随着社会经济的发展, 各领域对安防预警的需求逐渐提高, 发电站、军事基地、机场、铁路、油田等重要场站加大了对安防的资金和技术投入^[1]。周界安防作为最前端防线, 对于阻挡、发现入侵至关重要。其要求支持不规则地形安装, 可围网部署, 系统维护简便, 可实时监测入侵行为等^[2]。组织专业人员进行巡逻防范的人防, 以及采用防护设施和警示标志等实体物理防范的物防, 面对长距离、大范围的场站周界, 难以实时监测整个周界是否出现入侵事件。该问题给场站安全带来了极大的隐患^[3]。因此, 满足长距离、大范围周界安防的需求, 实时监测非法入侵事件, 实现实时安全报警具有重要意义。

目前, 场站周界安防的技术防范手段主要有红外对射、电子围栏、视频监控等^[4]。红外对射虽设备小巧、价格低廉但误报率高, 对不规则周界环境设置有难度^[5]。电子围栏误报率较低, 有较强的威慑作用, 但安装复杂, 不易维护, 且可能造成人身伤害^[6]。视频监控技术应用广泛、发展成熟, 且现已实现智能视频监控, 但存在监控死角, 在能见度较低的天气环境下效果不佳, 仍需其他手段进行补足^[7]。

光纤传感技术作为新兴的传感技术, 具有检测距离长、抗电磁干扰能力强、施工维护简便等优点, 并且能够实现对异常情况的及时报警, 适用于周界安防^[8]。目前, 光纤传感技术已逐步在周界安防领域得到应用, 如光时域反射计^[9-10]、布拉格光栅^[11]、Mach-Zehnder干涉仪^[12-13]。其中, 干涉型分布式光纤传感通过构造干涉仪进行振动信号的解调还原, 因灵敏度高、成本低廉、结构简单得到了广泛关注。但传统干涉结构的两路传感光纤需等长且相互隔离, 为安装铺设带来了困难。

因此, 本文采用Sagnac与Mach-Zehnder复合干涉光路作为光纤振动传感器, 设计了一种以单根传感光纤作为振动传感元件, 便于布置安装的周界安防系统, 实现了对安防区域的实时非法入侵检测。本系统将光缆铺设于安防区域护栏, 搭建干涉型光纤振动传感光路, 感知攀爬、破坏围栏等入侵行为的振动信号, 并进行无源传输; 通过硬件电路解调、还原调制光信号中的振动信号, 并采集、传输该信号至上位机。采用16位模数转换进行高精度采样, 并利用可变静态存储控制器(Flexible Static Memory Controller, FSMC)、直接存储器访问(Direct Memory Access, DMA)传输方式结合USB2.0通讯方式实现数据的高效传输, 通过实验检验了系统的频率响应能力、信号还原能力和对信号突变的响应能力, 从而验证了该系统对非法入侵的良好响应能力。

干涉型分布式光纤传感根据干涉仪光路结构的不同分为Sagnac, Mach-Zehnder, Michelson结构^[14]。本文以Sagnac和Mach-Zehnder的复合光路结构搭建了光纤传感系统。该系统由光源、光隔离器、2×2耦合器、延迟光纤、2×1耦合器、传感光纤、法拉第旋转镜构成, 如图 1所示。

图 1中, 光源使用放大自发辐射(Amplified Spontaneous Emission, ASE)宽带光源, 用于输出探测光; 光隔离器对反射光进行隔离, 以避免反射光对光源造成不良影响; 延迟光纤用于保证系统中仅存在一对光路中的探测光能进行干涉; 法拉第旋转镜不仅用于反射探测光, 同时对传感光纤双折射引起的偏振诱导信号衰落进行补偿^[15]。该光纤传感结构中共存在4条光路: 光路1, A—B—D—E—F—E—D—C—A; 光路2, A—C—D—E—F—E—D—B—A; 光路3, A—B—D—E—F—E—D—B—A; 光路4, A—C—D—E—F—E—D—C—A。

