基于Sagnac的干涉型光纖入侵報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

周 瑩，段維維

基于Sagnac的干涉型光纖入侵報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

周 瑩，段維維

（中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，北京 10074）

光纖入侵報(bào)警系統(tǒng)可對(duì)防區(qū)進(jìn)行全天候、全方位實(shí)時(shí)監(jiān)測。設(shè)計(jì)了一種基于Sagnac的干涉型光纖入侵報(bào)警系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)特性進(jìn)行了測試，結(jié)果表明入侵動(dòng)作發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)具有靈敏度高及快速響應(yīng)特性?，F(xiàn)場連續(xù)48小時(shí)監(jiān)測到的傳感系統(tǒng)時(shí)域波形說明，系統(tǒng)具有抗環(huán)境噪聲干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、誤報(bào)率低的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各安防領(lǐng)域。

光纖傳感；入侵報(bào)警；響應(yīng)特性；穩(wěn)定性

周界安防技術(shù)是指使用傳感探測器件對(duì)某些特定區(qū)域進(jìn)行全方位、全天候的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，并對(duì)周界侵?jǐn)_行為做出及時(shí)報(bào)警的監(jiān)控技術(shù)，在國家安全和國防建設(shè)中占據(jù)著十分重要的地位[1]。光纖周界入侵報(bào)警系統(tǒng)是一種新型的安防技術(shù)，它是利用光纖作為感應(yīng)體來探測外界擾動(dòng)入侵行為，發(fā)出報(bào)警信號(hào)的系統(tǒng)，解決了有些領(lǐng)域長距離、野外作業(yè)、無源探測等方面的要求。該系統(tǒng)以傳感光纜作為傳感介質(zhì)，以光信號(hào)為載體，不需要供電，使用安全，便于野外作業(yè)；光纖的線狀結(jié)構(gòu)易于架設(shè)，便于大范圍長距離的檢測；其鋪設(shè)方便靈活，可以做到高隱蔽性，易與周圍環(huán)境融于一體；光纖既作為傳感單元，又作為傳輸介質(zhì)，增加了光纖材料的復(fù)用性；此外光纖傳感器體積小、質(zhì)量輕、穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)、耐腐蝕、無輻射，這種光纖入侵報(bào)警系統(tǒng)的誤報(bào)和漏報(bào)明顯優(yōu)于常規(guī)的安防技術(shù)，因此被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域進(jìn)行周界安防[2,3]。

本文設(shè)計(jì)了一種基于Sagnac的干涉型光纖報(bào)警系統(tǒng)，其傳感部分僅由通信光纖、3×3耦合器和傳感光纖組成。與其他干涉型光纖傳感系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)集信號(hào)發(fā)射與接收于一端，結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，更利于實(shí)際操作[4,5]?，F(xiàn)場對(duì)傳感系統(tǒng)的響應(yīng)特性、漏報(bào)誤報(bào)現(xiàn)象及系統(tǒng)穩(wěn)定特性分別進(jìn)行了測試。該傳感系統(tǒng)具有快速響應(yīng)、抗干擾性能好、漏報(bào)誤報(bào)率低等優(yōu)點(diǎn)，在油氣管道、石油化工領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)

1.1 基于Sagnac的干涉型光纖傳感原理

圖1 基于Sagnac的干涉型光纖報(bào)警系統(tǒng)原理

基于Sagnac的干涉型光纖報(bào)警系統(tǒng)原理如圖1所示。圖中數(shù)字1代表光源，數(shù)字2代表PIN光電二極管，數(shù)字3代表3×3光纖耦合器，數(shù)字4為延遲環(huán)，數(shù)字5代表光纖對(duì)熔點(diǎn)，其余均為光纖連接線。光源發(fā)出的相干光經(jīng)過3×3光纖耦合器后將光源能量均分為1:1:1，經(jīng)過光纖延時(shí)環(huán)以及傳感光纖的兩路光波因經(jīng)過的光程差相等而發(fā)生干涉。外界環(huán)境的運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)等干擾活動(dòng)的進(jìn)行將導(dǎo)致傳輸光波的相位發(fā)生改變。通過光電探測器將傳感器的相位變化信息轉(zhuǎn)化為探測到的光強(qiáng)信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)外界擾動(dòng)的監(jiān)測[6,7]。該傳感光路具有對(duì)溫度及偏振變化不敏感等優(yōu)點(diǎn)，且環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及介紹

本文設(shè)計(jì)的光纖入侵報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，由報(bào)警主機(jī)、防區(qū)處理單元、振動(dòng)感應(yīng)光纜、通訊光纜（含引導(dǎo)光纜部分）、報(bào)警控制服務(wù)器等組成。其中報(bào)警主機(jī)內(nèi)部選用波長為1310nm的SLED激光器作為發(fā)射光源，具有較好的光譜穩(wěn)定性，降低了光源波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)信噪比的影響，同時(shí)特殊的光路設(shè)計(jì)，報(bào)警主機(jī)可對(duì)多個(gè)防區(qū)同時(shí)進(jìn)行監(jiān)控。振動(dòng)光纜和通訊光纜部分均選用單模光纖，降低了生產(chǎn)成本，更利于實(shí)際應(yīng)用。光電轉(zhuǎn)換器接收到的信號(hào)經(jīng)放大、濾波及提取后，通過Labview編程的控制軟件的閾值設(shè)置可實(shí)現(xiàn)報(bào)警響應(yīng)時(shí)間不大于2秒的快速響應(yīng)[8]。

