基于FBG傳感的周界圍欄報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　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(jiàn)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(kāi)，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。