鄭 潛，劉 海

（1.武漢光谷奧源科技股份有限公司，武漢 430074； 2.華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，武漢 430074）

光纖地波周界安防設(shè)備設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭 潛1，劉 海2

（1.武漢光谷奧源科技股份有限公司，武漢 430074； 2.華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，武漢 430074）

為了增強(qiáng)對(duì)地下文物的安全保護(hù)，設(shè)計(jì)了一種智能光纖地波周界安防設(shè)備。通過將馬赫-曾德爾光纖干涉技術(shù)應(yīng)用于地波傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)地波微震動(dòng)的監(jiān)聽。利用軟件算法分析微震動(dòng)波的幅頻特性值，智能過濾干擾，對(duì)入侵行為進(jìn)行甄別、記錄和報(bào)警聯(lián)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)備單探點(diǎn)有效監(jiān)控范圍在半徑25 m內(nèi)，單系統(tǒng)最大探點(diǎn)數(shù)量為64個(gè)，預(yù)警辨別時(shí)間小于2 s。

周界安防；過濾干擾；光纖傳感；地波

0　引 言

光纖傳感技術(shù)具有抗干擾、耐腐蝕、靈敏度高、可靠性強(qiáng)、體積小巧和無輻射等特點(diǎn)，特別適合進(jìn)行大范圍、大容量、地形復(fù)雜和遠(yuǎn)程分布式的測(cè)量。光纖傳感周界安防作為一種新興手段，有別于目前廣泛使用的紅外對(duì)射和張力檢測(cè)圍欄，能在大范圍監(jiān)控區(qū)域全天候地對(duì)入侵行為進(jìn)行有效的智能識(shí)辨，過濾干擾，提升周界報(bào)警器的防誤報(bào)、防漏報(bào)能力，是未來周界防入侵產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的趨勢(shì)之一［1-2］。

本文基于馬赫-曾德爾光纖傳感原理，設(shè)計(jì)了一種光纖地波微震動(dòng)傳感器，采用光/電轉(zhuǎn)換對(duì)地波微震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，利用Python軟件編寫底層算法，并結(jié)合Javascript完成人機(jī)交互界面。該設(shè)備單探點(diǎn)的有效監(jiān)控范圍在半徑25 m內(nèi)；單系統(tǒng)最大探點(diǎn)數(shù)量為64個(gè)；預(yù)警辨別時(shí)間小于2 s。對(duì)文博領(lǐng)域地下文物的盜挖行為具有有效的監(jiān)控作用。

1　光纖地波微震動(dòng)傳感器

圖1 光纖地波微震動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖1所示為光纖地波微震動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)圖。物理結(jié)構(gòu)為彈頭型柱狀面接觸傳感器，其在應(yīng)用時(shí)被埋于地下1 m左右，因此設(shè)計(jì)成彈頭型放置時(shí)較穩(wěn)固。該傳感器由無源器件組成，即光纖地波周界安防設(shè)備的室外部分可以是全無源器件。

（1）內(nèi)部結(jié)構(gòu)

該傳感器由上下兩個(gè)相隔離的光學(xué)有感腔和光學(xué)無感腔組成。分腔室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是在公司較潔凈的生產(chǎn)車間安裝并調(diào)試好光學(xué)有感腔內(nèi)的馬赫-曾德爾傳感結(jié)構(gòu)后，可以進(jìn)行密封保存，傳感結(jié)構(gòu)不易受到破壞。

在野外施工時(shí)，只需將引導(dǎo)光纜在光學(xué)無感腔內(nèi)與從有感腔伸出的傳感尾纖進(jìn)行安裝即可。有感腔與無感腔隔離，保證了即使野外施工條件惡劣，也不會(huì)影響有感腔內(nèi)傳感結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。頂端的把手可便于施工時(shí)抓舉。

（2）外部結(jié)構(gòu)

整個(gè)外殼由柱狀面采集筒、腔室隔離盒、拋物面底蓋和腔室防水鎖緊箍4部分組成。

（3）傳感結(jié)構(gòu)原理

在密封的采集筒內(nèi)部安置馬赫-曾德爾參考光纖，可杜絕外部震動(dòng)干擾。而在采集筒外部表面纏繞傳感光纖，有利于傳感光纖與外部土壤緊密接觸感知土壤震動(dòng)。

相干激光經(jīng)過參考光纖和傳感光纖，產(chǎn)生馬赫-曾德爾干涉信號(hào)，再經(jīng)光纜回傳到采集器和主機(jī)內(nèi)，完成地波信號(hào)的采集工作。

