振动光纤在安防中的应用

振动光纤在安防中的应用振动光缆技术在城市安防中的作用国际上振动光/纤缆技术发展的概况及技术分类，并特别介绍了一种基于国产技术的新型振动光缆技术，以及该技术在城市应用典型环境一大学校园的实际案例。该技术直接利用光缆作为侵入信号的传感介质，完全采用无源、非金属器件布设于周界监控区域。通过对现场环境振动的线性还原技术，实现对监控区域周界的实时监控。系统在能源依赖性、环境适应性、环保要求，以及技术升级便利性等方面体现了突出的优点。一、振动光缆技术综述稳定发展和人民生命财产的安全。目前在国内安防领域内，虽然视频监控、门禁和红外等传统技术已经比较成熟，占据市场主流。但其均属于较低安全级别的安防技术，存在被突破几率较高、防误报技术有待改进、定位功能原始等很多缺点。难以满足现代军事要地、国家重要机关部门和机场、银行等特殊场所较高级别安防的需求，在技术和市场上还存在很大空白。既便国外最新的安防设备有类似功能，但在对国家安全、国防安全极为重要的场合。采用国外垄断技术的设备、产品，在产品调试、安装指导、后期维护、性能升级上，会带来相当多的不便。甚至对保密性带来了潜在的威胁。上世纪90年代以来，由于光电技术、光纤技术、计算机技术和集成电路技术的发展。出现了一类新型的基于光纤传感技术的安防技术：振动光纤/缆技术。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周界监控区域的篱笆、围栏、墙壁上，通过对各种进入周界的侵入行进入21世纪以来，全球在经济、文化方面不断取得进步。但“911”事件的发生，也警示了这个世界，还存在太多危险和恐怖因素。2008年的北京奥运会和2010的上海世博会，对于反恐的要求提到了一个新的高度；同时，和谐社会和平安城市的建设，也需要先进的安防技术手段。事实上，采用先进的技术，开发稳定可靠的成套仪器设备，实现对敏感和重要部门的安全防护。一直是各国高度重视的领域，关系到社会的为引起的振动，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。对于直径为10um左右的光纤芯和其中通过的波长为微米量级的光信号而言，这种扰动必然导致光信号传输发生变化。通过光缆采集到的这种扰动信号,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，经由复杂的检测方法，对环境扰动作出判断并报警。与传统的电传感器相比，光纤传感器在周界安防应用中具有明显的技术优势：对外无信号辐射，抗电磁干扰能力强；耐腐蚀，适于多种环境，温度适应范围达到-40到+70°C，使用寿命长达20年以上；在一些特殊应用领域，如地埋管道安全监控、长距离通讯线路的安全监控上，可以通过埋设一条感应光缆构成分布式的光纤传感网络，实现对特定破坏行为的监控。这些特点，使得周界安防工作得以进入一些以前不曾进入的领域，如大范围的水中、长距离地下布防等；同时也可以得以实现以前难以实现的技术目标，如卓越的抗干扰性能、对象模式识别功能，从而大幅度地提高现有周界整体的防入侵能力。光纤既作为信息传送的载体与介质，又作为一种传感器而存在。当外界干扰作用于光纤时，光纤传输的光的部分特性也会随之相应的变化。通过专门的光路构建和信号解调技术就能有效的监测光的特性（即衰减、相位、波长、极化、模场分布和传播时间）变化，进而达到监控外界的触发事件。如：张力、位移、损坏、振动、冲击、声波、温度、负载等。振动光缆技术用作安防，也独具的一些特殊优势:首先，振动光缆采用光缆作为信号传输和通讯合一的介质，而这种介质本质属于非金属、无源设备，耐腐蚀、耐季候变化，对能源依赖性低、信号传输距离长，适合于复杂、恶劣的野外环境;第二，光缆作为监控设备，完全不受电磁干扰影响，也不会产生任何电磁辐射，满足了军事应用的特殊要求，并适用于及机场、雷达站、通讯站、变电站等特殊场合；第三，光缆作为布设外界的监控设备，完全不受雷电影响，也不受雨雪影响，这也满足了很多军事场所的要求。经过十余年的发展，目前国际上一些振动光缆产品，已经得到较大规模的推广应用，并逐渐由军事领域进入到民用领域。其中如澳大利亚、美国和以色列等国家在振动光缆技术产品领域研发和应用较为领先。大量成熟产品已经推广应用于机场、领馆、高档别墅等场所。据报道，美国五角大楼的外围周界安防系统就采用了振动光缆报警技术。二、新型振动光缆技术特点目前，国内外的振动光缆技术，大多基于光纤干涉技术。但具体的技术路线也有很大差异。国外技术产品所采用的技术路线，多存在难以克服的偏振影响问题。即使采用的技术是以偏振变化为光纤感应基础，由于外界扰动引起的偏振变化有很大的随机性，系统探测的不确定性高。同时，这些产品采用技术路线决定了系统本身无法有效屏蔽温度影响（光信号偏振态不仅仅受到环境扰动影响，也受到环境温度变化影响）。