光纖圍欄報警系統(tǒng)的設(shè)計與研究 畢業(yè)設(shè)計

1、編號 20130913144 光纖圍欄報警系統(tǒng)設(shè)計與研究光纖圍欄報警系統(tǒng)設(shè)計與研究 the design and study of fiber-0ptic fence alarm system 學(xué) 生 姓 名王偉濤 專 業(yè)光電子技術(shù)科學(xué) 學(xué) 號0913144 指 導(dǎo) 教 師徐曉峰 分 院光電科學(xué)分院 2013 年年 6 月月 小三號黑體字 摘摘 要要 在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的信息時代，光電技術(shù)、信息技術(shù)和集成電路技術(shù)在各個領(lǐng) 域的作用越來越顯著。而在光電技術(shù)領(lǐng)域，光纖通信和光纖傳感技術(shù)作為新的激光應(yīng) 用技術(shù)，已經(jīng)成為工程應(yīng)用和研究的熱點。 本文圍繞光纖圍欄報警系統(tǒng)，采用了一些應(yīng)用于光纖圍欄報警系統(tǒng)

2、方面的理論技 術(shù)和算法，對整個光纖圍欄報警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)做了可行性的分析，設(shè)計了實驗驗證的方 案，最后進行實驗方面的測試。具體可以分為以下幾個方面: 在光纖圍欄報警系統(tǒng)采用的技術(shù)理論方面，本文采用馬赫一曾德耳光纖干涉技術(shù)， 提高系統(tǒng)的定位精度和降低系統(tǒng)的誤報率。 在光纖圍欄報警系統(tǒng)的整體設(shè)計方面，本文分析了系統(tǒng)設(shè)計的基本原理，以及系 統(tǒng)配置，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，定位模塊，數(shù)據(jù)分析等方面的設(shè)計要求，進一步的提出光纖圍欄 報警系統(tǒng)的具體實驗設(shè)計方案和實驗驗證方案。 在光纖圍欄報警系統(tǒng)實驗驗證方面，本文根據(jù)提出的實驗設(shè)計方案，搭建了模擬 測試的光纖圍欄報警系統(tǒng)。 最后，通過實驗測試，光纖圍欄報警系統(tǒng)的報警準(zhǔn)確率能

3、夠滿足一般行業(yè)安防的 需要。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞: 光纖圍欄 馬赫一曾德干涉 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

4、in the field of opto-electronics 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

5、fiber-optic fence alarm system 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

6、 technology and theory of the 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, positio

7、ning module,data analysis and 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 simulatio

8、n test of alarm system is set 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. k

9、eywords: fiber-optic fence mach-zehnder interference 目目 錄錄 緒緒 論論 .1 1 第一章第一章 光纖傳感器的發(fā)展光纖傳感器的發(fā)展 .2 2 1.11.1 光纖傳感器光纖傳感器.2 2 1.21.2 分布式光纖傳感技術(shù)分布式光纖傳感技術(shù).4 4 1.31.3 光纖圍欄報警系統(tǒng)及其研究現(xiàn)狀光纖圍欄報警系統(tǒng)及其研究現(xiàn)狀.5 5 1.41.4 本文的意義及其主要研究內(nèi)容本文的意義及其主要研究內(nèi)容.5 5 第二章第二章 傳感器原理以及相關(guān)技術(shù)傳感器原理以及相關(guān)技術(shù) .6 6 2.12.1 光纖傳感器基本原理光纖傳感器基本原理.6 6 2.22.2

10、 分布式光纖傳感器基本原理分布式光纖傳感器基本原理.8 8 2.2.12.2.1 分布式光纖傳感器類型分布式光纖傳感器類型 .8 8 2.2.22.2.2 系統(tǒng)接收光功率系統(tǒng)接收光功率.9 9 2.32.3 光纖圍欄可行性技術(shù)分析光纖圍欄可行性技術(shù)分析.9 9 2.42.4 本章小結(jié)本章小結(jié).1212 第三章第三章 基于分布式光纖傳感器的光纖圍欄報警系統(tǒng)基于分布式光纖傳感器的光纖圍欄報警系統(tǒng) .1313 3.13.1 基本原理與系統(tǒng)設(shè)計基本原理與系統(tǒng)設(shè)計.1313 3.23.2 本章小結(jié)本章小結(jié).1515 第四章第四章 模擬實驗設(shè)計模擬實驗設(shè)計 .1616 4.14.1 模型的建立模型的建立.

11、1616 4.24.2 報警系統(tǒng)解決方案的設(shè)計報警系統(tǒng)解決方案的設(shè)計.1717 4.34.3 本章小結(jié)本章小結(jié).1919 結(jié)結(jié) 論論 .2020 參考文獻參考文獻 .2121 致致 謝謝 .2222 緒緒 論論 光通信是利用光波作為載波信息的。廣義地說，用光傳遞信息并不是什么新鮮的 事。早在公元兩千多年以前，我們的祖先就在都城和邊境堆起一些高高的土丘，遇到 敵人入侵，就在這些土丘燃起煙火傳遞入侵的信息，各地諸侯看見煙火就立刻領(lǐng)兵來 援救。這種土丘就叫烽火臺，它就是一種古老的通信設(shè)備。 由于人們無法解決光向四面八方散射時，光強減弱和不能通過障礙的問題，因此， 直到 20 世紀(jì) 60 年代初，光通

