摘要：傳統(tǒng)的周界安防或圍欄報警系統(tǒng)（如主動紅外對射、微波對射、泄漏電纜、振動電纜、電子圍欄、電網(wǎng)等）雖為安全技術(shù)防范做出了一定的貢獻(xiàn)，然而受一些客觀技術(shù)條件等因素所限，也存在著一定的缺陷，如誤報、漏報現(xiàn)象時有發(fā)生。為解決此問題，國內(nèi)外學(xué)者競相研究光纖圍攔傳感技術(shù)。本文介紹FBG傳感器的原理與優(yōu)點，基于FBG傳感的周界圍欄報警系統(tǒng)的組成及工作原理，波長移動解調(diào)，多處侵入定...

　　傳統(tǒng)的周界安防或圍欄報警系統(tǒng)（如主動紅外對射、微波對射、泄漏電纜、振動電纜、電子圍欄、電網(wǎng)等）雖為安全技術(shù)防范做出了一定的貢獻(xiàn)，然而受一些客觀技術(shù)條件等因素所限，也存在著一定的缺陷，如誤報、漏報現(xiàn)象時有發(fā)生。為解決此問題，國內(nèi)外學(xué)者競相研究光纖圍攔傳感技術(shù)。本文介紹FBG傳感器的原理與優(yōu)點，基于FBG傳感的周界圍欄報警系統(tǒng)的組成及工作原理，波長移動解調(diào)，多處侵入定位與入侵模式特征等。經(jīng)實驗證明，系統(tǒng)可靠，達(dá)到了預(yù)期的目的。

　　引言

　　多年來，傳統(tǒng)的周界安防或圍欄報警系統(tǒng)(如主動紅外對射、微波對射、泄漏電纜、振動電纜、電子圍欄等)雖為安全技術(shù)防范做出了一定的貢獻(xiàn)。但是，受一些客觀技術(shù)條件等因素所限，也存在著一定的缺陷：如主動紅外對射的圍欄報警系統(tǒng)，適應(yīng)環(huán)境的能力差，易受地形條件的高低、曲折、轉(zhuǎn)彎、折彎等環(huán)境限制，而且它們不適合惡劣氣候，容易受高溫、低溫、強(qiáng)光、灰塵、雨、雪、 霧、霜等自然氣候的影響，易出現(xiàn)誤報率;再如泄露電纜、振動電纜、電子圍欄、電網(wǎng)等圍欄報警系統(tǒng)，均屬于有源的電傳感，系統(tǒng)功耗很大。此外，電子圍欄、電網(wǎng)等具有一定危害性;還易受電磁干擾、信號干擾、串?dāng)_等，使靈敏度下降、誤報率、漏報率(如覆蓋上電絕緣物翻過電圍欄)上升。

　　與上述周界安防或圍欄報警系統(tǒng)相比，利用新型光纖傳感技術(shù)做成的周界安防或圍欄報警系統(tǒng)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢：

　　· 抗電磁干擾，電絕緣性好、安全可靠，耐腐蝕、化學(xué)性能穩(wěn)定，因而完全不受雷電影響，能在惡劣的化學(xué)環(huán)境、野外環(huán)境及強(qiáng)電磁干擾等場所下工作;

　　· 體積小、重量輕，幾何形狀可塑，傳輸損耗小，傳輸容量大，具有非常好的可靠性和穩(wěn)定性;

　　· 不僅能發(fā)現(xiàn)外界的擾動，而且可確定外界擾動的位置，系統(tǒng)具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、便于擴(kuò)展與安裝容易;

　　· 無輻射、無易燃易爆材料，既防水又環(huán)保;

　　· 能源依賴性低，可大大節(jié)省供電設(shè)備與線路的成本，適合長距離使用;

　　· 可根據(jù)被測對象的情況選擇不同的檢測方法，再加上其對被測介質(zhì)影響小，所以它非常有利于在結(jié)構(gòu)檢測等具有復(fù)雜環(huán)境的領(lǐng)域中應(yīng)用等。

　　光纖周界圍欄報警系統(tǒng)，可利用三種方法來實現(xiàn)：一是光時域反射(OTDR)技術(shù);二是光纖干涉型光纖傳感器;三是FBG分布式光纖傳感器。

　　近年來，光纖光柵是發(fā)展最為迅速、應(yīng)用最為廣泛的光纖無源器件之一。由于它的敏感變化參量為光的波長，因而不受光源、傳輸線路損耗等因素所引起的對光強(qiáng)度變化的干擾，并且它易與系統(tǒng)及其他光纖器件連接而便于構(gòu)成分布式傳感系統(tǒng)，因此可實現(xiàn)實時測量和分布式測量。由于FBG具有優(yōu)良的溫度和應(yīng)變響應(yīng)特性，因而可用來制成應(yīng)力、壓力、振動、火災(zāi)與溫度等傳感器，尤其方便用于周界安防及圍欄入侵報警系統(tǒng)中，所以它在國家與人民安全以及反恐斗爭中將具有極大的實際意義和社會意義。

　　FBG傳感器原理及優(yōu)點

　　FBG(Fiber Bragg Grating)是衍射光柵概念的發(fā)展，其衍射是由光纖內(nèi)部折射率的變化實現(xiàn)的。FBG于1978年問世，它利用摻雜(如鍺、磷等)光纖的光敏性，通過紫外寫入的方法使外界入射光子和纖芯內(nèi)的摻雜粒子相互作用，導(dǎo)致纖芯折射率沿纖軸方向周期性或非周期性的永久性變化，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵(如圖1)。圖中，F(xiàn)BG的周期Λ一般小于1μm。

