利用光纖布拉格光柵實現周界圍欄報警系統的設計及應用

傳統的周界安防或圍欄報警系統：如主動紅外對射、微波對射、泄漏電纜、振動電纜、電子圍欄、電網等，雖為安全技術防范做出了一定的貢獻，但受一些客觀技術條件等因素所限，還存在著一定的缺陷。而利用光電技術中的新型光纖傳感技術做成的周界圍欄報警系統具有非常明顯的技術優(yōu)勢。本文介紹傳統周界圍欄報警系統的缺陷及光纖傳感的優(yōu)勢，光纖Bragg光柵傳感器的原理、優(yōu)點，基于光纖Bragg光柵傳感智能周界圍欄報警系統的組成及工作原理，系統多處侵入定位報警的解決法及其應用與市場前景等。

一、光纖傳感技術與周界圍欄報警系統比較

多年來，傳統的周界安防或圍欄報警系統：如主動紅外對射、微波對射、泄漏電纜、振動電纜、電子圍欄、電網等，為安全技術防范做出了一定的貢獻。但是，受一些客觀技術條件等因素所限，還存在著一定的缺陷：如主動紅外對射的圍欄報警系統，易受地形條件的高低、曲折、轉彎、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、強光、灰塵、雨、雪、 霧、霜等自然氣候的影響，易出現誤報率；再如泄露電纜、振動電纜、電子圍欄、電網等圍欄報警系統，均屬于有源的電傳感，系統功耗很大；且電子圍欄、電網等又有一定危害性；它們又易受電磁干擾、信號干擾、串擾等，而使靈敏性下降，誤報率、漏報率上升等。

與上述周界安防或圍欄報警系統相比，利用光電技術中的新型光纖傳感技術做成的周界安防或圍欄報警系統具有非常明顯的技術優(yōu)勢：

（1）抗電磁干擾，電絕緣性好、安全可靠，耐腐蝕、化學性能穩(wěn)定，因而完全不受雷電影響，能在惡劣的化學環(huán)境、野外環(huán)境及強電磁干擾等場所下工作；

（2）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；

（3）不僅能發(fā)現外界擾動，而且可確定外界擾動的位置，系統具有成本低、結構簡單、便于擴展與安裝容易；

（4）無輻射、無易燃易爆材料，既防水又環(huán)保；

（5）能源依賴性低，可大大節(jié)省供電設備與線路的成本，適合長距離使用；

（6）可根據被測對象的情況選擇不同的檢測方法，再加上其對被測介質影響小，所以它非常有利于在結構檢測等具有復雜環(huán)境的領域中應用等。

周界安防或圍欄報警系統，在光纖傳感技術中可利用兩種光纖傳感器來實現：一是利用光纖Bragg光柵分布式光纖傳感器；二是利用光纖干涉型光纖傳感器。本文討論前者，后者己另外撰文介紹。

近年來，光纖傳感技術中的光纖光柵是發(fā)展最為迅速、應用最為廣泛的光纖無源器件之一。光纖光柵傳感主要優(yōu)點之一是便于構成分布式傳感系統，而構成分布式傳感系統最關鍵技術之一是復用技術，包括波分復用（WDM）、時分復用（TDM）、空分復用（SDM）及它們的組合復用技術。由于它的敏感變化參量為光的波長，所以，不受光源、傳輸線路損耗等因素所引起的對光強度變化的干擾，并且光纖光柵具有制作簡單、體積小、性能穩(wěn)定可靠、又易與系統及其他光纖器件連接等特點。若將其作為傳感部件，可實現實時測量和分布式測量。

由于光纖布拉格（Bragg）光柵對特定波長的光具有反射作用，并且其反射中心波長隨著溫度、應力等物理量的變化而變化，具有優(yōu)良的溫度和應變響應特性，因此它在傳感領域有著非常廣泛的應用前景。隨著光纖布拉格光柵傳感技術在測量方面的廣泛應用，為安全技術防范系統的研究提供了廣闊的生機。顯然，能利用光纖布拉格光柵的應變與溫度傳感特性制成周界安防及圍欄報警系統，因而對它的研究具有很大的實際意義和社會意義。

