Sagnac干涉型光纖傳感智能周界圍欄報警

　　引言

　　多年來(lái)，傳統的周界安防或圍欄報警系統：如主動(dòng)紅外對射、微波對射、泄漏電纜、振動(dòng)電纜、電子圍欄、電網(wǎng)等，為安全技術(shù)防范做出了一定的貢獻。但是，受一些客觀(guān)技術(shù)條件等因素所限，還存在著(zhù)一定的缺陷：如主動(dòng)紅外對射的圍欄報警系統，易受地形條件的高低、曲折、轉彎、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、強光、灰塵、雨、雪、霧、霜等自然氣候的影響，易出現誤報率；再如泄露電纜、振動(dòng)電纜、電子圍欄、電網(wǎng)等圍欄報警系統，均屬于有源的電傳感，系統功耗很大；且電子圍欄、電網(wǎng)等又有一定危害性；它們又易受電磁干擾、信號干擾、串擾等，而使靈敏性下降，誤報率、漏報率上升等。

　　與上述周界安防或圍欄報警系統相比，利用光電技術(shù)中的新型光纖傳感技術(shù)做成的周界安防或圍欄報警系統具有非常明顯的技術(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)境及強電磁干擾等場(chǎng)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定性；

　　·不僅能發(fā)現外界擾動(dòng)，而且可確定外界擾動(dòng)的位置，系統具有成本低、結構簡(jiǎn)單、便于擴展與安裝容易；

　　·無(wú)輻射、無(wú)易燃易爆材料，既防水又環(huán)保；

　　·能源依賴(lài)性低，可大大節省供電設備與線(xiàn)路的成本，適合長(cháng)距離使用；

　　·可根據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構檢測等具有復雜環(huán)境的領(lǐng)域中應用等。

　　周界安防或圍欄報警系統，在光纖傳感技術(shù)中可利用兩種光纖傳感器來(lái)實(shí)現：一是利用光纖Bragg光柵分布式光纖傳感器；二是利用光纖干涉型光纖傳感器。本文討論后者，前者將另外撰文介紹。

　　基于干涉原理的測量是通過(guò)測量光程差，從而測定相關(guān)的物理量的。干涉儀是以光波波長(cháng)為單位測量光程差的，其測量精度之高是其他測量方法所無(wú)法比擬的。干涉型的光纖傳感器，是根據傳統的光學(xué)干涉儀的原理進(jìn)行光纖化改造而成的。目前常用的有麥克爾遜（Michlson）型、馬赫－澤德（Mach-Zehnder）型、賽格納克（Sagnac）型、法布里－珀羅（Fabry-Perot）型。干涉型光纖傳感器是以光纖本身作為傳感器件的功能型傳感器，由于它的整根光纖都是探測器件，所以它非常敏感，極易受到外界的干擾，因此接收到的信號極其不穩定。顯然，它的這種不穩定性，在一定程度上限制了干涉型光纖傳感器的應用。目前，Sagnac型干涉光纖傳感器，已廣泛應用于光纖陀螺、傳感、大型的管道檢測等領(lǐng)域。本文設計的基于Sagnac干涉型光纖傳感器制作的周界安防或圍欄報警系統，正是利用了干涉的不穩定性來(lái)判斷外界的圍欄是否受到入侵的。

　　上面已簡(jiǎn)述了傳統周界圍欄報警系統的缺陷及光纖傳感的優(yōu)勢，下面再介紹Sagnac干涉型光纖傳感器的原理，基于Sagnac干涉型光纖傳感智能周界圍欄報警系統的組成及工作原理、模擬實(shí)驗測試結果、市場(chǎng)應用前景等。

　　Sagnac光纖干涉傳感原理

　　當封閉的光路相對于慣性空間有一轉動(dòng)速度Ω時(shí)，順時(shí)針光路和逆時(shí)針光路之間形成與轉速成正比的光程差ΔL，其數值滿(mǎn)足

式中，c為光速，A為封閉光路包圍的面積；為轉速矢量與面積A的法線(xiàn)間的夾角。當光路平面垂直于Ω時(shí)，則上式可簡(jiǎn)化為（2）
        這一光程差隨轉速而改變的現象稱(chēng)作薩格納克效應。圖1給出這一效應的圖解說(shuō)明。

        由圖1可以看到，當Ω順時(shí)針轉動(dòng)時(shí)，從光路上一點(diǎn)M發(fā)出的順時(shí)針光束CW在繞光路一周重新回到M點(diǎn)時(shí)，要多走一段光程，而反時(shí)針光束CCW卻少走一段光路。于是，形成了光程差。這種光程差的量值甚微。例如，采用A=100cm2的環(huán)形光路對于地球自轉ΩE=7.3×10-5r/s，相應的ΔL僅為10-12cm。只有利用環(huán)形干涉儀或環(huán)形激光器才有可能通過(guò)檢測雙向電路的激光束頻差，得到被測的角速度。

