1、光纤围栏报警系统的设计与研究设计编号 20130913144 光纤围栏报警系统设计与研究The Design And Study Of Fiber-0ptic Fence Alarm System学 生 姓 名王伟涛专 业光电子技术科学学 号0913144指 导 教 师徐晓峰分 院小三号黑体字光电科学分院2013年6月摘 要 在科学技术飞速发展的信息时代，光电技术、信息技术和集成电路技术在各个领域的作用越来越显著。而在光电技术领域，光纤通信和光纤传感技术作为新的激光应用技术，已经成为工程应用和研究的热点。 本文围绕光纤围栏报警系统，采用了一些应用于光纤围栏报警系统方面的理论技术和算法，对整个光
2、纤围栏报警系统的结构做了可行性的分析，设计了实验验证的方案，最后进行实验方面的测试。具体可以分为以下几个方面: 在光纤围栏报警系统采用的技术理论方面，本文采用马赫一曾德耳光纤干涉技术，提高系统的定位精度和降低系统的误报率。 在光纤围栏报警系统的整体设计方面，本文分析了系统设计的基本原理，以及系统配置，系统结构，定位模块，数据分析等方面的设计要求，进一步的提出光纤围栏报警系统的具体实验设计方案和实验验证方案。 在光纤围栏报警系统实验验证方面，本文根据提出的实验设计方案，搭建了模拟测试的光纤围栏报警系统。 最后，通过实验测试，光纤围栏报警系统的报警准确率能够满足一般行业安防的需要。关键词: 光纤围
3、栏 马赫一曾德干涉ABSTRACT With the rapid development of science and technology in the Information Age,opto-electronics technology, information technology and integrated circuit technologyplay a more and more significant role in all areas. As a new application of laser technology in the field of opto-electro
4、nics technology, fiber-optic communications and optical fiber sensing technology have become the hotspot of engineering applications and research. In this dissertation, one fiber-optic fence alarm system has been designed, and some theorys of technology and algorithms of fiber-optic fence alarm syst
5、em has been used. Then the feasibility analysis of the structure of the entire system and the program of experimental verification are made. And at last the experimental tests have been carried out. The dissertation can be divided into the follow aspects:In the aspect of technology and theory of the
6、 fiber-optic fence alarm system,Mach-Zehnder interference and reduce false rate of the system.Are used to improve the In the aspect of overall fiber-optic fence alarm system design, the basic design principles of system, system configuration, system architecture, positioning module,data analysis and
