光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、編號(hào) 20130913144 光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究the design and study of fiber-0ptic fence alarm system學(xué) 生 姓 名王偉濤專 業(yè)光電子技術(shù)科學(xué)學(xué) 號(hào)0913144指 導(dǎo) 教 師徐曉峰分 院光電科學(xué)分院2013 年年 6 月月小三號(hào)黑體字長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)摘摘 要要 在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的信息時(shí)代，光電技術(shù)、信息技術(shù)和集成電路技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的作用越來(lái)越顯著。而在光電技術(shù)領(lǐng)域，光纖通信和光纖傳感技術(shù)作為新的激光應(yīng)用技術(shù)，已經(jīng)成為工程應(yīng)用和研究的熱點(diǎn)。 本文圍繞光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)，采用了一些應(yīng)用于光纖圍

2、欄報(bào)警系統(tǒng)方面的理論技術(shù)和算法，對(duì)整個(gè)光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)做了可行性的分析，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方案，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方面的測(cè)試。具體可以分為以下幾個(gè)方面: 在光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)采用的技術(shù)理論方面，本文采用馬赫一曾德耳光纖干涉技術(shù)，提高系統(tǒng)的定位精度和降低系統(tǒng)的誤報(bào)率。 在光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方面，本文分析了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理，以及系統(tǒng)配置，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，定位模塊，數(shù)據(jù)分析等方面的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)一步的提出光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)的具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案。 在光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面，本文根據(jù)提出的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，搭建了模擬測(cè)試的光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)。 最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)的報(bào)警準(zhǔn)確率能夠

3、滿足一般行業(yè)安防的需要。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞: 光纖圍欄 馬赫一曾德干涉長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)abstract with the rapid development of science and technology in the information age,opto-electronics technology, information technology and integrated circuit technologyplay a more and more significant role in all areas. as a new application of laser

4、technology in the field of opto-electronics technology, fiber-optic communications and optical fiber sensing technology have become the hotspot of engineering applications and research. in this dissertation, one fiber-optic fence alarm system has been designed, and some theorys of technology and alg

5、orithms of fiber-optic fence alarm system has been used. then the feasibility analysis of the structure of the entire system and the program of experimental verification are made. and at last the experimental tests have been carried out. the dissertation can be divided into the follow aspects:in the

6、 aspect of technology and theory of the fiber-optic fence alarm system,mach-zehnder interference and reduce false rate of the system.are used to improve the in the aspect of overall fiber-optic fence alarm system design, the basic design principles of system, system configuration, system architectur

7、e, positioning module,data analysis and so on,have been analysed in this dissertation. then the experimental design and experimental validation program of the fiber-optic fence alarm system have been brought forward. in the aspect of experimental certification of the fiber-optic fence alarm system,a

8、 simulation test of alarm system is set up in the base of experimental design program,which have been put forward in the former dissertation. and at last, with the experimental test, alarm accuracy of the fiber-optic fence alarm alarm system can satisfy the requirment of safety warnings in general i

9、ndustry. keywords: fiber-optic fence mach-zehnder interference長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)i目目 錄錄緒緒 論論 .1 1第一章第一章 光纖傳感器的發(fā)展光纖傳感器的發(fā)展 .2 21.11.1 光纖傳感器光纖傳感器.2 21.21.2 分布式光纖傳感技術(shù)分布式光纖傳感技術(shù).4 41.31.3 光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)及其研究現(xiàn)狀光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)及其研究現(xiàn)狀.5 51.41.4 本文的意義及其主要研究?jī)?nèi)容本文的意義及其主要研究?jī)?nèi)容.5 5第二章第二章 傳感器原理以及相關(guān)技術(shù)傳感器原理以及相關(guān)技術(shù) .6 62.12.1 光纖傳感器基本原理光纖

10、傳感器基本原理.6 62.22.2 分布式光纖傳感器基本原理分布式光纖傳感器基本原理.8 82.2.12.2.1 分布式光纖傳感器類型分布式光纖傳感器類型 .8 82.2.22.2.2 系統(tǒng)接收光功率系統(tǒng)接收光功率.9 92.32.3 光纖圍欄可行性技術(shù)分析光纖圍欄可行性技術(shù)分析.9 92.42.4 本章小結(jié)本章小結(jié).1212第三章第三章 基于分布式光纖傳感器的光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)基于分布式光纖傳感器的光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng) .13133.13.1 基本原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì).13133.23.2 本章小結(jié)本章小結(jié).1515第四章第四章 模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) .16164.14.1 模型的

