【文章內容簡介】 承載物，如覆土、鐵絲網、圍欄等，傳遞給光纖 (纜 )的各種擾動，進行持續(xù)和實時的監(jiān)控，采集擾動數(shù)據，經過后端分析處理和智能識別，判斷出不同的外部干擾類型，如攀爬鐵絲網、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械施工等，實現(xiàn)系統(tǒng)預警或實時告警，從 而 達到對侵入設防區(qū)域周界的威脅行為進行預警監(jiān)測的目的。其中光纖既作為傳感的介質，又作為傳輸介質。光纖圍欄報警系統(tǒng)可以在傳感光纖布設長度內，對一定準確度范圍內的突發(fā)事件進行遠程和實時的監(jiān)控。因此，在光纜監(jiān)控、光纖圍欄監(jiān) 控、管道監(jiān)控等方面都有著廣闊的應用前景。 長春理工大學光電信息學院 畢業(yè)設計 5 光纖圍欄報警系統(tǒng)及其研究現(xiàn)狀 [7］ 目前，在靈敏度較高的干涉型傳感器中，國外研究較多的是基于 Sagac 干涉 [8]的光纖圍欄報警系統(tǒng)。另外，還有一些將兩種干涉儀結合在一起的結構，如 Sagnac 和MachZehnder, Sagnac 和 Michelson。基于 Sagnac 干涉的光纖圍欄報警系統(tǒng)優(yōu)點是定位精度很高，已有論文報道在 5 公里的光纖環(huán)中，實現(xiàn)了 。 在國內，進行圍欄報警系統(tǒng)研制的單位主 要是華中科技大學和南開大學，他們采用的干涉儀主要是 MachZehnde:干涉儀。華中科技大學孫琪真報道的光纖圍欄報警系統(tǒng)采用 3X3 的光禍合器進行無源零差解調，用高速 DSP 器件進行信號分析，在 公里的長度上實現(xiàn)了小于 100 米的定位精度 ，并能實時觀察擾動信號的幅度和頻率。 本文的意義及其主要研究內容 目前國內外光纖圍欄報警系統(tǒng)方面存在的問題是報警光纖的傳感距離比較近，而對光纖環(huán)位點的干擾檢測比較困難，定位精度比較低。本文研究的是超過 超長距離光纖圍欄報警系統(tǒng)。在精度方面，控制在 10m左右。 : 本文研究的是一種能實現(xiàn)全自動侵入 [9]檢測的光纖圍欄報警系統(tǒng)， 應用于 各種閉合區(qū)域的入侵檢測。若有行人、車輛等 通過該閉合區(qū)域時，該系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)，并準確定位，判斷類型，便于 及早處理。對那些非人為因素 (如大風、大雨等 )產生的干擾通過軟件進行濾除，避免誤報警。 : 1)光纖圍欄報警系統(tǒng)設計 : (1)光纖圍欄報警系統(tǒng)基本原理 。 (2)光纖圍欄報警系統(tǒng)系統(tǒng)結構。 2)光纖圍欄報警系統(tǒng)實驗驗證方案 : 根據實驗設計方案，硬件方面 采用中央控制計算機、驅動電路 、 MachZehnder 干涉儀、耦 合器、單模光纖和圍欄等搭建了模擬測試的光纖圍欄報警系統(tǒng)。 在測試定位精度方面，我們通過預先測量好擾動的位置來比照實驗中測得的擾動位置，測試報警系統(tǒng)的定位精度。 在測試報警類型方面，我們預先通過報警系統(tǒng)采集好各種類型事物所產生的波形，建立數(shù)據庫。實驗測試類型時，我們通過軟件實現(xiàn)現(xiàn)場采集的信號與信號庫里的信號進行比較，判斷擾動類型。 長春理工大學光電信息學院 畢業(yè)設計 6 第二章 傳感器原理以及相關技術 光纖圍欄報警系統(tǒng)采用分布式光纖傳感器作為傳感 元 件，利用 MachZehnder 干涉儀實現(xiàn)干涉，本部分 主要對傳感器原理及干涉技術作了分析，對系統(tǒng)的研究提供理論的基礎。 光纖傳感器基本原理 光纖是由兩種折射率不同的芯和包層組成的，包層的折射率小于芯。當端面入射角小于 它的界面的臨界全反射角的光線射入，就形成全反射。光纖的傳輸模式分 為單模式和多模式兩種。單模式光纖芯非常的細，與波長差不多或幾倍于 波長 (光波長為 0. 8 um 1. 6 um )，其外包層直徑約為芯直徑的 10 倍以上 。多模式光纖的纖芯則相對較粗，直徑約為 5 um 75 um，包層外徑約為纖芯直徑的兩倍，大概為 10 um— 150 um。多 模式光纖可做成階躍式和梯度式兩種， 而 單模式光纖只能為階躍式折射分布。梯度式即漸變式折射率分布，中心最大，逐漸減小到與包層相同。 單模光纖由于 纖芯直徑接近波長，所以光傳輸單一，可能只有一種模式。