光纖編碼技術(shù)在區(qū)域定位監(jiān)控中的應(yīng)用

1、光纖編碼技術(shù)在區(qū)域定位監(jiān)控中的應(yīng)用第31卷第4期2010年4月儀器儀表chinesejournalofscientificinstrumentvbl_31no.4apf.2010光纖編碼技術(shù)在區(qū)域定位監(jiān)控中的應(yīng)用冰唐璜,吳紅艷,章驊,賈波(復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系上海200433)摘要:提出了一種適用于光纖長(zhǎng)距離環(huán)境監(jiān)控的區(qū)域定位新方法.具體是利用布設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)的傳感光纖對(duì)區(qū)域環(huán)境振動(dòng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)記錄,用白光干涉方法實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的提取和還原,用傳感光纖的編碼(排列組合),實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域的定位.通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明,該方法能對(duì)環(huán)境觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,并能確定信號(hào)所屬區(qū)域.應(yīng)用光纖編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)區(qū)域定位,能有效減少光

2、纖長(zhǎng)距離監(jiān)控系統(tǒng)的復(fù)雜程度,降低系統(tǒng)成本,有望在大區(qū)域,長(zhǎng)距離的監(jiān)控領(lǐng)域獲得成功應(yīng)用.關(guān)鍵詞:自光干涉;光纖;編碼;區(qū)域定位中圖分類(lèi)號(hào):tn92文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:a國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)科分類(lèi)代碼:510.20applicationoffiber-opticencodingtechnologyinmultiple-zoneintrusiondetectionsystemtanghuang,wuhongyan,zhanghua,jiabofdepartmentofmaterialscience,fudanuniversity,shanghai200433,china)abstract:anoveltechnolo

3、gyforzone?locationisproposedinthispaper,whichisverysuitableforopfic-fibermonitoringinlongdistanceandlargeareaapplication.thismethodadoptsopticalfibertosensecertainenvironmentvibration,obtainandreproducethevibrationsignalusingwhitelightinterferometry,andthenlocatethevibrationzonebymeansoffiber-optice

4、ncoding,i.e.thearrangementofsensingopticalfibers.experimentresearchtestifiesthatthismethodisabletomonitorthevibrationsignalandlocatetheintrusionzoneinrealtime.thistechnologycandecreasethecomplexityofopticalfiberlongdistancemonitoringsystemandreducethesystemcost.thereforethistechnologyishopefultobeap

5、pliedinlargeareaandlong-distancemultizoneintrusiondetectionsystems.keywords:whitelightinterferometry;opticalfiber;encoding;zone-location1引言隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展,社會(huì)財(cái)富的積累,安全防范技術(shù)的重要性越顯突出,尤其是重要的保密部門(mén),軍事要地,金融中心,機(jī)場(chǎng)等場(chǎng)所,存在對(duì)新型安防技術(shù)的迫切需求.但是傳統(tǒng)的基于電的安防設(shè)備,由于存在能源依賴(lài)性高,易腐蝕,易受干擾,信號(hào)傳輸距離有限,受季候等環(huán)境因素影響大的缺點(diǎn),難以滿(mǎn)足現(xiàn)代社會(huì)長(zhǎng)距離,大范圍監(jiān)控要求.近年來(lái),伴隨著光

6、電技術(shù),計(jì)算機(jī)技術(shù)和集成電路技術(shù)的發(fā)展,具有抗腐蝕,抗環(huán)境干擾,無(wú)電磁輻射,傳輸傳感合一,無(wú)中繼傳輸距離長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)川的光纖傳感技術(shù),在侵入檢測(cè)中得到了應(yīng)用【2.】.收稿日期:2009.09receiveddate:2009.09基金項(xiàng)目:科技部創(chuàng)新方法工作(2008im041200)資助項(xiàng)目2應(yīng)用背景復(fù)旦大學(xué)也提出一類(lèi)新型的基于光纖傳感技術(shù)的安防技術(shù):振動(dòng)光纜技術(shù)l4】.該技術(shù)的特點(diǎn)描述如下:用光纜埋設(shè)于地下,或者根據(jù)具體情況敷設(shè)在監(jiān)控區(qū)域周界的籬笆,圍欄,墻壁上,通過(guò)對(duì)各種進(jìn)入周界的侵入行為引起的振動(dòng),實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè).當(dāng)有人接近,踏過(guò)或穿越布設(shè)光纜的地域時(shí),即便是最輕微的動(dòng)作,也會(huì)對(duì)光纜中的光纖產(chǎn)生