11、建立模型的建立.16164.24.2 報(bào)警系統(tǒng)解決方案的設(shè)計(jì)報(bào)警系統(tǒng)解決方案的設(shè)計(jì).17174.34.3 本章小結(jié)本章小結(jié).1919結(jié)結(jié) 論論 .2020參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) .2121致致 謝謝 .2222長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)1 緒緒 論論 光通信是利用光波作為載波信息的。廣義地說(shuō)，用光傳遞信息并不是什么新鮮的事。早在公元兩千多年以前，我們的祖先就在都城和邊境堆起一些高高的土丘，遇到敵人入侵，就在這些土丘燃起煙火傳遞入侵的信息，各地諸侯看見(jiàn)煙火就立刻領(lǐng)兵來(lái)援救。這種土丘就叫烽火臺(tái)，它就是一種古老的通信設(shè)備。 由于人們無(wú)法解決光向四面八方散射時(shí)，光強(qiáng)減弱和不能通過(guò)障礙的問(wèn)題，因此，直到

12、 20 世紀(jì) 60 年代初，光通信都沒(méi)有什么重大的發(fā)展。它僅僅作為一種信號(hào)燈使用，如馬路上的紅綠燈，機(jī)場(chǎng)上的跑道標(biāo)志燈和航標(biāo)燈等等。 但是到了 20 世紀(jì) 60 年代中期，情況就發(fā)生了根本的變化。1966 年，英籍華人高餛發(fā)表了關(guān)于通信傳輸新介質(zhì)的論文，當(dāng)時(shí)他還是在英國(guó) harlowitt 實(shí)驗(yàn)室工作的年輕工程師，他指出了利用光導(dǎo)纖維進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，從而奠定了光纖通信的基礎(chǔ)。 。 現(xiàn)已安裝使用的光纖通信系統(tǒng)，光纖長(zhǎng)度有的很短，只有幾米長(zhǎng)，有的又很長(zhǎng)，如連接洲與洲之間的海底光纜。20 世紀(jì) 70 年代中期以來(lái)，光纖通信的發(fā)展速度之快令人震驚，可以說(shuō)沒(méi)有任何一種通信方式可以與之相媲

13、美。光纖通信已成為通信系統(tǒng)的最佳技術(shù)選擇。 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)2第一章第一章 光纖傳感器的發(fā)展光纖傳感器的發(fā)展1.1 光纖傳感器光纖傳感器1.光纖傳感器的介紹光纖傳感器的介紹 從本質(zhì)上認(rèn)為光纖傳感器是一種器件。光纖中光波導(dǎo)在外界生物量、物理量、化學(xué)量、生物醫(yī)學(xué)量或其它類似因素的影響下，它的特性會(huì)發(fā)生改變。具體的描述，就是將光學(xué)性質(zhì)保持不變的一光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)某種固定禍合的方法入射到光纖里面，然后進(jìn)入調(diào)制區(qū)，最后從不同或同一光纖的光纖返回。調(diào)制區(qū)可以由其它介質(zhì)組成，也可以由光纖本身組成。前者稱為傳光型傳感器，后者稱為傳感型傳感器。 現(xiàn)在的光纖傳感器品種非常的多，能用光信號(hào)中調(diào)制的參

14、數(shù)也頗多，包括多普勒頻移、相位、偏振態(tài)、顏色、副載頻調(diào)制(如脈寬或調(diào)頻)或強(qiáng)度。2.光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類 根據(jù)光纖在整個(gè)傳感器中的功能，光纖傳感器一般可分為功能和非功能型光纖傳感器兩大類。 另外，按光纖中被調(diào)制的特征參量的不同光纖傳感器可分為以下幾種類型1.1)強(qiáng)度調(diào)制型:這種光纖傳感器用輸出光強(qiáng)度的變化來(lái)代表被測(cè)物理量。其優(yōu)點(diǎn)是被測(cè)對(duì)象廣泛，傳感頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。又由十光纖中的光強(qiáng)易受光纖彎曲、振動(dòng)等的影響，所以其抗干擾能力較差。2)相位調(diào)制型:這種光纖傳感器采用光纖中的光波的相位的變化來(lái)表示被測(cè)物理量。由于光纖中的光波相位對(duì)環(huán)境非常的敏感，這類光纖傳感器具有非常高的靈敏度，但同時(shí)存在

