光纤光栅技术在周界入侵报警系统中应用研究＊

祁耀斌，陈 满，许天舒，吴敢锋

（1.武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室，湖北武汉430070；2.秦皇岛玻璃工业研究设计院，河北秦皇岛，066001）

光纤光栅技术在周界入侵报警系统中应用研究＊

祁耀斌1，陈 满1，许天舒2，吴敢锋1

（1.武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室，湖北武汉430070；2.秦皇岛玻璃工业研究设计院，河北秦皇岛，066001）

基于光纤光栅应变传感理论，开发以光纤光栅振动传感器为核心的周界入侵报警系统。由理论出发，建立了光纤光栅振动传感器设计框架。通过对不同尺寸质量块的实验研究，提出使用规格为4.5×20（mm×mm）的质量块；通过对不同光栅拉伸量的实验研究，提出0.8～1.0 nm之间光栅拉伸量的光纤光栅振动传感器；通过对不同封装材料的对比实验，采用石英玻璃材料封装的方法。最后，将周界入侵报警系统进行了现场试验，波长检测范围是1 280～1 580 nm，响应时间在3 s以内，报警定位准确无误。

周界入侵报警系统；光纤光栅；振动传感器；温度；封装材料；

周界入侵报警系统是安全防范中最重要的防护手段。随着社会的进步、经济的发展，生活质量的提高，人们对安全防护的需求也不断增长。因而，为了更好的保护社会财产、公共设施，迫切需要建立一套稳定、可靠的周界入侵报警系统。

目前，周界入侵探测系统［1］应用最为广泛的是红外线探测器周界入侵系统（Perimeter Intrusion Alarm System Based on Infrared Detector，PIASBID）、激光对射探测器周界入侵系统（Perimeter Intrusion Alarm System Based on Laser Beam Detector，PIASBLBD）、泄漏电缆探测器周界入侵系统（Perimeter Intrusion Alarm System Based on Leaked Cable Detector，PIASBLCD）和振动电缆探测器周界入侵系统（Perimeter Intrusion Alarm System Based on Vibrating Cable Detector，PIASBVCD）。

PIASBID是应用最早也是最常使用的周界入侵探测器，以其廉价、不可见性和全面防御性等优点一直活跃于历史的舞台，但是PIASBID受气候影响比较大，误报率较高的缺点一直没有解决。PIASBLBD充分利用了激光器的特点，能够实现远距离监控、穿透雨雾雪的能力较强、性能也比较稳定，但受其价格昂贵等缺点，只在一些特殊场合得到应用。PIASBLCD是通过空间磁场分布状态的变化来实现监控，具有很好的隐蔽性，但易受外界电磁场的干扰，误报率较高，价格较贵。PIASBVCD是通过特殊的电缆结构来感知外界震动，抗气候和环境变化能力较强，但是对一些非入侵震动容易产生误报，并且不能精确定址。

在上述背景下［2－3］，光纤探测器周界入侵系统（Perimeter Intrusion Alarm System Based on Optical Fiber Detector，PIASBOFD）正成为目前的研究热点［4－6］。

PIASBOFD实际是利用光纤振动［7］来感知外界变化量，按调制方式分类，研究的较多的有采用相位调制的光纤振动传感器和采用波长调制的光纤光栅传感器。采用相位调制的光纤振动传感器主要基于马赫－曾德尔（Mach－Zehnder）干涉原理［7－8］和基于塞格拉克（Sagnac）干涉原理［9－10］的光纤振动传感器。MZ干涉光纤振动传感器结构简单、灵敏度高且能多点测量，但外界环境变化会引起干涉光相位变化，使系统性噪比降低，并且定位精度也不够高。Sagnac干涉光纤振动传感器只对入侵事件引起的动态变化敏感，对环境的缓慢变化反应小，但它需要将传感光纤构成环路，在不闭合的区域，需要将其中一辆光纤进行扰动隔离。在国内外已有少量应用，如澳大利亚的FFT（Future Fiber Technologies）公司开发的基于MZ干涉的周界入侵报警系统，振动传感器测量［11］距离最大为80 km，定位精度为25 m。

