光纤编码技术在区域定位监控中的应用.doc

光纤编码技术在区域定位监控中的应用第31卷第4期2010年4月仪器仪表ChineseJournalofScientificInstrumentVbl_31NO.4Apf.2010光纤编码技术在区域定位监控中的应用冰唐璜,吴红艳,章骅,贾波(复旦大学材料科学系上海200433)摘要:提出了一种适用于光纤长距离环境监控的区域定位新方法.具体是利用布设在现场的传感光纤对区域环境振动实现实时记录,用白光干涉方法实现振动信号的提取和还原,用传感光纤的编码(排列组合),实现不同区域的定位.通过实验研究表明,该方法能对环境触发信号进行实时监控,并能确定信号所属区域.应用光纤编码技术实现区域定位,能有效减少光纤长距离监控系统的复杂程度,降低系统成本,有望在大区域,长距离的监控领域获得成功应用.关键词:自光干涉;光纤;编码;区域定位中图分类号:TN92文献标识码:A国家标准学科分类代码:510.20Applicationoffiber-opticencodingtechnologyinmultiple-zoneintrusiondetectionsystemTangHuang,WuHongyan,ZhangHua,JiaBofDepartmentofMaterialScience,FudanUniversity,Shanghai200433,China)Abstract:Anoveltechnologyforzone?locationisproposedinthispaper,whichisverysuitableforopfic-fibermonitoringinlongdistanceandlargeareaapplication.Thismethodadoptsopticalfibertosensecertainenvironmentvibration,obtainandreproducethevibrationsignalusingwhitelightinterferometry,andthenlocatethevibrationzonebymeansoffiber-opticencoding,i.e.thearrangementofsensingopticalfibers.Experimentresearchtestifiesthatthismethodisabletomonitorthevibrationsignalandlocatetheintrusionzoneinrealtime.ThistechnologyCandecreasethecomplexityofopticalfiberlongdistancemonitoringsystemandreducethesystemcost.Thereforethistechnologyishopefultobeappliedinlargeareaandlong-distancemultizoneintrusiondetectionsystems.Keywords:whitelightinterferometry;opticalfiber;encoding;zone-location1引言随着经济建设的发展,社会财富的积累,安全防范技术的重要性越显突出,尤其是重要的保密部门,军事要地,金融中心,机场等场所,存在对新型安防技术的迫切需求.但是传统的基于电的安防设备,由于存在能源依赖性高,易腐蚀,易受干扰,信号传输距离有限,受季候等环境因素影响大的缺点,难以满足现代社会长距离,大范围监控要求.近年来,伴随着光电技术,计算机技术和集成电路技术的发展,具有抗腐蚀,抗环境干扰,无电磁辐射,传输传感合一,无中继传输距离长等优点川的光纤传感技术,在侵入检测中得到了应用【2.】.收稿日期:2009.09ReceivedDate:2009.09基金项目:科技部创新方法工作(2008IM041200)资助项目2应用背景复旦大学也提出一类新型的基于光纤传感技术的安防技术:振动光缆技术l4】.该技术的特点描述如下:用光缆埋设于地下,或者根据具体情况敷设在监控区域周界的篱笆,围栏,墙壁上,通过对各种进入周界的侵入行为引起的振动,实现监测.当有人接近,踏过或穿越布设光缆的地域时,即便是最轻微的动作,也会对光缆中的光纤产生扰动.对于直径约10pm(0.01nun)的光纤芯和其中通过的波长为m量级的光信号而言,这种扰动必然导致光信号传输发生变化.通过光缆采集这种扰动信号,并经由同一根光缆,传输至远端的系统主机.再通过各种特殊的光路结构设计和相应的检测方法,对第4期唐璜等:光纤编码技术任区域定位监控中的应用913环境扰动作出分析,判断威胁级别,并作出报警.在这类长距离,大范围的监控技术中,对特定扰动行为进行定位是必不可少的.最常见的方法是采用区域定位,即将监控周界划分为多个区域,当系统检测到特定扰动,经分析判别为威胁行为时,还需对威胁行为定位于预先设置的特定防区中.在目前的光纤周界安防系统中,为实现区域的划分和定位,采用的方法是在每个区域使用一根感应光纤来采集扰动信号,各区域之间的感应光纤作物理分割,互不相连,因此,区域的感应信号与感应光纤一对应.