圖1 均勻周期FBG的結(jié)構(gòu)

　　FBG傳感的基本原理如圖2所示。當(dāng)一束光送進(jìn)FBG時，根據(jù)光柵理論，在滿足Bragg條件的情況下，就會發(fā)生全反射，其反射光譜在Bragg波長處出現(xiàn)峰值。光柵受到外部物理場(如應(yīng)力應(yīng)變、溫度等)的作用時，其柵距Λ隨之發(fā)生變化，從而改變了后向反射光的波長。根據(jù)ΔλB變化的大小就可以確定待測部位相應(yīng)物理量的變化。

圖2 FBG傳感原理

　　FBG好像一個窄帶的反光鏡，只反射一個波長而透射其余的波長。被反射的波長稱為Bragg波長，滿足光纖光柵的Bragg方程式，即滿足條件

　　λB=2neffΛ (1)

　　式中，∧為Bragg光柵周期;neff為反向耦合模有效折射率。該方程式為光纖光柵在外界作用下Bragg波長的傳感響應(yīng)提供了理論工具，即任何使這兩個參量發(fā)生改變的過程，都將引起光柵Bragg波長的移位。因此，常見的FBG傳感器，就是通過測量布拉格波長的移動(或漂移)而實現(xiàn)對被測量的檢測的。

　　在所有引起光柵Bragg波長移位的外界因素中，最直接的是應(yīng)力、應(yīng)變參量。因為無論是對光柵進(jìn)行拉伸或擠壓，都將導(dǎo)致光柵周期∧的變化，并且光纖本身所具有的彈光效應(yīng)，使得有效折射率也隨著外界應(yīng)力狀態(tài)的變化而改變。據(jù)此，可用光纖Bragg光柵制成靈敏的光纖傳感器。其中，應(yīng)力引起光柵Bragg波長的移位可以由下式統(tǒng)一描述

　　ΔλB=2neffΔΛ+2ΔneffΛ (2)

　　式中，ΔΛ為光纖本身在應(yīng)力作用下的彈性形變;Δneff為光纖的彈光效應(yīng)。不同的外界應(yīng)力狀態(tài)將導(dǎo)致ΔΛ和Δneff的不同變化。因此，只要檢測到反射信號中光柵Bragg波長的移位ΔλB，即可檢測到待測傳感量的變化。

　　從彈光效應(yīng)的角度來看，光纖光柵對縱向壓力較橫向壓力更為敏感。綜合彈光和波導(dǎo)兩種效應(yīng)，光纖光柵對于均勻橫向應(yīng)力的靈敏度較縱向伸縮要小，因而在復(fù)雜應(yīng)力情況下，由縱向壓力引起的波長移位將會占主要地位。

　　若只考慮軸向應(yīng)變(即縱向壓力)時，則引起中心波長位移的相對變化為

　　式中， 為光纖光柵應(yīng)變靈敏度系數(shù)， 為軸向應(yīng)變。由式(3)可看出，反射波長的變化與應(yīng)變應(yīng)力成正比。也就是說，由反射波長的變化可以得到相應(yīng)的應(yīng)變力。

　　外界溫度的改變，同樣也會引起光纖光柵Bragg波長的移位。從物理本質(zhì)看，引起波長移位的原因主要有：光纖熱光效應(yīng)、光纖熱膨脹效應(yīng)、光纖內(nèi)部熱應(yīng)力引起的彈光效應(yīng)。從光柵Bragg方程式(1)出發(fā)，當(dāng)外界溫度改變時，對式(2)展開，可得溫度變化ΔT時所引起的光纖光柵Bragg波長的移位。通過理論推導(dǎo)證實，當(dāng)材料確定后，光纖光柵對溫度的靈敏度系數(shù)基本上是與材料系數(shù)相關(guān)的常數(shù)。因此，對于純?nèi)廴谑⒐饫w，當(dāng)不考慮外界因素的影響時，其溫度靈敏度系數(shù)基本上取決于材料的折射率溫度系數(shù)，而彈光效應(yīng)與波導(dǎo)效應(yīng)將不對光纖光柵的波長移位造成顯著影響。故可得下列表達(dá)式，即

　　式中，αn為熱光系數(shù);αΛ為線性熱膨脹系數(shù)。對于熔融石英光纖，αn=0.86×10-5/oC，而αΛ=5.5×10-7/oC。

　　由式(4)可看出，反射波長的變化與溫度變化ΔT也成正比。即由反射波長的變化可以得到相應(yīng)的溫度。對1.55μm波長，可得到單位溫度變化下引起的波長移位為10.8pm/oC。

　　光纖光柵傳感器除具有一般光纖傳感器的優(yōu)點外，還具有下列優(yōu)點：

　　· 抗干擾能力更強(qiáng)，有很高的可靠性和穩(wěn)定性;

　　· 測量靈敏度高、分辨率高、精度高，具有良好的重復(fù)性;

　　· 動態(tài)范圍大、線性好，能自定標(biāo)，可用于對外界參量的絕對測量;

　　· 能在同一根光纖內(nèi)集成多個傳感器復(fù)用，便于構(gòu)成各種形式的光纖傳感網(wǎng)絡(luò);

　　· 便于遠(yuǎn)距離監(jiān)測橋梁等建筑物，便于作成智能傳感器，而應(yīng)用廣泛;

　　· 結(jié)構(gòu)簡單、壽命長，便于維護(hù)保養(yǎng)、便于擴(kuò)展與安裝;

　　· 光柵的寫入工藝成熟，便于形成規(guī)模生產(chǎn)等。