圖2 光纖入侵報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 現(xiàn)場測試

2.1 動(dòng)作測試

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，將振動(dòng)光纜固定在圍欄上，設(shè)定好報(bào)警閾值，分別對(duì)圍欄進(jìn)行敲擊、拍打、晃動(dòng)以及攀爬等入侵動(dòng)作進(jìn)行測試。結(jié)果表明，基于Sagnac的干涉型光纖報(bào)警系統(tǒng)在2秒內(nèi)能對(duì)外界入侵及時(shí)做出快速報(bào)警提示且漏報(bào)率極低。為進(jìn)一步證實(shí)結(jié)果的可靠性，將振動(dòng)光纜固定在野外作業(yè)區(qū)圍欄上如圖3所示，并對(duì)上述幾種動(dòng)作進(jìn)行了多次測試，所得結(jié)果一致，圖4（a）-（d）所示為其現(xiàn)場測試時(shí)域波形圖。

圖3 現(xiàn)場光纜鋪設(shè)圖片

由以上現(xiàn)場測試結(jié)果得出：入侵動(dòng)作進(jìn)行時(shí)，傳感器輸出光能量幅值發(fā)生明顯改變，系統(tǒng)做出報(bào)警提示，動(dòng)作結(jié)束后，能量恢復(fù)至測試前幅值，由此說明系統(tǒng)具有較好的信噪比及響應(yīng)靈敏度。測試動(dòng)作所引起的時(shí)域波形包絡(luò)各不相同，其原因是各動(dòng)作發(fā)生的頻段不同，引起的光波相位變化有所不同，在該系統(tǒng)中表現(xiàn)為時(shí)域特征包絡(luò)有所差異。因此在實(shí)際應(yīng)用中可將這些動(dòng)作測試波形預(yù)先存入報(bào)警系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)作入侵識(shí)別。

圖4 動(dòng)作測試時(shí)域波形圖

2.2 穩(wěn)定性測試

為驗(yàn)證無入侵活動(dòng)時(shí)，外界干擾噪聲、及溫度變化對(duì)系統(tǒng)引起的誤報(bào)現(xiàn)象?，F(xiàn)場監(jiān)測了連續(xù)48小時(shí)內(nèi)，溫差變化范圍約為10攝氏度時(shí)，傳感系統(tǒng)的的噪聲變化情況，其時(shí)域波形如圖5所示。此波形雖與理論結(jié)果有所偏差，但測試時(shí)間范圍內(nèi)其噪聲基本處于同一水平。經(jīng)證實(shí)a、b兩點(diǎn)為干擾噪聲引起的突變，雖發(fā)生較大幅值變化，但與入侵信號(hào)相比變化不大，且其包絡(luò)與入侵行為差異懸殊，故并未超過報(bào)警閾值，未發(fā)生報(bào)警提示，說明該傳感系統(tǒng)穩(wěn)定性好、抗環(huán)境噪聲干擾能力強(qiáng)及誤報(bào)率低的特點(diǎn)。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于Sagnac的干涉型光纖入侵報(bào)警系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，便于實(shí)際操作。現(xiàn)場動(dòng)作入侵及系統(tǒng)穩(wěn)定性測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定性好，具有靈敏度高、快速響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、漏報(bào)誤報(bào)率低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成功應(yīng)用于多個(gè)重要場所的周界安防系統(tǒng)，取得了較高的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

圖5 傳感系統(tǒng)噪聲變化時(shí)域波形圖

[1] 唐璜.光纖振動(dòng)傳感技術(shù)在周界安防領(lǐng)域的應(yīng)用方法研究[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2012.

[2] 刑八一 ，徐方辰.光纖周界安防系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀及市場前景分析[J].中國安防，2014,（1）：85-89.

[3] 劉波，楊亦飛，張健，等. 基于M-Z干涉的光纖圍欄系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究[J].光子學(xué)報(bào)，2007,（6）:1013-1017.

[4] 吳鋒，吳柏昆，余文志，等.基于3×3耦合器相位解調(diào)的光纖聲音傳感器設(shè)計(jì)[J].激光技術(shù)，2016,（1）：64-67.

[5] 涂吉祥，黃俊斌，顧宏?duì)N，等.光纖激光水聽器解調(diào)干涉儀相位噪聲研究[J].船舶電子工程，2016，（12）：165-169.

[6] 基于Sagnac環(huán)的分布式光纖周界安防檢測系統(tǒng)[J].光傳輸，2017，（7）：29-31.

[7] Wada K., Narui H., Yamamoto D., et al. Balanced polarization maintaining fiber Sagnac interferometer vibration sensor[J].Optics Experss,2011,22(19):21467-21474.

[8] 雷玉堂.光電信息技術(shù)[M]. 北京：北京電子工業(yè)出版社，2011:365-368.

Design and Application of an Interferometer Optical Fiber Intrusion Alarm System Based on Sagnac

ZHOU Ying, DUAN Wei-wei
(China Academy of Aerospace Aerodynamics, Beijing100074)

The fiber-optic intrusion alarm system can be used to monitor the defense area in a round-theclock and omni-directional way. In this paper, an interferometric fiber optic intrusion alarm system based on the Sagnac is designed, and response characteristics of the system tested. The test shows that the system has a higher sensitivity and fast response characteristics when the external intrusion occurs. The results based on 48 hours of continuous monitoring indicate that the system have strong ability to resist environmental noise, good stability,and low rate of false positive alarms. It can be widely used in the most security fields.

optical fiber senor; intrusion alarm; response characteristic; stability

TP277

A

1671-9654(2017)0079-03

10.13829/j.cnki.issn.1671-9654.2017.04.020

2017-10-01

周瑩（1981- ），男，湖北荊門人，工程師，經(jīng)濟(jì)學(xué)碩士，研究方向?yàn)楣饫w傳感、測控系統(tǒng)。

［編校：楊 琴］