上面己簡述了傳統周界圍欄報警系統的缺陷及光纖傳感的優(yōu)勢，下面再介紹光纖Bragg光柵傳感器的原理、優(yōu)點，基于光纖Bragg光柵傳感周界圍欄報警系統的組成及工作原理，系統多處侵入定位報警的解決法及其應用與市場前景等。

二、光纖Bragg光柵傳感器原理

光纖布拉格光柵FBG（Fiber Bragg Grating）是衍射光柵概念的發(fā)展，其衍射是由光纖內部折射率的變化實現的。FBG于1978年問世，它利用摻雜（如鍺、磷等）光纖的光敏性，通過紫外寫入的方法使外界入射光子和纖芯內的摻雜粒子相互作用，導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，在纖芯內形成空間相位光柵，如圖1所示。圖中，光纖Bragg光柵的周期Λ一般小于1μm。

光纖布拉格（Bragg）光柵FBG傳感的基本原理如圖2所示。

光纖布拉格（Bragg）光柵傳感的原理是，當一束光送進Bragg光纖光柵時，根據光柵理論，在滿足Bragg條件的情況下，就會發(fā)生全反射，其反射光譜在Bragg波長處出現峰值。光柵受到外部物理場（如應力、應變溫度等）的作用時，其柵距Λ隨之發(fā)生變化，從而改變了后向反射光的波長。根據ΔλB變化的大小就可以確定待測部位相應物理量的變化。

FBG好像一個窄帶的反光鏡，只反射一個波長而透射其余的波長。被反射的波長稱為Bragg波長，滿足光纖光柵的Bragg方程式，即滿足條件

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波長的傳感響應提供了理論工具，即任何使這兩個參量發(fā)生改變的過程，都將引起光柵Bragg波長的移位。因此，常見的FBG傳感器，就是通過測量布拉格波長的漂移而實現對被測量的檢測的。

在所有引起光柵Bragg波長移位的外界因素中，最直接的是應力、應變參量。因為無論是對光柵進行拉伸或擠壓，都將導致光柵周期∧的變化，并且光纖本身所具有的彈光效應，使得有效折射率也隨著外界應力狀態(tài)的變化而改變。據此，可用光纖Bragg光柵制成靈敏的光纖傳感器。其中，應力引起光柵Bragg波長的移位可以由下式統一描述

（2）

式中，ΔΛ為光纖本身在應力作用下的彈性形變；Δneff為光纖的彈光效應。不同的外界應力狀態(tài)將導致ΔΛ和Δneff的不同變化。因此，只要檢測到反射信號中光柵Bragg波長的移位ΔλB，即可檢測到待測傳感量的變化。

從彈光效應的角度來看，光纖光柵對縱向壓力較橫向壓力更為敏感。綜合彈光和波導兩種效應，光纖光柵對于均勻橫向應力的靈敏度較縱向伸縮要小，因而在復雜應力情況下，由縱向壓力引起的波長移位將會占主要地位。

若只考慮軸向應變（即縱向壓力）時，則引起中心波長位移的相對變化為

由公式（4）看出，反射波長的變化與應變成正比。也就是說，由反射波長的變化可以得到相應的應變力。

外界溫度改變，同樣也會引起光纖光柵Bragg波長的移位。從物理本質看，引起波長移位的原因主要有：光纖熱光效應、光纖熱膨脹效應、光纖內部熱應力引起的彈光效應。從光柵Bragg方程式（1）出發(fā)，當外界溫度改變時，對式（2）展開，可得到溫度變化ΔT時所引起的光纖光柵Bragg波長的移位。通過理論推導證實，當材料確定后，光纖光柵對溫度的靈敏度系數基本上是與材料系數相關的常數。因此，對于純熔融石英光纖，當不考慮外界因素的影響時，其溫度靈敏度系數基本上取決于材料的折射率溫度系數，而彈光效應與波導效應將不對光纖光柵的波長移位造成顯著影響。故可得到下列表達式，即

由式（5）可看出，反射波長的變化與溫度變化ΔT成正比。即由反射波長的變化可以得到相應的溫度。對1.55μm波長，可得到單位溫度變化下引起的波長移位為10.8pm/oC。

