MZI振动型光纤围栏研究

1、电子科技大学大学生创新训练项目申 报 书项目名称：MZI振动型光纤围栏入侵监测系统应用研究 .项目负责人： 赵铭杰 .学 号： 2012019160013 .联系电话：.所在学院： 英才实验学院 . 指导教师： 吴慧娟 .申请金额： 5000元 .申请日期： 2014年3月28日 .电子科技大学教务处填 写 说 明1、本申报书所列各项内容均须实事求是，认真填写，表达明确严谨，简明扼要2、申请人可以是个人，也可为创新团队，首页只填项目负责人。3、本申请书为大16开本（A4），左侧装订成册。可网上下载、自行复印或加页，但格式、内容、大小均须与原件一致。4、项目负责人所在学

2、院认真审核, 经学院专家组初评，签署意见后，将通过初评的申报项目申报书报送教务处。一、 基本情况1项目情况项目名称MZI振动型光纤围栏入侵监测系统应用研究所属学科通信与信息工程项目性质小发明、小创作、小设计等 基础性研究 应用性研究 新实验开发 社会调研项目来源自主立题 教师指导选题 社会、企业承担项目项目起止时间2014年 6月至 2015年 12月申请金额（元）50002申请者（项目负责人）情况姓名赵铭杰性别男所在学院英才学号2012019160013专业电子信息工程联系方式150084257763项目组成员情况姓名性别学号主要负责工作联系方式赵铭杰男2012019160013信号的采集、

3、分析、处文壮男2012030020031报警系统软件开波男2012019020010 硬件系统设计与实现150082433674指导教师情况姓名吴慧娟职称副教授年龄33所在学院通信与信息工程学院联系方、 立项依据1 研究目的和意义：安防问题是关乎国计民生的重大问题，学校周边、居民小区、军事区域、监狱、机场、大型变电站、储油基地、大型体育场等重要区域都需要切实有效的安全防范设备。因此能够检测入侵的安防系统显得越来越重要。传统的基于电学传感器的安防系统无法适应易燃易爆、高温、强电磁干扰等恶劣环境。而光纤传感技术具有抗电

4、磁干扰、电绝缘性好、耐腐蚀、防雷、防水、防紫外线等突出优点，使其特别适用于如油库、变电站、易燃易爆场所等恶劣环境之中。MZI（Mach-Zehnder Interferometer,马赫-曾德尔干涉仪）振动型光纤围栏入侵监测系统就是一种典型的光纤围栏。相比于其他光纤传感技术，其具有高灵敏度的特点。还具有一些不可替代的优点。目前市面上的光线围栏系统，大多基于光纤传感器组成准分布式传感器网络，以实现对入侵的检测。而MZI振动型光纤围栏入侵检测系统光纤里无传感器，因此相对于其他利用光纤传感技术的围栏，它成本很低。由于不需要组成分布式传感器阵列，它铺设、维护更方便，系统可靠性更高。它可实现高灵敏、长周

5、界、大范围的周界保护，安装方便，非常适合于机场、化工企业、石油管线、铁路、小区、学校及各类重点等区域的入侵防范要求。 此外，该系统采用普通通信级光缆作为传感光缆，来源广泛、价格适中、具备可行性。 2. 研究内容与方法：具体研究内容与方法：（1）基于MZI振动型光纤围栏入侵监测系统的实现，包括MZI振动型光纤围栏原理，以及整个入侵监测系统的组成模块和实现；（2）数据采集、分析与处理，实现入侵信号与环境干扰的特征提取与识别；（3）光纤围栏入侵实时报警系统软件开发；（4）系统的现场测试与应用；2.1 基于MZI振动型光纤围栏入侵监测系统的实现2.1.1 MZI振动型光纤围栏原理根据外界信号调制的光波

6、的物理特征参量的变化情况，可将光波的调制分为光强度调制、光频率调制、光波长调制、光相位调制和偏振调制等五种类型。光相位调制，是指外界信号按照一定的规律使光纤中传播的光波相位发生相应的变化，光相位的变化量即反应被测外界量。由于目前的光探测器只能探测光的强度信号，而不能直接探测光的相位信号，因此总要采取一定的方式将光相位信号转换成响应的强度信号，这种转换方式就是干涉法，按照干涉法构成的光学系统称为干涉仪。MZI干涉仪调制采用光相位调制。光相位调制是指外界信号按照一定的规律使光纤中传播的光波相位发生相应的变化，而光相位的变化量即反应被测外界量。由于目前的光探测器只能探测光强信号，而不能直接探测光的相

