李 毅 孫學(xué)梅

（天津工業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)與軟件學(xué)院 中國 天津 050081）

光纖周界探測系統(tǒng)的探測傳感器是一種傳光型光纖振動傳感器。所謂傳光型光纖振動傳感器是指在光纖傳感系統(tǒng)中，光纖僅作為光波的傳輸通路，而利用其它如光學(xué)式或機械式的敏感特性來感受被測范圍振動的變化。由于利用光纖來探測和傳輸信號，因此它也具有電絕緣、抗電磁干擾和安全防爆等優(yōu)點，適用于傳統(tǒng)傳感器所不能勝任的測量場所。

使用光纖作為傳感器的光纖周界探測系統(tǒng)，彌補了現(xiàn)有視頻探測系統(tǒng)所存在有死角和視頻探測系統(tǒng)無法主動報警，遇霧霾、夜晚等天氣無法有效監(jiān)測的缺陷?？梢詫崿F(xiàn)長距離大范圍區(qū)域周界探測、報警等功，并且前端探測器與傳輸信息光纜均屬于無源器件，使得該系統(tǒng)適用于有特殊要求的場合。

1 系統(tǒng)原理

在實際應(yīng)用中，當外界壓力作用于綁扎在彈性柵格上的感應(yīng)光纜，受力部分的感應(yīng)光纜中傳輸光就會發(fā)生相位發(fā)生變化。長度為 的光纖，入射光和出射光的相位差是：

其中 為光波傳播常數(shù)，為光纖折射率，為光纖長度，當感應(yīng)光纖隨物體變化，出射光的相位變化為：

上式的第一項代表由于聲壓引起的光纖長度的變化，其中：

由于β的變化而引起的ΔΦ來源于兩個作用：彈光效應(yīng)：引起了光纖折射率的變化；縱向應(yīng)變引起了光纖直徑D的變化。即：

由于感應(yīng)光纖應(yīng)主要形變是由物體的軸向應(yīng)變 (沿光纖纖芯方向)引起的，物體的橫向應(yīng)變和剪切應(yīng)變對光纖應(yīng)變的影響可以忽略不計。所以在光纖中傳輸光會產(chǎn)生相位上的變化。

我們利用這一變化，利用軟件計算出在感應(yīng)光纜沒有受力時的入射光和出射光的光程差，當感應(yīng)光纜受外力時探測出當前光程差，通過軟件比兩者進行詳細的比對，實現(xiàn)對外界入侵信息的探測。

2 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)特性分析

在實際應(yīng)用中影響系統(tǒng)穩(wěn)定工作的因素是多種多樣的，例如大風(fēng)、暴雨、冰雹等外界因素，也有光源長時間工作穩(wěn)定性、外部接口松動、外部光纜彎曲以及固定探頭松動而產(chǎn)生的影響。下面探討下這兩個因素對系統(tǒng)性能的影響以及相應(yīng)的改良算法。

3.1 光源影響

系統(tǒng)的光源影響主要體現(xiàn)在強度變化和頻譜漂移兩個方向，但是對于使用光譜解調(diào)方案，定義對應(yīng)于固定波長的光強為 ，其因光源影響而導(dǎo)致的強度系數(shù)為I（λ），發(fā)生變化后的強度系數(shù)為aλ′則進入兩個CCD的對應(yīng)波長的光強定義為 aλI1（λ）、aλI2（λ），由于只有一路過探頭因此我們用另一路作為參考量做除法有：

由上式可知通過探測光路與對比光路光強進行除法運算可以消除光源對系統(tǒng)的影響。

3.2 外部結(jié)構(gòu)影響

在實際運用過程中，系統(tǒng)外部的接口會因為振動或是其他原因會有松動等現(xiàn)象會對傳感路的光強產(chǎn)生影響；敷設(shè)于外部的傳輸光纖會由于敷設(shè)及運用過程中的彎曲而對傳感路的光強產(chǎn)生影響；溫度探頭會因為在運用過程中的振動及其它因素產(chǎn)生松動而對傳感路的光強產(chǎn)生影響。這三種因素產(chǎn)生的原因雖然不同但是對系統(tǒng)的影響卻是相同的，定義其變化系數(shù)為ε，設(shè)使用的為等分耦合器代入公式有：

通過公式可以看出通過簡單的對比不能去除掉外部結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)的影響。

對其對數(shù)做微分有

由公式可知系統(tǒng)運用以上算法可以有效的消除系統(tǒng)外部結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性對系統(tǒng)性能的影響。

4 系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)

在現(xiàn)場應(yīng)用中我們采用在監(jiān)控機房設(shè)置安裝中心機柜，機柜為200*60*60cm。機柜內(nèi)安裝工控計算機、報警主機、繼電器擴展模塊、系統(tǒng)軟件組成。

在系統(tǒng)前端的采集設(shè)備由無源單防區(qū)控制器、光終端、通信光纜、傳感光纜、等組成，如圖1。

圖1

5 系統(tǒng)在工作中穩(wěn)定性分析

光纖周界探測系統(tǒng)在實際工作中運行具有較的高靈敏度，不論感應(yīng)光纜采用地埋式敷設(shè)還是采用掛網(wǎng)式敷設(shè)，都能在3秒內(nèi)快速確定探測物的位置。由于系統(tǒng)基于震動產(chǎn)生相位差的報警原理，所以無法避免由于大風(fēng)、暴雨吹動感應(yīng)光纜產(chǎn)生的報警；在實際工作中，也有由于飛鳥、貓、狗等動物打鬧撥動了感應(yīng)光纜產(chǎn)生的報警。

采用地埋式敷設(shè)的光纖周界探測系統(tǒng)，同時也受到大雪和冷凍天氣的影響，由于大雪使感應(yīng)光纖與地面的厚度增大，使得受力后光纖變形小不足以產(chǎn)生報警信息。在冷凍天氣敷設(shè)在光纖與上土層板塊化，受力后光纖變形小也不足以產(chǎn)生報警。

另外在實際施工過程中，由于施工人員覆蓋土層的厚度不同，會影響探測的林敏度。

所以基于以上考慮，光纖周界探測系統(tǒng)和視頻探測有效的聯(lián)動才能達到理想的周界安防效果。

［1］董小鵬,鄭俊達.基于波分復(fù)用的光纖多防區(qū)周界傳感系統(tǒng)[J].中國激光39,905007--1(2012).

［2］吳媛,卞龐.基于相位載波復(fù)用的光纖周界安防系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法[J].光子學(xué)報,2011,4.