随着分区数的增加,感应光纤的数量随之增加,与之相关的传输光缆的数量亦会增加;同时,这些互不相连的感应光缆通常对应着相应的信号调制光路,信号处理电路等,随着分区数量的增加,整个安防系统会因此庞大起来,系统成本也相应增加.这就制约了技术在长距离,需要多分区的场合中应用.图1即是一种基于光纤干涉技术,使用振动传感光纤,实现三防区侵入监控的方案示例.在该方案中,监控区域周界分成3个区,每个区分别对应一根感应光缆(光纤)(1a),(1b),(1c),每根光缆分别对应着一个干涉光路(由光纤无源器件构成),反馈装置(2a),(2b),(2c).显然,随着分区数的增加,相应的防区控制系统,干涉光路结构,反馈装置等的数量会随之增加,使得系统庞大复杂,布线繁杂,可靠性降低.2bb图1传统光纤周界安防的分区方案Fig.1Atypicalconfigurationofzonelocationintraditionalopticalfiberperimetersecuritysystem因此,为了解决大区域,长周界的多防区的安防问题,本文提出了利用光纤组成编码,实现大区域定位监控的技术方案.3理论分析本文提出的方法可以解决传统光纤安防周界系统中因分区数量增加带来的系统庞大的问题.其核心是以编码方式,即用传感光纤的编码(排列组合),实现不同区域的定位.该周界安防系统在不同的区域,使用不同的感应(传感)光纤集合;某区域内产生的扰动信号同时作用与该区域内光纤组合中的所有光纤,即位于该区域的光纤组合中的各感应光纤同时感应同一的扰动信号,从而系统可以根据采集到扰动的传感光纤的集合米确定扰动信号发生的区域,该集合与区域唯一对应.具体原理表述如下:假设n有根感应(传感)光纤,若在光纤周界上布设一个防护层,根据编码原理,以每根光纤有扰动信号时对应1,没有扰动信号时对应O,.r/根光纤进行组合,形成的编码数量P为:P=+,+c:=2考虑到全1和全0的情况分别对应系统受到大的干扰和处于正常工作状况,不具有代表区域信息的功能,所以实际的分区数为:N=P一2=2一2根据上面的式子,4根光纤可构成14个分区,5根光纤可构成30个分区,6根光纤可构成62路分区,8根光纤构成254个分区.而8根光纤构成的光缆非常普遍,8路探测信号同时处理也不存在任何困难.在实际应用中,如果采用2层或2层以上的防护区,还可以获得远大于上而推导的最大分区数.例如,当在同一区域实行2个防护层时,在一层防护层某区域采用数量n(n_<n)的光纤进行完全编码,剩余的n:n根光纤在另一防护层相应的区域进行新的排列组合,组合数Jv可表示为:N-C+.?,该组合与个特定的编码相对应,所以n根光纤形成的同一定位区域两防护层的铺设方法,实际的分区数可表示为:,=c?C1l+cl+Cn1+?2+cL2+_.+-._+c?c+c+二l一+1+c一这种编码方法,可能出现某层的两个区编码与某区两层编码相同,两个防护层的编码互补等情况,如,对于3根光纤组成的系统,某区域的第一层防护层是第1,3号光纤(编码为101),而另一层是2号光纤(编码为010),另一个区域的第一层防护层是第2号光纤(编码为010),而另一层是l,3号光纤(编码为101),这会带来给实际使用带来误判.解决的方法:可以在某一层,或两层各加一标志光纤,如在第一层防护中加一根光纤,即可避免上述误判的发生.据以上的方案,对于5根光纤组成的系统,实际的分区数.=50:对于6根光纤组成的系统,实际的分区数Nl:180.如果采用3层防护分区的方法,根光纤对应的分914仪器仪表第3l卷区数量会更多.同时,对于安防系统,通过防护层的引入,可以对一个入侵行为进行方向上的判断,即通过对防护层触发次序的逻辑关系判断,可以判断出入侵行为的方向性:入境或离境,对保卫人员的反映行为直接提供具体参考.同一区域可以采用2个或2个以上的多个防护层.在编码定位方法中,感应共同扰动的光纤组合中的各光纤感应信号到达信号探测端的路径不是完全一致,但由于光速很快,宏观上,可以认为是同步的.例如,对于某两根感应光纤,决定感应(触发)信号延迟时间的光纤长度相差=10km(实际中远小于这各量级),则对于同时刻的扰动,两系统探测到的信号延迟为仁,c一50gs,其中,为光纤的有效折射率,C为光速,可见,这个量级的信号延迟对于宏观的扰动几乎是可以忽略的.这为判断同时发生扰动的光纤集合带来了方便.系统的布设可以按下述方式进行.以总线光纤数为,l为例,rt根光纤构成一根光缆,该光缆末端与光路系统连接.在特定的分区,以两层防护为例,根据编码的需要,首先选定特定的光纤与一根敏感光缆连接,形成感应光缆,该光缆完成一个特定区域的铺设.在剩余的光缆中,按照特定的编码规律,选定光纤与另外一根敏感光缆连接,形成该区域的另一防护层感应光缆.两感应光缆按照地域特点完成铺设,一旦入侵行为发生,在时问上先后有不同的防护层感应到扰动,对应不同的编码,完成定位和方向辨别功能.4实验图2(a)是系统的布线图.周界有1个防护层,分成6个区,使用3根传感光纤进行编码组合,实现6个分区.(a1,(b1,(c)分别是3根传感光纤,(3)是敏感光缆,(2a),(2b),(2c)是各子系统的光反馈装置.图2(b)Y0出了各分区对应的感应光纤以及相应的编码.编码中1表示检测到扰动信号.在本实施例中,光纤周界安防系统采用的是单芯反馈式白光干涉系统】,并采用了相关的信号解调技术【8】来拾取外界扰动信号.