7、位信号，因此总要采取一定的方式将光相位信号转换成响应的光强信号，这种转换方式就是干涉法。如图1所示。从连续激光器光源发出的直流相干光耦合进光纤后，由光纤耦合器C1等功率等分为空间分离的两路光束，分别注入光纤信号臂和参考臂，再经过另一个光纤耦合器C2重新相干混合，由光电探测器接收混合光信号的光强变化。当有振动或者压力信号作用于光纤信号臂时，会引起信号臂光纤的几何尺寸和折射率等参数发生变化，导致在其中传输的光波相位产生变化。同时，参考臂中传输的光波相位不发生变化，因此信号臂和参考臂内传输的两束光之间产生相位差，在 C2处汇合时将发生干涉，干涉光强的变化由光电探测器转化为电信号表现。根据光的干涉理论

8、，同频率同振动方向的两束光在任意点发生干涉时，该点的干涉光强为式中、分别为发生干涉的两束光的光强，为两光束之间的相位差，光通脱干涉仪两臂后发生干涉。根据干涉光强的变化，结合恰当的解调算法，就可以确定作用于光纤的振动时域信号。2.1.2 MZI振动型光纤围栏入侵检测系统的组成本系统主要由四部分组成：挂设在周界围栏上的传感光缆、光源及光信号解调装置、数据采集装置、计算机和入侵检测系统软件。系统的结构框图如图2所示。首先由光线围栏捕捉到变化的光信号，带有入侵信息的光传感信号通过传感光缆传输给解调设备，经过解调、光电转换和A/D转换，通过串口形式（USB2.0）传递给计算机，在计算机上由综合监测系统软

9、件完成整个监测及报警任务。2.2 数据的现场采集，信号的检测、分析处理过程在本项目中，我们将首先现场采集数据，进行分析处理，建立一套检测、识别不同信号的算法。由于MZI振动型光纤围栏灵敏度很高，容易出现误报。因此在信号的分析处理过程中的关键在于风雨、小动物等环境干扰，和真实人为入侵等振动信号特征提取与识别。应该利用信号分析方法降低误报率，提高报警准确率。2.2.1 数据采集数据采集主要通过串口实现。用串口线将计算机与传感信号解调仪相连接，通过串口通信的方式建立与解调仪的连接来读取解调仪的输出信号，解码读取到的数据得到光信号的时域信息。2.2.2 不同信号的识别方法运用信号与系统的分析方法分析处

10、理信号。我们有以下三种分析思路：（1）对入侵信号做时域、频域 、自相关特性特征差异分析。找到一种适合分辨入侵信号与非入侵信号的优化算法。（2）由于入侵发生在特定地点而风雨等非入侵信号几乎发生在系统的各个部分，因此也可以采用定位系统辨别两类信号，与此同时也将入侵信号定位，方便安保人员排除危险。 （3）通过数理统计方法来界定两类信号的差异，达到区分实际入侵信号与风雨等环境干扰信号的目的外界入侵动作引起围栏晃动或振动，使得挂设的光纤围栏应变发生变化，导致信号臂与参考臂的相位差发生相应的变化。通过查阅文献，我们大致了解到入侵时人的动作信号有其时频域特性。从图3可以看出，入侵引入的频率变化通常是在基准静

11、态值附近震荡变化，一般是在范围，并且在时域上持续时间很短。而自然界风雨等引起的非入侵信号一般在时域上持续产生，而且发生在整个检测系统的各个部分。并且各种信号都有其固定的频域特性。举个例子说明，男声和女声在频域图有明显区别。男声在200-400Hz处幅度比较大，女声在300-800处幅度比较大。我们可以提取信号特征，测出90%能量集中的频带或者3dB点对应的带宽，就可以实现男女声的识别。同样，在本项目中，我们可以用类似的方法，建立不同信号的时、频域的识别标准，在识别信号时综合考虑时域、频域、相位、功率、自相关特性等多域特征提取与融合，提高报警正确率。2.2.3 入侵报警时的定位方法由于光纤传感技

12、术并没有定位功能，为了使本系统更符合实际应用需求，我们利用压电传感器与基于信号处理的方法实现对入侵点的精确定位功能。当光纤围栏上有光信号变化时，首先通过入侵检测报警系统软件判断是否为真实入侵，如果是真实入侵，则进行定位。如图4，由于入侵时会带动光纤围栏产生机械振动，振动信号从振动点沿光纤围栏向两侧传播，由压电传感器获得。我们用互相关法估计两路信号的时延，在已知振动信号沿围栏传播速度和围栏总长度的情况下，可以算出入侵点。入侵点定位公式：其中D为两路信号的相对延时。2.3 入侵实时报警系统软件开发入侵报警系统信号处理流程图如下：基于图形化编程语言LabVIEW实现实时监测系统软件。软件实现可以划分