12、信都沒有什么重大的發(fā)展。它僅僅作為一種信號燈使用， 如馬路上的紅綠燈，機場上的跑道標(biāo)志燈和航標(biāo)燈等等。 但是到了 20 世紀(jì) 60 年代中期，情況就發(fā)生了根本的變化。1966 年，英籍華人高 餛發(fā)表了關(guān)于通信傳輸新介質(zhì)的論文，當(dāng)時他還是在英國 harlowitt 實驗室工作的年 輕工程師，他指出了利用光導(dǎo)纖維進行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，從而奠定了光 纖通信的基礎(chǔ)。 。 現(xiàn)已安裝使用的光纖通信系統(tǒng)，光纖長度有的很短，只有幾米長，有的又很長， 如連接洲與洲之間的海底光纜。20 世紀(jì) 70 年代中期以來，光纖通信的發(fā)展速度之快 令人震驚，可以說沒有任何一種通信方式可以與之相媲美。光纖通信已成為通

13、信系統(tǒng) 的最佳技術(shù)選擇。 第一章第一章 光纖傳感器的發(fā)展光纖傳感器的發(fā)展 1.1 光纖傳感器光纖傳感器 1.光纖傳感器的介紹光纖傳感器的介紹 從本質(zhì)上認為光纖傳感器是一種器件。光纖中光波導(dǎo)在外界生物量、物理量、化 學(xué)量、生物醫(yī)學(xué)量或其它類似因素的影響下，它的特性會發(fā)生改變。具體的描述，就 是將光學(xué)性質(zhì)保持不變的一光源發(fā)出的光經(jīng)過某種固定禍合的方法入射到光纖里面， 然后進入調(diào)制區(qū)，最后從不同或同一光纖的光纖返回。調(diào)制區(qū)可以由其它介質(zhì)組成， 也可以由光纖本身組成。前者稱為傳光型傳感器，后者稱為傳感型傳感器。 現(xiàn)在的光纖傳感器品種非常的多，能用光信號中調(diào)制的參數(shù)也頗多，包括多普勒 頻移、相位、偏振態(tài)

14、、顏色、副載頻調(diào)制(如脈寬或調(diào)頻)或強度。 2.光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類 根據(jù)光纖在整個傳感器中的功能，光纖傳感器一般可分為功能和非功能型光纖傳 感器兩大類。 另外，按光纖中被調(diào)制的特征參量的不同光纖傳感器可分為以下幾種類型1. 1)強度調(diào)制型:這種光纖傳感器用輸出光強度的變化來代表被測物理量。其優(yōu)點是 被測對象廣泛，傳感頭結(jié)構(gòu)簡單。又由十光纖中的光強易受光纖彎曲、振動等的影響， 所以其抗干擾能力較差。 2)相位調(diào)制型:這種光纖傳感器采用光纖中的光波的相位的變化來表示被測物理量。 由于光纖中的光波相位對環(huán)境非常的敏感，這類光纖傳感器具有非常高的靈敏度，但 同時存在交叉敏感等缺點，易受多

15、種環(huán)境因素的干擾。 3)偏振態(tài)調(diào)制型:這種光纖傳感器采用光纖中光波偏振態(tài)的變化來表示被測物理量， 利用檢偏器進行解調(diào)。這種光纖傳感器的缺點是光波偏振態(tài)易受溫度、振動等因素的 影響，需采用補償措施。 4)波長調(diào)制型:這種光纖傳感器一般利用傳感頭的選頻特性來調(diào)制出射光的波長， 采用寬帶光源，得到被測物理量的大小，大多數(shù)需采用頻譜儀來解調(diào)。由于光的波長 很穩(wěn)定，因此這種光纖傳感器可靠性非常高，抗干擾能力比較強。其缺點是占用信道 寬，并且解調(diào)和傳感頭的成本比較高。 5)頻率調(diào)制型:大多數(shù)是指利用 doppler 效應(yīng)2的光纖傳感器，也包含某些非線性 ker:效應(yīng)3，如 ramann 散射等，采用相干解

16、調(diào)，主要應(yīng)用預(yù)于速度、溫度和位移等 的測量。 3.光纖傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀光纖傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀 光纖傳感器擁有良好的機械、化學(xué)、物理以及傳輸性能，使得光纖傳感器具備一 系列傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)點。所以光纖傳感器一出現(xiàn)，就受到世界各國研究機構(gòu) 和學(xué)術(shù)界的高度重視，具有很強的生命力和廣泛的市場應(yīng)用前景。光纖傳感器的應(yīng)用 主要表現(xiàn)在以下幾個方面: 1)城市建設(shè)中大壩、橋梁、油田等的干涉陀螺儀4和光柵壓力傳感器的應(yīng)用。它 可預(yù)埋在碳纖維增強塑料、混凝土以及各種復(fù)合材料中，用于測試施工應(yīng)力、應(yīng)力松 弛和動荷載應(yīng)力從而來評估施工階段、橋梁短期和長期營運狀態(tài)的結(jié)構(gòu)性育旨。 2)在電力系統(tǒng)方面，需要測定電流、溫

17、度等參數(shù)，譬如對大型電機的定子、轉(zhuǎn)子 和高壓變壓器內(nèi)的溫度探測等。電類傳感器易受強電磁場的干擾，無法在這些場合中 使用，所以只能用光纖傳感器。分布式光纖溫度傳感器是最近幾年發(fā)展起來的一種應(yīng) 用十實時測探測空間溫度場分布的高新技術(shù)。分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)不僅具有普通 光纖傳感器的具備的優(yōu)點，還具有對光纖沿線各點的溫度的分布式傳感能力，由于它 的這種特點我們可以實現(xiàn)精度可達米的量級的實時定位。 3)在石油化工系統(tǒng)方面，大型電廠、礦井等，需要檢測碳氫化合物、氧氣等氣體 的濃度，采用電類傳感器往往達不到精度要求，更嚴(yán)重的是電類傳感器可能會引起安 全事故。所以研制高性能的光纖氣敏傳感器，可以安全有效地解

