【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 承載物，如覆土、鐵絲網(wǎng)、圍欄等，傳遞給光纖 (纜 )的各種擾動(dòng)，進(jìn)行持續(xù)和實(shí)時(shí)的監(jiān)控，采集擾動(dòng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過后端分析處理和智能識(shí)別，判斷出不同的外部干擾類型，如攀爬鐵絲網(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，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)警或?qū)崟r(shí)告警，從 而 達(dá)到對(duì)侵入設(shè)防區(qū)域周界的威脅行為進(jìn)行預(yù)警監(jiān)測(cè)的目的。其中光纖既作為傳感的介質(zhì)，又作為傳輸介質(zhì)。光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)可以在傳感光纖布設(shè)長(zhǎng)度內(nèi)，對(duì)一定準(zhǔn)確度范圍內(nèi)的突發(fā)事件進(jìn)行遠(yuǎn)程和實(shí)時(shí)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(yīng)用前景。 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 光纖圍欄報(bào)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(guó)外研究較多的是基于 Sagac 干涉 [8]的光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)。另外，還有一些將兩種干涉儀結(jié)合在一起的結(jié)構(gòu)，如 Sagnac 和MachZehnder, Sagnac 和 Michelson?；?Sagnac 干涉的光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是定位精度很高，已有論文報(bào)道在 5 公里的光纖環(huán)中，實(shí)現(xiàn)了 。 在國(guó)內(nèi)，進(jìn)行圍欄報(bào)警系統(tǒng)研制的單位主 要是華中科技大學(xué)和南開大學(xué)，他們采用的干涉儀主要是 MachZehnde:干涉儀。華中科技大學(xué)孫琪真報(bào)道的光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)采用 3X3 的光禍合器進(jìn)行無源零差解調(diào)，用高速 DSP 器件進(jìn)行信號(hào)分析，在 公里的長(zhǎng)度上實(shí)現(xiàn)了小于 100 米的定位精度 ，并能實(shí)時(shí)觀察擾動(dòng)信號(hào)的幅度和頻率。 本文的意義及其主要研究?jī)?nèi)容 目前國(guó)內(nèi)外光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)方面存在的問題是報(bào)警光纖的傳感距離比較近，而對(duì)光纖環(huán)位點(diǎn)的干擾檢測(cè)比較困難，定位精度比較低。本文研究的是超過 超長(zhǎng)距離光纖圍欄報(bào)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(shí)現(xiàn)全自動(dòng)侵入 [9]檢測(cè)的光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)， 應(yīng)用于 各種閉合區(qū)域的入侵檢測(cè)。若有行人、車輛等 通過該閉合區(qū)域時(shí)，該系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并準(zhǔn)確定位，判斷類型，便于 及早處理。對(duì)那些非人為因素 (如大風(fēng)、大雨等 )產(chǎn)生的干擾通過軟件進(jìn)行濾除，避免誤報(bào)警。 : 1)光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) : (1)光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)基本原理 。 (2)光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 2)光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案 : 根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，硬件方面 采用中央控制計(jì)算機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路 、 MachZehnder 干涉儀、耦 合器、單模光纖和圍欄等搭建了模擬測(cè)試的光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)。 在測(cè)試定位精度方面，我們通過預(yù)先測(cè)量好擾動(dòng)的位置來比照實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的擾動(dòng)位置，測(cè)試報(bào)警系統(tǒng)的定位精度。 在測(cè)試報(bào)警類型方面，我們預(yù)先通過報(bào)警系統(tǒng)采集好各種類型事物所產(chǎn)生的波形，建立數(shù)據(jù)庫。實(shí)驗(yàn)測(cè)試類型時(shí)，我們通過軟件實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)采集的信號(hào)與信號(hào)庫里的信號(hào)進(jìn)行比較，判斷擾動(dòng)類型。 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 第二章 傳感器原理以及相關(guān)技術(shù) 光纖圍欄報(bào)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(shí)現(xiàn)干涉，本部分 主要對(duì)傳感器原理及干涉技術(shù)作了分析，對(duì)系統(tǒng)的研究提供理論的基礎(chǔ)。 