(duì)應(yīng)的來回時(shí)間為5x10-4S，因此脈沖的最高頻率可以設(shè)定為2kHz。根據(jù)系列脈沖的回波信號(hào)，可以實(shí)時(shí)地處理、分析不同位置散射信號(hào)隨時(shí)間的變化特征，并由此獲得外界的振動(dòng)信息。顯然，回波的時(shí)間對(duì)應(yīng)于所鋪設(shè)光纖的位置，因此，從回波信號(hào)的時(shí)間序列中，就可以準(zhǔn)確地獲得振動(dòng)源的位置信息，并且適用于沿著光纖的多個(gè)振動(dòng)源的同時(shí)擾動(dòng)。

由于系統(tǒng)可以獲得沿著光纖鋪設(shè)路線各個(gè)位置點(diǎn)的高頻振動(dòng)信號(hào)（對(duì)應(yīng)10km光纖長度為10KHz，對(duì)應(yīng)50km長度為2kHz），因此有能力根據(jù)振動(dòng)特征和強(qiáng)度來判斷振動(dòng)源的種類。圖2表示的是分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到的進(jìn)入系統(tǒng)監(jiān)測(cè)區(qū)域的人員步行振動(dòng)波形圖。不同的振動(dòng)源（人、動(dòng)物、車輛）由于其振動(dòng)頻率和強(qiáng)度不同，檢測(cè)到的振動(dòng)波形圖也不相同，我們根據(jù)不同的波形，可以判別不同的振動(dòng)源，進(jìn)而區(qū)分入侵源是人、動(dòng)物還是車輛。

圖2 系統(tǒng)檢測(cè)到的人員步行振動(dòng)波形圖

2 分布式光纖傳感器的精細(xì)配置

分布式光纖振動(dòng)傳感器原理上雖然比較簡(jiǎn)單，但為了獲得高的性能，包括實(shí)時(shí)性、大工作距離、高定位精度，其系統(tǒng)的架構(gòu)必須精細(xì)配置。這主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1.脈沖發(fā)射單元必須是一個(gè)工作波長在1550nm波段的單頻激光源，經(jīng)脈沖調(diào)制后，所發(fā)射脈沖必須進(jìn)行功率放大，使能獲得一個(gè)足夠強(qiáng)的脈沖回波信號(hào)，以滿足脈沖接收單元的處理所需。其信號(hào)強(qiáng)度應(yīng)該覆蓋光纖最遠(yuǎn)端，并使其產(chǎn)生的瑞利散射能具有足夠的信噪比。2.脈沖接收單元必須是一個(gè)包含光濾波和光放大的高靈敏度光信號(hào)接收系統(tǒng)?？梢越邮昭刂饫w產(chǎn)生的瑞利回波信號(hào)。放大單元可以提升接收回波信號(hào)的光功率，光濾波器件可以使得放大過程中產(chǎn)生的非發(fā)射波段干擾（如摻鉺光纖放大器中的放大的自發(fā)輻射熒光ASE）得以去除。3.信號(hào)處理與控制單元將隨時(shí)間高速變化的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成隨時(shí)間高速變化的電信號(hào)，并由高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將之采樣收集。因此其帶寬必須滿足脈沖寬度對(duì)應(yīng)的速度要求，精度必須滿足能夠感知信號(hào)強(qiáng)度細(xì)微變化的要求。所獲得的信號(hào)由專用分析處理軟件解析，可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確獲得相關(guān)位置的振動(dòng)信息。根據(jù)以上要求，系統(tǒng)架構(gòu)需要非常精細(xì)地設(shè)計(jì)。其基本框架如圖3所示，整體上與圖1相對(duì)應(yīng)。系統(tǒng)操作的過程如圖4所示。

圖3 分布式光纖振動(dòng)傳感器系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖4 分布式光纖震動(dòng)傳感器的操作過程圖

系統(tǒng)啟動(dòng)開始工作，同時(shí)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)也開啟，從傳感器傳來沿著光纖不同位置處產(chǎn)生的散射信號(hào)，被信號(hào)處理與控制單元轉(zhuǎn)換為隨時(shí)間變化的電信號(hào)，再經(jīng)高速數(shù)模轉(zhuǎn)換采樣后，由計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行自動(dòng)分析，若判斷有入侵信號(hào)，立即給予報(bào)警，同時(shí)給出眾目標(biāo)所各自對(duì)應(yīng)的位置信息，并配有相應(yīng)的視頻監(jiān)控和攝錄，提醒監(jiān)控人員處理發(fā)生事件；若計(jì)算機(jī)軟件判斷沒有入侵信號(hào)，則系統(tǒng)重新進(jìn)入啟動(dòng)模式，進(jìn)行下一時(shí)刻的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

該系統(tǒng)單套監(jiān)控距離最遠(yuǎn)可以達(dá)到50km，如果需要檢測(cè)更長的距離，可以選擇多套監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)監(jiān)控。在單套監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)，我們將分布式光纖振動(dòng)傳感器放置在用戶端，其余地段都選用傳輸光纜埋設(shè)在地底下感知外界的振動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)可以給出包括具體侵入坐標(biāo)位置等預(yù)警信息，位置精度優(yōu)于10m。

3 結(jié)束語

我國擁有廣闊的陸地和海洋邊境線，邊境線的實(shí)時(shí)監(jiān)控對(duì)于國家安全具有極為重要的政治意義。鑒于邊境線的廣闊和不同條件（如條件極為惡劣的荒涼無人區(qū)），完全寄希望于公安邊防部隊(duì)執(zhí)勤人員的全天候值守既難以實(shí)現(xiàn)，也不經(jīng)濟(jì)。發(fā)展無人值守的分布式實(shí)時(shí)邊境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)無疑具有極為重要的意義，也是國際邊境線管理發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

[1]耿軍平，許家棟，韋高，郭陳江，李焱.基于布里淵散射的分布式光纖傳感器的進(jìn)展[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2002，16（2）:87-91.

[2]T R，F(xiàn)arhadiro ushan M，Handerek V A，et al.A Fully Distributed Simultaneous Strainnd Tempe rapture Sensor using Sntaneous Brillouin Backscatter Parker[J]. IEEE Pho tonics Techno logy Letters,1997,9（7）:979-981.

[3]Bao X,Webb D J，Ja ckso n D A.Combined distributed tempreture and strain sensor based on Brillouin loss in an optical fibre[J].Opt.Lett.，1994，（19）:141-143.

[4]Nikles M，Thevena z L,Rober t P A.Brillouin gain spectrum characterization in single-mode optical fibres[J]. Lightwave Tech,1997,（15）:1842-1851.

Border Remote Monitoring System Based on Distributed Optical Fiber Sensing Technology

YE Wen
（China Maritime Police Academy,Ningbo 315801,China）

This paper develops a remote monitoring system based on distributed optical fiber sensing technology,which has the monitoring ability of real-time,multi-point,long distance.The system can be widely used in China's vast land and sea border.It has very important significance for the development of our security management.

distributed optical fiber sense,border monitoring,Rayleigh Scattering

TP277

：A

：2095-2384（2016）01-0004-03

（責(zé)任編輯 儲(chǔ) 歡）

2015-11-05

葉雯（1982-），女，江蘇宜興人，講師，博士，主要從事光纖通信方面的研究。