一种光纤Bragg光栅传感智能周界围栏报警系统

      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，但受一些客观技术条件等因素所限，还存在着一定的缺陷。而利用光电技术中的新型光纤传感技术做成的周界围栏报警系统具有非常明显的技术优势。本文介绍传统周界围栏报警系统的缺陷及光纤传感的优势，光纤Bragg光栅传感器的原理、优点，基于光纤Bragg光栅传感智能周界围栏报警系统的组成及工作原理，系统多处侵入定位报警的解决法及其应用与市场前景等。

一、光纤传感技术与周界围栏报警系统比较

　　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、电网等，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，还存在着一定的缺陷：如主动红外对射的围栏报警系统，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；且电子围栏、电网等又有一定危害性；它们又易受电磁干扰、信号干扰、串扰等，而使灵敏性下降，误报率、漏报率上升等。

　　与上述周界安防或围栏报警系统相比，利用光电技术中的新型光纤传感技术做成的周界安防或围栏报警系统具有非常明显的技术优势：

　　(1)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；

　　(2)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；

　　(3)不仅能发现外界扰动，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；

　　(4)无辐射、无易燃易爆材料，既防水又环保；

　　(5)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；

　　(6)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。

　　周界安防或围栏报警系统，在光纤传感技术中可利用两种光纤传感器来实现：一是利用光纤Bragg光栅分布式光纤传感器；二是利用光纤干涉型光纤传感器。本文讨论前者，后者己另外撰文介绍。

　　近年来，光纤传感技术中的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。光纤光栅传感主要优点之一是便于构成分布式传感系统，而构成分布式传感系统最关键技术之一是复用技术，包括波分复用(WDM)、时分复用(TDM)、空分复用(SDM)及它们的组合复用技术。由于它的敏感变化参量为光的波长，所以，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，并且光纤光栅具有制作简单、体积小、性能稳定可靠、又易与系统及其他光纤器件连接等特点。若将其作为传感部件，可实现实时测量和分布式测量。

　　由于光纤布拉格(Bragg)光栅对特定波长的光具有反射作用，并且其反射中心波长随着温度、应力等物理量的变化而变化，具有优良的温度和应变响应特性，因此它在传感领域有着非常广泛的应用前景。随着光纤布拉格光栅传感技术在测量方面的广泛应用，为安全技术防范系统的研究提供了广阔的生机。显然，能利用光纤布拉格光栅的应变与温度传感特性制成周界安防及围栏报警系统，因而对它的研究具有很大的实际意义和社会意义。

　　上面己简述了传统周界围栏报警系统的缺陷及光纤传感的优势，下面再介绍光纤Bragg光栅传感器的原理、优点，基于光纤Bragg光栅传感周界围栏报警系统的组成及工作原理，系统多处侵入定位报警的解决法及其应用与市场前景等。

二、光纤Bragg光栅传感器原理

　　光纤布拉格光栅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所示。图中，光纤Bragg光栅的周期Λ一般小于1μm。

图1、均匀周期光纤Bragg光栅结构

　　光纤布拉格(Bragg)光栅FBG传感的基本原理如图2所示。

图2、光纤布拉格(Bragg)光栅传感原理

　　光纤布拉格(Bragg)光栅传感的原理是，当一束光送进Bragg光纤光栅时，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。

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　　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

                 (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

             (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

（3）

　　式中， 为光纤光栅应变灵敏度系数，  为轴向应变。由式（3）可得

  （4）

　　由公式（4）看出，反射波长的变化与应变成正比。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，可得到温度变化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着影响。故可得到下列表达式，即

   （5）

　　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（5）可看出，反射波长的变化与温度变化ΔT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。

三、光纤Bragg光栅传感器的优点

　　光纤传感器的种类较多，它能以高分辨率测量许多物理参数，与传统的机电类传感器相比具有很多优势：如体积小、重量轻、灵活方便、本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温和无接地要求等，因此其应用范围非常广泛。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：

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      (1)抗干扰能力更强，有很高的可靠性和稳定性

　　FBG传感器是以光的波长为最小计量单位的，只需要探测到光纤中光栅波长的移动，而与光强无关，对光强的波动不敏感，因而比一般的光纤传感器具有更高的抗干扰能力。FBG传感器是用波长编码的传感器，光源强度的起伏、光纤微弯效应引起的随机起伏、耦合损耗等都不可能影响传感信号的波长特性，因而该传感系统具有很高的可靠性和稳定性。