7、擾動(dòng).對(duì)于直徑約10pm(0.01nun)的光纖芯和其中通過(guò)的波長(zhǎng)為m量級(jí)的光信號(hào)而言,這種擾動(dòng)必然導(dǎo)致光信號(hào)傳輸發(fā)生變化.通過(guò)光纜采集這種擾動(dòng)信號(hào),并經(jīng)由同一根光纜,傳輸至遠(yuǎn)端的系統(tǒng)主機(jī).再通過(guò)各種特殊的光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和相應(yīng)的檢測(cè)方法,對(duì)第4期唐璜等:光纖編碼技術(shù)任區(qū)域定位監(jiān)控中的應(yīng)用913環(huán)境擾動(dòng)作出分析,判斷威脅級(jí)別,并作出報(bào)警.在這類(lèi)長(zhǎng)距離,大范圍的監(jiān)控技術(shù)中,對(duì)特定擾動(dòng)行為進(jìn)行定位是必不可少的.最常見(jiàn)的方法是采用區(qū)域定位,即將監(jiān)控周界劃分為多個(gè)區(qū)域,當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到特定擾動(dòng),經(jīng)分析判別為威脅行為時(shí),還需對(duì)威脅行為定位于預(yù)先設(shè)置的特定防區(qū)中.在目前的光纖周界安防系統(tǒng)中,為實(shí)現(xiàn)區(qū)域的劃分和定位

8、,采用的方法是在每個(gè)區(qū)域使用一根感應(yīng)光纖來(lái)采集擾動(dòng)信號(hào),各區(qū)域之間的感應(yīng)光纖作物理分割,互不相連,因此,區(qū)域的感應(yīng)信號(hào)與感應(yīng)光纖一對(duì)應(yīng).隨著分區(qū)數(shù)的增加,感應(yīng)光纖的數(shù)量隨之增加,與之相關(guān)的傳輸光纜的數(shù)量亦會(huì)增加;同時(shí),這些互不相連的感應(yīng)光纜通常對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的信號(hào)調(diào)制光路,信號(hào)處理電路等,隨著分區(qū)數(shù)量的增加,整個(gè)安防系統(tǒng)會(huì)因此龐大起來(lái),系統(tǒng)成本也相應(yīng)增加.這就制約了技術(shù)在長(zhǎng)距離,需要多分區(qū)的場(chǎng)合中應(yīng)用.圖1即是一種基于光纖干涉技術(shù),使用振動(dòng)傳感光纖,實(shí)現(xiàn)三防區(qū)侵入監(jiān)控的方案示例.在該方案中,監(jiān)控區(qū)域周界分成3個(gè)區(qū),每個(gè)區(qū)分別對(duì)應(yīng)一根感應(yīng)光纜(光纖)(1a),(1b),(1c),每根光纜分別對(duì)應(yīng)著一

9、個(gè)干涉光路(由光纖無(wú)源器件構(gòu)成),反饋裝置(2a),(2b),(2c).顯然,隨著分區(qū)數(shù)的增加,相應(yīng)的防區(qū)控制系統(tǒng),干涉光路結(jié)構(gòu),反饋裝置等的數(shù)量會(huì)隨之增加,使得系統(tǒng)龐大復(fù)雜,布線(xiàn)繁雜,可靠性降低.2bb圖1傳統(tǒng)光纖周界安防的分區(qū)方案fig.1atypicalconfigurationofzonelocationintraditionalopticalfiberperimetersecuritysystem因此,為了解決大區(qū)域,長(zhǎng)周界的多防區(qū)的安防問(wèn)題,本文提出了利用光纖組成編碼,實(shí)現(xiàn)大區(qū)域定位監(jiān)控的技術(shù)方案.3理論分析本文提出的方法可以解決傳統(tǒng)光纖安防周界系統(tǒng)中因分區(qū)數(shù)量增加帶來(lái)的系統(tǒng)龐大的