7、 so on,have been analysed in this dissertation. Then the experimental design and experimental validation program of the fiber-optic fence alarm system have been brought forward. In the aspect of experimental certification of the fiber-optic fence alarm system,a simulation test of alarm system is set
8、 up in the base of experimental design program,which have been put forward in the former dissertation. And at last, with the experimental test, alarm accuracy of the fiber-optic fence alarm alarm system can satisfy the requirment of safety warnings in general industry. Keywords: Fiber-optic Fence Ma
9、ch-zehnder Interference目 录绪 论 1第一章 光纤传感器的发展 21.1光纤传感器 21.2分布式光纤传感技术 41.3光纤围栏报警系统及其研究现状 51.4本文的意义及其主要研究内容 5第二章 传感器原理以及相关技术 62.1光纤传感器基本原理 62.2分布式光纤传感器基本原理 82.2.1分布式光纤传感器类型 82.2.2 系统接收光功率 92.3光纤围栏可行性技术分析 92.4本章小结 12第三章 基于分布式光纤传感器的光纤围栏报警系统 133.1基本原理与系统设计 133.2本章小结 15第四章 模拟实验设计 164.1模型的建立 164.2报警系统解决方案的设
10、计 174.3本章小结 19结 论 20参考文献 21致 谢 22 绪 论 光通信是利用光波作为载波信息的。广义地说，用光传递信息并不是什么新鲜的事。早在公元两千多年以前，我们的祖先就在都城和边境堆起一些高高的土丘，遇到敌人入侵，就在这些土丘燃起烟火传递入侵的信息，各地诸侯看见烟火就立刻领兵来援救。这种土丘就叫烽火台，它就是一种古老的通信设备。 由于人们无法解决光向四面八方散射时，光强减弱和不能通过障碍的问题，因此，直到20世纪60年代初，光通信都没有什么重大的发展。它仅仅作为一种信号灯使用，如马路上的红绿灯，机场上的跑道标志灯和航标灯等等。 但是到了20世纪60年代中期，情况就发生了根本的变
11、化。1966年，英籍华人高馄发表了关于通信传输新介质的论文，当时他还是在英国HarlowITT实验室工作的年轻工程师，他指出了利用光导纤维进行信息传输的可能性和技术途径，从而奠定了光纤通信的基础。 现已安装使用的光纤通信系统，光纤长度有的很短，只有几米长，有的又很长，如连接洲与洲之间的海底光缆。20世纪70年代中期以来，光纤通信的发展速度之快令人震惊，可以说没有任何一种通信方式可以与之相媲美。光纤通信已成为通信系统的最佳技术选择。 第一章 光纤传感器的发展1.1光纤传感器1.光纤传感器的介绍 从本质上认为光纤传感器是一种器件。光纤中光波导在外界生物量、物理量、化学量、生物医学量或其它类似因素的
12、影响下，它的特性会发生改变。具体的描述，就是将光学性质保持不变的一光源发出的光经过某种固定祸合的方法入射到光纤里面，然后进入调制区，最后从不同或同一光纤的光纤返回。调制区可以由其它介质组成，也可以由光纤本身组成。前者称为传光型传感器，后者称为传感型传感器。 现在的光纤传感器品种非常的多，能用光信号中调制的参数也颇多，包括多普勒频移、相位、偏振态、颜色、副载频调制(如脉宽或调频)或强度。2.光纤传感器的分类 根据光纤在整个传感器中的功能，光纤传感器一般可分为功能和非功能型光纤传感器两大类。 另外，按光纤中被调制的特征参量的不同光纤传感器可分为以下几种类型1.1)强度调制型:这种光纤传感器用输出光
13、强度的变化来代表被测物理量。其优点是被测对象广泛，传感头结构简单。又由十光纤中的光强易受光纤弯曲、振动等的影响，所以其抗干扰能力较差。2)相位调制型:这种光纤传感器采用光纤中的光波的相位的变化来表示被测物理量。由于光纤中的光波相位对环境非常的敏感，这类光纤传感器具有非常高的灵敏度，但同时存在交叉敏感等缺点，易受多种环境因素的干扰。3)偏振态调制型:这种光纤传感器采用光纤中光波偏振态的变化来表示被测物理量，利用检偏器进行解调。这种光纤传感器的缺点是光波偏振态易受温度、振动等因素的影响，需采用补偿措施。4)波长调制型:这种光纤传感器一般利用传感头的选频特性来调制出射光的波长，采用宽带光源，得到被测
