光纤地波周界安防设备设计与实现

郑 潜，刘 海

（1.武汉光谷奥源科技股份有限公司，武汉 430074； 2.华中科技大学光学与电子信息学院，武汉 430074）

光纤地波周界安防设备设计与实现

郑 潜1，刘 海2

（1.武汉光谷奥源科技股份有限公司，武汉 430074； 2.华中科技大学光学与电子信息学院，武汉 430074）

为了增强对地下文物的安全保护，设计了一种智能光纤地波周界安防设备。通过将马赫-曾德尔光纤干涉技术应用于地波传感器，实现对地波微震动的监听。利用软件算法分析微震动波的幅频特性值，智能过滤干扰，对入侵行为进行甄别、记录和报警联动。实验结果表明，该设备单探点有效监控范围在半径25 m内，单系统最大探点数量为64个，预警辨别时间小于2 s。

周界安防；过滤干扰；光纤传感；地波

0　引 言

光纤传感技术具有抗干扰、耐腐蚀、灵敏度高、可靠性强、体积小巧和无辐射等特点，特别适合进行大范围、大容量、地形复杂和远程分布式的测量。光纤传感周界安防作为一种新兴手段，有别于目前广泛使用的红外对射和张力检测围栏，能在大范围监控区域全天候地对入侵行为进行有效的智能识辨，过滤干扰，提升周界报警器的防误报、防漏报能力，是未来周界防入侵产业化发展的趋势之一［1-2］。

本文基于马赫-曾德尔光纤传感原理，设计了一种光纤地波微震动传感器，采用光/电转换对地波微震动信号进行采集，利用Python软件编写底层算法，并结合Javascript完成人机交互界面。该设备单探点的有效监控范围在半径25 m内；单系统最大探点数量为64个；预警辨别时间小于2 s。对文博领域地下文物的盗挖行为具有有效的监控作用。

1　光纤地波微震动传感器

图1 光纤地波微震动传感器结构图

图1所示为光纤地波微震动传感器结构图。物理结构为弹头型柱状面接触传感器，其在应用时被埋于地下1 m左右，因此设计成弹头型放置时较稳固。该传感器由无源器件组成，即光纤地波周界安防设备的室外部分可以是全无源器件。

（1）内部结构

该传感器由上下两个相隔离的光学有感腔和光学无感腔组成。分腔室结构设计的目的是在公司较洁净的生产车间安装并调试好光学有感腔内的马赫-曾德尔传感结构后，可以进行密封保存，传感结构不易受到破坏。

在野外施工时，只需将引导光缆在光学无感腔内与从有感腔伸出的传感尾纤进行安装即可。有感腔与无感腔隔离，保证了即使野外施工条件恶劣，也不会影响有感腔内传感结构的稳定性。顶端的把手可便于施工时抓举。

（2）外部结构

整个外壳由柱状面采集筒、腔室隔离盒、抛物面底盖和腔室防水锁紧箍4部分组成。

（3）传感结构原理

在密封的采集筒内部安置马赫-曾德尔参考光纤，可杜绝外部震动干扰。而在采集筒外部表面缠绕传感光纤，有利于传感光纤与外部土壤紧密接触感知土壤震动。

相干激光经过参考光纤和传感光纤，产生马赫-曾德尔干涉信号，再经光缆回传到采集器和主机内，完成地波信号的采集工作。

2　光源与采集装置

激光的较窄光谱有利于提高干涉长度［3］。DFB（分布式反馈激光器）由于其单纵模光谱特性，因此具有较窄的光谱。下面分析光谱带宽对干涉的影响。

假设准单色光源中心谱为ν0，谱宽为Δν，且Δν/ν0≪1。将光波矢量方程E（t）经傅里叶变换后得到a（ν），其中ν为中心频率。a（ν）的自相关函数F（t）具有正实数的傅里叶变换，并等于功率谱密度，因而有

对式（1）进行逆变换可得

在干涉时，若传感通道光程OPs=τsc，参考通道光程OPr=τrc，式中，τ为时间常数，c为光速，则干涉点处的两相干波列可表示如下：

传感通道：

参考通道：

式中，ks和kr分别为传感通道和参考通道波列的波数。形成干涉后，光/电转换器得到的信号为

将式（3）、（4）代入式（5），得

式中，Is和Ir分别为传感通道和参考通道光/电转换器得到的信号。假设|a（ν）|2（光源的光谱分布）为高斯分布函数，则干涉光强信号的输出为

式中，σ为中心谱和谱宽之间的函数。当τ=0时，干涉程度I达到最大值2（Is+Ir）。当τ≠0时，exp（-2π2σ2τ2）＜1，干涉程度减小；σ值越大，其干涉的可见度下降越迅速［4］。

根据以上推导并结合采集器的分辨能力匹配，DFB的-20 dB线宽达到0.06 nm左右，可以获得非常好的干涉波形，采集器能有效分辨的相干臂不等长度误差允许有100 mm。