其中光路1和光路2的光程相同, 能够进行干涉。其他任意光路组合由于光程差大于最大相干长度, 均无法发生干涉, 因此系统的探测光路为光路1和光路2。

当无外界振动发生时, 探测光经过长度为L的传感光纤, 相位φ为

$ \varphi=\frac{2 \pi n}{\lambda_0} L=\beta L $

(1)

式中: n——纤芯的折射率;

λ₀——真空中的波长;

β——光纤中的传播系数。

当外界振动产生时, 振动作用于光纤将改变光纤长度、纤芯折射率、芯径, 对探测光相位造成调制作用, 即应变效应、光弹效应、泊松效应。其表达式为

$ \Delta \varphi=\beta L \frac{\Delta L}{L}+L\left(\frac{\partial \beta}{\partial n}\right) \Delta n+L\left(\frac{\partial \beta}{\partial d}\right) \Delta d $

(2)

式中: Δφ——相位变化量;

ΔL——光纤长度变化量;

Δn——折射率变化量;

Δd——纤芯直径变化量。

式(2)右侧3项从左到右依次为应变效应、光弹效应、泊松效应所引起的相位延迟。

由干涉原理可知, 探测光相位变化将改变干涉后的光强, 光路1和光路2中探测光的光强I₁和I₂分别为

$ \begin{aligned} I_1= & A_1 \exp \left\{\mathrm { j } \left[\omega t+\varphi\left(t-\tau_1\right)+\right.\right. \\ & \left.\left.\varphi\left(t-\tau_2\right)+\phi_1\right]\right\} \end{aligned} $

(3)

$ \begin{aligned} I_2= & A_2 \exp \left\{\mathrm { j } \left[\omega t+\varphi\left(t-\tau_3\right)+\right.\right. \\ & \left.\left.\varphi\left(t-\tau_4\right)+\phi_2\right]\right\} \end{aligned} $

(4)

式中: A₁、A₂——光路1和光路2的振幅;

ω——光波角频率;

t——时间;

ϕ₁、ϕ₂——光路1和光路2的初始相位;

τ₁、τ₂——光路1中探测光先后经过振动位置经历的时间;

τ₃、τ₄——光路2中探测光先后经过振动位置经历的时间。

根据Sagnac效应, 两束光干涉后在光电探测器处的光强I为

$ \begin{gathered} I \propto\left(I_1+I_2\right) \cdot\left(I_1+I_2\right)^*= \\ \frac{1}{2} A_0^2[1+\cos (\Delta \psi+B)] \end{gathered} $

(5)

式中: A₀=A₁=A₂;

Δψ——其他信号引起的非互易相移常数;

B=φ(t－τ₁)+φ(t－τ₂)－φ(t－τ₃)－φ(t－τ₄)。

由此可知, 当入侵行为直接作用或通过围栏、土壤间接作用于光纤时, 通过光电探测器对干涉光光强的检测即可实现对区域周界入侵行为的检测。

本文设计的干涉型分布式光纤周界安防系统结构如图 2所示。光电探测器将2×2耦合器输入的受外界振动调制后的干涉光转换为电流信号, 并经内部跨阻放大电路将微弱的电流信号放大变换成电压信号, 再由高速数据采集电路采集该信号并上传至上位机。

分布式光纤传感系统数据量大, 因此为了实时在线监测, 确保数据的高速采集与传输十分重要。本文采用STM32结合USB2.0构建数据采集模块, 以实现数据的高效采集。其中, STM32作为数据采集模块的控制处理单元, 通过高级定时器输出PWM控制模数转换芯片AD7606的转换频率, 进行信号数据采集。本系统的信号采集传输控制示意图如图 3所示。