        轉動(dòng)效應在相反方向光路中引起的光頻增減是相反的，是一種非互易效應。由于非互易效應引起的光學(xué)頻差是雙向的，因此在這種干涉測量中，參考波同樣受到調制而不再保持恒定。而這種光頻差是由二束測量光波的混頻形成的，它的信息調制過(guò)程，如圖2所示。這種差頻檢測方式，就稱(chēng)作互差式光學(xué)差頻檢測。

　　因此，作光纖圍欄的Sagnac干涉傳感的原理圖如圖3所示。

　　其基本原理是，激光器發(fā)出的光經(jīng)3dB耦合器分成兩束相同的光，分別耦合進(jìn)由同一光纖構成的光纖環(huán)中，形成沿相反方向前進(jìn)的兩光波，此兩路光符合頻率相同，振動(dòng)方向相同，相位差不變的干涉條件，因此在耦合器處發(fā)生干涉。
 

　　當傳感光纖沒(méi)有受到干擾時(shí)，此干涉現象趨于穩定，光強變化率為零；當這兩束光在外界因素干擾下產(chǎn)生不同的相移，設擾動(dòng)作用的光纖長(cháng)度為l，則其產(chǎn)生的相位變化為
（3）

　　式中，Δφ為相位變化；β為光纖的傳播常數；r為光纖纖芯的半徑；n為光纖纖芯的折射率。

這時(shí)，到耦合的總光強為（4）

　　式中，I1、I2分別為兩束光的光強；φ為相位差。因而在兩束光回到耦合器處的干涉發(fā)生變化，而這種變化就可被光電探測器監測到，它將這種變化轉變?yōu)殡娦盘柡?，即送?a target="_blank" class="inlink">信號處理系統處理。

　　Sagnac干涉型光纖傳感智能周界圍欄報警系統的組成及原理
　　一種用于安全防范的智能周界圍欄防衛的Sagnac干涉型光纖傳感系統，由光源及其組件、隔離器、光纖耦合器、傳感光纖、光電探測器、信號處理器和光纖環(huán)行器構成。其中，光源為單縱?；蚩v模數較少的半導體激光器，光纖耦合器的分束比為１：１，傳感光纖的兩端分別同光纖耦合器的兩個(gè)同向端口相連接，以構成一個(gè)Sagnac環(huán)。實(shí)際上，基于Sagnac干涉型光纖傳感周界圍欄報警系統，基本上是按照圖3所示的Sagnac光纖干涉原理圖來(lái)布置的：即將光纖環(huán)固定在鐵絲網(wǎng)上，當觸動(dòng)鐵絲網(wǎng)就會(huì )引起光纖擾動(dòng)。將耦合器的輸出端用單模光纖相連，形成光學(xué)閉合環(huán)路，經(jīng)耦合器分出來(lái)的兩束光，分別在光纖環(huán)中順時(shí)針，逆時(shí)針?lè )较騻鞑?。利用這種光纖環(huán)臂作為傳感器，當傳感光纖的某處受到觸動(dòng)干擾時(shí)，根據Sagnac干涉原理，就使得兩束光相位差的大小與擾動(dòng)點(diǎn)位置、擾動(dòng)噪聲引起的光波相位變化速率成正比。由前述介紹的原理可知，這種相位的變化，就會(huì )引起到耦合器的總光強的變化。傳輸光纖將這一變化長(cháng)距離地引入到監控室的光電探測器，探測器檢測到這一變化，并轉換為電信號輸入到信號處理系統，經(jīng)過(guò)處理分析與比較，即可實(shí)現對擾動(dòng)點(diǎn)的分析判斷，從而智能識別是否有人入侵，當判定是人入侵，即可進(jìn)行聲光報警。

　　值得說(shuō)明的是，本文選的是波長(cháng)1310nm、14腳雙列直插(14Pin—DIP)標準管殼封裝的激光光源，其組件由激光器管芯、致冷器、熱敏電阻、單模光纜和標準光纖連接器CFC組成。由外電路可實(shí)現對這一組件的溫度控制，形成一個(gè)帶溫度控制的高穩定直流恒流源，從而減少光源溫度對傳感的影響。并且，在光源與耦合器間，接一個(gè)單向光隔離器，以免干涉產(chǎn)生的光，影響到光源的光。