18、決上述問題。 4)在食品安全測、檢環(huán)境監(jiān)測、臨床醫(yī)學(xué)檢測等方面，由于其環(huán)境復(fù)雜，影響因 素非常多，而使用其它傳感器往往達不到所需要的精度，而且易受外界因素的影響， 采用光纖傳感器可以具有較高的精度和很強的抗干擾能力，可實現(xiàn)對上述各領(lǐng)域的生 物的準(zhǔn)確、快速、方便地檢測。目前，我國水源的污染情況非常嚴(yán)重，臨床檢驗、食 品安全的檢測手段相對比較落后，所以光纖傳感器在這些領(lǐng)域具有非常好的市場潛力。 5)醫(yī)學(xué)及生物傳感器。醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用的光纖輻射劑量計及其它的化學(xué)污染物光纖 表面細胞質(zhì)?；蚪M共振生物傳感器等等;生物適應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)用于生化技術(shù)、醫(yī)藥、海水 監(jiān)測。 光纖傳感器在實踐中應(yīng)用到的例子不勝枚舉，這些技

19、術(shù)很多都是多學(xué)科的綜合和 交叉，涵蓋的知識面非常廣，如火花塞、光纖陀螺光纖傳感器，光纖傳感復(fù)合材料， 光纖傳感器對植物葉綠素的研究等等。由于科學(xué)技術(shù)的不斷進步，越來越多的光纖傳 感器將出現(xiàn)，它們將被應(yīng)用到實際生產(chǎn)生活的每一個角落。因此研究基于光纖傳感器 的光纖圍欄報警系統(tǒng)也具有非常重要的應(yīng)用前景。 4.光纖傳感器的技術(shù)發(fā)展方向光纖傳感器的技術(shù)發(fā)展方向 光纖傳感技術(shù)經(jīng)過將近 20 年的發(fā)展已獲得很大的進步，出現(xiàn)了非常多的實用性 的產(chǎn)品，然而光纖傳感技術(shù)的這種現(xiàn)狀仍然在很大程度上不能滿足實際需要。目前， 光纖傳感器技術(shù)發(fā)展的主要方向是: 1)傳感器實用化方面的研究，即一種光纖傳感器不僅只針對一種物

20、理量，而應(yīng)該 能夠?qū)Χ喾N物理量進行同時測量。 2)提高分布式傳感器的空間靈敏度、分辨率，降低其成本，設(shè)計較復(fù)雜的傳感器 網(wǎng)絡(luò)工程。注意到分布式傳感器的參數(shù)，即溫度、壓力，特別是化學(xué)參數(shù)(一些污染 物、碳氫化合物、ph 值、濕度等)對光纖的干擾。 3)傳感器使用特殊光纖材料和器件的研究，譬如增敏和去敏光纖、電極化光纖、 熒光光纖的研究等。這些將都將是以后傳感器進一步發(fā)展的必然的趨勢。 4)在惡劣條件下(化學(xué)腐蝕、高溫、高壓)低成本傳感器(支架、連接、安裝)的研發(fā)。 5)新傳感機理的研究，研發(fā)新型光纖傳感器。 1.2 分布式光纖傳感技術(shù)分布式光纖傳感技術(shù) 分布式光纖傳感器技術(shù)(dofs) 5由于其

21、可對被測量的測量場的連續(xù)空間進行實 時測量的特點而變成光纖傳感技術(shù)中非常引人注目的一項新興技術(shù)。主要分為以下兩 類: 第一類為準(zhǔn)分布式光纖傳感器，也即是由 n 個放置在空間預(yù)知位置上的分立的光 學(xué)傳感器共享一個或幾個(nn)信息傳輸通道所組成的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)6它的優(yōu)點在 于可以同時或分時測量預(yù)知位置上被測量的空間分布情況，也可同時探測到某一或某 些空間點上不同被測量的分布信息。它的缺點在十只能測量預(yù)知離散空間位置上的傳 感信息，并且在大多數(shù)情況下其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本非常高。 第二類是全分布式光纖傳感器，也即是利用一根傳感光纖作為傳輸?shù)拿舾性?光纖傳感器上的任意一部分既是敏感單元，又是其它敏

22、感單兀信息的傳輸通道，所以 可獲得被測量沿此時間變化和光纖空間的分布信息。 從分布式光纖傳感器的本身特點來看，分布式光纖傳感器有著很多其它傳感器無 可比擬的優(yōu)點，分布式光纖傳感器在安防監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。而光纖 圍欄報警系統(tǒng)正是基于分布式光纖傳感器上研制的一種周界防范報警系統(tǒng)。 光纖圍欄報警系統(tǒng)的安防技術(shù)，即采用分布式光纖傳感器作為傳感的器件，通過 對直接觸及布式光纖傳感器或通過承載物，如覆土、鐵絲網(wǎng)、圍欄等，傳遞給光纖 (纜)的各種擾動，進行持續(xù)和實時的監(jiān)控，采集擾動數(shù)據(jù)，經(jīng)過后端分析處理和智能 識別，判斷出不同的外部干擾類型，如攀爬鐵絲網(wǎng)、按壓圍墻、禁行區(qū)域的奔跑或行 走，以及