三、光纖Bragg光柵傳感器的優(yōu)點

光纖傳感器的種類較多，它能以高分辨率測量許多物理參數，與傳統的機電類傳感器相比具有很多優(yōu)勢：如體積小、重量輕、靈活方便、本質防爆、抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫和無接地要求等，因此其應用范圍非常廣泛。光纖光柵傳感器除具有一般光纖傳感器的優(yōu)點外，還具有下列優(yōu)點：

（1）抗干擾能力更強，有很高的可靠性和穩(wěn)定性

FBG傳感器是以光的波長為最小計量單位的，只需要探測到光纖中光柵波長的移動，而與光強無關，對光強的波動不敏感，因而比一般的光纖傳感器具有更高的抗干擾能力。FBG傳感器是用波長編碼的傳感器，光源強度的起伏、光纖微彎效應引起的隨機起伏、耦合損耗等都不可能影響傳感信號的波長特性，因而該傳感系統具有很高的可靠性和穩(wěn)定性。

（2）測量靈敏度高、分辨率高、精度高，具有良好的重復性

光纖布喇格光柵（FBG）傳感器，明顯優(yōu)于普通光纖傳感器的地方是它的傳感信號為波長調制，因而其測量信號不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和測量儀器老化等因素影響，所以測量結果具有良好的重復性。并且，由于它是以光的波長為最小計量單位的，而目前對FBG波長移動的探測達到了pm量級的高分辨率，因而具有比傳統光纖傳感器的測量靈敏度高、精度高的特點。

（3）動態(tài)范圍大、線性好，能自定標，可用于對外界參量的絕對測量

光纖Bragg光柵傳感器，由于拉、壓應力都能對其產生Bragg波長的變化，因此該傳感器在結構檢測中具有優(yōu)異的變形匹配特性，其動態(tài)范圍大（達10000×10-6ε）和線性度好。

并且，光纖Bragg光柵傳感器避免了一般干涉型傳感器中相位測量的不清晰和對固定參考點的需要，在對光纖Bragg光柵進行自標定后，能實現對外界參量變化的長期絕對測量。

（4）能在同一根光纖內集成多個傳感器復用，便于構成各種形式的光纖傳感網絡

光纖Bragg光柵傳感非常適于作成多路復用式和分布式的光纖傳感器，因為它有易于在同一根光纖內集成多個傳感器復用的特點。圖3所示即為光纖光柵傳感器在一根光纖內實現多點測量的示例。如美國的MICRON-OPTICS公司所研制的FBG應用系統Si425，可同時測量多達4路512個FBG傳感器，掃描范圍50nm、分辨率1pm、測量頻率可達244Hz。

FBG型分布式傳感系統在應力多點分布式測量中有獨到的優(yōu)點，可同時完成溫度和應力的雙參量測量，為FBG應用開辟了更為廣闊的前景。圖4介紹了采用WDM/TDM解調的FBG陣列的拓撲結構。顯然，這種光纖光柵傳感器，便于構成各種形式的光纖傳感網絡。

（5）便于遠距離（達5km以上）監(jiān)測橋梁等建筑物，能預/報警而使系統實現智能化

在光纖光柵應變測試系統中，光纖光柵傳感器獲取的穩(wěn)定、高精度的應變信號，通過光纜遠程傳輸送入調制調解器，然后直接輸入計算機信息處理系統。這樣，可利用橋梁等建筑物結構狀況評估的專家系統，對橋梁等結構作出安全（正常）和不安全就預/報警的評價，而使系統實現智能化。同時，還能將評估報告或橋梁等的健康狀況信息通過互聯網及時傳輸至橋梁等管理部門，從而可實現結構在線健康監(jiān)測的信息化管理。并且，橋梁等現場到解調儀之間僅需一根光纜連接，其距離可達5km以上，能實現橋梁的分布測量和集中監(jiān)測處理。

（6）結構簡單、壽命長，便于維護保養(yǎng)、便于擴展與安裝

傳感探頭結構簡單、尺寸小，因其外徑和光纖本身等同，也便于擴展與安裝，并適合各種應用場合。并且，傳感系統自身運行可靠、傳感元件壽命長，其解調器及后續(xù)的處理設備可置于集中監(jiān)控室，避免了儀器在現場難于保護的缺點，便于保養(yǎng)和維修，從而提高了監(jiān)測系統的可靠性和易維護性。