　　(2)测量灵敏度高、分辨率高、精度高，具有良好的重复性

　　光纤布喇格光栅(FBG)传感器，明显优于普通光纤传感器的地方是它的传感信号为波长调制，因而其测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和测量仪器老化等因素影响，所以测量结果具有良好的重复性。并且，由于它是以光的波长为最小计量单位的，而目前对FBG波长移动的探测达到了pm量级的高分辨率，因而具有比传统光纤传感器的测量灵敏度高、精度高的特点。

　　(3)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

　　光纤Bragg光栅传感器，由于拉、压应力都能对其产生Bragg波长的变化，因此该传感器在结构检测中具有优异的变形匹配特性，其动态范围大（达10000×10-6ε）和线性度好。

　　并且，光纤Bragg光栅传感器避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固定参考点的需要，在对光纤Bragg光栅进行自标定后，能实现对外界参量变化的长期绝对测量。

　　(4)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

　　光纤Bragg光栅传感非常适于作成多路复用式和分布式的光纤传感器，因为它有易于在同一根光纤内集成多个传感器复用的特点。图3所示即为光纤光栅传感器在一根光纤内实现多点测量的示例。如美国的MICRON-OPTICS公司所研制的FBG应用系统Si425，可同时测量多达4路512个FBG传感器，扫描范围50nm、分辨率1pm、测量频率可达244Hz。

图3、利用单根光纤实现多点的分布式测量

　　FBG型分布式传感系统在应力多点分布式测量中有独到的优点，可同时完成温度和应力的双参量测量，为FBG应用开辟了更为广阔的前景。图4介绍了采用WDM/TDM解调的FBG阵列的拓扑结构。显然，这种光纤光栅传感器，便于构成各种形式的光纤传感网络。

图4、采用WDM/TDM的FBG阵列的拓扑结构

　　(5)便于远距离(达5km以上)监测桥梁等建筑物，能预/报警而使系统实现智能化

　　在光纤光栅应变测试系统中，光纤光栅传感器获取的稳定、高精度的应变信号，通过光缆远程传输送入调制调解器，然后直接输入计算机信息处理系统。这样，可利用桥梁等建筑物结构状况评估的专家系统，对桥梁等结构作出安全（正常）和不安全就预/报警的评价，而使系统实现智能化。同时，还能将评估报告或桥梁等的健康状况信息通过互联网及时传输至桥梁等管理部门，从而可实现结构在线健康监测的信息化管理。并且，桥梁等现场到解调仪之间仅需一根光缆连接，其距离可达5km以上，能实现桥梁的分布测量和集中监测处理。

　　(6)结构简单、寿命长，便于维护保养、便于扩展与安装

　　传感探头结构简单、尺寸小，因其外径和光纤本身等同，也便于扩展与安装，并适合各种应用场合。并且，传感系统自身运行可靠、传感元件寿命长，其解调器及后续的处理设备可置于集中监控室，避免了仪器在现场难于保护的缺点，便于保养和维修，从而提高了监测系统的可靠性和易维护性。

　　(7)光栅的写入工艺已较成熟，便于形成规模生产

　　目前，光纤Bragg光栅通过紫外写入的方法已较成熟，这种紫外写入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，从而较容易在纤芯内形成空间相位光栅，因而也便于形成规模生产。

　　(8)便于作成智能传感器，应用非常广泛

　　光纤光栅传感器可拓展的应用领域有许多，如将分布式光纤光栅传感器嵌入材料中形成智能材料，而便于作成智能传感器。智能材料是指将敏感元件嵌入被测构件机体和材料中，从而在构件或材料常规工作的同时实现对其安全运转、故障等的实时监控。其中，光纤和电导线与多种材料的有效结合是关键问题之一，尤其是实现与纺织材料的自动化编织。图5展示了一件嵌入光纤和电导线的背心。其中光纤和电导线的嵌入均已实现了自动化，为智能型服装的商业化解决了又一难题。

　　光纤Bragg光栅传感器，可对大型构件的载荷、应力、温度和振动等参数进行实时安全监测；光栅也可以代替其它类型结构的光纤传感器，用于化学、压力和加速度传感中。

　　当前，光纤光栅传感器被普遍认为是实现“光纤灵巧结构”、“光纤机敏材料”的理想器件。它在航空航天器、石油化学工业设备、电力设备、船舶结构、建筑结构、桥梁结构、医疗器具、核反应堆结构等都有广泛的应用。

图5、智能背心

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四、光纤Bragg光栅传感智能周界围栏报警系统的组成及原理

