基于FBG传感的周界围栏报警系统的设计

　　摘要：传统的周界安防或围栏报警系统（如主动红外对射、微波对射、泄漏电缆、振动电缆、电子围栏、电网等）虽为安全技术防范做出了一定的贡献，然而受一些客观技术条件等因素所限，也存在着一定的缺陷，如误报、漏报现象时有发生。为解决此问题，国内外学者竞相研究光纤围拦传感技术。本文介绍FBG传感器的原理与优点，基于FBG传感的周界围栏报警系统的组成及工作原理，波长移动解调，多处侵入定...   

　　传统的周界安防或围栏报警系统（如主动红外对射、微波对射、泄漏电缆、振动电缆、电子围栏、电网等）虽为安全技术防范做出了一定的贡献，然而受一些客观技术条件等因素所限，也存在着一定的缺陷，如误报、漏报现象时有发生。为解决此问题，国内外学者竞相研究光纤围拦传感技术。本文介绍FBG传感器的原理与优点，基于FBG传感的周界围栏报警系统的组成及工作原理，波长移动解调，多处侵入定位与入侵模式特征等。经实验证明，系统可靠，达到了预期的目的。

　　引言

　　多年来，传统的周界安防或围栏报警系统(如主动红外对射、微波对射、泄漏电缆、振动电缆、电子围栏等)虽为安全技术防范做出了一定的贡献。但是，受一些客观技术条件等因素所限，也存在着一定的缺陷：如主动红外对射的围栏报警系统，适应环境的能力差，易受地形条件的高低、曲折、转弯、折弯等环境限制，而且它们不适合恶劣气候，容易受高温、低温、强光、灰尘、雨、雪、 雾、霜等自然气候的影响，易出现误报率;再如泄露电缆、振动电缆、电子围栏、电网等围栏报警系统，均属于有源的电传感，系统功耗很大。此外，电子围栏、电网等具有一定危害性;还易受电磁干扰、信号干扰、串扰等，使灵敏度下降、误报率、漏报率(如覆盖上电绝缘物翻过电围栏)上升。

　　与上述周界安防或围栏报警系统相比，利用新型光纤传感技术做成的周界安防或围栏报警系统具有明显的技术优势：

　　· 抗电磁干扰，电绝缘性好、安全可靠，耐腐蚀、化学性能稳定，因而完全不受雷电影响，能在恶劣的化学环境、野外环境及强电磁干扰等场所下工作;

　　· 体积小、重量轻，几何形状可塑，传输损耗小，传输容量大，具有非常好的可靠性和稳定性;

　　· 不仅能发现外界的扰动，而且可确定外界扰动的位置，系统具有成本低、结构简单、便于扩展与安装容易;

　　· 无辐射、无易燃易爆材料，既防水又环保;

　　· 能源依赖性低，可大大节省供电设备与线路的成本，适合长距离使用;

　　· 可根据被测对象的情况选择不同的检测方法，再加上其对被测介质影响小，所以它非常有利于在结构检测等具有复杂环境的领域中应用等。

　　光纤周界围栏报警系统，可利用三种方法来实现：一是光时域反射(OTDR)技术;二是光纤干涉型光纤传感器;三是FBG分布式光纤传感器。

　　近年来，光纤光栅是发展最为迅速、应用最为广泛的光纤无源器件之一。由于它的敏感变化参量为光的波长，因而不受光源、传输线路损耗等因素所引起的对光强度变化的干扰，并且它易与系统及其他光纤器件连接而便于构成分布式传感系统，因此可实现实时测量和分布式测量。由于FBG具有优良的温度和应变响应特性，因而可用来制成应力、压力、振动、火灾与温度等传感器，尤其方便用于周界安防及围栏入侵报警系统中，所以它在国家与人民安全以及反恐斗争中将具有极大的实际意义和社会意义。

　　FBG传感器原理及优点

　　FBG(Fiber Bragg Grating)是衍射光栅概念的发展，其衍射是由光纤内部折射率的变化实现的。FBG于1978年问世，它利用掺杂(如锗、磷等)光纤的光敏性，通过紫外写入的方法使外界入射光子和纤芯内的掺杂粒子相互作用，导致纤芯折射率沿纤轴方向周期性或非周期性的永久性变化，在纤芯内形成空间相位光栅(如图1)。图中，FBG的周期Λ一般小于1μm。

　　FBG传感的基本原理如图2所示。当一束光送进FBG时，根据光栅理论，在满足Bragg条件的情况下，就会发生全反射，其反射光谱在Bragg波长处出现峰值。光栅受到外部物理场(如应力应变、温度等)的作用时，其栅距Λ随之发生变化，从而改变了后向反射光的波长。根据ΔλB变化的大小就可以确定待测部位相应物理量的变化。

　　FBG好像一个窄带的反光镜，只反射一个波长而透射其余的波长。被反射的波长称为Bragg波长，满足光纤光栅的Bragg方程式，即满足条件

　　λB=2neffΛ          (1)