2　光源與采集裝置

激光的較窄光譜有利于提高干涉長度［3］。DFB（分布式反饋激光器）由于其單縱模光譜特性，因此具有較窄的光譜。下面分析光譜帶寬對(duì)干涉的影響。

假設(shè)準(zhǔn)單色光源中心譜為ν0，譜寬為Δν，且Δν/ν0?1。將光波矢量方程E（t）經(jīng)傅里葉變換后得到a（ν），其中ν為中心頻率。a（ν）的自相關(guān)函數(shù)F（t）具有正實(shí)數(shù)的傅里葉變換，并等于功率譜密度，因而有

對(duì)式（1）進(jìn)行逆變換可得

在干涉時(shí)，若傳感通道光程OPs=τsc，參考通道光程OPr=τrc，式中，τ為時(shí)間常數(shù)，c為光速，則干涉點(diǎn)處的兩相干波列可表示如下：

傳感通道：

參考通道：

式中，ks和kr分別為傳感通道和參考通道波列的波數(shù)。形成干涉后，光/電轉(zhuǎn)換器得到的信號(hào)為

將式（3）、（4）代入式（5），得

式中，Is和Ir分別為傳感通道和參考通道光/電轉(zhuǎn)換器得到的信號(hào)。假設(shè)|a（ν）|2（光源的光譜分布）為高斯分布函數(shù)，則干涉光強(qiáng)信號(hào)的輸出為

式中，σ為中心譜和譜寬之間的函數(shù)。當(dāng)τ=0時(shí)，干涉程度I達(dá)到最大值2（Is+Ir）。當(dāng)τ≠0時(shí)，exp（-2π2σ2τ2）＜1，干涉程度減小；σ值越大，其干涉的可見度下降越迅速［4］。

根據(jù)以上推導(dǎo)并結(jié)合采集器的分辨能力匹配，DFB的-20 dB線寬達(dá)到0.06 nm左右，可以獲得非常好的干涉波形，采集器能有效分辨的相干臂不等長度誤差允許有100 mm。

采集器由PIN型光/電轉(zhuǎn)換管、放大電路和ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）構(gòu)成。其中，PIN型光/電轉(zhuǎn)換管將干涉光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，再通過放大電路對(duì)電信號(hào)放大，最后由帶寬20 k Hz以上的ADC做電信號(hào)波形的數(shù)據(jù)采集。采集器可將馬赫-曾德爾干涉光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)波形，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

3　馬赫-曾德爾干涉結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

圖2所示為采集器所采集的馬赫-曾德爾干涉電信號(hào)波形。激光干涉在某個(gè)采集點(diǎn)上會(huì)存在無光暗條紋，此處呈現(xiàn)的電信號(hào)波形為圖2中圓圈標(biāo)記處（電壓幅值近似為0）的現(xiàn)象。當(dāng)環(huán)境處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，這個(gè)干涉采集點(diǎn)將會(huì)長期處在暗條紋狀態(tài)，該現(xiàn)象（電信號(hào)長期近似為0）與光纖斷纖類似，易造成設(shè)備誤判。

圖2　馬赫-曾德爾干涉采集電信號(hào)波形

馬赫-曾德爾干涉結(jié)構(gòu)如圖3所示。激光由A點(diǎn)入射，經(jīng)分路器C1后分別形成傳感臂B和參考臂C，再經(jīng)耦合器C2產(chǎn)生干涉，干涉光通過D和E輸出。

圖3　馬赫-曾德爾干涉結(jié)構(gòu)

馬赫-曾德爾型相位干涉的傳感波形為余弦波，其干涉功率為

式中，初始相位Δφ0為定值，Δφs為傳感通道和參考通道的相位差。當(dāng)傳感臂與參考臂功率值滿足|Is-Ir|=6 dBm，即傳感臂與參考臂存在4倍功率差時(shí)，可得干涉最亮條紋Imax和最暗條紋Imin的關(guān)系為

根據(jù)式（9）和式（10）可知，Imax∶Imin=9且Imin≠0。在應(yīng)用時(shí)可有效區(qū)分亮條紋與暗條紋的功率差，同時(shí)暗條紋的最低功率值也大于PIN管的接收靈敏度閾值。

最終通過在馬赫-曾德爾傳感結(jié)構(gòu)的參考臂中加入-6 d Bm的衰減器，完成對(duì)干涉結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。

4　傳感距離驗(yàn)證

將光纖地波微震動(dòng)傳感器埋置于地下1 m處，分別在距離埋設(shè)點(diǎn)1、25和35 m處用洛陽鏟挖掘地面，采集器所采集的馬赫-曾德爾干涉電信號(hào)波形震動(dòng)幅度圖如圖4所示。由圖可知，設(shè)備能有效感知25 m范圍內(nèi)的挖掘撞擊，回放波形明顯易辨識(shí)。

圖4　干涉電信號(hào)波形震動(dòng)幅度圖

5　傳感特征信號(hào)辨識(shí)

