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、電網(wǎng)等，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，還存在著一定的缺陷：如主動紅外對射的圍欄報警系統(tǒng)，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；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?dāng)_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(tǒng)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(tǒng)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(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。

　　周界安防或圍欄報警系統(tǒng)，在光纖傳感技術(shù)中可利用兩種光纖傳感器來實現(xiàn)：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法比擬的。干涉型的光纖傳感器，是根據(jù)傳統(tǒng)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(wěn)定。顯然，它的這種不穩(wěn)定性，在一定程度上限制了干涉型光纖傳感器的應(yīng)用。目前，Sagnac型干涉光纖傳感器，已廣泛應(yīng)用于光纖陀螺、傳感、大型的管道檢測等領(lǐng)域。本文設(shè)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(tǒng)，正是利用了干涉的不穩(wěn)定性來判斷外界的圍欄是否受到入侵的。

　　上面已簡述了傳統(tǒng)周界圍欄報警系統(tǒng)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(tǒng)的組成及工作原理、模擬實驗測試結(jié)果、市場應(yīng)用前景等。

　　Sagnac光纖干涉?zhèn)鞲性?/p>

　　當(dāng)封閉的光路相對于慣性空間有一轉(zhuǎn)動速度Ω時，順時針光路和逆時針光路之間形成與轉(zhuǎn)速成正比的光程差ΔL，其數(shù)值滿足

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

        由圖1可以看到，當(dāng)Ω順時針轉(zhuǎn)動時，從光路上一點M發(fā)出的順時針光束CW在繞光路一周重新回到M點時，要多走一段光程，而反時針光束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(zhuǎn)ΩE=7.3×10-5r/s，相應(yīng)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檢測雙向電路的激光束頻差，得到被測的角速度。

        轉(zhuǎn)動效應(yīng)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(yīng)。由于非互易效應(yīng)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(diào)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(diào)制過程，如圖2所示。這種差頻檢測方式，就稱作互差式光學(xué)差頻檢測。

　　因此，作光纖圍欄的Sagnac干涉?zhèn)鞲械脑韴D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(gòu)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(dāng)傳感光纖沒有受到干擾時，此干涉現(xiàn)象趨于穩(wěn)定，光強變化率為零；當(dāng)這兩束光在外界因素干擾下產(chǎn)生不同的相移，設(shè)擾動作用的光纖長度為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(shù)；r為光纖纖芯的半徑；n為光纖纖芯的折射率。

這時，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(jiān)測到，它將這種變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柡?，即送?a target="_blank" class="inlink">信號處理系統(tǒng)處理。

　　Sagnac干涉型光纖傳感智能周界圍欄報警系統(tǒng)的組成及原理
　　一種用于安全防范的智能周界圍欄防衛(wèi)的Sagnac干涉型光纖傳感系統(tǒng)，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(gòu)成。其中，光源為單縱?；蚩v模數(shù)較少的半導(dǎo)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同向端口相連接，以構(gòu)成一個Sagnac環(huán)。實際上，基于Sagnac干涉型光纖傳感周界圍欄報警系統(tǒng)，基本上是按照圖3所示的Sagnac光纖干涉原理圖來布置的：即將光纖環(huán)固定在鐵絲網(wǎng)上，當(dāng)觸動鐵絲網(wǎng)就會引起光纖擾動。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)耦合器分出來的兩束光，分別在光纖環(huán)中順時針，逆時針方向傳播。利用這種光纖環(huán)臂作為傳感器，當(dāng)傳感光纖的某處受到觸動干擾時，根據(jù)Sagnac干涉原理，就使得兩束光相位差的大小與擾動點位置、擾動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，就會引起到耦合器的總光強的變化。傳輸光纖將這一變化長距離地引入到監(jiān)控室的光電探測器，探測器檢測到這一變化，并轉(zhuǎn)換為電信號輸入到信號處理系統(tǒng)，經(jīng)過處理分析與比較，即可實現(xiàn)對擾動點的分析判斷，從而智能識別是否有人入侵，當(dāng)判定是人入侵，即可進(jìn)行聲光報警。

　　值得說明的是，本文選的是波長1310nm、14腳雙列直插(14Pin—DIP)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)光纖連接器CFC組成。由外電路可實現(xiàn)對這一組件的溫度控制，形成一個帶溫度控制的高穩(wěn)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(tǒng)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(diào)的步驟，其具體的信號處理與解調(diào)的流程如圖4所示。

　　由圖4可看出，該信號處理系統(tǒng)極其簡單，它只需將輸入的信號進(jìn)行濾波、整流、放大，然后與一個經(jīng)過定標(biāo)的參考電壓比較，即可自動判斷有否人入侵。

　　模擬實驗測試結(jié)果
　　由于接收到的初始光強值會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，基點坐標(biāo)等不利于確定。通過微分處理接收的光強信號，來檢測光強變化值，就可以確定初始值0V。用示波器界面X坐標(biāo)表示時間，Y坐標(biāo)表示電壓變化值進(jìn)行可視觀測。通過觀察光強的波形變化，很客觀清楚的認(rèn)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、微動等干擾，光纖環(huán)傳感到的信號會在0值附近發(fā)生微弱的抖動，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。

　　當(dāng)光纖環(huán)臂受到外界人為的干擾，光強就會發(fā)生明顯的變化，當(dāng)電壓超過設(shè)置的光強幅值時，系統(tǒng)會發(fā)出報警聲音。因為當(dāng)外界入侵鐵絲網(wǎng)，會帶動光纖環(huán)臂抖動，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，在實際中可利用電容器來完成濾波，獲取光強變化率，以濾除直流初始信號。通過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，最后通過與比較器的參考電壓比較，來判斷是否有人入侵而驅(qū)動報警裝置。顯然，比較器的參考電壓值，需能夠改變，以便設(shè)置符合不同的特定環(huán)境的報警靈敏度。

　　在解調(diào)裝置中，由于Sagnac干涉型光纖傳感周界圍欄報警系統(tǒng)具體安裝環(huán)境不同，如傳感光纖依附在不同的設(shè)備上，受干擾后光纖抖動的程度不同，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(jù)不同的環(huán)境改變報警裝置的靈敏度，具體可通過調(diào)節(jié)比較器的電位器或按鈕，來改變參考電壓值，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)器來觸發(fā)繼電器，以引發(fā)聲光報警系統(tǒng)，正確地完成報警工作。

　　在實際的模擬實驗測試當(dāng)中，取光纖8m固定于圍欄上。結(jié)果證明，當(dāng)外界人入侵后，啟動了聲光報警，從而證明了這種新的光電周界圍欄報警系統(tǒng)的可行性。

　　結(jié)語
　　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(tǒng)中，充分利用了Sagnac光纖干涉原理。當(dāng)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(dāng)然，在安全技術(shù)防范系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，應(yīng)最好要同時經(jīng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動復(fù)核，再驅(qū)動聲光報警，以提高安防系統(tǒng)的可靠性。

　　基于Sagnac環(huán)的光纖周界傳感智能圍欄報警系統(tǒng)的特點是，簡單高效、安裝便捷、維護(hù)簡單、成本較低，且靈敏度還可以根據(jù)實際的安裝環(huán)境變化而調(diào)整，很方便用戶。因此，它轉(zhuǎn)化定型生產(chǎn)后，將非常適合于中小型用戶的使用，在市場上定會得到迅速普及推廣。（文/雷玉堂 本文作者現(xiàn)任職于武漢樂通光電有限公司高新技術(shù)研究所）