如图2(a)所示,周界分成了6个区,使用了3个干涉子系统,构成一个防护层光路系统.每个区的感应光缆(3)分别于特定的子系统的敏感端相连,即不同的区使用了不同的感应光纤组合,每个区相应的编码如图2(b)所示.系统中所用的光源为电子集团总公司44研究所生产的SO3一B型超辐射发光管(SLD)型稳定光源.光纤耦合器为武汉邮电研究院生产的单模光纤耦合器.光电转换用的光电探测器为4J4所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器.所用的光纤为美国康宁生产的G652型单模光纤.起感应作用的光缆(3)为长飞生产.光反馈装置(2a),(2b),(2c)为法拉第旋转镜.所采用的相位调制器是将光纤绕在压电陶瓷上制作而成.区域感应光纤组合触发编码(c,b,a)I(a)oolIIOa)010III(c)l0o(ab)0l1V(a,c)101(b,c)llO2c2b注:1表不检测剑扰动信号.(b)图2采用编码定位实现分区的光纤周界安防系统Fig.2Zonelocationbymeansofencodinginopticalfiberperimetersecuritysystem在本实施例中,系统处理软件实时检测每个感应光纤采集的信号,判断产生触发信号的感应(传感)光纤集合,依此定位扰动发生的区域.图3即为实际检测信号示例.信号1,2,3分别对应图2中a,b,C三根光纤产生的扰动信号.例如,当检测到信号如图3(a)所示,感应光纤b,C同时产生触发信号,而a未产生触发信号,即编码为110,则可以断定入侵发生在区域.又如,当检测到信号如图3(b)所示,只有感应光纤C产生触发信号,而a,b未产生触发信号,即编码为100,则可以断定入侵发生在区域III.信号1l蠢一一4【l7垂l71819时问,sl8l9时间,s18l9时闯,sfa)第4期唐璜等:光纤编码技术在区域定位监控中的应用9154之20馨一24乏馨之翟信号1i27时间,s1亓一时间,s信号3一l.一fl时间,sfb)图3实际检测信号示例Fig.3Examplesofthedetectedsignals5结论综上所述,这种基于光纤编码的区域定位技术,显着改善了光纤周界安防系统中,伴随区域扩大,长度增加,分区数量增加,带来的系统构成庞大的问题,实用性强,特别有利于在大范围,长距离的周界安防中使用.采用这种编码定位方案的光纤周界安防系统,可以是各种将光纤作为敏感元件来感应扰动信号的光纤传感系统,传感方式可以是:光强度调制,相位调制,频率调制,偏振调制或波长调制等.参考文献【1】廖延彪.光纤传感技术与应用【M】.北京:清华大学出版社.2009.LIAOYB.ApplicationoffiberopticsensortechnologylM.Beijing:TsinghHaUnversityPress,2009.2孟克.光纤干涉测量技术.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2008.MENGK.OpticfiberinterferencemeasurementtechnologyM.Haerbing:HaerbingUnversityPress,2008.31UUAREZJC,ERICCHOIKN,eta1.DistributedfiberopticintrusionsensorsystemJ.LightwaveTechnology,2005,23(6):2081-2087.【4】孙尧,贾波,张天照.基于反馈环全光纤干涉的定位系统J.传感器与微系统,2006,25(1):4446.【5【6】7】【8】SUNY.JIAB.ZHANGTZH.PositiondeterminationsensingsystembasedonallfiberinterferometerwithfeedbackloopJ.TransducerandMicrosystemTechnology,2006,25(1):4446.唐璜,肖倩,戎玲.振动光缆技术在城市安防中的应用.中国安防,2009,7:4852.TANGH,XIAOQ,RONGL.TheapplicationofvibrationalopticalfiberincivilsecurityJ.ChinaSecurityandProtection,2009,7:4852.H0NGGW,儿AB,TANGH.LocationofawidebandperturbationusingafiberfoxsmithinterferometerJ.JournalofLightwaveTechnology,2007,25(10):30573061.WUDZHANGTZH,JIAB.ModifiedsagnacinterferometerfordistributeddisturbancedetectionJ.MicrowaveandOpticalTechnologyLetters,2008,50(6):1608一l610.吴红艳,贾波,叶佳,等.基于光纤干涉定位系统的信号解调技术J.传感器与微系统,2007,26(5):4547.WUHYJIAB,YEJ,eta1.Demodulationt