　　式中，∧为Bragg光栅周期;neff为反向耦合模有效折射率。该方程式为光纤光栅在外界作用下Bragg波长的传感响应提供了理论工具，即任何使这两个参量发生改变的过程，都将引起光栅Bragg波长的移位。因此，常见的FBG传感器，就是通过测量布拉格波长的移动(或漂移)而实现对被测量的检测的。

　　在所有引起光栅Bragg波长移位的外界因素中，最直接的是应力、应变参量。因为无论是对光栅进行拉伸或挤压，都将导致光栅周期∧的变化，并且光纤本身所具有的弹光效应，使得有效折射率也随着外界应力状态的变化而改变。据此，可用光纤Bragg光栅制成灵敏的光纤传感器。其中，应力引起光栅Bragg波长的移位可以由下式统一描述

　　ΔλB=2neffΔΛ+2ΔneffΛ           (2)

　　式中，ΔΛ为光纤本身在应力作用下的弹性形变;Δneff为光纤的弹光效应。不同的外界应力状态将导致ΔΛ和Δneff的不同变化。因此，只要检测到反射信号中光栅Bragg波长的移位ΔλB，即可检测到待测传感量的变化。

　　从弹光效应的角度来看，光纤光栅对纵向压力较横向压力更为敏感。综合弹光和波导两种效应，光纤光栅对于均匀横向应力的灵敏度较纵向伸缩要小，因而在复杂应力情况下，由纵向压力引起的波长移位将会占主要地位。

　　若只考虑轴向应变(即纵向压力)时，则引起中心波长位移的相对变化为

　　式中， 为光纤光栅应变灵敏度系数， 为轴向应变。由式(3)可看出，反射波长的变化与应变应力成正比。也就是说，由反射波长的变化可以得到相应的应变力。

　　外界温度的改变，同样也会引起光纤光栅Bragg波长的移位。从物理本质看，引起波长移位的原因主要有：光纤热光效应、光纤热膨胀效应、光纤内部热应力引起的弹光效应。从光栅Bragg方程式(1)出发，当外界温度改变时，对式(2)展开，可得温度变化ΔT时所引起的光纤光栅Bragg波长的移位。通过理论推导证实，当材料确定后，光纤光栅对温度的灵敏度系数基本上是与材料系数相关的常数。因此，对于纯熔融石英光纤，当不考虑外界因素的影响时，其温度灵敏度系数基本上取决于材料的折射率温度系数，而弹光效应与波导效应将不对光纤光栅的波长移位造成显著影响。故可得下列表达式，即

　　式中，αn为热光系数;αΛ为线性热膨胀系数。对于熔融石英光纤，αn=0.86×10-5/oC，而αΛ=5.5×10-7/oC。

　　由式(4)可看出，反射波长的变化与温度变化ΔT也成正比。即由反射波长的变化可以得到相应的温度。对1.55μm波长，可得到单位温度变化下引起的波长移位为10.8pm/oC。

　　光纤光栅传感器除具有一般光纤传感器的优点外，还具有下列优点：

　　· 抗干扰能力更强，有很高的可靠性和稳定性;

　　· 测量灵敏度高、分辨率高、精度高，具有良好的重复性;

　　· 动态范围大、线性好，能自定标，可用于对外界参量的绝对测量;

　　· 能在同一根光纤内集成多个传感器复用，便于构成各种形式的光纤传感网络;

　　· 便于远距离监测桥梁等建筑物，便于作成智能传感器，而应用广泛;

　　· 结构简单、寿命长，便于维护保养、便于扩展与安装;

　　· 光栅的写入工艺成熟，便于形成规模生产等。

　　FBG传感周界围栏报警系统的设计

　　FBG传感周界围栏报警系统是利用激光、光纤传感和光通信等高科技技术构建的安全报警系统，是一种对威胁公众安全的突发事件进行监控和报警的现代防御体系。它是基于FBG分布式光纤传感技术应用于周界监控防护的新系统。

　　所设计的FBG传感周界围栏报警系统由宽带光源、耦合器、带所需个数FBG传感器(根据周界长度而设)的传感光纤与传输光纤、波长移动解调装置、信号处理系统等组成(如如图3所示)。

　　由图3可见，这种系统是利用单根光纤 (在光敏性光纤上用紫外光写入所需个数的Bragg光栅)作为传感传输二合一的器件，通过对直接接触光纤或通过承载物，如覆土、铁丝网、围栏、管道等，传递给光纤(缆)的各种扰动，以进行全程任意点全天候不间断地持续和实时地监控。

　　FBG传感周界围栏报警系统的工作原理是：由宽带光源发出的光，经耦合器传输到布设有所需个数的FBG周界传感光纤中，当其中的某点FBG传感器的光纤受到外界入侵的扰动后，即使该FBG的波长发生变化，其反射光波长调制数据经耦合器通过传输光纤送入监控室内，其输入的光到达波长移动解调装置，先由光电探测器接收放大，再送入波长移动解调电路解调，最后经信号处理系统分析处理和智能识别，以判断出外部有否危害入侵。对非危害性环境干扰如雷鸣、鞭炮等，也能进行识别，而可做出无害判断;当识别有攀爬铁丝网、按压围墙、禁行区域的奔跑或行走，以及可能威胁周界建筑物的机械施工等后，为提高可靠性，必须再经过周界监控摄像机所摄的监控图像的判断复核确定，才可实现系统预警或实时告警，以达到对侵入设防区域周界的威胁行为进行实时监测的目的。