采集器由PIN型光/电转换管、放大电路和ADC（模数转换器）构成。其中，PIN型光/电转换管将干涉光信号转为电信号，再通过放大电路对电信号放大，最后由带宽20 k Hz以上的ADC做电信号波形的数据采集。采集器可将马赫-曾德尔干涉光信号转为电信号波形，以便进行数据分析处理。

3　马赫-曾德尔干涉结构的改进

图2所示为采集器所采集的马赫-曾德尔干涉电信号波形。激光干涉在某个采集点上会存在无光暗条纹，此处呈现的电信号波形为图2中圆圈标记处（电压幅值近似为0）的现象。当环境处于稳态时，这个干涉采集点将会长期处在暗条纹状态，该现象（电信号长期近似为0）与光纤断纤类似，易造成设备误判。

图2　马赫-曾德尔干涉采集电信号波形

马赫-曾德尔干涉结构如图3所示。激光由A点入射，经分路器C1后分别形成传感臂B和参考臂C，再经耦合器C2产生干涉，干涉光通过D和E输出。

图3　马赫-曾德尔干涉结构

马赫-曾德尔型相位干涉的传感波形为余弦波，其干涉功率为

式中，初始相位Δφ0为定值，Δφs为传感通道和参考通道的相位差。当传感臂与参考臂功率值满足|Is-Ir|=6 dBm，即传感臂与参考臂存在4倍功率差时，可得干涉最亮条纹Imax和最暗条纹Imin的关系为

根据式（9）和式（10）可知，Imax∶Imin=9且Imin≠0。在应用时可有效区分亮条纹与暗条纹的功率差，同时暗条纹的最低功率值也大于PIN管的接收灵敏度阈值。

最终通过在马赫-曾德尔传感结构的参考臂中加入-6 d Bm的衰减器，完成对干涉结构的改进。

4　传感距离验证

将光纤地波微震动传感器埋置于地下1 m处，分别在距离埋设点1、25和35 m处用洛阳铲挖掘地面，采集器所采集的马赫-曾德尔干涉电信号波形震动幅度图如图4所示。由图可知，设备能有效感知25 m范围内的挖掘撞击，回放波形明显易辨识。

图4　干涉电信号波形震动幅度图

5　传感特征信号辨识

以湖北某山区古墓片区为应用场景，其环境相对安静，人为干扰较少。经现场勘查，主要环境干扰来自离安防周界较近的一条土路。分别对经过的货车、轿车、卡车和挖掘信号进行采集，观察到的干扰信号干涉后转为电信号功率谱密度图如图5所示。

由图可知，重型卡车的影响在时域上基本为周期性信号，且大部分的情况峰值频域在20 Hz附近，强度大于挖掘信号。货车的频谱峰值大部分也在20 Hz附近，但货车造成的影响和轻微的挖掘在频谱上较相似，区别在于持续的时间长短。

对于明显的挖掘行为，时域上每隔6 s出现两次，频谱上60 Hz处以及90 Hz附近有明显的峰值，60 Hz处峰值尤为明显，可区别于干扰信号。时域波形的特征表现为间断性和剧烈性。而土壤本身是一个很好的声波低通滤波器［5］，声波低频部分在土壤中衰减较小且传播距离较远［6］，高频率特征信号则被滤除。

报警信号的辨识与判定可依据挖掘信号具有时域上的持续性和剧烈性的特征，将每0.2 s时20和60 Hz的幅值和与前一个的幅值和比例作为一个重要的特征量，并针对该特征量设置一个阈值。在时间上的划分为每3 s统计一次挖掘发生频率，依此产生预警。每5～10 min统计一次预警次数，由此决定是否报警。

图5　干扰信号功率谱密度

6　结束语

基于马赫-曾德尔原理在光纤地波周界安防设备的应用，设计了一种光纤地波微震动传感器。实验表明，该传感器监控半径不小于25 m，拥有基本的干扰过滤特征库，预警辨别时间小于2 s，验证了该设备的可用性。下一步的工作将收集更全面的地波震动特征数据库，并优化特征识别算法，实现光纤地波周界安防设备更高的防误报、防漏报能力。

［1］ 韦中超，廖浚宏，张准，等.主动红外对射式光电防盗报警器［J］.光电技术应用，2013，28（02）：1-4.

［2］ 王振奇.入侵报警探测技术的概述［J］.中国安防，2009，31（7）：39-41.

［3］ 陆耀华.仪器用的高稳定度半导体激光电源［J］.电子技术，1994，（6）：5-7，10.

［4］ 袁国军.分布式马赫曾德尔干涉仪的原理与应用研究［D］.武汉：华中科技大学，2006.

［5］ 王驰.基于声—地震耦合的声波探雷模型研究［D］.天津：天津大学，2009.

［6］ 郭子祺，钱书清.声波与表层土壤水分含量变化的实验研究［J］.地震学报，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

国家自然科学基金资助项目（61377073）

郑潜（1983-），男，湖北武汉人。硕士研究生，主要研究方向为光通信与光传感。

刘海，副教授。E-mail：hailiu@hust.edu.cn