基于Sagnac的干涉型光纖入侵報警系統的設計及應用

周 瑩，段維維

基于Sagnac的干涉型光纖入侵報警系統的設計及應用

周 瑩，段維維

（中國航天空氣動力技術研究院，北京 10074）

光纖入侵報警系統可對防區進行全天候、全方位實時監測。設計了一種基于Sagnac的干涉型光纖入侵報警系統，并對系統的響應特性進行了測試，結果表明入侵動作發生時，系統具有靈敏度高及快速響應特性。現場連續48小時監測到的傳感系統時域波形說明，系統具有抗環境噪聲干擾能力強、穩定性好、誤報率低的特點，可廣泛應用于各安防領域。

光纖傳感；入侵報警；響應特性；穩定性

周界安防技術是指使用傳感探測器件對某些特定區域進行全方位、全天候的實時動態監測，并對周界侵擾行為做出及時報警的監控技術，在國家安全和國防建設中占據著十分重要的地位[1]。光纖周界入侵報警系統是一種新型的安防技術，它是利用光纖作為感應體來探測外界擾動入侵行為，發出報警信號的系統，解決了有些領域長距離、野外作業、無源探測等方面的要求。該系統以傳感光纜作為傳感介質，以光信號為載體，不需要供電，使用安全，便于野外作業；光纖的線狀結構易于架設，便于大范圍長距離的檢測；其鋪設方便靈活，可以做到高隱蔽性，易與周圍環境融于一體；光纖既作為傳感單元，又作為傳輸介質，增加了光纖材料的復用性；此外光纖傳感器體積小、質量輕、穩定性高、抗干擾能力強、耐腐蝕、無輻射，這種光纖入侵報警系統的誤報和漏報明顯優于常規的安防技術，因此被廣泛應用于各領域進行周界安防[2,3]。

本文設計了一種基于Sagnac的干涉型光纖報警系統，其傳感部分僅由通信光纖、3×3耦合器和傳感光纖組成。與其他干涉型光纖傳感系統相比，該系統集信號發射與接收于一端，結構簡單，生產成本低，更利于實際操作[4,5]。現場對傳感系統的響應特性、漏報誤報現象及系統穩定特性分別進行了測試。該傳感系統具有快速響應、抗干擾性能好、漏報誤報率低等優點，在油氣管道、石油化工領域具有廣泛的應用前景。

1 系統原理及設計

1.1 基于Sagnac的干涉型光纖傳感原理

圖1 基于Sagnac的干涉型光纖報警系統原理

基于Sagnac的干涉型光纖報警系統原理如圖1所示。圖中數字1代表光源，數字2代表PIN光電二極管，數字3代表3×3光纖耦合器，數字4為延遲環，數字5代表光纖對熔點，其余均為光纖連接線。光源發出的相干光經過3×3光纖耦合器后將光源能量均分為1:1:1，經過光纖延時環以及傳感光纖的兩路光波因經過的光程差相等而發生干涉。外界環境的運動、振動等干擾活動的進行將導致傳輸光波的相位發生改變。通過光電探測器將傳感器的相位變化信息轉化為探測到的光強信號，即可實現外界擾動的監測[6,7]。該傳感光路具有對溫度及偏振變化不敏感等優點，且環境適應性較強。

1.2 系統設計及介紹

本文設計的光纖入侵報警系統結構如圖2所示，由報警主機、防區處理單元、振動感應光纜、通訊光纜（含引導光纜部分）、報警控制服務器等組成。其中報警主機內部選用波長為1310nm的SLED激光器作為發射光源，具有較好的光譜穩定性，降低了光源波動對系統信噪比的影響，同時特殊的光路設計，報警主機可對多個防區同時進行監控。振動光纜和通訊光纜部分均選用單模光纖，降低了生產成本，更利于實際應用。光電轉換器接收到的信號經放大、濾波及提取后，通過Labview編程的控制軟件的閾值設置可實現報警響應時間不大于2秒的快速響應[8]。