采用波长调制的光纤光栅振动传感器继承了上述光纤传感器的优点，同时也解决了光纤传感器易受环境影响和不能精确定址的缺点，目前已被广泛研究［12－13］，但用于周界入侵系统的光纤光栅振动传感器却很少有报道。

随着安全形势的恶化，现有的周界入侵报警系统都难以满足人们的需求。本文结合周界入侵要求，研发了光纤光栅周界入侵振动传感器，构建了周界入侵报警系统，实现了对周界入侵行为的实时在线监控。

1 光纤光栅传感原理与振动传感器

1.1 光纤光栅传感原理

光纤Bragg光栅的基本传感原理是：当外界参量（如应力、温度等）发生变化时，光栅栅距会发生变化，Bragg波长也随之发生变化，因此，测量出光栅反射光的Bragg波长的变化量，就可以计算出光栅处相应的物理变化量。光纤Bragg的反射或透射波长光谱主要取决于Bragg光栅周期和反向耦合模的有效折射率，任何使这2个参量发生改变的物理过程都将引起光栅Bragg波长的漂移。即

当外界环境发生变化时，得到Bragg光栅波长漂移为：

（1）式和（2）式中，ΔΛ和Δneff为Λ和neff受到外界环境的影响而发生的变化，ΔλB为Bragg光栅波长变化量。由式（2）可知，通过测量光纤Bragg光栅的中心波长的变化，就可获得外界物理量的变化。

1.2 光纤光栅应变传感特性

1.2.1 光纤Bragg光栅均匀轴向应力特性 均匀轴向应力是指对光纤光栅进行纵向拉伸或压缩。假设光纤Bragg光栅仅受轴向应力作用，温度和压力不变，则轴向应变引起的光纤Bragg光栅栅距的变化为：

式中，ξx为光纤Bragg光栅处的轴向应变，

式中，L为两段固定的光纤Bragg光栅长度，ΔL为纵向伸缩量。

由弹光效应引起的光纤Bragg光栅折射率的变化为：

式中，P11和P12为Pockel系数，v为泊松比。因为弹光系数Pe为：

所以，由式（3）、（4）、（5）可知：

则光纤Bragg光栅的轴向应力灵敏度为：

1.2.2 光纤Bragg光栅径向应力特性 当外界径向应力发生变化时，光纤Bragg光栅的反射波长相应变化为：

又由于：

联合（9）、（10）、（11）可得到径向应力灵敏度：

1.3 光纤光栅振动传感器工作原理

在以光纤光栅为基础的周界入侵报警系统中，光纤光栅振动传感器是系统的核心部分。光纤光栅传感振动器的性能直接影响到整个周界入侵报警系统的稳定性、灵敏性、可靠性。

整个光纤光栅振动传感器的工作原理如图1所示：宽带光源发出的光波首先经过耦合器或者环形器入射。因光纤Bragg光栅对光波长进行选择性反射，反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的光，反射回来的光再次通过耦合器或环形器，然后到达解调装置，通过解调出来的数据测出相光纤光栅的反射波的中心波长的变化，就可以获得外界的振动量。

图1 光纤光栅振动传感器工作原理图Fig.1 FBG vibration sensor operating principle

2 光纤振动传感器的设计与实验研究

本文所设计的光纤光栅振动传感器结构如图2所示，光纤两端固定，在Bragg光栅附近固定一铜块，采用合理的封装材料。

图2 光纤光栅振动传感器结构图Fig.2 Fiber bragg grating vibration sensor structure

图3 最优结构实验步骤Fig.3 The optimal structure of experimental procedures

结合周界入侵安防系统对光纤光栅振动传感器的要求，按图3的设计目标对振动传感器进行设计，通过实验寻找振动传感器的最优参量。

2.1 振动传感器灵敏度提高实验

振动传感器增敏方法有很多，本文主要通过改变振动传感器质量块尺寸和光栅拉伸量的方法。结合振动传感器的实际结构，遵从单一变量的基本原则，在传感器光栅拉伸量一定的前提下，寻找质量块最优尺寸；在质量块尺寸一定的前提下，寻找最合适的拉伸量。