10、問(wèn)題.其核心是以編碼方式,即用傳感光纖的編碼(排列組合),實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域的定位.該周界安防系統(tǒng)在不同的區(qū)域,使用不同的感應(yīng)(傳感)光纖集合;某區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的擾動(dòng)信號(hào)同時(shí)作用與該區(qū)域內(nèi)光纖組合中的所有光纖,即位于該區(qū)域的光纖組合中的各感應(yīng)光纖同時(shí)感應(yīng)同一的擾動(dòng)信號(hào),從而系統(tǒng)可以根據(jù)采集到擾動(dòng)的傳感光纖的集合米確定擾動(dòng)信號(hào)發(fā)生的區(qū)域,該集合與區(qū)域唯一對(duì)應(yīng).具體原理表述如下:假設(shè)n有根感應(yīng)(傳感)光纖,若在光纖周界上布設(shè)一個(gè)防護(hù)層,根據(jù)編碼原理,以每根光纖有擾動(dòng)信號(hào)時(shí)對(duì)應(yīng)1,沒(méi)有擾動(dòng)信號(hào)時(shí)對(duì)應(yīng)o,.r/根光纖進(jìn)行組合,形成的編碼數(shù)量p為:p=+,+c:=2考慮到全1和全0的情況分別對(duì)應(yīng)系統(tǒng)受到大的干擾和

11、處于正常工作狀況,不具有代表區(qū)域信息的功能,所以實(shí)際的分區(qū)數(shù)為:n=p一2=2一2根據(jù)上面的式子,4根光纖可構(gòu)成14個(gè)分區(qū),5根光纖可構(gòu)成30個(gè)分區(qū),6根光纖可構(gòu)成62路分區(qū),8根光纖構(gòu)成254個(gè)分區(qū).而8根光纖構(gòu)成的光纜非常普遍,8路探測(cè)信號(hào)同時(shí)處理也不存在任何困難.在實(shí)際應(yīng)用中,如果采用2層或2層以上的防護(hù)區(qū),還可以獲得遠(yuǎn)大于上而推導(dǎo)的最大分區(qū)數(shù).例如,當(dāng)在同一區(qū)域?qū)嵭?個(gè)防護(hù)層時(shí),在一層防護(hù)層某區(qū)域采用數(shù)量n(n_<n)的光纖進(jìn)行完全編碼,剩余的n:n根光纖在另一防護(hù)層相應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行新的排列組合,組合數(shù)jv可表示為:n-c+.?,該組合與個(gè)特定的編碼相對(duì)應(yīng),所以n根光纖形成的同一定

12、位區(qū)域兩防護(hù)層的鋪設(shè)方法,實(shí)際的分區(qū)數(shù)可表示為:,=c?c1l+cl+cn1+?2+cl2+_.+-._+c?c+c+二l一+1+c一這種編碼方法,可能出現(xiàn)某層的兩個(gè)區(qū)編碼與某區(qū)兩層編碼相同,兩個(gè)防護(hù)層的編碼互補(bǔ)等情況,如,對(duì)于3根光纖組成的系統(tǒng),某區(qū)域的第一層防護(hù)層是第1,3號(hào)光纖(編碼為101),而另一層是2號(hào)光纖(編碼為010),另一個(gè)區(qū)域的第一層防護(hù)層是第2號(hào)光纖(編碼為010),而另一層是l,3號(hào)光纖(編碼為101),這會(huì)帶來(lái)給實(shí)際使用帶來(lái)誤判.解決的方法:可以在某一層,或兩層各加一標(biāo)志光纖,如在第一層防護(hù)中加一根光纖,即可避免上述誤判的發(fā)生.據(jù)以上的方案,對(duì)于5根光纖組成的系統(tǒng),實(shí)