23、可能威脅周界建筑物的機械施工等，實現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)警或?qū)崟r告警，從而達到對 侵入設(shè)防區(qū)域周界的威脅行為進行預(yù)警監(jiān)測的目的。其中光纖既作為傳感的介質(zhì)，又 作為傳輸介質(zhì)。光纖圍欄報警系統(tǒng)可以在傳感光纖布設(shè)長度內(nèi)，對一定準(zhǔn)確度范圍內(nèi) 的突發(fā)事件進行遠程和實時的監(jiān)控。因此，在光纜監(jiān)控、光纖圍欄監(jiān)控、管道監(jiān)控等 方面都有著廣闊的應(yīng)用前景。 1.3 光纖圍欄報警系統(tǒng)及其研究現(xiàn)狀光纖圍欄報警系統(tǒng)及其研究現(xiàn)狀 1.國外主要技術(shù)途徑7 目前，在靈敏度較高的干涉型傳感器中，國外研究較多的是基于 sagac 干涉8的 光纖圍欄報警系統(tǒng)。另外，還有一些將兩種干涉儀結(jié)合在一起的結(jié)構(gòu)，如 sagnac 和 mach-zehnde

24、r, sagnac 和 michelson?；?sagnac 干涉的光纖圍欄報警系統(tǒng)優(yōu)點是定 位精度很高，已有論文報道在 5 公里的光纖環(huán)中，實現(xiàn)了 0.9m 的定位精度。 2.國內(nèi)主要技術(shù)途徑 在國內(nèi)，進行圍欄報警系統(tǒng)研制的單位主要是華中科技大學(xué)和南開大學(xué)，他們采 用的干涉儀主要是 mach-zehnde:干涉儀。華中科技大學(xué)孫琪真報道的光纖圍欄報警系 統(tǒng)采用 3x3 的光禍合器進行無源零差解調(diào)，用高速 dsp 器件進行信號分析，在 6.8 公 里的長度上實現(xiàn)了小于 100 米的定位精度，并能實時觀察擾動信號的幅度和頻率。 1.4 本文的意義及其主要研究內(nèi)容本文的意義及其主要研究內(nèi)容 目前

25、國內(nèi)外光纖圍欄報警系統(tǒng)方面存在的問題是報警光纖的傳感距離比較近，而 對光纖環(huán)位點的干擾檢測比較困難，定位精度比較低。本文研究的是超過超長距離光 纖圍欄報警系統(tǒng)。在精度方面，控制在 10m 左右。 1.本文應(yīng)用方面的意義: 本文研究的是一種能實現(xiàn)全自動侵入9檢測的光纖圍欄報警系統(tǒng)，應(yīng)用于各種閉 合區(qū)域的入侵檢測。若有行人、車輛等通過該閉合區(qū)域時，該系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)，并 準(zhǔn)確定位，判斷類型，便于及早處理。對那些非人為因素(如大風(fēng)、大雨等)產(chǎn)生的干 擾通過軟件進行濾除，避免誤報警。 2.本文的主要研究內(nèi)容: 1)光纖圍欄報警系統(tǒng)設(shè)計: (1)光纖圍欄報警系統(tǒng)基本原理; (2)光纖圍欄報警系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

26、。 2)光纖圍欄報警系統(tǒng)實驗驗證方案: 根據(jù)實驗設(shè)計方案，硬件方面采用中央控制計算機、驅(qū)動電路、mach-zehnder 干 涉儀、耦合器、單模光纖和圍欄等搭建了模擬測試的光纖圍欄報警系統(tǒng)。 在測試定位精度方面，我們通過預(yù)先測量好擾動的位置來比照實驗中測得的擾動 位置，測試報警系統(tǒng)的定位精度。 在測試報警類型方面，我們預(yù)先通過報警系統(tǒng)采集好各種類型事物所產(chǎn)生的波形， 建立數(shù)據(jù)庫。實驗測試類型時，我們通過軟件實現(xiàn)現(xiàn)場采集的信號與信號庫里的信號 進行比較，判斷擾動類型。 第二章第二章 傳感器原理以及相關(guān)技術(shù)傳感器原理以及相關(guān)技術(shù) 光纖圍欄報警系統(tǒng)采用分布式光纖傳感器作為傳感元件，利用 mach-z

27、ehnder 干 涉儀實現(xiàn)干涉，本部分主要對傳感器原理及干涉技術(shù)作了分析，對系統(tǒng)的研究提供理 論的基礎(chǔ)。 2.1 光纖傳感器基本原理光纖傳感器基本原理 光纖是由兩種折射率不同的芯和包層組成的，包層的折射率小于芯。當(dāng)端面入射 角小于它的界面的臨界全反射角的光線射入，就形成全反射。光纖的傳輸模式分為單 模式和多模式兩種。單模式光纖芯非常的細，與波長差不多或幾倍于波長(光波長為 0. 8 um -1. 6 um )，其外包層直徑約為芯直徑的 10 倍以上;多模式光纖的纖芯則相對較粗， 直徑約為 5 um -75 um，包層外徑約為纖芯直徑的兩倍，大概為 10 um150 um。多模 式光纖可做成階躍

28、式和梯度式兩種，而單模式光纖只能為階躍式折射分布。梯度式即 漸變式折射率分布，中心最大，逐漸減小到與包層相同。 單模光纖由于纖芯直徑接近波長，所以光傳輸單一，可能只有一種模式。當(dāng)光纖 的纖芯直徑較大時，則有多種沿不同的途徑，以不同速率傳輸?shù)哪Ｊ?，所以有多種不 同的模式傳輸?shù)墒煌倚蔚耐緩介L度不一樣，因而到達接收的時延幾乎相等。 光纖的主要有損耗與色散兩方面的特點，這對光纖通訊是必須解決的問題。 1.干涉型傳感原理干涉型傳感原理 近 20 年來光纖傳感器發(fā)展非常的快，對應(yīng)力應(yīng)變型，主要研究領(lǐng)域為偏振和干 涉兩類傳感器。其中高折射率偏振型光纖和 fabry-perot 11干涉光纖應(yīng)用較多。