13、为五个模块：数据采集与传输，信号处理，实时数据及历史变化趋势显示，后台数据管理，报警。2.3.1 数据采集与传输：用串口线将中央处理主机与传感信号解调仪相连接，通过串口通信的方式建立与解调仪的连接以读取解调仪的输出信号，解码读取到的数据得到MZI干涉仪光强信号。2.3.2 信号处理：对解码出来的光强信息运用时域或频域等分析方法，进行分析处理，识别是真实入侵还是风雨等自然信号。并对入侵点进行定位。2.3.3 实时数据及历史变化趋势显示：通过数据处理模块得到实时的振动信号，画出时域波形图和频谱图。2.3.4 后台数据管理： 利用利用 Microsoft SQL Server 2000 建立MZI入

14、侵检测系统位置信息数据库和报警及虚警日志，以便于即时找到报警位置和日后查询。2.3.5 报警显示：通过所作出的报警判断，查询数据库得到地理位置，在软件界面的电子地图上直观地显示报警地点及报警信息，并发出警报声提示。软件系统流程图如下：2.4 系统现场测试及应用 在开发完成报警软件系统后，进行现场测试，测试内容及流程如下：1. 完成光信号的采集、分析处理2. 实现对入侵进行报警3. 正确识别风雨、小动物等非入侵信号，不误报4. 完成数据日志记录、查询、搜索功能5. 根据测试结果调试软硬件系统，重复测试3.国内外研究现状和发展动态光纤围栏技术国内外研究现状：国内外研究现状：分布式光纤传感成为目前国

15、际上研究的热点。欧盟，美国和日本在近几年的研究中取得了显著进步，不少光纤传感器已经在军用和民用领域大规模使用。我国发展光纤传感技术已经有30余年的历史，目前国内有相当多的研究机构和团体，拥有一定数量的研发队伍，也已经积累了较好的技术基础。下面作出简要介绍。近年来，国内外针对光纤围栏传感原理的研究主要有三个方面：利用后向散射光的光时域反射(Optical Time Domain Reflectometry，OTDR)技术、马赫-曾德尔（Mach-Zehnder，M-Z）干涉及光纤布喇格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）准分布式传感技术。OTDR和M-Z干涉技术主要应用于监测范

16、围达几十至上百公里的长距离分布式安防系统，且其定位精度较低，易受环境的干扰，不适用于短距离小范围监测区域的安防系统。南非Chtcherbakov等人用Sagnac/Mach-Zebnder干涉型分布式光纤传感系统，从干涉结果中提取到信号作用的位置，但是难以消除沿线叠加的相位干扰引起的定位偏差。武汉理工大学光纤实验室研究了3x3耦合器解调结合双向互相关定位方法，先对MZI解调,获得实际相位变化后再进行定位，定位精度有了很大提高。重庆大学提出了双向Mach-Zehnder干涉型光纤分布式传感系统，利用双向干涉结果的相对相位,通过互相关的方法获得时延差进行定位。但是长距离应用中,由于大量噪声引起的相

17、位扰动会使信号湮没,相关性大大减弱。澳大利亚的未来光纤技术(Future Fiber Technologies，FFT)公司提出了一种基于过阈值点统计算法的光纤围栏入侵监测系统，可以有效地消除风、雨等自然环境对系统的干扰，该系统采用M-Z干涉技术作为传感机理，能够实现几十公里以上范围的监测，但该系统定位精度低，且实际应用中系统误报偏高。而基于FBG传感器的准分布式光纤围栏安防系统的灵敏度高、定位精度高，且抗干扰能力强，非常适合于小区、大型设施、机场等几十公里以内的中小型区域的安防监控系统。国内对光栅应变传感器的研究也比较多，如哈尔滨工业大学、大连理工大学、北京工业大学、昆明理工大学制作了各种结

18、构封装的光纤布喇格光栅应变传感器。于秀娟等人对片式封装的光纤布喇格光栅传感器进行了改进，将铜、钛合金或钢基片做成“工”字型，做到了传感器的结构优化。但是现有的基于FBG传感原理的光纤围栏系统仅能实现对入侵的告警，无法对入侵事件进行具体目标识别，无法消除强风、暴雨等对系统造成的干扰，具有较高的误报率。在本项目中，我们利用MZ干涉技术，实现了光纤围栏安防系统的低成本、易安装、易维护。同时在信号分析处理层面上利用时域、频域等多域特征提取与融合，实现对对风雨等环境干扰、真实人为入侵进行准确检测和识别，消除自然因素造成的干扰，降低误报率。4. 研究目标与结果： 基于MZI的振动型光纤围栏入侵监测系统样机（硬件系统+报警软件）； 对风雨等环境干扰、真实人为入侵进行准确检测与识别，降低系统在应用中的误报率；实现入侵位置准确定位5.创新点与项目特色利用光纤传感器的无源和抗电磁干扰等突出优点，实现新型光纤