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(dāng)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(xì)，與波長(zhǎng)差不多或幾倍于 波長(zhǎng) (光波長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)，所以光傳輸單一，可能只有一種模式。當(dāng)光纖的纖芯直徑較大時(shí)，則有多種沿不同的途徑，以不同速率傳輸?shù)哪Ｊ?，所以有多種不同的模式傳輸?shù)墒煌倚蔚耐緩介L(zhǎng)度不一樣，因 而 到達(dá)接收的時(shí)延幾乎相等。光纖的主要有損耗與色散兩方面的特點(diǎn)，這對(duì)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(duì)應(yīng)力應(yīng)變型，主要研究領(lǐng)域?yàn)槠?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(yīng)用較多。 干涉型光纖傳感器的原理，用兩鏡面的相干光強(qiáng)描述： 兩鏡面可為空氣 (外 FP 型 )［ 12]或玻璃 (內(nèi) FP 型 )型兩個(gè)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(dòng)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(zhǎng)。 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 圖 21 光在光纖中傳播 對(duì)于埋入各向異性材料 (復(fù)合材料 )中的光纖，光纖內(nèi)的內(nèi)力場(chǎng)和變形場(chǎng)與包裹它的材料的內(nèi)力場(chǎng)和變形場(chǎng)，在研究中經(jīng)常假設(shè) : 1)小變形，服從線彈性理論 。 2)光纖中的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)是均勻的，目一為常數(shù)。 而 對(duì)包裹光纖的材料，在光纖方向?yàn)槌?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(shè)很容易建立光纖和包裹材料的力學(xué)方程，以及由假設(shè) 2 建立求解的邊界條件，最終得到兩者的應(yīng)力和 應(yīng)變場(chǎng)。 2 相位調(diào)制傳感原理 相位調(diào)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(cè)量外界物理量。通 常還要利用光干涉技術(shù)。模式調(diào)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(gè)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(dòng)的函數(shù)。 對(duì)于 偏振型則是在輸出端用偏振鏡采集因外界擾動(dòng)引起光纖 偏振態(tài) (偏振面旋轉(zhuǎn) )的變化，這是采用光在介質(zhì)中傳播的旋光效應(yīng) . 圖 22 多模光纖模式功率調(diào)制傳感原理 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 這是最近發(fā)展的一種傳感機(jī)理，其原理如圖 22 所示。雖然給出實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，但尚無理論分析。由于理論分析復(fù)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(dāng)分布式光纖傳感的概念被提出來以后，以其可以預(yù)測(cè)的許多優(yōu)點(diǎn) 而 備受大家關(guān)注，一度成為研究的熱點(diǎn)， 經(jīng)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(dāng)使用偏振光時(shí)域反射儀時(shí)，瑞麗回后向散射光的偏振狀態(tài)以時(shí)間為函數(shù)被檢測(cè)到，單模光纖的雙折射參數(shù)對(duì)諸如壓力、磁場(chǎng)、應(yīng)力、電場(chǎng)等被測(cè)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(yīng)的法拉第旋光效應(yīng)和克爾效應(yīng)監(jiān)測(cè)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的變化。后向散射光的后向散射系數(shù)與強(qiáng)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(duì)溫度的依賴關(guān)系卻非常的明顯。 。 基于布里淵效應(yīng)的光時(shí)域反 射儀是 OTDR 探測(cè)技術(shù)和布里淵散射相結(jié)合構(gòu)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(diào)諧激光器分別將一連續(xù)光與一脈沖光 (分別作為探測(cè)和泵浦光 )注人傳感光纖，當(dāng)泵浦光與探測(cè)光的頻率差與光纖中某區(qū)域的布里淵頻移相等 時(shí)，就會(huì)在該區(qū)產(chǎn)生布里淵放大效應(yīng)，兩光束之間發(fā)生能量的轉(zhuǎn)移。由于 布里淵應(yīng)變與頻移，它們的溫度存在線性關(guān)系。所以對(duì)兩激光器的頻率連續(xù)進(jìn)行調(diào)節(jié)的同時(shí)，通過檢測(cè)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(zhuǎn)移達(dá)到最大時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率差。 圖 23 基于布里淵散射效應(yīng)的傳 感器 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(cè)器和激光源長(zhǎng)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(cè)量場(chǎng) 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(dāng)經(jīng)過光纖單元 dl時(shí)，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(dá)檢測(cè)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