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1、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，对整个光纤围栏报警系统的结构做了可行性的
2、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: 光纤围栏 马赫一曾德干涉ABSTRAC
3、T 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-electronics technology,
4、 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 system has been used
5、. 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 fiber-optic fen
6、ce 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 so on,have been
7、 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 up in the base
8、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 Mach-zehnder Inter
9、ference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计174.3本章小结19结 论20参考文献21致 谢22 绪 论 光
10、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H
11、arlowITT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
12、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
13、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
14、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: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
15、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
16、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
17、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。
18、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(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
19、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。 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
20、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，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、
21、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一起的结构，如Sagnac和Mach-Zehnder, Sagnac和Mich
22、elson。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
23、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、
24、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
25、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，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
26、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
27、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
28、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 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
29、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O
30、TDR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
31、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
32、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现对扰动进行定位。 2.
33、 Michelson光纤干涉技术 Michelson光纤干涉技术的基本原理如图所示。光源发出的光，经耦合器分为两路，分别入射到传感光纤和参考光纤。传感光纤和参考光纤的反射光在耦合器处叠加，产生干涉效应。图2-5 Michelson 干涉技术Michelson光纤干涉技术的缺点:Michelson光纤干涉技术是利用光纤反射光进行干涉测量。因此，其信号比较微弱。因此，在长距离测量时，需要相干度极高的光源，这对光源的制作要求很高。3. Mach-Zehnde:光纤干涉技术Mach-Zehnder干涉技术的原理如图所示图2-6 MachZehnder干涉技术由1端发出的光，经耦合器后进入两根长度基本相
34、同的单模光纤。两光纤输出的光在第2个耦合器处发生干涉。由于光路的对称性，由2端发出的光，也可以在耦合1处发生干涉。在传感光纤无扰动时，由1端发出将在2端产生稳定的干涉条纹。同时，由2端发出的光也将在1端产生稳定的干涉条纹。采用窄带激光作为光源时，将分别在1端和2端接到稳定的光功率(暂不考虑环境及温度变化等干扰信号的影响)。对于Mach-Zehnde:干涉方案的一些讨论:1信噪比问题 Mach-Zehnde:干涉仪是一种基于相位干涉的方案。因此，其检测灵敏度是相当高的。同时，由于其采用双臂干涉结构。因此，外界环境如温度等的变化，将会影响传感光纤的长度、折射率等发生微小的变化，从而使传输过程的随机
35、相位噪声很容易达到很高，并使检测信号的信噪比很低。甚至信号会淹没在噪声中，无法进行测量。因此，必须采用某些技术以提高信噪比。可以采取以下几种技术: （1)对窄带激光光源加调制。所加调制为正弦信号，频率应当大于最高可检测频率的几倍。同时，在接收端PD1和PD2处，采用电路选频滤波或者数字信号处理技术，对信号进行相干解调，以提高系统的信噪比。 （2)采用外差检测等干涉解调方案，可以提高系统信噪比，电路设计难度也将增大。2 Mach-Zehnder干涉技术的优点: （1)解调技术相对简单，可以简单地采用光电检测器直接进行光功率测量。 （2)光路结构也相对简单。 （3)对光源的相干度要求不高。由干涉原
36、理可知，在1和2端检测得到的扰动信号，只是时间延迟上有不同，而其信号的频谱特性是相同的。也就是说，这两路信号是互相关的。因此，根据互相关理论，通过计算两路信号的互相关函数，可以很方便地确定出时延(关联度)。而对于多点扰动的情况时，其互相关函数将出现多个极值点，而每个极值点将对应一个扰动的时延。由此，可以对多点扰动进行分析。这是相比于其它光纤传感技术的优点所在3Mach-Zehnder干涉技术的缺点:（1）由于Mach-Zehnde:干涉技术中，光是经两根光纤进行传播的。因此，温度等环境的变化作用于传感光纤上，会引起传输光相位的变化，从而使系统的信噪比降低。（2）加强激光功率，可以适当提高信噪比
37、，但是光纤的瑞利散射及其它非线性效应也可能会降低信噪比。4. OTDR技术 OTDR的原理是:光脉冲在光纤中传播时，由于瑞利散射而发生能量损耗，通过监测后向散射光强度，就可以获得散射系数或衰减程度沿光纤的分布状况。其基本原理如图2-7所示。图2-7 OTDR技术处理2.4本章小结 本章主要对光纤的传感原理做了分析，随后着重分析了分布式光纤传感器的基本类型和分布式光纤传感系统原理，得出了分布式光纤传感器作为传感元件的优势所在。接着分析了光纤围栏报警系统的干涉技术的可行性，本文采用的干涉技术最成熟，并且最具有很大的市场潜力。第三章 基于分布式光纤传感器的光纤围栏报警系统 光纤围栏报警系统是一种即经
38、济而又有效的监测方式。与一般的报警系统防范相比，光纤围栏报警系统具有能够在大范围实现实时报警和对入侵的方式判断的能力。 本章主要对光纤围栏报警系统做了整体的研究和设计，3.1基本原理与系统设计1.基本原理 光纤围栏报警系统拟采用Mach-Zehnder干涉仪结构，其原理如3-1图所示。图3-1 基于Machzehnder干涉仪的光纤周界系统报警原理示意图具体的原理介绍我们已经在2. 2节光纤围栏可行性技术分析中做了详细的阐述，在此不多作赘述。1. 系统结构光纤围栏报警系统的结构可分为传感光缆、引导光缆、传感终端、数据处理单元和中央控制计算机，如图3-2所示。数据处理单元和中央控制计算机位于室内
39、，多台数据处理单兀通过TCP/IP协议与中央控制计算机相连，形成一个以太网结构。数据处理单元会给中央控制计算机报告警信息，中央控制计算机的系统应用软件则可根据告警信息建立告警口令，判定属于哪台告警处理单元告警，并对告警信息进行智能分析，剔除那些如刮风、下雨、汽车等非侵入事件。另外，根据用户需要还可增加一些其它功能。图3-2 光纤围栏报警系统的结构示意图3.定位模块图3-3 利用互相关技术进行扰动定位的原理图4.解调模块为了观察调制到光载波上的扰动信号，必须对光探测器收到的信号进行解调，解调的方法主要分为外差法和零差法，外差法又分为普通外差法、合成外差法和伪外差法;零差法包括主动零差法和被动零差