实验采用丹麦B＆K公司推出的PULSE振动分析仪，对所有振动传感器施加1～50 Hz的正弦扫频，施加的加速度为3 m／s2的加速度，扫频频率是1k／s。记录每个传感器的波长最大变化量以及所有的传感器谐振频率。质量块的材料是不锈钢基粉末冶金材料，且都是在同一温度（室温）条件下进行实验。

2.1.1 最佳质量及尺寸的质量块 在光纤光栅传感振动器质量块受力作加速度为a运动过程中，质量块受到与运动方向相反的力f＝ma的作用，此时布拉格光栅长度发生变化，设光纤光栅的固定端与质量块之间的光纤长度变化量△L与相应加速度a之间的关系为：

式中，S为光纤的横截面积；E为光纤的等效弹性模量；L为两固定端之间的光纤长度；m为质量块的质量。

由公式（4）、（8）和（13）联合有：

公式（14）为光纤光栅振动传感器的灵敏度系数，表明单位加速度上光纤光栅波长的变化，又因Pe仅与制作材料相关，故光纤光栅振动传感器的灵敏度系数与质量块的大小成正比，即质量块m的值越大，传感器的灵敏度越高。

考虑到质量块的实际结构，先选取直径为5 mm、长度分别为12、15、18 mm的3种规格的质量块进行实验，记录传感器的波长变化量。得到具体数据见表1。

表1 质量块规格选取实验Table 1 Specifications mass selection experiment

由表1可知，振动传感器的灵敏度与质量块的质量成正比，质量块质量越大，灵敏度越高，这点与公式（14）推导是一致的。而光纤光栅振动传感器的固有频率和质量块的质量成反比，即随着质量块的质量增大，固有频率减小，这也可以用理论来解释，根据固有频率公式：

可知振动传感器的固有频率与质量块质量的平方根成反比。基于以上考虑，尺寸规格为5×15（mm×mm）的质量块较符合要求。

但用以上尺寸质量块进行实验时，容易产生碰壁现象，为了进一步提高振动传感器的性能，在保持质量的前提下，将重锤直径由原来的5 mm改为4.5 mm，保持其他条件不变的情况下，将传感器探头放于振动台，按每次旋转90（°）再做实验，得出实验数据见表2。

表2 质量块验证实验Table 2 Mass verification experiment

由表2可知，将传感器质量块直径减小后，相对前面3种规格的质量块，波长变化量大大提高了，可以保持在50～80 pm，也就是光纤光栅振动传感器的灵敏度更高了，性能也更加稳定。所以质量块的尺寸为4.5×20（mm×mm）是最佳尺寸。

2.1.2 最佳光栅拉伸量的研究 振动传感器光纤光栅拉伸量对传感器的灵敏度也有较大影响，在质量块尺寸不变的前提下，通过改变光栅拉伸量的大小来观察灵敏度的变化。

图4 光纤光栅最佳拉伸量Fig.4 The best stretch the amount of fiber grating

通过上图可知，在拉伸量小于0.3 nm时，传感器波长基本没有变化，即灵敏度基本等于0。当拉伸量在0.3～0.7 nm之间时，在实验过程中，产生碰壁现象很严重。当拉伸量在0.8～1 nm之间时，传感器灵敏度最高且没有产生碰壁现象，而大于1.2 nm后，传感器灵敏度迅速降低。因此拉伸量在0.8～1 nm之间是最佳选择。