14、物理量的大小，大多数需采用频谱仪来解调。由于光的波长很稳定，因此这种光纤传感器可靠性非常高，抗干扰能力比较强。其缺点是占用信道宽，并且解调和传感头的成本比较高。5)频率调制型:大多数是指利用Doppler效应2的光纤传感器，也包含某些非线性Ker:效应3，如Ramann散射等，采用相干解调，主要应用预于速度、温度和位移等的测量。 3.光纤传感器的应用现状 光纤传感器拥有良好的机械、化学、物理以及传输性能，使得光纤传感器具备一系列传统传感器无法比拟的优点。所以光纤传感器一出现，就受到世界各国研究机构和学术界的高度重视，具有很强的生命力和广泛的市场应用前景。光纤传感器的应用主要表现在以下几个方面:
15、1)城市建设中大坝、桥梁、油田等的干涉陀螺仪4和光栅压力传感器的应用。它可预埋在碳纤维增强塑料、混凝土以及各种复合材料中，用于测试施工应力、应力松弛和动荷载应力从而来评估施工阶段、桥梁短期和长期营运状态的结构性育旨。2)在电力系统方面，需要测定电流、温度等参数，譬如对大型电机的定子、转子和高压变压器内的温度探测等。电类传感器易受强电磁场的干扰，无法在这些场合中使用，所以只能用光纤传感器。分布式光纤温度传感器是最近几年发展起来的一种应用十实时测探测空间温度场分布的高新技术。分布式光纤温度传感系统不仅具有普通光纤传感器的具备的优点，还具有对光纤沿线各点的温度的分布式传感能力，由于它的这种特点我们可
16、以实现精度可达米的量级的实时定位。3)在石油化工系统方面，大型电厂、矿井等，需要检测碳氢化合物、氧气等气体的浓度，采用电类传感器往往达不到精度要求，更严重的是电类传感器可能会引起安全事故。所以研制高性能的光纤气敏传感器，可以安全有效地解决上述问题。4)在食品安全测、检环境监测、临床医学检测等方面，由于其环境复杂，影响因素非常多，而使用其它传感器往往达不到所需要的精度，而且易受外界因素的影响，采用光纤传感器可以具有较高的精度和很强的抗干扰能力，可实现对上述各领域的生物的准确、快速、方便地检测。目前，我国水源的污染情况非常严重，临床检验、食品安全的检测手段相对比较落后，所以光纤传感器在这些领域具有
17、非常好的市场潜力。5)医学及生物传感器。医学临床应用的光纤辐射剂量计及其它的化学污染物光纤表面细胞质粒基因组共振生物传感器等等;生物适应系统应用于生化技术、医药、海水监测。 光纤传感器在实践中应用到的例子不胜枚举，这些技术很多都是多学科的综合和交叉，涵盖的知识面非常广，如火花塞、光纤陀螺光纤传感器，光纤传感复合材料，光纤传感器对植物叶绿素的研究等等。由于科学技术的不断进步，越来越多的光纤传感器将出现，它们将被应用到实际生产生活的每一个角落。因此研究基于光纤传感器的光纤围栏报警系统也具有非常重要的应用前景。4.光纤传感器的技术发展方向 光纤传感技术经过将近20年的发展已获得很大的进步，出现了非常
18、多的实用性的产品，然而光纤传感技术的这种现状仍然在很大程度上不能满足实际需要。目前，光纤传感器技术发展的主要方向是:1)传感器实用化方面的研究，即一种光纤传感器不仅只针对一种物理量，而应该能够对多种物理量进行同时测量。2)提高分布式传感器的空间灵敏度、分辨率，降低其成本，设计较复杂的传感器网络工程。注意到分布式传感器的参数，即温度、压力，特别是化学参数(一些污染物、碳氢化合物、PH值、湿度等)对光纤的干扰。3)传感器使用特殊光纤材料和器件的研究，譬如增敏和去敏光纤、电极化光纤、荧光光纤的研究等。这些将都将是以后传感器进一步发展的必然的趋势。4)在恶劣条件下(化学腐蚀、高温、高压)低成本传感器(
19、支架、连接、安装)的研发。5)新传感机理的研究，研发新型光纤传感器。1.2分布式光纤传感技术 分布式光纤传感器技术(DOFS) 5由于其可对被测量的测量场的连续空间进行实时测量的特点而变成光纤传感技术中非常引人注目的一项新兴技术。主要分为以下两类: 第一类为准分布式光纤传感器，也即是由N个放置在空间预知位置上的分立的光学传感器共享一个或几个(nN)信息传输通道所组成的分布式网络系统6它的优点在于可以同时或分时测量预知位置上被测量的空间分布情况，也可同时探测到某一或某些空间点上不同被测量的分布信息。它的缺点在十只能测量预知离散空间位置上的传感信息，并且在大多数情况下其结构比较复杂，成本非常高。