40、法。经过认真比较，拟选用基于3X3光祸合器的被动零差解调法。这种方法是伴随着相位解调技术发展而发展起来的，是一种比较新的解调技术，解调电路直接将干涉仪中的相位变化转变为电信号，原理如图3-4所示图3-4 基于光耦合器的被动零差解调法原理示意图5.数据分析 是否告警由数据分析模块决定。因此，数据分析模块需完成扰动位置指示、扰动性质分析、产生报警输出等功能。另外，可根据设定的报警门限，对干扰信号进行判别，如果小于报警门限，则不发出报警，如果大于报警门限，则驱动继电器电路发出报警。6.中央控制计算机功能:以图形化的界面显示扰动的位置、扰动的类型、并完成扰动的事件的记录、报警输出、扰动的智能化分析。同
41、时提供与用户其它设备的接口，可通过Email,短消息等形式及时通知用户告警发生。3.2本章小结本章主要对光纤围栏报警系统的整体结构的设计做了阐述，如数据模块、解调模块等等。接着本章提出了系统设计硬件方面的一些要求，如光纤链路的损耗等。第四章 模拟实验设计4.1模型的建立研究前面所提出的光纤围栏报警系统的可行性的设计方案，首先需要建立光纤围栏报警系统的实验模型。光纤围栏报警系统的实验模拟主要是模拟入侵者在光纤围栏上的一些情况，根据这些入侵的情况来研究相应的信号的变化情况，以初步确定这些信号的特点。光纤围栏报警系统设计的主要分成四部分:信号采集、信号处理、光纤围栏传感与报警。侵入者在围栏上的行为使
42、得光纤传感器受到扰动，光纤传感器中传递的信号的也将受到相应的调制。然后信号采集，将采集来的信号进行实时解调和处理，确定扰动位置。并对告警信息进行智能分析，剔除那些非人为因素影响的非侵入事件。下面我们来做一些光纤围栏报警系统模型上的测试，如截断围栏、抖动围栏以及非人为因素扰动等的测试。信号采集信号处理光纤围栏传 感光纤围栏报警图4-1 光纤围栏报警系统原理示意图我们通过实验测试分析了这些信号的两种作用效果:光纤围栏上的光纤传感器所受到的截断、抖动两种作用效果。图4-2 截断光纤围栏波形 图4-2表示一次截断的波形图，当截断时，光纤传感器收到一次力作用并引起的冲击作用，出现一个尖锐的峰值，在主峰值
43、旁边出现一些微小的峰值，可以解释为入侵者阶段围栏时给围栏瞬间施加的一次力的作用，微小的峰值可以解释为这次力作用后而引起的余震。图4-3 抖动光纤围栏波形图4-3表示抖动光纤传感器时，有多个峰值出现，可以解释为在围栏上连续的施以力的作用。我们单凭上面测试的两种信号特点不能判别入侵者类型，需要结合其它特点综合分析，最终才能确定是否发出警报和判别警报类型。4.2报警系统解决方案的设计我们若要获得一次完整的报警事件信息，就必须把上面所说的信号特点和相关的信号结合起来分析。为了便十分析报警信号的特点和判断报警信号的类型，我们要建立了一个信号库。我们将入侵信号与信号库信号进行对比，并最终判断出入侵方式。光
44、纤围栏报警系统模拟实验，我们主要分析了入侵围栏的方式，包括截断围栏和动围栏。根据这些考虑我们简单分析了报警模式，即截断围栏模式和抖动围栏模式。1.截断围栏实验如图4-2所示，截断围栏信号是根据光纤围栏报警系统模拟实验在截断围栏时采集的具有概括性特点的信号，显著特点就是具有冲击信号和振动信号的特点。出现一个尖锐的峰值信号，可以解释为截断围栏持续的时间很短，固定在光纤围栏上的分布式光纤传感器受到一个瞬时的力作用。该信号的上升和下降的幅度都很大，我们可以认为截断围栏时对光纤围栏的作用力是瞬间的。截断围栏后由于残余力的作用，故在尖锐峰值旁边伴随着许多小的峰值信号的特点。2.抖动围栏实验如图14所示，抖
45、动围栏信号是根据光纤围栏报警系统模拟在实际抖动围栏时采集的具有概括性特点的信号，具有一定的周期特点和振动特点。由十抖动围栏时的力和抖动的频率都时随机的，所以抖动围栏是一个随机过程，信号显得毫无规律性。但是仔细观察抖动围栏的信号，我们还是能够从信号中分析出它具有周期和振动的显著特点。对于围栏侵入信号总体上说明信号幅度变化比较明显，两种模式信号特点有明显的差异。3.误警分析为了更加准确地报警，在报警模式的基础我们提出了误警模式分析。非人为因素如风、雨等的影响较大时，光纤围栏信号所受到的影响显著特点是幅度变化和微弱的报警模式信号很相近，这些影响不需要发出警报。这里我们对光纤围栏信号影响比较大的如强风
46、，暴雨等非人为因素影响做一些分析。1)风吹围栏 如图4-3所示，根据模拟实验风吹测试采集的具有概括性特点的信号。我们可以从波形图上看出显著的特点，该信号具有周期性和整体性，可以解释为风吹的作用类似增加一个周期性的力作用。同时风吹的影响又是一个整体性的影响，即是光纤传感器在当前的所有时刻都具有类似的信号特点，信号幅度变化不大，上升和下降的时间都比较的快，由此我们很方便判断这类信号。图4-3 风吹围栏波形图2)雨淋围栏如图4-4所示，我们在大雨环境下根据模拟测试采集的具有概括性特点的信号。我们从图很容易看出所有的光纤围栏上的光纤传感器的信号在此时都具有整体性，并目_这些信号表现出随机的冲击特点。我们可以解释为雨点随机打在光纤围栏上时，对光纤传感器产生随机的作用力。由十围栏上各部分光纤传感器所受冲击的雨点大小和方向的不同，所以信号的波形图上表现为冲击信号幅度不相同，和时间轴上位置的随机分布。通过这些特点我们