2.2 克服温度影响的试验研究

2.2.1 理论分析 因为光纤光栅对温度的影响也非常敏感，所在光纤光栅振动传感器的封装过程中，采用何种材料封装克服温度直接关系着光纤光栅振动传感器的性能。

当光纤光栅温度发生ΔT的变化时，光纤光栅的周期也发生变化，可表示为：

式中，ξ为光纤材料的热光系数；a为光纤材料的热膨胀系数；它们仅与制作材料有关。

则由式（16）可知，光纤光栅的温度灵敏度系数与材料的热膨胀系数有关。考虑到光纤光栅的主要成份是二氧化硅，可以采用玻璃作为封装材料。因纯光纤是石英玻璃，理论上讲，采用石英玻璃封装更好。

2.2.2 实验验证 为了验证上述理论，将普通玻璃封装的振动传感器探头和石英玻璃封装的振动传感器探头在高低温环境下实验。质量块尺寸选用4.5×20（mm×mm），光栅拉伸量控制在0.8～1.0 nm之间，放于高低温实验箱内在PULSE振动台上进行检测，将实验数据绘制成曲线（见图5）。

图5 普通玻璃与石英玻璃封装的传感器温度实验Fig.5 Ordinary glass and quartz glass encapsulated sensor temperature experiments

由图可知：在温度变化从－10～60℃的过程中，石英玻璃封装的传感器波长变化量随温度的变化，基本能控制在5 pm以内，特别是在30～60℃，能不受温度的影响。而普通玻璃封装的光传感器探头随温度变化而变化达到了21 pm。所以采用石英管封装更能克服温度的影响。

2.3 光纤光栅振动传感器的制作

图6 完全封装好的光纤光栅振动传感器Fig.6 Completely packaged FBG vibration sensor

3 周界入侵报警系统与试验

基于光纤光栅振动传感器的周界入侵报警系统主要包括由光纤光栅振动传感器构成的光纤光栅振动光缆、光纤传感智能数据处理器、通讯网关及周界入侵系统软件平台组成。其基本结构图见图7。

图7 周界入侵报警系统框图Fig.7 Perimeter intrusion alarm system block diagram

其基本工作流程为：当出现一定数量的光纤光栅振动传感器发生位移，导致光栅栅距发生变化，各光纤光栅振动传感器的振动信号通过波分复用技术传到光纤传感智能数据处量器上，光纤传感器数据处理器在周期内，测算到光纤振动传感光缆上的一定数量的光纤光栅振动传感器的测量信号超出基准波，同时比对所建立的风雨等多样气候模型数据库，排除误报后发出报警信号范围内的有效地址代码，周界入侵系统报警软件平台在接收代码后，触发报警装置做出报警反应。

最后，对周界入侵报警系统进行了现场实验，将由光纤光栅振动传感器组成的光纤光栅振动光缆安装在铁栅栏上，进行了包括重摇、轻击和2个不同体重的人的攀爬情况，其信号见图8。

图8 周界入侵报警系统报警分析图Fig.8 Perimeter intrusion alarm system alarm analysis chart

从图中可以看出：系统对在110 s时的重摇、2个不同体重的人在980和1 250 s的攀爬有着剧烈的反应，波长有着显著的变化，并且对外界的干扰做出了快速的反应，响应时间在3 s以内。而对650 s时轻击的反应并不敏感，波长变化并不明显。

4 结语

本文以光纤光栅传感技术为基础，研究了以光纤光栅振动传感器为核心的周界入侵报警系统，并对光纤光栅振动传感器的原理及结构作了全面的探讨，就如何确定其质量块规格和光栅拉伸量以达到最佳灵敏度进行了实验验证，采用何种材料封装以克服温度影响做了对比试验，最终确定了传感器的探头规格为4.5×20（mm×mm），光纤光栅的拉伸长度从0.8～1.0 nm时，传感器的灵敏度较高；采用石英玻璃封装能较好克服温度的影响。最后将此系统进行了现场实验，结果表明：该系统能自动、实时报警，精确定址。因而，此系统能满足实际应用并以其优势能得到广泛推广。

［1］ 葛妍.户外周界安防护产品系统综述［J］.中国安防产品信息.2004（5）：49－50.