20、第二类是全分布式光纤传感器，也即是利用一根传感光纤作为传输的敏感元件，光纤传感器上的任意一部分既是敏感单元，又是其它敏感单兀信息的传输通道，所以可获得被测量沿此时间变化和光纤空间的分布信息。 从分布式光纤传感器的本身特点来看，分布式光纤传感器有着很多其它传感器无可比拟的优点，分布式光纤传感器在安防监控系统领域有着广阔的应用前景。而光纤围栏报警系统正是基于分布式光纤传感器上研制的一种周界防范报警系统。 光纤围栏报警系统的安防技术，即采用分布式光纤传感器作为传感的器件，通过对直接触及布式光纤传感器或通过承载物，如覆土、铁丝网、围栏等，传递给光纤(缆)的各种扰动，进行持续和实时的监控，采集扰动数据，
21、经过后端分析处理和智能识别，判断出不同的外部干扰类型，如攀爬铁丝网、按压围墙、禁行区域的奔跑或行走，以及可能威胁周界建筑物的机械施工等，实现系统预警或实时告警，从而达到对侵入设防区域周界的威胁行为进行预警监测的目的。其中光纤既作为传感的介质，又作为传输介质。光纤围栏报警系统可以在传感光纤布设长度内，对一定准确度范围内的突发事件进行远程和实时的监控。因此，在光缆监控、光纤围栏监控、管道监控等方面都有着广阔的应用前景。1.3光纤围栏报警系统及其研究现状1.国外主要技术途径7 目前，在灵敏度较高的干涉型传感器中，国外研究较多的是基于Sagac干涉8的光纤围栏报警系统。另外，还有一些将两种干涉仪结合在
22、一起的结构，如Sagnac和Mach-Zehnder, Sagnac和Michelson。基于Sagnac干涉的光纤围栏报警系统优点是定位精度很高，已有论文报道在5公里的光纤环中，实现了0.9m的定位精度。2.国内主要技术途径 在国内，进行围栏报警系统研制的单位主要是华中科技大学和南开大学，他们采用的干涉仪主要是Mach-Zehnde:干涉仪。华中科技大学孙琪真报道的光纤围栏报警系统采用3X3的光祸合器进行无源零差解调，用高速DSP器件进行信号分析，在6.8公里的长度上实现了小于100米的定位精度，并能实时观察扰动信号的幅度和频率。1.4本文的意义及其主要研究内容 目前国内外光纤围栏报警系统方
23、面存在的问题是报警光纤的传感距离比较近，而对光纤环位点的干扰检测比较困难，定位精度比较低。本文研究的是超过超长距离光纤围栏报警系统。在精度方面，控制在10m左右。1.本文应用方面的意义: 本文研究的是一种能实现全自动侵入9检测的光纤围栏报警系统，应用于各种闭合区域的入侵检测。若有行人、车辆等通过该闭合区域时，该系统能够及时发现，并准确定位，判断类型，便于及早处理。对那些非人为因素(如大风、大雨等)产生的干扰通过软件进行滤除，避免误报警。2.本文的主要研究内容:1)光纤围栏报警系统设计:(1)光纤围栏报警系统基本原理;(2)光纤围栏报警系统系统结构。2)光纤围栏报警系统实验验证方案: 根据实验设
24、计方案，硬件方面采用中央控制计算机、驱动电路、Mach-Zehnder干涉仪、耦合器、单模光纤和围栏等搭建了模拟测试的光纤围栏报警系统。 在测试定位精度方面，我们通过预先测量好扰动的位置来比照实验中测得的扰动位置，测试报警系统的定位精度。 在测试报警类型方面，我们预先通过报警系统采集好各种类型事物所产生的波形，建立数据库。实验测试类型时，我们通过软件实现现场采集的信号与信号库里的信号进行比较，判断扰动类型。第二章 传感器原理以及相关技术 光纤围栏报警系统采用分布式光纤传感器作为传感元件，利用Mach-Zehnder干涉仪实现干涉，本部分主要对传感器原理及干涉技术作了分析，对系统的研究提供理论的
25、基础。2.1光纤传感器基本原理 光纤是由两种折射率不同的芯和包层组成的，包层的折射率小于芯。当端面入射角小于它的界面的临界全反射角的光线射入，就形成全反射。光纤的传输模式分为单模式和多模式两种。单模式光纤芯非常的细，与波长差不多或几倍于波长(光波长为0. 8 um -1. 6 um )，其外包层直径约为芯直径的10倍以上;多模式光纤的纤芯则相对较粗，直径约为5 um -75 um，包层外径约为纤芯直径的两倍，大概为10 um150 um。多模式光纤可做成阶跃式和梯度式两种，而单模式光纤只能为阶跃式折射分布。梯度式即渐变式折射率分布，中心最大，逐渐减小到与包层相同。 单模光纤由于纤芯直径接近波长
26、，所以光传输单一，可能只有一种模式。当光纤的纤芯直径较大时，则有多种沿不同的途径，以不同速率传输的模式，所以有多种不同的模式传输但由十不同正弦形的途径长度不一样，因而到达接收的时延几乎相等。光纤的主要有损耗与色散两方面的特点，这对光纤通讯是必须解决的问题。1.干涉型传感原理 近20年来光纤传感器发展非常的快，对应力应变型，主要研究领域为偏振和干涉两类传感器。其中高折射率偏振型光纤和Fabry-Perot 11干涉光纤应用较多。干涉型光纤传感器的原理，用两镜面的相干光强描述： 两镜面可为空气(外F-P型)12或玻璃(内F-P型)型两个反射面，如图2-1所示。L=Lo+L为a ，b间的距离，包含了