为消除温度影响，往往需要采用特殊的位置来固定光缆内光纤，也即需要采用多芯光缆，导致系统安装、布设方式复杂化。此外，由于采用了非线性的信号还原技术，导致振动光缆技术对环境扰动的还原，有失真、畸变甚至遗漏，也直接造成了误报率。技术与应用往往不是“全光纤”技术设备，也就是说，在监控区域的周界，往往间隔一定距离。还是需要有依赖供电的电气设备，或者以控制终端，或者以报警处理器的形式出现，布设于外场。这样，依然不能摆脱现场供电依赖性，也削弱了系统整体抗雷电、抗电磁干扰的可靠性。为此，复旦大学研发的新型振动光缆技术，采用了全新的技术路线和系统架构，具有一些独特优势。其关键技术主要体现在技术系统光路结构设计、信号处理和信息分析方法以及技术系统整体架构几大方面，如下所述：1.单根光纤和全光纤无源组件构成的分布式光纤干涉定位技术本技术路线仅使用沿周界布设的单根长光纤作为分布式的敏感神经网络，用以拾取沿线的入侵扰动信息。实现了光纤干涉传感技术与光纤分布传感技术的有效结合，从而充分发挥了这两大技术用于传感领域的优势，使系统在长距离范围内具有很高的灵敏度。该结构使得光纤线性地拾取外界扰动信号，系统不易受温度和偏振的影响。光纤干涉信号处理程序技术的另一个核心在于具有自主知识产权的光纤干涉信号处理程序。可线性地从干涉信号中实时获取扰动的数理特征量，进而还原出现场扰动情况。因此，系统具有线性获取、还原扰动信号的能力，这种效果可直观表现在，若将信号转换成声音，可直接用听觉辨识出扰动源性质。同时，该技术甚至可以对布设光缆区域现场的各种语音信号实现实时地监控。技术系统架构特点目前，该技术与国外市场化产品的一个重要区别在于，布设于监控区域周界的传感设备。完全是光缆和光无源器件，在外场完全无需布设供电线路，实现了周界“全光纤”架构。彻底摆脱了现场电力依赖，并完全屏蔽了雷电影响和其他各种电磁干扰。而布设设备本身为没有任何电磁信号的光缆，也提供了一个对人身安全的环保技术手段。三、应用于城市安防的特殊要求伴随着近年来构建和谐社会的要求和平安城市建设发展，我们对城市安防技术设备的要求，有了一些新的认识。应用于城市安防的报警探测、控制技术应符合如下要求：稳定性好，保证极低的误报率城市里各种出发安防系统的因素，远远超过军事场所、监狱、电站等特殊领域。在保证漏报率的情况下，对于城市安防，要尽量降低误报率。因为过高的误报率往往是城市技术防范设备被弃置不用乃至最终淘汰的主要原因。城市安防技术不但要求对于各种恶意的侵入、干扰行为能够准确告警。而且对于风、雨、小动物等干扰因素能进行屏蔽，还要尽量降低对于无意触发或无伤害事件的误报。和谐美观，隐蔽布防城市的建设，是在和谐社会宗旨之下进行的。过于突兀、具有威慑性的安防设备，有可能会破坏城市建设的和谐美观，带来紧张的气氛。因此，面向未来城市建设，应对安防产品的美观性提出较高要求，并可以隐蔽布防。监控靠技防，制止靠人防城市安防，由于人员繁多、触发因素多、对于非恶意侵入防区或对防区的扰动行为应能联动视频监控进行判别，并联动声音提醒进行驱散。技术防范设备本身应完美地实现监控功能，但制止和防范工作，应该交给保安人员去完成。城市技术防范设备应减少伤害性，以避免对人员造成过度伤害。防雷电、耐腐蚀，防电磁、射频干扰我国幅员广阔，城市季候环境差异极大。因此，城市安防对于技术防范设备的防雷电、耐腐蚀功能也提出了较高要求。环保、节能、安全城市安防技术设备，还应考虑可能存在的无线电等各种覆盖发射信号。安防设备本身对于其它可能的设备或信号资源应不具任何的辐射、干扰。同时，安防设备本身也不应该成为电磁辐射源。而在国家大力提倡节能环保的当下，设备的清洁、无源、节能、环保性也是必需考虑的因素之一。目前，用于周界防范的探测器多采用红外对射探测器、激光对射探测器、微波探测器等。这些系统除了各有自己的特点和适用范围外，也存在一些缺点：首先，系统均由各个监测单元集合而成，每个单元都配有一个检测主机，由各主机将探测到的入侵信号送到中控系统进行后续处理。要想在大范围的周界上更加准确地确定入侵位置，就必须增加监测单元及相应的检测主机数量，这将使整个系统更加庞大和复杂，成本也将直线上升；其次，各单元检测主机（甚至探头）必须置于户外使用。不仅对其各项技术指标和各种防护性能提出了更高的要求，而且在很大程度上破坏了整个系统的隐蔽性。对于有着较高美观性要求的花园式环境，也是个不小的破坏。而且，当周界情况比较复杂时，尤其是绿树如荫、遍栽各种灌木、乔木的校园周界。通常会有很多树木覆盖在围墙上，致使红外对射探测器等不能发挥应有的作用。即便短期内修剪，长期维护对射类探测系统光路畅通，也是个问题。而从大多数城市周界建设的美观性考虑，也不适合采用可能破坏已建成的周界设施、环境形态面貌的施工或设备安装方式。而对于以脉冲电流为探测信号的电子围栏而言，长距离使用时，一方面沿着