［2］ Griffiths B.Developments in and applications of fiber optic intrusion detection sensors［J］.Security Technology，1995，8（20）：325.

［3］ Szustakowski M，Ciurapinski W，Palka N.Recent development of fiber optic sensors for perimeter security［J］.Molecular and Quantum Acoustics，2005，20（5）：263－277.

［4］ Mel C.Maki ＆Jeremy K，Weese.Fiber optic fence sensor［M］.USA：IEEE AESS System Magazine，2004：8－13.

［5］ Jeff Bush，Davis，Pipe Davis，et al.Buried fiber intrusion detection sensor with minimal false alarm rates［C］.Van Nuys：SPIE，1998，3489：30－40.

［6］ Chang J，Wang Q P，Zhang X Y.Fiber－optic vibration sensor system［J］.Laser Physics，2008，18（7）：32－36.

［7］ 李琛，张春熹，梁生.干涉型光纤安防系统偏振误差机理分析［J］.北京航空航天大学学报，2010，36（9）：32－36.

［8］ Juarez J C，Maier E W，Kyoo Nam Choi，et al.Distributed fiberoptic intrusion sensor system［J］.Journal of Lightwave Technolo－gy，2005，23（6）：2081－2087.

［9］ Paul R，Hoffman，Mark G，et al.Position determination of an acoustic burst along a sagnac interferometer［J］.Journal of Lightwave Technology，2004，22（2）：30.

［10］ Tae Seong Jang，Seung Seok Lee，Il Bum Kwon.Noncontact detection of ultrasonic waves using fiber optic Sagnac interferometer［J］.Ultrasonics，Ferroelectrics and Frequency Control，2002，49（6）：767.

［11］ In Lee，Do－hyung Kim，Jae－Hung Han.Vibration measurement using optical fiber sensors［C］.Tokyo：Proceedings of the 8th Japan International SAMPE Symposium and Exhibition，2003：1.

［12］ Nan Qiuming，Zou Chengming.Study on FBG vibration sensor［J］.Photonics and Optoelectronics，2009，14（16）：1－4.

［13］ Zhang Dongsheng，Guo Dan.Researches on fiber grating vibration sensor based on matching filtering demodulation［J］.Chinese Journal of Sensors and Actuators，2007，20（2）：311－313.

FBG Technology in Perimeter Intrusion Alarm System Application

QI Yao－Bin1，CHEN Man1，XU Tian－Shu2，WU Gan－Feng1
（1.National Engineering Laboratory for Fiber Optic Sensing Technology，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；2.Research and Design Institute of Qinhuangdao Glass，Qinhuangdao 066001，China）

Based on the theory of fiber grating vibration sensor，a fiber grating vibration sensor with the core perimeter intrusion alarm system is developed.Starting from the theoretical modeling，a framework for FBG vibration sensor design is established.Through the experimental research on Mass of different sizes，we propose using size4.5×20（mm×mm）of the mass.Grating stretched by the amount of different experimental studies，we make a 0.8～1.0 nm grating stretched fiber grating vibration sensor.Through the comparison of different packaging materials experiments.We propose the application of quartz glass packaging methods.Finally，experiment of perimeter intrusion alarm system is carried out，the wavelength ranges from 1 280～1 580 nm，and the response time is less than 3 s，the result shows that the alarm positioning is accuracy.

system perimeter intrusion warning system；FBG sensor；vibration sensor；temperature；packaging materials

TP212

A

1672－5174（2011）11－109－06

光纤传感技术国家工程实验室示范项目（20101d0001）；教育部高等学校博士点专项科研基金项目（20101j0139）资助

2011－07－11；

2011－09－30

祁耀斌（1966－），男，博士，副研究员，从事光纤传感技术及组网研究。E－mail：robin＠whut.edu.cn

责任编辑 陈呈超