　　光纤Bragg光栅传感智能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。它是基于光纤Bragg光栅分布式光纤传感技术应用于周界监控防护的新系统。

　　光纤Bragg光栅传感周界围栏报警系统的组成及原理如图6所示。

图6、光纤Bragg光栅传感周界围栏报警系统的组成及原理

　　由图6可见，这种系统是利用单根光纤（光缆）作为传感传输二合一的器件，通过对直接触及光纤（缆）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的监控。

　　系统的工作原理是，采集侵入扰动的波长调制数据后，经过传输光纤送入监控室后端波长移动解调装置解调，经信号处理系统分析处理和智能识别，判断出不同的外部干扰类型：如对非危害性环境干扰如雷鸣、鞭炮、汽车鸣响、雨声等能进行识别，做出无害判断；还能识别如攀爬铁丝网、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。因此，可实现系统预警或实时告警，从而达到对侵入设防区域周界的威胁行为进行预警监测的目的。为了精确定位，只需获取光纤的准确长度，再根据现场情况将光纤长度距离换算为实际距离，在报警信息中得到准确可靠的定位精度，从而实现远距离安全保障系统的定位报警功能。通过系统提供的入侵地点的位置，还可以联动CCTV摄像监控进行声光报警或派遣人员到达现场处理。

　　对于局部高危区域，系统也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。

五、智能周界围栏报警系统多处侵入定位报警的解决及应用

　　(1)智能周界围栏报警系统多处侵入定位报警的解决法

　　在判断有威胁侵入行为发生时，系统能根据光信号调制的分析，可以实时对侵入行为发生点进行定位，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。

　　为了解决基于FBG传感器的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。这种利用经验模态分解法对于信号的突变性敏感和有效保留，以及其特有的自适应性分解特性，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，再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。这样，通过建立实验模型，对采集到的报警信号做了分析，证明了该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的有效性。

　　(2)光纤Bragg光栅传感智能周界围栏报警系统的应用

　　光纤Bragg光栅传感智能周界围栏报警系统，能沿光纤敷设区域全程任意点全天候不间断地实时监测。它可根据各种周界的不同需要，而采用不同的光缆敷设方式：如隐蔽地埋、围栏、围墙敷设，明敷、隐蔽敷设皆可。

　　①用于作长距离边界的警戒系统

　　如重要国境线、保税区隔离带、海关港口等长距离大范围防止侵入或越境的场所警戒。特别是崇山峻岭、沙漠荒野、人工巡逻查检十分不易的场所，敷设这种光纤警戒线。

　　②用于作重要设施的周界安全防卫

　　◆军事要地、国防设施：如部队、机场、军港、导弹/火箭发射基地、雷达、通讯站点；

　　◆国民经济重要设施：电力站、变电所、文博馆、金融库房、体育场馆；

　　◆易燃易爆场所的防卫：油库、气站、油气储存罐区、炸药库等；

　　◆重要防护场所：监狱、学校、水库、工业厂矿、重要住宅区等。

　　③用于作石油天然气管线的防护（防开挖、防偷盗、防破坏）

　　④用于作通讯电力线缆的防护等。

　　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FBG技术成熟、成本较低、报警定位精确等优势，在安防领域有着重要的应用前景，也是将来智能安防监测的主流发展方向。

　　当布置的光纤Bragg光栅传感光纤受到外界入侵后，使光纤Bragg光栅的波长发生变化，而引起光强突变，从而触发了报警。当然，在安全技术防范系统的实际应用中，应最好要同时经视频监控系统联动复核，再驱动声光报警，以提高安防系统的可靠性。

　　基于准分布式的FBG传感技术已经用于桥梁、建筑的健康监测等方面，其传感原理是通过外界参量如温度、应力等对Bragg中心波长的调制来实现的。当外界引起FBG 温度、应力改变时都会导致光栅周期和折射率发生变化，从而引起反射波长的变化。与其他相比采用FBG的优点包括：复用能力强，可以实现长距离准分布式的周界监测；抗电磁干扰、抗腐蚀能力强，适用于恶劣的环境中；结构简单，容易与其他材料结合使用以实现智能结构；以光纤为传感介质的入侵监测隐蔽性强等。而且波长解调并且成本越来越低，为该系统的实用奠定了技术基础。

　　基于光纤Bragg光栅传感的智能周界围栏报警系统的特点是，简单高效、安装便捷、维护简单、成本较低，且灵敏度还可以根据实际的安装环境变化而调整，很方便用户。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，在市场上定会得到迅速普及推广。