（7）光柵的寫入工藝已較成熟，便于形成規(guī)模生產

目前，光纖Bragg光柵通過紫外寫入的方法已較成熟，這種紫外寫入使外界入射光子和纖芯內的摻雜粒子相互作用，導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，從而較容易在纖芯內形成空間相位光柵，因而也便于形成規(guī)模生產。

（8）便于作成智能傳感器，應用非常廣泛

光纖光柵傳感器可拓展的應用領域有許多，如將分布式光纖光柵傳感器嵌入材料中形成智能材料，而便于作成智能傳感器。智能材料是指將敏感元件嵌入被測構件機體和材料中，從而在構件或材料常規(guī)工作的同時實現對其安全運轉、故障等的實時監(jiān)控。其中，光纖和電導線與多種材料的有效結合是關鍵問題之一，尤其是實現與紡織材料的自動化編織。圖5展示了一件嵌入光纖和電導線的背心。其中光纖和電導線的嵌入均已實現了自動化，為智能型服裝的商業(yè)化解決了又一難題。

光纖Bragg光柵傳感器，可對大型構件的載荷、應力、溫度和振動等參數進行實時安全監(jiān)測；光柵也可以代替其它類型結構的光纖傳感器，用于化學、壓力和加速度傳感中。

當前，光纖光柵傳感器被普遍認為是實現“光纖靈巧結構”、“光纖機敏材料”的理想器件。它在航空航天器、石油化學工業(yè)設備、電力設備、船舶結構、建筑結構、橋梁結構、醫(yī)療器具、核反應堆結構等都有廣泛的應用。

四、光纖Bragg光柵傳感智能周界圍欄報警系統的組成及原理

光纖Bragg光柵傳感智能周界圍欄報警系統是利用激光、光纖傳感和光通信等高科技技術構建的安全報警系統，是一種對威脅公眾安全的突發(fā)事件進行監(jiān)控和報警的現代防御體系。它是基于光纖Bragg光柵分布式光纖傳感技術應用于周界監(jiān)控防護的新系統。

光纖Bragg光柵傳感周界圍欄報警系統的組成及原理如圖6所示。

由圖6可見，這種系統是利用單根光纖（光纜）作為傳感傳輸二合一的器件，通過對直接觸及光纖（纜）或通過承載物，如覆土、鐵絲網、圍欄、管道等，傳遞給光纖（纜）的各種擾動，以進行全程任意點全天候不間斷地持續(xù)和實時的監(jiān)控。

系統的工作原理是，采集侵入擾動的波長調制數據后，經過傳輸光纖送入監(jiān)控室后端波長移動解調裝置解調，經信號處理系統分析處理和智能識別，判斷出不同的外部干擾類型：如對非危害性環(huán)境干擾如雷鳴、鞭炮、汽車鳴響、雨聲等能進行識別，做出無害判斷；還能識別如攀爬鐵絲網、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。因此，可實現系統預警或實時告警，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。為了精確定位，只需獲取光纖的準確長度，再根據現場情況將光纖長度距離換算為實際距離，在報警信息中得到準確可靠的定位精度，從而實現遠距離安全保障系統的定位報警功能。通過系統提供的入侵地點的位置，還可以聯動CCTV攝像監(jiān)控進行聲光報警或派遣人員到達現場處理。

對于局部高危區(qū)域，系統也可實現語音監(jiān)聽和記錄。該功能完全無需采用電或金屬的傳感器，僅用光纖即可實現，從而豐富了用單一光纖實現監(jiān)控系統的功能和防護等級。

五、智能周界圍欄報警系統多處侵入定位報警的解決及應用

（1）智能周界圍欄報警系統多處侵入定位報警的解決法

在判斷有威脅侵入行為發(fā)生時，系統能根據光信號調制的分析，可以實時對侵入行為發(fā)生點進行定位，從而便于安保人員對目標明確地及時采取有效措施，以制止侵入行為后續(xù)事件發(fā)生。