29、 干涉型光纖傳感器的原理，用兩鏡面的相干光強描述： 兩鏡面可為空氣(外 f-p 型)12或玻璃(內(nèi) f-p 型)型兩個反射面，如圖 2-1 所示。 l=lo+l 為 a ，b 間的距離，包含了因外部擾動而引起的變形，ne 為光纖的有效折 射率，隨光纖的偏振方而異，cos 函數(shù)則表示兩者的相位差，o 為光波在真空中的波 長。 圖 2-1 光在光纖中傳播 對于埋入各向異性材料(復(fù)合材料)中的光纖，光纖內(nèi)的內(nèi)力場和變形場與包裹它 的材料的內(nèi)力場和變形場，在研究中經(jīng)常假設(shè): 1)小變形，服從線彈性理論; 2)光纖中的應(yīng)力應(yīng)變場是均勻的，目一為常數(shù)。而對包裹光纖的材料，在光纖方 向為常數(shù)，在垂直光纖方向

30、不再是常數(shù); 3)在包裹材料與光纖的界面上位移保持連續(xù)，包裹材料和光纖的溫度相同;界面相 互作用力保持平衡。 由上述假設(shè)很容易建立光纖和包裹材料的力學(xué)方程，以及由假設(shè) 2 建立求解的邊 界條件，最終得到兩者的應(yīng)力和應(yīng)變場。 2 相位調(diào)制傳感原理相位調(diào)制傳感原理 相位調(diào)制就是利用外界因素變化所引起光纖中光波的相位變化，來測量外界物理 量。通常還要利用光干涉技術(shù)。模式調(diào)制型和偏振型光纖傳感的原理，則是基于光纖 所傳出的兩個以上模式的相速度是不同的，這種相位差是光纖本身特性和外界擾動的 函數(shù)。對于偏振型則是在輸出端用偏振鏡采集因外界擾動引起光纖偏振態(tài)(偏振面旋 轉(zhuǎn))的變化，這是采用光在介質(zhì)中傳播的旋

31、光效應(yīng). 圖 2-2 多模光纖模式功率調(diào)制傳感原理 3.模式功率調(diào)制傳感原理模式功率調(diào)制傳感原理 這是最近發(fā)展的一種傳感機理，其原理如圖 2-2 所示。雖然給出實驗研究結(jié)果， 但尚無理論分析。由于理論分析復(fù)雜，在此不再贅述。 2.2 分布式光纖傳感器基本原理分布式光纖傳感器基本原理 2.2.1 分布式光纖傳感器類型分布式光纖傳感器類型 當(dāng)分布式光纖傳感的概念被提出來以后，以其可以預(yù)測的許多優(yōu)點而備受大家關(guān) 注，一度成為研究的熱點，經(jīng)過幾十年的飛速發(fā)展，我們今天的分布式光纖傳感器主 要可分為以下幾類: 1.基于瑞麗后向散射的光纖傳感器基于瑞麗后向散射的光纖傳感器 在單模光纖中，當(dāng)使用偏振光時域反

32、射儀時，瑞麗回后向散射光的偏振狀態(tài)以時 間為函數(shù)被檢測到，單模光纖的雙折射參數(shù)對諸如壓力、磁場、應(yīng)力、電場等被測量 很敏感。接著，后向散射光的偏振狀態(tài)沿著光纖軸向而改變。所以可以通過相應(yīng)的法 拉第旋光效應(yīng)和克爾效應(yīng)監(jiān)測電場和磁場的變化。后向散射光的后向散射系數(shù)與強度 呈比例，而后向散射系數(shù)一般只隨溫度變化。在固體光纖里溫度影響很弱，而在液體 中，瑞麗散射與反射系數(shù)對溫度的依賴關(guān)系卻非常的明顯。 。 2.基于布里淵效應(yīng)國的傳感器基于布里淵效應(yīng)國的傳感器 基于布里淵效應(yīng)的光時域反射儀是 otdr 探測技術(shù)和布里淵散射相結(jié)合構(gòu)成的分 布式光纖傳感器。其原理如圖 2-3 所示，處于光纖兩端的可調(diào)諧激光

33、器分別將一連續(xù) 光與一脈沖光(分別作為探測和泵浦光)注人傳感光纖，當(dāng)泵浦光與探測光的頻率差與 光纖中某區(qū)域的布里淵頻移相等時，就會在該區(qū)產(chǎn)生布里淵放大效應(yīng)，兩光束之間發(fā) 生能量的轉(zhuǎn)移。由于布里淵應(yīng)變與頻移，它們的溫度存在線性關(guān)系。所以對兩激光器 的頻率連續(xù)進行調(diào)節(jié)的同時，通過檢測從光纖一端射出的連續(xù)光的功率，就可以獲得 光纖各小段區(qū)域上能量轉(zhuǎn)移達到最大時對應(yīng)的頻率差。 圖 2-3 基于布里淵散射效應(yīng)的傳感器 2.2.2 系統(tǒng)接收光功率系統(tǒng)接收光功率 一般的分布式光纖傳感器系統(tǒng)模型:連接檢測器和激光源長為 l 的兩段傳感光纖。 這兩段光纖可以為兩根不同光纖，也可以為同一根光纖或一根光纖中的兩纖芯

34、，傳感 光纖處在測量場 m (l) 中。 考慮從激光源出發(fā)距離在 l + dl 和 l 之間的光纖單兀 dl，脈寬為 t 和入纖能量為 eo 的光脈沖以速度為 c;在通道中傳輸，當(dāng)經(jīng)過光纖單元 dl 時，其能量發(fā)生以下三種 變化: 1.一部分能量（a, di)被耦合到通道，然后以速度 c 到達檢測端; 2 一部分能量（a, di)被光纖吸收或被散射出光纖外; 3 能量的變化(衰減和禍合)由測量場 m (l)決定。 我們由理論公式推導(dǎo)可知，接收光功率與傳感光纖長度、光散射棲合系數(shù)(ac)導(dǎo) 入纖激勵光能量和光纖衰減系數(shù)有關(guān)，因此要提高接收光功率應(yīng)從提高入纖光能量、 光散射系數(shù)和與減少光衰減這三方

