光纖周界安防技術(shù)研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

馬遷航 張玉佩

【摘要】 本文主要介紹了Sagnac干涉型光纖安防系統(tǒng)、M-Z干涉型光纖安防系統(tǒng)、OTDR技術(shù)光纖周界安防技術(shù)和基于光纖光柵傳感技術(shù)的光纖周界安防技術(shù)原理，并進(jìn)行相互比較對(duì)比各自優(yōu)劣。

【關(guān)鍵詞】 光纖技術(shù) 安防應(yīng)用

伴隨著安防技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代人的安防意識(shí)不斷提高，傳統(tǒng)的基于電類傳感器的周界安防系統(tǒng)已不能滿足人們高標(biāo)準(zhǔn)的物質(zhì)需求。由于光纖具有易于組網(wǎng)、耐腐蝕性強(qiáng)、穩(wěn)定性好以及能長(zhǎng)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，研發(fā)人員早就將光纖應(yīng)用于周界安防技術(shù)。

一、光纖周界安防技術(shù)研究現(xiàn)狀

與電類傳感器比較，光纖傳感器應(yīng)用于周界安防，主要有以下幾個(gè)無法超越的優(yōu)點(diǎn)：耐腐蝕、抗干擾、無源、監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度廣、抗雷擊電擊、體積小、便于野外敷設(shè)。而且能適用于各種惡劣自然環(huán)境，而且光纖本身不僅是傳輸通道還能做傳感器，更能夠?qū)嵤╅L(zhǎng)距離探測(cè)。

1.1 Sagnac干涉型光纖安防系統(tǒng)

整個(gè)光路的組成為一個(gè)光纖環(huán)，耦合器把光分為2束，分別沿相反方向傳輸，最后在耦合器內(nèi)產(chǎn)生干涉。當(dāng)光纖受到外力作用時(shí)，返回的光信號(hào)相位將發(fā)生改變，在檢測(cè)和解調(diào)后，可確定相位差。由此可見，雖然靈敏度較高，但對(duì)慢變化振動(dòng)產(chǎn)生的相位調(diào)制不明顯，信噪比不能進(jìn)一步提高，在實(shí)際應(yīng)用中是一個(gè)難以克服的問題。

1.2 M-Z干涉型光纖安防系統(tǒng)

系統(tǒng)是在光相移檢測(cè)器技術(shù)基礎(chǔ)之上，相干光束在通過耦合器之后被一分為二，分別在傳感臂和參考臂內(nèi)部進(jìn)行傳播，當(dāng)有細(xì)微振動(dòng)產(chǎn)生在信號(hào)臂上時(shí)，其內(nèi)部的傳播光波被施加了相位調(diào)制，光束之間被引入相位差。在解調(diào)干涉光強(qiáng)度后，能夠獲取原始振動(dòng)引發(fā)的相位調(diào)制信號(hào)。不難得出，相位調(diào)制頻率跟外力作用點(diǎn)的位置毫無關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中，由于存在誤差，信號(hào)臂的臂長(zhǎng)不能和參考臂一模一樣，并且兩個(gè)臂長(zhǎng)還會(huì)隨著環(huán)境的變化而發(fā)生改變，所以出現(xiàn)的相位漂移的難題還無法解決，干涉輸出的幅值會(huì)出現(xiàn)衰落現(xiàn)象。目前，由澳大利亞的FutureFiber Technology公司所研制的基于Mach-Zehnder干涉技術(shù)傳感系統(tǒng)已經(jīng)在市場(chǎng)上出現(xiàn)運(yùn)用。

1.3 OTDR技術(shù)的光纖周界安防技術(shù)

當(dāng)前主要技術(shù)支撐是在B—OTDR以及Φ—OTDR還有P—OTDR技術(shù)的基礎(chǔ)上建立的。其原理不同于干涉效應(yīng)，主要是通過對(duì)入侵前后功率譜曲線進(jìn)行相互比較獲，從而獲取入侵點(diǎn)具體信息。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)僅僅需要一根光纖，距離大多以公里為單位，長(zhǎng)達(dá)幾十公里，在同一端口監(jiān)測(cè)，能夠直接對(duì)入侵位置進(jìn)行定位。從技術(shù)層面來看，OTDR的脈沖寬度直接影響其空間分辨率。其中Φ—OTDR技術(shù)目前比較成熟，已被廣泛應(yīng)用。