　　信號處理系統對光電探測器輸入的干涉光強的分析，具有確定的信號解調的步驟，其具體的信號處理與解調的流程如圖4所示。

　　由圖4可看出，該信號處理系統極其簡(jiǎn)單，它只需將輸入的信號進(jìn)行濾波、整流、放大，然后與一個(gè)經(jīng)過(guò)定標的參考電壓比較，即可自動(dòng)判斷有否人入侵。

　　模擬實(shí)驗測試結果
　　由于接收到的初始光強值會(huì )受到不同器件的影響，如激光器的光功率不同，使傳感光纖的初始位置，基點(diǎn)坐標等不利于確定。通過(guò)微分處理接收的光強信號，來(lái)檢測光強變化值，就可以確定初始值0V。用示波器界面X坐標表示時(shí)間，Y坐標表示電壓變化值進(jìn)行可視觀(guān)測。通過(guò)觀(guān)察光強的波形變化，很客觀(guān)清楚的認識到在耦合器處的干涉發(fā)生變化。由于普通環(huán)境下存在諸如溫度、微動(dòng)等干擾，光纖環(huán)傳感到的信號會(huì )在0值附近發(fā)生微弱的抖動(dòng)，而不是在理想條件下初始值為0V，這是外界不可避免的干擾，而不是人為的入侵，所以必須要忽略，以免產(chǎn)生誤報。圖5所示，即為在正常的環(huán)境中所產(chǎn)生的光強變化率波形顯示，即在0值附近，波形有微弱的抖動(dòng)。

　　當光纖環(huán)臂受到外界人為的干擾，光強就會(huì )發(fā)生明顯的變化，當電壓超過(guò)設置的光強幅值時(shí)，系統會(huì )發(fā)出報警聲音。因為當外界入侵鐵絲網(wǎng)，會(huì )帶動(dòng)光纖環(huán)臂抖動(dòng)，從而觸發(fā)報警裝置。觸發(fā)后光強的變化值如圖6所示。

　　值得指出的是，在實(shí)際中可利用電容器來(lái)完成濾波，獲取光強變化率，以濾除直流初始信號。通過(guò)運算放大器也可以很容易地完成放大從外界獲取的微弱的電壓變化信號，最后通過(guò)與比較器的參考電壓比較，來(lái)判斷是否有人入侵而驅動(dòng)報警裝置。顯然，比較器的參考電壓值，需能夠改變，以便設置符合不同的特定環(huán)境的報警靈敏度。

　　在解調裝置中，由于Sagnac干涉型光纖傳感周界圍欄報警系統具體安裝環(huán)境不同，如傳感光纖依附在不同的設備上，受干擾后光纖抖動(dòng)的程度不同，或者傳感光纖工作的溫度地理位置等諸多原因，都會(huì )影響光纖圍欄的靈敏度，而產(chǎn)生錯誤報警。因此，必須要根據不同的環(huán)境改變報警裝置的靈敏度，具體可通過(guò)調節比較器的電位器或按鈕，來(lái)改變參考電壓值，使之適合于外界人入侵觸發(fā)的靈敏度。這里還可利用NE555觸發(fā)器來(lái)觸發(fā)繼電器，以引發(fā)聲光報警系統，正確地完成報警工作。

　　在實(shí)際的模擬實(shí)驗測試當中，取光纖8m固定于圍欄上。結果證明，當外界人入侵后，啟動(dòng)了聲光報警，從而證明了這種新的光電周界圍欄報警系統的可行性。

　　結語(yǔ)
　　由上述介紹可知，在基于Sagnac環(huán)的光纖傳感周界圍欄報警系統中，充分利用了Sagnac光纖干涉原理。當傳感光纖環(huán)受到外界入侵后，使光的干涉發(fā)生變化，而引起光強突變，從而觸發(fā)了報警。當然，在安全技術(shù)防范系統的實(shí)際應用中，應最好要同時(shí)經(jīng)視頻監控系統聯(lián)動(dòng)復核，再驅動(dòng)聲光報警，以提高安防系統的可靠性。

　　基于Sagnac環(huán)的光纖周界傳感智能?chē)鷻趫缶到y的特點(diǎn)是，簡(jiǎn)單高效、安裝便捷、維護簡(jiǎn)單、成本較低，且靈敏度還可以根據實(shí)際的安裝環(huán)境變化而調整，很方便用戶(hù)。因此，它轉化定型生產(chǎn)后，將非常適合于中小型用戶(hù)的使用，在市場(chǎng)上定會(huì )得到迅速普及推廣。（文/雷玉堂 本文作者現任職于武漢樂(lè )通光電有限公司高新技術(shù)研究所）