35、面考慮。 2.3 光纖圍欄可行性技術(shù)分析光纖圍欄可行性技術(shù)分析 1. sagnac 光纖干涉技術(shù)光纖干涉技術(shù) sagnac 光纖干涉技術(shù)的基本原理是利用同一光纖環(huán)中沿相反方向前進的兩光波， 在外界因素影響下產(chǎn)生不同的相移，通過干涉效應(yīng)來進行檢測。如圖 2-4 所示其基本 結(jié)構(gòu)是將耦合器的輸出端相連接，形成光回路。 圖 2-4 sagnac 光纖干涉技術(shù) 從光源發(fā)出的光，如圖 4，經(jīng)耦合器分為兩路，它們分別沿順時針和逆時針的方 向在傳感光纖中傳播。當(dāng)傳感光纖的某處發(fā)生擾動時，這就會導(dǎo)致兩束傳輸光波相位 發(fā)生變化進而兩束光相位發(fā)生改變，兩束相位差的大小與擾動點位置、擾動噪聲引起 的光波相位變化速率

36、成正比。我們利用這一原理可實現(xiàn)對擾動進行定位。 2. michelson 光纖干涉技術(shù)光纖干涉技術(shù) michelson 光纖干涉技術(shù)的基本原理如圖所示。光源發(fā)出的光，經(jīng)耦合器分為兩 路，分別入射到傳感光纖和參考光纖。傳感光纖和參考光纖的反射光在耦合器處疊加， 產(chǎn)生干涉效應(yīng)。 圖 2-5 michelson 干涉技術(shù) michelson 光纖干涉技術(shù)的缺點:michelson 光纖干涉技術(shù)是利用光纖反射光進行 干涉測量。因此，其信號比較微弱。因此，在長距離測量時，需要相干度極高的光源， 這對光源的制作要求很高。 3. mach-zehnde:光纖干涉技術(shù)光纖干涉技術(shù) mach-zehnder 干

37、涉技術(shù)的原理如圖所示 圖 2-6 machzehnder 干涉技術(shù) 由 1 端發(fā)出的光，經(jīng)耦合器后進入兩根長度基本相同的單模光纖。兩光纖輸出的 光在第 2 個耦合器處發(fā)生干涉。由于光路的對稱性，由 2 端發(fā)出的光，也可以在耦合 1 處發(fā)生干涉。 在傳感光纖無擾動時，由 1 端發(fā)出將在 2 端產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉條紋。同時，由 2 端 發(fā)出的光也將在 1 端產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉條紋。采用窄帶激光作為光源時，將分別在 1 端 和 2 端接到穩(wěn)定的光功率(暫不考慮環(huán)境及溫度變化等干擾信號的影響)。 對于 mach-zehnde:干涉方案的一些討論: 1信噪比問題信噪比問題 mach-zehnde:干涉儀是一種基

38、于相位干涉的方案。因此，其檢測靈敏度是相當(dāng)高 的。同時，由于其采用雙臂干涉結(jié)構(gòu)。因此，外界環(huán)境如溫度等的變化，將會影響傳 感光纖的長度、折射率等發(fā)生微小的變化，從而使傳輸過程的隨機相位噪聲很容易達 到很高，并使檢測信號的信噪比很低。甚至信號會淹沒在噪聲中，無法進行測量。因 此，必須采用某些技術(shù)以提高信噪比?？梢圆扇∫韵聨追N技術(shù): （1)對窄帶激光光源加調(diào)制。所加調(diào)制為正弦信號，頻率應(yīng)當(dāng)大于最高可檢測頻 率的幾倍。同時，在接收端 pd1 和 pd2 處，采用電路選頻濾波或者數(shù)字信號處理技 術(shù)，對信號進行相干解調(diào)，以提高系統(tǒng)的信噪比。 （2)采用外差檢測等干涉解調(diào)方案，可以提高系統(tǒng)信噪比，電路設(shè)計

39、難度也將增 大。 2 mach-zehnder 干涉技術(shù)的優(yōu)點干涉技術(shù)的優(yōu)點: （1)解調(diào)技術(shù)相對簡單，可以簡單地采用光電檢測器直接進行光功率測量。 （2)光路結(jié)構(gòu)也相對簡單。 （3)對光源的相干度要求不高。 由干涉原理可知，在 1 和 2 端檢測得到的擾動信號，只是時間延遲上有不同，而 其信號的頻譜特性是相同的。也就是說，這兩路信號是互相關(guān)的。因此，根據(jù)互相關(guān) 理論，通過計算兩路信號的互相關(guān)函數(shù)，可以很方便地確定出時延(關(guān)聯(lián)度)。而對于 多點擾動的情況時，其互相關(guān)函數(shù)將出現(xiàn)多個極值點，而每個極值點將對應(yīng)一個擾動 的時延。由此，可以對多點擾動進行分析。這是相比于其它光纖傳感技術(shù)的優(yōu)點所在 3m

