光纤周界探测系统的应用研究

李 毅 孙学梅

（天津工业大学计算机科学与软件学院 中国 天津 050081）

光纤周界探测系统的探测传感器是一种传光型光纤振动传感器。所谓传光型光纤振动传感器是指在光纤传感系统中，光纤仅作为光波的传输通路，而利用其它如光学式或机械式的敏感特性来感受被测范围振动的变化。由于利用光纤来探测和传输信号，因此它也具有电绝缘、抗电磁干扰和安全防爆等优点，适用于传统传感器所不能胜任的测量场所。

使用光纤作为传感器的光纤周界探测系统，弥补了现有视频探测系统所存在有死角和视频探测系统无法主动报警，遇雾霾、夜晚等天气无法有效监测的缺陷。可以实现长距离大范围区域周界探测、报警等功，并且前端探测器与传输信息光缆均属于无源器件，使得该系统适用于有特殊要求的场合。

1 系统原理

在实际应用中，当外界压力作用于绑扎在弹性栅格上的感应光缆，受力部分的感应光缆中传输光就会发生相位发生变化。长度为 的光纤，入射光和出射光的相位差是：

其中 为光波传播常数，为光纤折射率，为光纤长度，当感应光纤随物体变化，出射光的相位变化为：

上式的第一项代表由于声压引起的光纤长度的变化，其中：

由于β的变化而引起的ΔΦ来源于两个作用：弹光效应：引起了光纤折射率的变化；纵向应变引起了光纤直径D的变化。即：

由于感应光纤应主要形变是由物体的轴向应变 (沿光纤纤芯方向)引起的，物体的横向应变和剪切应变对光纤应变的影响可以忽略不计。所以在光纤中传输光会产生相位上的变化。

我们利用这一变化，利用软件计算出在感应光缆没有受力时的入射光和出射光的光程差，当感应光缆受外力时探测出当前光程差，通过软件比两者进行详细的比对，实现对外界入侵信息的探测。

2 系统拓扑结构

3 系统特性分析

在实际应用中影响系统稳定工作的因素是多种多样的，例如大风、暴雨、冰雹等外界因素，也有光源长时间工作稳定性、外部接口松动、外部光缆弯曲以及固定探头松动而产生的影响。下面探讨下这两个因素对系统性能的影响以及相应的改良算法。

3.1 光源影响

系统的光源影响主要体现在强度变化和频谱漂移两个方向，但是对于使用光谱解调方案，定义对应于固定波长的光强为 ，其因光源影响而导致的强度系数为I（λ），发生变化后的强度系数为aλ′则进入两个CCD的对应波长的光强定义为 aλI1（λ）、aλI2（λ），由于只有一路过探头因此我们用另一路作为参考量做除法有：

由上式可知通过探测光路与对比光路光强进行除法运算可以消除光源对系统的影响。

3.2 外部结构影响

在实际运用过程中，系统外部的接口会因为振动或是其他原因会有松动等现象会对传感路的光强产生影响；敷设于外部的传输光纤会由于敷设及运用过程中的弯曲而对传感路的光强产生影响；温度探头会因为在运用过程中的振动及其它因素产生松动而对传感路的光强产生影响。这三种因素产生的原因虽然不同但是对系统的影响却是相同的，定义其变化系数为ε，设使用的为等分耦合器代入公式有：

通过公式可以看出通过简单的对比不能去除掉外部结构对系统的影响。

对其对数做微分有

由公式可知系统运用以上算法可以有效的消除系统外部结构的不稳定性对系统性能的影响。

4 系统应用结构

在现场应用中我们采用在监控机房设置安装中心机柜，机柜为200*60*60cm。机柜内安装工控计算机、报警主机、继电器扩展模块、系统软件组成。

在系统前端的采集设备由无源单防区控制器、光终端、通信光缆、传感光缆、等组成，如图1。

图1

5 系统在工作中稳定性分析

光纤周界探测系统在实际工作中运行具有较的高灵敏度，不论感应光缆采用地埋式敷设还是采用挂网式敷设，都能在3秒内快速确定探测物的位置。由于系统基于震动产生相位差的报警原理，所以无法避免由于大风、暴雨吹动感应光缆产生的报警；在实际工作中，也有由于飞鸟、猫、狗等动物打闹拨动了感应光缆产生的报警。

采用地埋式敷设的光纤周界探测系统，同时也受到大雪和冷冻天气的影响，由于大雪使感应光纤与地面的厚度增大，使得受力后光纤变形小不足以产生报警信息。在冷冻天气敷设在光纤与上土层板块化，受力后光纤变形小也不足以产生报警。

另外在实际施工过程中，由于施工人员覆盖土层的厚度不同，会影响探测的林敏度。

所以基于以上考虑，光纤周界探测系统和视频探测有效的联动才能达到理想的周界安防效果。

［1］董小鹏,郑俊达.基于波分复用的光纤多防区周界传感系统[J].中国激光39,905007--1(2012).

［2］吴媛,卞庞.基于相位载波复用的光纤周界安防系统及其实现方法[J].光子学报,2011,4.