當光纖的纖芯直徑較大時，則有多種沿不同的途徑，以不同速率傳輸?shù)哪Ｊ剑杂卸喾N不同的模式傳輸?shù)墒煌倚蔚耐緩介L度不一樣，因 而 到達接收的時延幾乎相等。光纖的主要有損耗與色散兩方面的特點，這對光纖通訊是必須解決的問題。 近 20 年來光纖傳感器發(fā)展非常的快，對應力應變型，主要研究領域為偏振 和干涉兩類傳感器。其中高折射率偏振型光纖和 FabryPerot }［ 11]干涉光纖應用較多。 干涉型光纖傳感器的原理，用兩鏡面的相干光強描述： 兩鏡面可為空氣 (外 FP 型 )［ 12]或玻璃 (內 FP 型 )型兩個反射面，如圖 21 所示。L=Lo+ΔL為 a ， b 間的距離，包含了因外部擾動而引起的變形， ne 為光纖的有效折射率，隨光纖的偏振方 }而異， cos 函數(shù)則表示兩者的相位差， λo為光波在真空中的波長。 長春理工大學光電信息學院 畢業(yè)設計 7 圖 21 光在光纖中傳播 對于埋入各向異性材料 (復合材料 )中的光纖，光纖內的內力場和變形場與包裹它的材料的內力場和變形場，在研究中經常假設 : 1)小變形，服從線彈性理論 。 2)光纖中的應力應變場是均勻的，目一為常數(shù)。 而 對包裹光纖的材料，在光纖方向為常數(shù)，在垂直光纖方向不再是常數(shù) 。 3)在包裹材料與光纖的界面上位移保持連續(xù)，包裹材料和光纖的溫度相同 。界面相互作用力保持平衡。 由上述假設很容易建立光纖和包裹材料的力學方程，以及由假設 2 建立求解的邊界條件，最終得到兩者的應力和 應變場。 2 相位調制傳感原理 相位調制就是利用外界因素變化所引起光纖中光波的相位變化，來測量外界物理量。通 常還要利用光干涉技術。模式調制型和偏振型光纖傳感的原理，則是基于 光纖所傳出的兩個以上模式的相速度是不同的，這種相位差是光纖本身特性和外界擾動的函數(shù)。 對于 偏振型則是在輸出端用偏振鏡采集因外界擾動引起光纖 偏振態(tài) (偏振面旋轉 )的變化，這是采用光在介質中傳播的旋光效應 . 圖 22 多模光纖模式功率調制傳感原理 長春理工大學光電信息學院 畢業(yè)設計 8 這是最近發(fā)展的一種傳感機理，其原理如圖 22 所示。雖然給出實驗研究結果，但尚無理論分析。由于理論分析復雜，在此不再贅述。 分布式光纖傳感器基本原理 分布式光纖傳感器類型 當分布式光纖傳感的概念被提出來以后，以其可以預測的許多優(yōu)點 而 備受大家關注，一度成為研究的熱點， 經過幾十年的飛速發(fā)展，我們今天的分布式光纖傳感器主要可分為以下幾 類 : 瑞 麗后向散射的光纖傳感器 在單模光纖中，當使用偏振光時域反射儀時，瑞麗回后向散射光的偏振狀態(tài)以時間為函數(shù)被檢測到，單模光纖的雙折射參數(shù)對諸如壓力、磁場、應力、電場等被測量很敏感。接著，后向散射光的偏振狀態(tài)沿著光纖軸向 而 改變。所以可以通過相應的法拉第旋光效應和克爾效應監(jiān)測電場和磁場的變化。后向散射光的后向散射系數(shù)與強度呈比例， 而 后向散射系數(shù)一般只隨溫度變化。在固體光纖里溫度影響很弱， 而 在液體中，瑞麗散射與反射系數(shù)對溫度的依賴關系卻非常的明顯。 。 基于布里淵效應的光時域反 射儀是 OTDR 探測技術和布里淵散射相結合構成的分布式光纖傳感器。其原理如圖 23 所示，處于光纖兩端的可調諧激光器分別將一連續(xù)光與一脈沖光 (分別作為探測和泵浦光 )注人傳感光纖，當泵浦光與探測光的頻率差與光纖中某區(qū)域的布里淵頻移相等 時，就會在該區(qū)產生布里淵放大效應，兩光束之間發(fā)生能量的轉移。由于 布里淵應變與頻移，它們的溫度存在線性關系。所以對兩激光器的頻率連續(xù)進行調節(jié)的同時，通過檢測從光纖一端射出的連續(xù)光的功率，就可以獲得光纖各小段區(qū)域上能量轉移達到最大時對應的頻率差。 圖 23 基于布里淵散射效應的傳 感器 長春理工大學光電信息學院 畢業(yè)設計 9 系統(tǒng)接收光功率 一般的分布式光纖傳感器系統(tǒng)模型 :連接檢測器和激光源長為 L 的兩段傳感光纖。這兩段光纖可以為兩根不同光纖，也可以為同一根光纖或一根光纖中的兩纖芯，傳感光纖處在測量場 M (l) 中。 考慮從激光源出發(fā)距離在 l + dl和 l 之間的光纖單兀 dl，脈寬為 δT和入纖能量為Eo 的光脈沖以速度為 c。在通道中傳輸，當經過光纖單元 dl時，其能量發(fā)生以下三種變化 : （ a, di)被耦 合到通道，然后以速度 c 到達檢測端 。 2 一部分能量（ a, di)被光纖吸收或被散射出光纖外 。 3 能量的變化 (衰減和