光纤周界传感系统的研究进展

张庆文（厦门大学光波技术研究所,福建 厦门 361005）



光纤周界传感系统的研究进展

张庆文
（厦门大学光波技术研究所,福建 厦门 361005）

摘 要：随着光纤技术的发展，以光纤传感技术为基础的光纤周界传感系统在周界安防领域得到了很好的应用。本文重点对不同种类的光纤周界传感系统的原理和特点进行分析，同时对光纤周界传感系统的未来做出了展望。

关键词：光纤；周界传感系统；入侵检测

0 引言

传统的安防检测设备因易受天气条件和电磁干扰的影响而产生误报。而光纤周界传感系统因其光路简单、抗电磁干扰、可复用性强等优点成为光纤传感技术领域中最具发展前景的研究方向之一。本文综合介绍了近年来光纤周界传感系统的几种常见分类以及对应的研究成果，并对该领域的发展前景做出了展望。

1 基于光纤布拉格光栅(FBG)的传感系统

基于光纤布拉格光栅（FBG,Fiber Bragg Grating）的传感系统主要通过检测FBG反射信号的波长漂移来反应待测物量的变化。2007年饶云江等[1]将多根光谱不互相重叠的FBG连接在一根光纤上，这些FBG共用同一个宽带光源，并利用复用技术（WDM等)进行FBG的多点传感。当FBG受到扰动时，与之对应的中心波长的光谱就会发生漂移，通过信号解调就可以确定受到扰动的FBG的具体位置以及入侵的物理信息。这类传感系统的空间分辨率跟布设在光纤上的FBG的密度有关。在各FBG中心波长不互相重叠的情况下，FBG铺设的密度越大，该周界传感系统的空间分辨率会得到进一步提高。

2 应用Φ-OTDR技术的传感系统

基于FBG的传感系统由于受到空间分辨率的限制，使其只能应用于空间分辨率要求不高的检测环境中。而应用相位敏感的光时域反射（Φ-OTDR,Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometry）技术的传感系统的研究和发展，使对入侵的高空间分辨率检测成为可能。其原理是当入侵物体对光纤产生压力时，由于光弹效应，光纤相应位置的折射率会发生变化，进而使该处光的相位发生改变。由于干涉作用，相位的变化将引起后向瑞利散射光强度的变化。2015年Tu等[2]在该系统的基础上提出了利用差分相位的统计计算方法，这种算法消除了相位测量时的不确定性。实验结果表明，利用这种方法可以实现对距离监测中心24.61km，峰值为200nε的正弦扰动信号的精确还原。2015年郑印等[3]在该系统的基础上，利用时间域单点振动判断和空间域相邻点振动判断算法对25 组不同频率的振动实验进行验证，实验结果表明应用了该算法的Φ-OTDR传感系统能够对扰动事件的频率信息进行正确分类，为Φ-OTDR的实际工程应用提供参考。

3 干涉式传感系统

干涉式的传感系统是通过外界的压力作用使光纤的折射率发生变化，从而使得在光纤中传播的光相位发生变化，通过两束光的干涉将相位变化转化为光强的变化，以此获得入侵物体的信息。干涉式传感系统由一定结构的干涉仪组成，最常用的干涉仪有Mach-Zehnder干涉仪、Sagnac干涉仪和Michelson干涉仪。2009年Mahmoud等[4]设计了一种基于Mach-Zehnder的干涉系统，可以在30km中实现100m的定位精度，还可以在强降雨中检测入侵事件。2014年孙强等[5]利用基于Sagnac的干涉系统对径路进行探测，在实验室环境中其准确度达到了100%，并且克服了传统的电磁径路探测易受电磁干扰的问题。2015年李勤等[6]提出了由两个Michelson干涉仪和一个延时环组成的传感系统，通过实验验证了该系统在20km距离内进行检测的可行性。

4 结语

随着入侵检测技术的不断发展，国内外对光纤周界传感系统的研究也逐渐深入。各种新算法、新结构的提出使光纤周界传感系统在更多的场合得到了应用。通过本文的介绍可以看出，光纤周界传感系统通过几十年的发展，已逐步产生了多种适用于不同场合的检测原理，如FBG系统能够适应于多点检测，OTDR系统测量精度很高，干涉系统则可以在较低成本下进行超长距离的检测。相较于其他周界传感系统，光纤周界传感系统成本低、精度高、适用范围广，因此得到了越来越广泛的应用。但从实验模型走向实际应用仍然有很多问题需要解决。这需要科研工作者从实际出发，这样才能使光纤周界传感系统有更广阔的应用前景。

参考文献：

[1]饶云江,吴敏,冉曾令等. 基于准分布式 FBG 传感器的光纤入侵报警系统[J].传感技术学报,2007,20(05):998-1002.

[2]Tu G,Zhang X, Zhang Y, et al. The Development of an φ-OTDR System for Quantitative Vibration Measurement[J]. 2015.

[3]郑印,段发阶, 涂勤昌等.φ-OTDR 识别不同频率振动事件研究[J].光电工程, 2015,42(5): 68-74.

[4]Mahmoud SS,Katsifolis J.Elimination of rain-induced nuisance alarms in distributed fiber optic perimeter intrusion detection systems[C]//SPIE Defense, Security, and Sensing. International Society for Optics and Photonics, 2009: 731604-731604-11.

[5]孙强,秦威,孙睿幁.基于 Sagnac 干涉的新型光缆径路探测方法研究[J].铁道学报,2014,36(04):60-64.

[6]李勤,王洪波,李立京等.基于 Michelson干涉仪的光纤分布式扰动传感器[J].红外与激光工程,2015,44(01):205-209.

作者简介：张庆文（1989-），男，福建建瓯人，硕士研究生，研究方向：光纤光栅传感技术。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.226