40、ach-zehnder 干涉技術(shù)的缺點干涉技術(shù)的缺點: （1）由于 mach-zehnde:干涉技術(shù)中，光是經(jīng)兩根光纖進行傳播的。因此，溫度 等環(huán)境的變化作用于傳感光纖上，會引起傳輸光相位的變化，從而使系統(tǒng)的信噪比降 低。 （2）加強激光功率，可以適當(dāng)提高信噪比，但是光纖的瑞利散射及其它非線性效 應(yīng)也可能會降低信噪比。 4. otdr 技術(shù)技術(shù) otdr 的原理是:光脈沖在光纖中傳播時，由于瑞利散射而發(fā)生能量損耗，通過 監(jiān)測后向散射光強度，就可以獲得散射系數(shù)或衰減程度沿光纖的分布狀況。其基本原 理如圖 2-7 所示。 圖 2-7 otdr 技術(shù)處理 2.4 本章小結(jié)本章小結(jié) 本章主要對光纖的傳

41、感原理做了分析，隨后著重分析了分布式光纖傳感器的基本 類型和分布式光纖傳感系統(tǒng)原理，得出了分布式光纖傳感器作為傳感元件的優(yōu)勢所在。 接著分析了光纖圍欄報警系統(tǒng)的干涉技術(shù)的可行性，本文采用的干涉技術(shù)最成熟，并 且最具有很大的市場潛力。 第三章第三章 基于分布式光纖傳感器的光纖圍欄報警系統(tǒng)基于分布式光纖傳感器的光纖圍欄報警系統(tǒng) 光纖圍欄報警系統(tǒng)是一種即經(jīng)濟而又有效的監(jiān)測方式。與一般的報警系統(tǒng)防范相 比，光纖圍欄報警系統(tǒng)具有能夠在大范圍實現(xiàn)實時報警和對入侵的方式判斷的能力。 本章主要對光纖圍欄報警系統(tǒng)做了整體的研究和設(shè)計， 3.1 基本原理與系統(tǒng)設(shè)計基本原理與系統(tǒng)設(shè)計 1.基本原理基本原理 光纖圍欄

42、報警系統(tǒng)擬采用 mach-zehnder 干涉儀結(jié)構(gòu)，其原理如 3-1 圖所示。 圖 3-1 基于 machzehnder 干涉儀的光纖周界系統(tǒng)報警原理示意圖 具體的原理介紹我們已經(jīng)在 2. 2 節(jié)光纖圍欄可行性技術(shù)分析中做了詳細的闡述， 在此不多作贅述。 1. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 光纖圍欄報警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可分為傳感光纜、引導(dǎo)光纜、傳感終端、數(shù)據(jù)處理單元 和中央控制計算機，如圖 3-2 所示。數(shù)據(jù)處理單元和中央控制計算機位于室內(nèi)，多臺 數(shù)據(jù)處理單兀通過 tcp/ip 協(xié)議與中央控制計算機相連，形成一個以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù) 處理單元會給中央控制計算機報告警信息，中央控制計算機的系統(tǒng)應(yīng)用軟件則可根據(jù) 告警

43、信息建立告警口令，判定屬于哪臺告警處理單元告警，并對告警信息進行智能分 析，剔除那些如刮風(fēng)、下雨、汽車等非侵入事件。另外，根據(jù)用戶需要還可增加一些 其它功能。 圖 3-2 光纖圍欄報警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖 3.定位模塊定位模塊 圖 3-3 利用互相關(guān)技術(shù)進行擾動定位的原理圖 4.解調(diào)模塊解調(diào)模塊 為了觀察調(diào)制到光載波上的擾動信號，必須對光探測器收到的信號進行解調(diào)，解 調(diào)的方法主要分為外差法和零差法，外差法又分為普通外差法、合成外差法和偽外差 法;零差法包括主動零差法和被動零差法。經(jīng)過認真比較，擬選用基于 3x3 光禍合器 的被動零差解調(diào)法。這種方法是伴隨著相位解調(diào)技術(shù)發(fā)展而發(fā)展起來的，是一種比較

44、新的解調(diào)技術(shù)，解調(diào)電路直接將干涉儀中的相位變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺砣鐖D 3-4 所 示 圖 3-4 基于光耦合器的被動零差解調(diào)法原理示意圖 5.數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析 是否告警由數(shù)據(jù)分析模塊決定。因此，數(shù)據(jù)分析模塊需完成擾動位置指示、擾動 性質(zhì)分析、產(chǎn)生報警輸出等功能。另外，可根據(jù)設(shè)定的報警門限，對干擾信號進行判 別，如果小于報警門限，則不發(fā)出報警，如果大于報警門限，則驅(qū)動繼電器電路發(fā)出 報警。 6.中央控制計算機中央控制計算機 功能:以圖形化的界面顯示擾動的位置、擾動的類型、并完成擾動的事件的記錄、 報警輸出、擾動的智能化分析。同時提供與用戶其它設(shè)備的接口，可通過 email,短消 息等形式及時通知

45、用戶告警發(fā)生。 3.2 本章小結(jié)本章小結(jié) 本章主要對光纖圍欄報警系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計做了闡述，如數(shù)據(jù)模塊、解調(diào)模 塊等等。接著本章提出了系統(tǒng)設(shè)計硬件方面的一些要求，如光纖鏈路的損耗等。 第四章第四章 模擬實驗設(shè)計模擬實驗設(shè)計 4.1 模型的建立模型的建立 研究前面所提出的光纖圍欄報警系統(tǒng)的可行性的設(shè)計方案，首先需要建立光纖圍 欄報警系統(tǒng)的實驗?zāi)Ｐ?。光纖圍欄報警系統(tǒng)的實驗?zāi)M主要是模擬入侵者在光纖圍欄 上的一些情況，根據(jù)這些入侵的情況來研究相應(yīng)的信號的變化情況，以初步確定這些 信號的特點。 光纖圍欄報警系統(tǒng)設(shè)計的主要分成四部分:信號采集、信號處理、光纖圍欄傳感與 報警。侵入者在圍欄上的行為使得光