1.4基于FBG傳感技術(shù)的光纖周界安防技術(shù)原理

FBG即光纖光柵傳感器，由于其不僅具備光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)，還能被封裝制作成不同應(yīng)用類型的傳感器，因此，是近幾年來運(yùn)用最為廣泛的新型光纖傳感器之一。目前，F(xiàn)BG傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于應(yīng)變、溫度、壓力、振動(dòng)聲波、速度加速度和位移等物理量的測(cè)量，正是由于FBG傳感器應(yīng)用范圍廣、測(cè)量參數(shù)多，可以完美解決周界安防系統(tǒng)中多參量測(cè)量的難題，其已經(jīng)成為光纖周界安防系統(tǒng)中最成功應(yīng)用的傳感器。

其工作原理為：當(dāng)作用在FBG上的參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，必然會(huì)導(dǎo)致有效折射率以及光纖光柵周期等自身參數(shù)改變，諧振波長(zhǎng)隨之產(chǎn)生改變，對(duì)波長(zhǎng)的移動(dòng)量進(jìn)行測(cè)量就能直接獲取被測(cè)參數(shù)的改變。FBG的最大特點(diǎn)就是波長(zhǎng)解碼，它的傳感信號(hào)采用褲長(zhǎng)調(diào)制方式，光源光功率的變化以及光纖耦合器導(dǎo)致的光損耗不會(huì)影響到其波長(zhǎng)的變化。主要特點(diǎn)可以概括為：智能感知、分布式檢測(cè)、監(jiān)測(cè)多個(gè)參數(shù)、響應(yīng)速度快、可拓展性。

二、光纖周界安防技術(shù)的運(yùn)用前景

美國(guó)在“911”事件爆發(fā)后，率先加大了周界安防預(yù)警領(lǐng)域的研發(fā)力度，進(jìn)而帶動(dòng)了世界各國(guó)。主要是對(duì)軍事基地、軍用民用機(jī)場(chǎng)、石油天然氣場(chǎng)站等要害部門加重投資金額，以期進(jìn)一步提高周界安防預(yù)警系統(tǒng)效能。據(jù)IMS研究調(diào)查報(bào)告指出，在世界市場(chǎng)中周界安防系統(tǒng)每年同比上升8%的速度不斷飆升。尤其是在非洲、中東等天然氣和石油的原產(chǎn)地，光纖類的安防應(yīng)用產(chǎn)品需求量激增；在東歐隨著核電站數(shù)量的不斷增加，用來防止恐怖主義襲擊的周界安防類產(chǎn)品也存在較大市場(chǎng)；在美洲則主要集中在對(duì)國(guó)防邊界線等基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用上；截至目前，亞洲市場(chǎng)為全世界需求量最小的，大多均自給自足，由本土企業(yè)供貨。

隨著改革開放進(jìn)入深水區(qū)，人民生活日益改善，國(guó)人對(duì)安防需求量也越來越大，要求也層出不窮。在《中國(guó)安防行業(yè)“十一五”發(fā)展規(guī)劃指導(dǎo)思想》中就明確指出，“十一五”期間安防產(chǎn)業(yè)年增長(zhǎng)率要達(dá)到20%以上。大多數(shù)專家也相繼指出，我國(guó)安防市場(chǎng)的年需求量也將以超過20%而不斷遞增。特別是在國(guó)境線的安全、通信光纜電纜保護(hù)、機(jī)場(chǎng)的安檢、油氣儲(chǔ)運(yùn)等方面，周界安防產(chǎn)品還存在較大市場(chǎng)潛力。

三、總結(jié)

本文深入剖析了多種光纖周界安防系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)比分析了其自身存在的優(yōu)缺點(diǎn)。光纖周界安防系統(tǒng)在不久的將來，必然會(huì)憑借性價(jià)比高、靈敏度高、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，創(chuàng)造出更大的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。