27、因外部扰动而引起的变形，ne为光纤的有效折射率，随光纤的偏振方而异，cos函数则表示两者的相位差，o为光波在真空中的波长。图2-1 光在光纤中传播 对于埋入各向异性材料(复合材料)中的光纤，光纤内的内力场和变形场与包裹它的材料的内力场和变形场，在研究中经常假设:1)小变形，服从线弹性理论;2)光纤中的应力应变场是均匀的，目一为常数。而对包裹光纤的材料，在光纤方向为常数，在垂直光纤方向不再是常数;3)在包裹材料与光纤的界面上位移保持连续，包裹材料和光纤的温度相同;界面相互作用力保持平衡。 由上述假设很容易建立光纤和包裹材料的力学方程，以及由假设2建立求解的边界条件，最终得到两者的应力和应变场。2
28、相位调制传感原理 相位调制就是利用外界因素变化所引起光纤中光波的相位变化，来测量外界物理量。通常还要利用光干涉技术。模式调制型和偏振型光纤传感的原理，则是基于光纤所传出的两个以上模式的相速度是不同的，这种相位差是光纤本身特性和外界扰动的函数。对于偏振型则是在输出端用偏振镜采集因外界扰动引起光纤偏振态(偏振面旋转)的变化，这是采用光在介质中传播的旋光效应.图2-2 多模光纤模式功率调制传感原理3.模式功率调制传感原理 这是最近发展的一种传感机理，其原理如图2-2所示。虽然给出实验研究结果，但尚无理论分析。由于理论分析复杂，在此不再赘述。2.2分布式光纤传感器基本原理2.2.1分布式光纤传感器类型
29、 当分布式光纤传感的概念被提出来以后，以其可以预测的许多优点而备受大家关注，一度成为研究的热点，经过几十年的飞速发展，我们今天的分布式光纤传感器主要可分为以下几类:1.基于瑞丽后向散射的光纤传感器 在单模光纤中，当使用偏振光时域反射仪时，瑞丽回后向散射光的偏振状态以时间为函数被检测到，单模光纤的双折射参数对诸如压力、磁场、应力、电场等被测量很敏感。接着，后向散射光的偏振状态沿着光纤轴向而改变。所以可以通过相应的法拉第旋光效应和克尔效应监测电场和磁场的变化。后向散射光的后向散射系数与强度呈比例，而后向散射系数一般只随温度变化。在固体光纤里温度影响很弱，而在液体中，瑞丽散射与反射系数对温度的依赖关
30、系却非常的明显。2.基于布里渊效应国的传感器 基于布里渊效应的光时域反射仪是OTDR探测技术和布里渊散射相结合构成的分布式光纤传感器。其原理如图2-3所示，处于光纤两端的可调谐激光器分别将一连续光与一脉冲光(分别作为探测和泵浦光)注人传感光纤，当泵浦光与探测光的频率差与光纤中某区域的布里渊频移相等时，就会在该区产生布里渊放大效应，两光束之间发生能量的转移。由于布里渊应变与频移，它们的温度存在线性关系。所以对两激光器的频率连续进行调节的同时，通过检测从光纤一端射出的连续光的功率，就可以获得光纤各小段区域上能量转移达到最大时对应的频率差。图2-3 基于布里渊散射效应的传感器2.2.2 系统接收光功
31、率 一般的分布式光纤传感器系统模型:连接检测器和激光源长为L的两段传感光纤。这两段光纤可以为两根不同光纤，也可以为同一根光纤或一根光纤中的两纤芯，传感光纤处在测量场M (l) 中。 考虑从激光源出发距离在l + dl和l之间的光纤单兀dl，脉宽为T和入纤能量为Eo的光脉冲以速度为c;在通道中传输，当经过光纤单元dl时，其能量发生以下三种变化:1.一部分能量（a, di)被耦合到通道，然后以速度c到达检测端;2一部分能量（a, di)被光纤吸收或被散射出光纤外;3能量的变化(衰减和祸合)由测量场M (l)决定。 我们由理论公式推导可知，接收光功率与传感光纤长度、光散射栖合系数(ac)导入纤激励光
32、能量和光纤衰减系数有关，因此要提高接收光功率应从提高入纤光能量、光散射系数和与减少光衰减这三方面考虑。2.3光纤围栏可行性技术分析1. Sagnac光纤干涉技术 Sagnac光纤干涉技术的基本原理是利用同一光纤环中沿相反方向前进的两光波，在外界因素影响下产生不同的相移，通过干涉效应来进行检测。如图2-4所示其基本结构是将耦合器的输出端相连接，形成光回路。图2-4 Sagnac光纤干涉技术从光源发出的光，如图4，经耦合器分为两路，它们分别沿顺时针和逆时针的方向在传感光纤中传播。当传感光纤的某处发生扰动时，这就会导致两束传输光波相位发生变化进而两束光相位发生改变，两束相位差的大小与扰动点位置、扰动噪声引起的光波相位变化速率成正比。我们利用这一原理可实