13、際的分區(qū)數(shù).=50:對(duì)于6根光纖組成的系統(tǒng),實(shí)際的分區(qū)數(shù)nl:180.如果采用3層防護(hù)分區(qū)的方法,根光纖對(duì)應(yīng)的分914儀器儀表第3l卷區(qū)數(shù)量會(huì)更多.同時(shí),對(duì)于安防系統(tǒng),通過(guò)防護(hù)層的引入,可以對(duì)一個(gè)入侵行為進(jìn)行方向上的判斷,即通過(guò)對(duì)防護(hù)層觸發(fā)次序的邏輯關(guān)系判斷,可以判斷出入侵行為的方向性:入境或離境,對(duì)保衛(wèi)人員的反映行為直接提供具體參考.同一區(qū)域可以采用2個(gè)或2個(gè)以上的多個(gè)防護(hù)層.在編碼定位方法中,感應(yīng)共同擾動(dòng)的光纖組合中的各光纖感應(yīng)信號(hào)到達(dá)信號(hào)探測(cè)端的路徑不是完全一致,但由于光速很快,宏觀(guān)上,可以認(rèn)為是同步的.例如,對(duì)于某兩根感應(yīng)光纖,決定感應(yīng)(觸發(fā))信號(hào)延遲時(shí)間的光纖長(zhǎng)度相差=10km(實(shí)際

14、中遠(yuǎn)小于這各量級(jí)),則對(duì)于同時(shí)刻的擾動(dòng),兩系統(tǒng)探測(cè)到的信號(hào)延遲為仁,c一50gs,其中,為光纖的有效折射率,c為光速,可見(jiàn),這個(gè)量級(jí)的信號(hào)延遲對(duì)于宏觀(guān)的擾動(dòng)幾乎是可以忽略的.這為判斷同時(shí)發(fā)生擾動(dòng)的光纖集合帶來(lái)了方便.系統(tǒng)的布設(shè)可以按下述方式進(jìn)行.以總線(xiàn)光纖數(shù)為,l為例,rt根光纖構(gòu)成一根光纜,該光纜末端與光路系統(tǒng)連接.在特定的分區(qū),以?xún)蓪臃雷o(hù)為例,根據(jù)編碼的需要,首先選定特定的光纖與一根敏感光纜連接,形成感應(yīng)光纜,該光纜完成一個(gè)特定區(qū)域的鋪設(shè).在剩余的光纜中,按照特定的編碼規(guī)律,選定光纖與另外一根敏感光纜連接,形成該區(qū)域的另一防護(hù)層感應(yīng)光纜.兩感應(yīng)光纜按照地域特點(diǎn)完成鋪設(shè),一旦入侵行為發(fā)生,在

15、時(shí)問(wèn)上先后有不同的防護(hù)層感應(yīng)到擾動(dòng),對(duì)應(yīng)不同的編碼,完成定位和方向辨別功能.4實(shí)驗(yàn)圖2(a)是系統(tǒng)的布線(xiàn)圖.周界有1個(gè)防護(hù)層,分成6個(gè)區(qū),使用3根傳感光纖進(jìn)行編碼組合,實(shí)現(xiàn)6個(gè)分區(qū).(a1,(b1,(c)分別是3根傳感光纖,(3)是敏感光纜,(2a),(2b),(2c)是各子系統(tǒng)的光反饋裝置.圖2(b)y0出了各分區(qū)對(duì)應(yīng)的感應(yīng)光纖以及相應(yīng)的編碼.編碼中1表示檢測(cè)到擾動(dòng)信號(hào).在本實(shí)施例中,光纖周界安防系統(tǒng)采用的是單芯反饋式白光干涉系統(tǒng)】,并采用了相關(guān)的信號(hào)解調(diào)技術(shù)【8】來(lái)拾取外界擾動(dòng)信號(hào).如圖2(a)所示,周界分成了6個(gè)區(qū),使用了3個(gè)干涉子系統(tǒng),構(gòu)成一個(gè)防護(hù)層光路系統(tǒng).每個(gè)區(qū)的感應(yīng)光纜(3)分別