為了解決基于FBG傳感器的光纖圍欄報警系統中，多個FBG傳感器在同時受擾時，定位報警信號難，而無法實現對報警信號的有效識別和判斷的問題，可以利用一種基于經驗模態(tài)分解（EMD）和小波包特征熵算法的分析方法來解決。這種利用經驗模態(tài)分解法對于信號的突變性敏感和有效保留，以及其特有的自適應性分解特性，首先對報警信號進行經驗模態(tài)分解，再結合小波包分解，得到小波包系數提取其信號的能量分布，再做歸一化得到信號的能量分布特征向量，最后運用相關性分析，以實現對報警信號的識別和判斷。這樣，通過建立實驗模型，對采集到的報警信號做了分析，證明了該方法對于解決光纖圍欄報警系統中FBG傳感器的級聯判斷報警信號的有效性。

（2）光纖Bragg光柵傳感智能周界圍欄報警系統的應用

光纖Bragg光柵傳感智能周界圍欄報警系統，能沿光纖敷設區(qū)域全程任意點全天候不間斷地實時監(jiān)測。它可根據各種周界的不同需要，而采用不同的光纜敷設方式：如隱蔽地埋、圍欄、圍墻敷設，明敷、隱蔽敷設皆可。

①用于作長距離邊界的警戒系統

如重要國境線、保稅區(qū)隔離帶、海關港口等長距離大范圍防止侵入或越境的場所警戒。特別是崇山峻嶺、沙漠荒野、人工巡邏查檢十分不易的場所，敷設這種光纖警戒線。

②用于作重要設施的周界安全防衛(wèi)

◆軍事要地、國防設施：如部隊、機場、軍港、導彈/火箭發(fā)射基地、雷達、通訊站點；

◆國民經濟重要設施：電力站、變電所、文博館、金融庫房、體育場館；

◆易燃易爆場所的防衛(wèi)：油庫、氣站、油氣儲存罐區(qū)、炸藥庫等；

◆重要防護場所：監(jiān)獄、學校、水庫、工業(yè)廠礦、重要住宅區(qū)等。

③用于作石油天然氣管線的防護（防開挖、防偷盜、防破壞）

④用于作通訊電力線纜的防護等。

由上述介紹可知，基于長距離準分布式FBG傳感器的光纖圍欄作為一種新型的安防監(jiān)測系統，不僅具有抗電磁干擾、抗腐蝕、易復用的特點，而且FBG技術成熟、成本較低、報警定位精確等優(yōu)勢，在安防領域有著重要的應用前景，也是將來智能安防監(jiān)測的主流發(fā)展方向。

當布置的光纖Bragg光柵傳感光纖受到外界入侵后，使光纖Bragg光柵的波長發(fā)生變化，而引起光強突變，從而觸發(fā)了報警。當然，在安全技術防范系統的實際應用中，應最好要同時經視頻監(jiān)控系統聯動復核，再驅動聲光報警，以提高安防系統的可靠性。

基于準分布式的FBG傳感技術已經用于橋梁、建筑的健康監(jiān)測等方面，其傳感原理是通過外界參量如溫度、應力等對Bragg中心波長的調制來實現的。當外界引起FBG 溫度、應力改變時都會導致光柵周期和折射率發(fā)生變化，從而引起反射波長的變化。與其他相比采用FBG的優(yōu)點包括：復用能力強，可以實現長距離準分布式的周界監(jiān)測；抗電磁干擾、抗腐蝕能力強，適用于惡劣的環(huán)境中；結構簡單，容易與其他材料結合使用以實現智能結構；以光纖為傳感介質的入侵監(jiān)測隱蔽性強等。而且波長解調并且成本越來越低，為該系統的實用奠定了技術基礎。

基于光纖Bragg光柵傳感的智能周界圍欄報警系統的特點是，簡單高效、安裝便捷、維護簡單、成本較低，且靈敏度還可以根據實際的安裝環(huán)境變化而調整，很方便用戶。因此，在它轉化定型生產后，將非常適合于大中小型的周界圍欄布防用戶的使用，在市場上定會得到迅速普及推廣。