46、纖傳感器受到擾動，光纖傳感器中傳遞的信號的 也將受到相應(yīng)的調(diào)制。然后信號采集，將采集來的信號進行實時解調(diào)和處理，確定擾 動位置。并對告警信息進行智能分析，剔除那些非人為因素影響的非侵入事件。下面 我們來做一些光纖圍欄報警系統(tǒng)模型上的測試，如截斷圍欄、抖動圍欄以及非人為因 素擾動等的測試。 信信 號號 采采 集集 信信 號號 處處 理理 光纖光纖 圍欄圍欄 傳傳 感感 光纖光纖 圍欄圍欄 報警報警 圖 4-1 光纖圍欄報警系統(tǒng)原理示意圖 我們通過實驗測試分析了這些信號的兩種作用效果:光纖圍欄上的光纖傳感器所受 到的截斷、抖動兩種作用效果。 圖 4-2 截斷光纖圍欄波形 圖 4-2 表示一次截斷的

47、波形圖，當(dāng)截斷時，光纖傳感器收到一次力作用并引起的 沖擊作用，出現(xiàn)一個尖銳的峰值，在主峰值旁邊出現(xiàn)一些微小的峰值，可以解釋為入 侵者階段圍欄時給圍欄瞬間施加的一次力的作用，微小的峰值可以解釋為這次力作用 后而引起的余震。 圖 4-3 抖動光纖圍欄波形 圖 4-3 表示抖動光纖傳感器時，有多個峰值出現(xiàn)，可以解釋為在圍欄上連續(xù)的施 以力的作用。 我們單憑上面測試的兩種信號特點不能判別入侵者類型，需要結(jié)合其它特點綜合 分析，最終才能確定是否發(fā)出警報和判別警報類型。 4.2 報警系統(tǒng)解決方案的設(shè)計報警系統(tǒng)解決方案的設(shè)計 我們?nèi)粢@得一次完整的報警事件信息，就必須把上面所說的信號特點和相關(guān)的 信號結(jié)合起

48、來分析。為了便十分析報警信號的特點和判斷報警信號的類型，我們要建 立了一個信號庫。我們將入侵信號與信號庫信號進行對比，并最終判斷出入侵方式。 光纖圍欄報警系統(tǒng)模擬實驗，我們主要分析了入侵圍欄的方式，包括截斷圍欄和 動圍欄。根據(jù)這些考慮我們簡單分析了報警模式，即截斷圍欄模式和抖動圍欄模式。 1.截斷圍欄實驗截斷圍欄實驗 如圖 4-2 所示，截斷圍欄信號是根據(jù)光纖圍欄報警系統(tǒng)模擬實驗在截斷圍欄時采 集的具有概括性特點的信號，顯著特點就是具有沖擊信號和振動信號的特點。出現(xiàn)一 個尖銳的峰值信號，可以解釋為截斷圍欄持續(xù)的時間很短，固定在光纖圍欄上的分布 式光纖傳感器受到一個瞬時的力作用。該信號的上升和下

49、降的幅度都很大，我們可以 認為截斷圍欄時對光纖圍欄的作用力是瞬間的。截斷圍欄后由于殘余力的作用，故在 尖銳峰值旁邊伴隨著許多小的峰值信號的特點。 2.抖動圍欄實驗抖動圍欄實驗 如圖 14 所示，抖動圍欄信號是根據(jù)光纖圍欄報警系統(tǒng)模擬在實際抖動圍欄時采 集的具有概括性特點的信號，具有一定的周期特點和振動特點。由十抖動圍欄時的力 和抖動的頻率都時隨機的，所以抖動圍欄是一個隨機過程，信號顯得毫無規(guī)律性。但 是仔細觀察抖動圍欄的信號，我們還是能夠從信號中分析出它具有周期和振動的顯著 特點。 對于圍欄侵入信號總體上說明信號幅度變化比較明顯，兩種模式信號特點有明顯 的差異。 3.誤警分析誤警分析 為了更加

50、準(zhǔn)確地報警，在報警模式的基礎(chǔ)我們提出了誤警模式分析。非人為因素 如風(fēng)、雨等的影響較大時，光纖圍欄信號所受到的影響顯著特點是幅度變化和微弱的 報警模式信號很相近，這些影響不需要發(fā)出警報。這里我們對光纖圍欄信號影響比較 大的如強風(fēng)，暴雨等非人為因素影響做一些分析。 1)風(fēng)吹圍欄風(fēng)吹圍欄 如圖 4-3 所示，根據(jù)模擬實驗風(fēng)吹測試采集的具有概括性特點的信號。我們可以 從波形圖上看出顯著的特點，該信號具有周期性和整體性，可以解釋為風(fēng)吹的作用類 似增加一個周期性的力作用。同時風(fēng)吹的影響又是一個整體性的影響，即是光纖傳感 器在當(dāng)前的所有時刻都具有類似的信號特點，信號幅度變化不大，上升和下降的時間 都比較的快，由此我們很方便判斷這類信號。 圖 4-3 風(fēng)吹圍欄波形圖 2)雨淋圍欄雨淋圍欄 如圖 4-4 所示，我們在大雨環(huán)境下根據(jù)模擬測試采集的具有概括性特點的信號。 我們從圖很容易看出所有的光纖圍欄上的光纖傳感器的信號在此時都具有整體性，并 目_這些信號表現(xiàn)出隨機的沖擊特點。我們可以解釋為雨點隨機打在光纖圍欄上時， 對光纖傳感器產(chǎn)生隨機的作用力。由十圍欄上各部分光纖傳感器所受沖擊的雨點大小 和方向的不同，所以信號的波形圖上表現(xiàn)為沖擊信號幅度不相同，和時間軸上位置的 隨機分布。通過這些特點我們很容易判斷這類