16、于特定的子系統(tǒng)的敏感端相連,即不同的區(qū)使用了不同的感應(yīng)光纖組合,每個(gè)區(qū)相應(yīng)的編碼如圖2(b)所示.系統(tǒng)中所用的光源為電子集團(tuán)總公司44研究所生產(chǎn)的so3一b型超輻射發(fā)光管(sld)型穩(wěn)定光源.光纖耦合器為武漢郵電研究院生產(chǎn)的單模光纖耦合器.光電轉(zhuǎn)換用的光電探測(cè)器為4j4所生產(chǎn)的型號(hào)為gt322c500的ingaas光電探測(cè)器.所用的光纖為美國(guó)康寧生產(chǎn)的g652型單模光纖.起感應(yīng)作用的光纜(3)為長(zhǎng)飛生產(chǎn).光反饋裝置(2a),(2b),(2c)為法拉第旋轉(zhuǎn)鏡.所采用的相位調(diào)制器是將光纖繞在壓電陶瓷上制作而成.區(qū)域感應(yīng)光纖組合觸發(fā)編碼(c,b,a)i(a)ooliioa)010iii(c)l0o(

17、ab)0l1v(a,c)101(b,c)llo2c2b注:1表不檢測(cè)劍擾動(dòng)信號(hào).(b)圖2采用編碼定位實(shí)現(xiàn)分區(qū)的光纖周界安防系統(tǒng)fig.2zonelocationbymeansofencodinginopticalfiberperimetersecuritysystem在本實(shí)施例中,系統(tǒng)處理軟件實(shí)時(shí)檢測(cè)每個(gè)感應(yīng)光纖采集的信號(hào),判斷產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)的感應(yīng)(傳感)光纖集合,依此定位擾動(dòng)發(fā)生的區(qū)域.圖3即為實(shí)際檢測(cè)信號(hào)示例.信號(hào)1,2,3分別對(duì)應(yīng)圖2中a,b,c三根光纖產(chǎn)生的擾動(dòng)信號(hào).例如,當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)如圖3(a)所示,感應(yīng)光纖b,c同時(shí)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào),而a未產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào),即編碼為110,則可以斷定入侵發(fā)

18、生在區(qū)域.又如,當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)如圖3(b)所示,只有感應(yīng)光纖c產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào),而a,b未產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào),即編碼為100,則可以斷定入侵發(fā)生在區(qū)域iii.信號(hào)1l蠢一一4【l7垂l71819時(shí)問(wèn),sl8l9時(shí)間,s18l9時(shí)闖,sfa)第4期唐璜等:光纖編碼技術(shù)在區(qū)域定位監(jiān)控中的應(yīng)用9154之20馨一24乏馨之翟信號(hào)1i27時(shí)間,s1亓一時(shí)間,s信號(hào)3一l.一fl時(shí)間,sfb)圖3實(shí)際檢測(cè)信號(hào)示例fig.3examplesofthedetectedsignals5結(jié)論綜上所述,這種基于光纖編碼的區(qū)域定位技術(shù),顯著改善了光纖周界安防系統(tǒng)中,伴隨區(qū)域擴(kuò)大,長(zhǎng)度增加,分區(qū)數(shù)量增加,帶來(lái)的系統(tǒng)構(gòu)成龐大的問(wèn)題,

19、實(shí)用性強(qiáng),特別有利于在大范圍,長(zhǎng)距離的周界安防中使用.采用這種編碼定位方案的光纖周界安防系統(tǒng),可以是各種將光纖作為敏感元件來(lái)感應(yīng)擾動(dòng)信號(hào)的光纖傳感系統(tǒng),傳感方式可以是:光強(qiáng)度調(diào)制,相位調(diào)制,頻率調(diào)制,偏振調(diào)制或波長(zhǎng)調(diào)制等.參考文獻(xiàn)【1】廖延彪.光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用【m】.北京:清華大學(xué)出版社.2009.liaoyb.applicationoffiberopticsensortechnologylm.beijing:tsinghhaunversitypress,2009.2孟克.光纖干涉測(cè)量技術(shù).哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2008.mengk.opticfiberinterferencemea

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