圖2 光纖入侵報警系統結構

2 現場測試

2.1 動作測試

實驗室環境下，將振動光纜固定在圍欄上，設定好報警閾值，分別對圍欄進行敲擊、拍打、晃動以及攀爬等入侵動作進行測試。結果表明，基于Sagnac的干涉型光纖報警系統在2秒內能對外界入侵及時做出快速報警提示且漏報率極低。為進一步證實結果的可靠性，將振動光纜固定在野外作業區圍欄上如圖3所示，并對上述幾種動作進行了多次測試，所得結果一致，圖4（a）-（d）所示為其現場測試時域波形圖。

圖3 現場光纜鋪設圖片

由以上現場測試結果得出：入侵動作進行時，傳感器輸出光能量幅值發生明顯改變，系統做出報警提示，動作結束后，能量恢復至測試前幅值，由此說明系統具有較好的信噪比及響應靈敏度。測試動作所引起的時域波形包絡各不相同，其原因是各動作發生的頻段不同，引起的光波相位變化有所不同，在該系統中表現為時域特征包絡有所差異。因此在實際應用中可將這些動作測試波形預先存入報警系統，即可實現動作入侵識別。

圖4 動作測試時域波形圖

2.2 穩定性測試

為驗證無入侵活動時，外界干擾噪聲、及溫度變化對系統引起的誤報現象。現場監測了連續48小時內，溫差變化范圍約為10攝氏度時，傳感系統的的噪聲變化情況，其時域波形如圖5所示。此波形雖與理論結果有所偏差，但測試時間范圍內其噪聲基本處于同一水平。經證實a、b兩點為干擾噪聲引起的突變，雖發生較大幅值變化，但與入侵信號相比變化不大，且其包絡與入侵行為差異懸殊，故并未超過報警閾值，未發生報警提示，說明該傳感系統穩定性好、抗環境噪聲干擾能力強及誤報率低的特點。

3 結論

本文設計的基于Sagnac的干涉型光纖入侵報警系統，結構簡單，便于實際操作。現場動作入侵及系統穩定性測試結果表明，該系統穩定性好，具有靈敏度高、快速響應、抗干擾能力強、漏報誤報率低等優點，現已成功應用于多個重要場所的周界安防系統，取得了較高的社會價值和經濟價值。

圖5 傳感系統噪聲變化時域波形圖

[1] 唐璜.光纖振動傳感技術在周界安防領域的應用方法研究[D].上海：復旦大學，2012.

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[4] 吳鋒，吳柏昆，余文志，等.基于3×3耦合器相位解調的光纖聲音傳感器設計[J].激光技術，2016,（1）：64-67.

[5] 涂吉祥，黃俊斌，顧宏燦，等.光纖激光水聽器解調干涉儀相位噪聲研究[J].船舶電子工程，2016，（12）：165-169.

[6] 基于Sagnac環的分布式光纖周界安防檢測系統[J].光傳輸，2017，（7）：29-31.

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[8] 雷玉堂.光電信息技術[M]. 北京：北京電子工業出版社，2011:365-368.

Design and Application of an Interferometer Optical Fiber Intrusion Alarm System Based on Sagnac

ZHOU Ying, DUAN Wei-wei
(China Academy of Aerospace Aerodynamics, Beijing100074)

The fiber-optic intrusion alarm system can be used to monitor the defense area in a round-theclock and omni-directional way. In this paper, an interferometric fiber optic intrusion alarm system based on the Sagnac is designed, and response characteristics of the system tested. The test shows that the system has a higher sensitivity and fast response characteristics when the external intrusion occurs. The results based on 48 hours of continuous monitoring indicate that the system have strong ability to resist environmental noise, good stability,and low rate of false positive alarms. It can be widely used in the most security fields.

optical fiber senor; intrusion alarm; response characteristic; stability

TP277

A

1671-9654(2017)0079-03

10.13829/j.cnki.issn.1671-9654.2017.04.020

2017-10-01

周瑩（1981- ），男，湖北荊門人，工程師，經濟學碩士，研究方向為光纖傳感、測控系統。

［編校：楊 琴］