　　对于局部高危区域，系统还可实现语音监听和记录。该功能完全无需采用电或金属的传感器，仅用光纤即可实现，从而丰富了用单一光纤实现监控系统的功能和防护等级。

　　波长移动解调

　　实际上，研究FBG传感器的关键问题是如何精确测量FBG反射波长的移动量。传统上一般应用光谱仪解调系统，虽然近年出现的微型光谱仪体积小、价格便宜，但其光谱分辨力只在0.1 nm数量级，远远达不到FBG解调需要的pm级的分辨力。为了提高Bragg波长漂移量的测量精度，各国学者研究了很多解调方法，如边缘滤波器法，可调谐滤波器法，干涉仪扫描法与双腔干涉仪扫描法等。2007年天津大学精仪学院光电信息技术科学教育部重点实验室，针对大型建筑结构监测应用领域研制了一种便携式FBG波长解调仪，它基于无源比例解调原理，以熔融拉锥器件作为线性滤波器，采用锁相放大技术提取微弱信号，并利用单片机控制FBG波长信息的采集、显示以及存储。该解调仪结构简单、成本低，可实现大量程波长测量。实验表明，该光纤光栅解调仪解调范围达15 nm，波长测量精度为12.4 pm。

　　采用一种基于F-P可调谐滤波器和波长基准器，并用插值-相关谱法进行处理。首先在原始光谱中每相邻两点间线性插入一些点，再利用相关谱法得到Bragg波长移动量。该方法不但可以有效抑制噪声，而且能精确地测量Bragg波长移动量，从而实现高精度地测量温度、应变等外界参量。理论分析和实验表明：采用相关谱法测量Bragg波长移动量是可行的，且可以提高信噪比，进而提高解调精度。在此基础上，结合线性插值的方法，在原始光谱中每相邻两点间插入一定数量的点，可以进一步提高解调精度。采用这种解调方法可使Bragg光栅波长分辨力达到1 pm，温度测量精度达到±0.2℃。

　　多处侵入定位及入侵模式特征

　　一般，光纤Bragg光栅周界围栏报警系统存在多处同时受扰判断问题。因此，在判断有威胁侵入行为发生时，系统需能根据光信号调制的分析，对侵入行为发生点实时进行定位，从而便于安保人员对目标明确地及时采取有效措施，以制止侵入行为后续事件发生。

　　为解决光纤围栏报警系统中多个FBG传感器在同时受扰时，定位报警信号难，而无法实现对报警信号的有效识别和判断的问题，可以利用一种基于经验模态分解(EMD)和小波包特征熵算法的分析方法来解决。我们首先对报警信号进行经验模态分解，再结合小波包分解，得到小波包系数提取其信号的能量分布;其次做归一化得到信号的能量分布特征向量;最后运用相关性分析，以实现对报警信号的识别和判断。

　　实验证明，结合经验模态分解和小波包特征熵算法能够有效解决FBG传感器的光纤围栏报警系统中同时受扰判断的定位报警问题。因此充分证明了，利用这种方法对于解决光纤围栏报警系统中FBG传感器的级联判断报警信号是有效的。

　　从一般对光纤周界围栏的侵入与实验数据中，我们得出了六种不同的入侵报警模式，其典型的特征图如图4所示。图4中：(a)为行走入侵模式;(b)为跑动入侵模式;(c)为车辆入侵模式;(d)为翻越入侵模式;(e)为剪切入侵模式;(f)摇动入侵模式。显然，前三种为地面入侵模式;后三种为围栏入侵模式。本系统首先从报警信号中提取其长度、极值、幅度、周期、均值、小波系数均值、信号波动、应变特征、峄值特征、冲击特征、振动特征等各种特征数据;其次，根据阈值单元判断信号含有哪些特征;最后，根据经验确定的隶属函数来分析判别这些特征，并用特征组合的方法判断其为何种入侵模式的信号。

　　经实验证明，设计方案可行，系统可靠，完全达到了预期的目的。

　　结语

　　由上述介绍可知，基于长距离准分布式FBG传感器的光纤围栏作为一种新型的安防监测系统，不仅具有抗电磁干扰、抗腐蚀、易复用的特点，而且具有技术成熟、成本较低、报警定位精确、可靠性高等优势，是目前智能安防监控的一种主流发展方向，在安防领域势必拥有广阔的应用前景。

　　值得指出的是，为提高可靠性，本方案最后均经视频监控系统集成联动复核后，再驱动声光报警。本方案的特点是：简单高效、安装便捷、方便用户、维护简单，且灵敏度还可以根据实际的安装环境变化而调整，稳定可靠。因此，在它转化定型生产后，将非常适合于大中小型的周界围栏布防用户的使用，相信在民用市场上定会得到迅速普及推广。