以湖北某山區(qū)古墓片區(qū)為應(yīng)用場(chǎng)景，其環(huán)境相對(duì)安靜，人為干擾較少。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查，主要環(huán)境干擾來自離安防周界較近的一條土路。分別對(duì)經(jīng)過的貨車、轎車、卡車和挖掘信號(hào)進(jìn)行采集，觀察到的干擾信號(hào)干涉后轉(zhuǎn)為電信號(hào)功率譜密度圖如圖5所示。

由圖可知，重型卡車的影響在時(shí)域上基本為周期性信號(hào)，且大部分的情況峰值頻域在20 Hz附近，強(qiáng)度大于挖掘信號(hào)。貨車的頻譜峰值大部分也在20 Hz附近，但貨車造成的影響和輕微的挖掘在頻譜上較相似，區(qū)別在于持續(xù)的時(shí)間長短。

對(duì)于明顯的挖掘行為，時(shí)域上每隔6 s出現(xiàn)兩次，頻譜上60 Hz處以及90 Hz附近有明顯的峰值，60 Hz處峰值尤為明顯，可區(qū)別于干擾信號(hào)。時(shí)域波形的特征表現(xiàn)為間斷性和劇烈性。而土壤本身是一個(gè)很好的聲波低通濾波器［5］，聲波低頻部分在土壤中衰減較小且傳播距離較遠(yuǎn)［6］，高頻率特征信號(hào)則被濾除。

報(bào)警信號(hào)的辨識(shí)與判定可依據(jù)挖掘信號(hào)具有時(shí)域上的持續(xù)性和劇烈性的特征，將每0.2 s時(shí)20和60 Hz的幅值和與前一個(gè)的幅值和比例作為一個(gè)重要的特征量，并針對(duì)該特征量設(shè)置一個(gè)閾值。在時(shí)間上的劃分為每3 s統(tǒng)計(jì)一次挖掘發(fā)生頻率，依此產(chǎn)生預(yù)警。每5～10 min統(tǒng)計(jì)一次預(yù)警次數(shù)，由此決定是否報(bào)警。

圖5　干擾信號(hào)功率譜密度

6　結(jié)束語

基于馬赫-曾德爾原理在光纖地波周界安防設(shè)備的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種光纖地波微震動(dòng)傳感器。實(shí)驗(yàn)表明，該傳感器監(jiān)控半徑不小于25 m，擁有基本的干擾過濾特征庫，預(yù)警辨別時(shí)間小于2 s，驗(yàn)證了該設(shè)備的可用性。下一步的工作將收集更全面的地波震動(dòng)特征數(shù)據(jù)庫，并優(yōu)化特征識(shí)別算法，實(shí)現(xiàn)光纖地波周界安防設(shè)備更高的防誤報(bào)、防漏報(bào)能力。

［1］ 韋中超，廖浚宏，張準(zhǔn)，等.主動(dòng)紅外對(duì)射式光電防盜報(bào)警器［J］.光電技術(shù)應(yīng)用，2013，28（02）：1-4.

［2］ 王振奇.入侵報(bào)警探測(cè)技術(shù)的概述［J］.中國安防，2009，31（7）：39-41.

［3］ 陸耀華.儀器用的高穩(wěn)定度半導(dǎo)體激光電源［J］.電子技術(shù)，1994，（6）：5-7，10.

［4］ 袁國軍.分布式馬赫曾德爾干涉儀的原理與應(yīng)用研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2006.

［5］ 王馳.基于聲—地震耦合的聲波探雷模型研究［D］.天津：天津大學(xué)，2009.

［6］ 郭子祺，錢書清.聲波與表層土壤水分含量變化的實(shí)驗(yàn)研究［J］.地震學(xué)報(bào)，2001，23（5）：536-540.

Designs and Implementation of the Underground Motion Wave Detection Perimeter Security Equipment Based on Optical Fiber Sensing

ZHENG Qian1，LIU Hai2
（1.OV Orange Technology Co.，Ltd.，Wuhan 430074，China；2.School of Optical and Electronic Information，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

In order to enhance the security of underground cultural relics protection，this paper presents an optical fiber sensing equipment for perimeter security.The equipment is principally based on optical fiber Mach-Zehnder interferometer and applied to the underground motion wave detection perimeter security.Through the study of the interference waveform，it offers sufficient information for detection，The amplitude frequency characteristics of the vibration signal can be recovered from other interference waveform.Through the application，some key features are achieved：the equipment can detect the mining region within a radius of 25 meters；the equipment can support 64 probes；and the equipment can identify the warning time within 2 seconds.

perimeter security；interference characters filter；optical fiber sensor；underground motion wave

TN919

A

1005-8788（2016）04-0045-04

10.13756/j.gtxyj.2016.04.014

2016-03-11

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61377073）

鄭潛（1983-），男，湖北武漢人。碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣馔ㄐ排c光傳感。

劉海，副教授。E-mail：hailiu@hust.edu.cn