FSMC能够适用于各种不同类型存储器数据的交换。本系统采用了用于访问静态随机存取存储器的存储区Bank, 同时利用两个子Bank的独立片选控制从AD7606读取数据, 并向通讯芯片FT2232的先入先出缓存区写入数据。为确保子Bank之间的数据高效传输, 应用DMA传输方式进行数据交换。DMA传输方式可直接介入控制传输, 无需微控制单元, 大大提高了数据传输效率。系统使用USB2.0通信方式, 数据传输速率可达480 Mb/s, 从而应对光纤传感所采集的大量数据, 实现实时监测。

在实验室条件下, 采用ASE宽带光源、光隔离器、2×2光耦合器、2×1光耦合器、法拉第旋转镜以及单模光纤搭建周界安防传感光路。ASE宽带光源波长范围为1 527.6~1 564.8 nm, 带宽为37.2 nm。延迟光纤采用G.652D规格的单模光纤绕制, 在输入光为1 550 nm波段时其衰减系数为0.2 dB/km。延迟光纤总长为4 km, 并接入2×2光耦合器与2×1光耦合器之间的其中一臂。2×1光耦合器输出端连接20 km单模光纤, 用于模拟安防区域长距离光缆传输。系统实验装置如图 4所示。

在实验过程中, 使用直流稳压电源向ASE宽带光源提供5 V供电, ASE宽带光源的中心波长为1 550 nm, 输出光功率调节为4 mW。

为测试系统对外界振动的频率响应范围, 采用具备频率范围动态输出的压电陶瓷技术。利用数字信号发生器输入固定频率的电信号, 由压电效应驱动的压电陶瓷模块产生振动。通过调制光纤中传输的探测光的相位, 压电陶瓷模块可实现对压电陶瓷表面传感光纤的扰动激励。设置数字信号发生器输出正弦信号, 并从0 Hz调节输出信号频率直至光电探测器输出信号截止。实验测得的频率响应曲线如图 5所示。

由图 5可知, 系统在0.1~20 kHz的范围内具有较好的频率响应能力。由于攀爬、破坏护栏等入侵事件的振动信号主要频率成分多集中在人耳听觉范围内, 因此系统可良好感知入侵事件的出现, 同时滤除高频噪声对监测的影响。

为验证系统对振动信号的还原能力, 在相同的实验条件下, 设置数字信号发生器分别输出1 kHz, 3 kHz, 5 kHz的正弦信号。为验证频率还原能力, 对采集到的3种原始信号分别做快速傅里叶分解。由硬件信号处理子系统采集到的信号波形如图 6所示。由图 6可以看出, 系统具有良好的频率还原能力。

为验证系统对突变信号的响应能力, 在相同的实验条件下, 调节数字信号发生器输出的正弦信号频率从1 kHz变化为2 kHz再变化为3 kHz, 记录硬件信号处理子系统采集到的信号, 并利用连续小波变换得到原信号的时频图。上述信号波形和时频图如图 7所示。从时频图可以看出3种频率信号各自的作用时间和频率的突变时刻。这证明了系统能够快速响应信号的突变。

为测试对实际入侵事件的感知能力, 将一段光纤铺设于1.5 m×2.0 m的防护围栏上, 并触碰防护围栏, 硬件信号处理子系统采集到的信号波形和连续小波变换后得到的时频图如图 8所示。由图 8可以看出, 系统还原了施加在防护围栏上的触碰振动。而且对比时频图可以得出, 系统有较高的信噪比。

本文针对长距离、大范围周界安防的需求, 设计了一种干涉型分布式光纤周界安防系统, 为周界安防提供了一种便于布置、灵敏可靠的方案。系统以Sagnac和Mach-Zehnder复合光路搭建光纤振动传感器, 实现对周界入侵行为的感知。数据采集传输采用16位模数转换进行高精度采样, 并利用FSMC和DMA传输方式结合USB2.0通信方式实现了数据的高效传输。通过实验验证了本系统频率响应范围在(0.1~20) kHz, 可良好还原外界振动信号。在20 km的测试距离内, 可灵敏感知外界扰动。本方案可有效应用于周界安防系统中, 具有广阔的应用前景。