15、交叉敏感等缺點(diǎn)，易受多種環(huán)境因素的干擾。3)偏振態(tài)調(diào)制型:這種光纖傳感器采用光纖中光波偏振態(tài)的變化來(lái)表示被測(cè)物理量，利用檢偏器進(jìn)行解調(diào)。這種光纖傳感器的缺點(diǎn)是光波偏振態(tài)易受溫度、振動(dòng)等因素的影響，需采用補(bǔ)償措施。4)波長(zhǎng)調(diào)制型:這種光纖傳感器一般利用傳感頭的選頻特性來(lái)調(diào)制出射光的波長(zhǎng)，采用寬帶光源，得到被測(cè)物理量的大小，大多數(shù)需采用頻譜儀來(lái)解調(diào)。由于光的波長(zhǎng)很穩(wěn)定，因此這種光纖傳感器可靠性非常高，抗干擾能力比較強(qiáng)。其缺點(diǎn)是占用信道寬，并且解調(diào)和傳感頭的成本比較高。5)頻率調(diào)制型:大多數(shù)是指利用 doppler 效應(yīng)2的光纖傳感器，也包含某些非線性ker:效應(yīng)3，如 ramann 散射等，采用相

16、干解調(diào)，主要應(yīng)用預(yù)于速度、溫度和位移等的測(cè)量。 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)33.光纖傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀光纖傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀 光纖傳感器擁有良好的機(jī)械、化學(xué)、物理以及傳輸性能，使得光纖傳感器具備一系列傳統(tǒng)傳感器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。所以光纖傳感器一出現(xiàn)，就受到世界各國(guó)研究機(jī)構(gòu)和學(xué)術(shù)界的高度重視，具有很強(qiáng)的生命力和廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。光纖傳感器的應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:1)城市建設(shè)中大壩、橋梁、油田等的干涉陀螺儀4和光柵壓力傳感器的應(yīng)用。它可預(yù)埋在碳纖維增強(qiáng)塑料、混凝土以及各種復(fù)合材料中，用于測(cè)試施工應(yīng)力、應(yīng)力松弛和動(dòng)荷載應(yīng)力從而來(lái)評(píng)估施工階段、橋梁短期和長(zhǎng)期營(yíng)運(yùn)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)性育旨。2)在電力系統(tǒng)

17、方面，需要測(cè)定電流、溫度等參數(shù)，譬如對(duì)大型電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子和高壓變壓器內(nèi)的溫度探測(cè)等。電類傳感器易受強(qiáng)電磁場(chǎng)的干擾，無(wú)法在這些場(chǎng)合中使用，所以只能用光纖傳感器。分布式光纖溫度傳感器是最近幾年發(fā)展起來(lái)的一種應(yīng)用十實(shí)時(shí)測(cè)探測(cè)空間溫度場(chǎng)分布的高新技術(shù)。分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)不僅具有普通光纖傳感器的具備的優(yōu)點(diǎn)，還具有對(duì)光纖沿線各點(diǎn)的溫度的分布式傳感能力，由于它的這種特點(diǎn)我們可以實(shí)現(xiàn)精度可達(dá)米的量級(jí)的實(shí)時(shí)定位。3)在石油化工系統(tǒng)方面，大型電廠、礦井等，需要檢測(cè)碳?xì)浠衔?、氧氣等氣體的濃度，采用電類傳感器往往達(dá)不到精度要求，更嚴(yán)重的是電類傳感器可能會(huì)引起安全事故。所以研制高性能的光纖氣敏傳感器，可以安全有

18、效地解決上述問(wèn)題。4)在食品安全測(cè)、檢環(huán)境監(jiān)測(cè)、臨床醫(yī)學(xué)檢測(cè)等方面，由于其環(huán)境復(fù)雜，影響因素非常多，而使用其它傳感器往往達(dá)不到所需要的精度，而且易受外界因素的影響，采用光纖傳感器可以具有較高的精度和很強(qiáng)的抗干擾能力，可實(shí)現(xiàn)對(duì)上述各領(lǐng)域的生物的準(zhǔn)確、快速、方便地檢測(cè)。目前，我國(guó)水源的污染情況非常嚴(yán)重，臨床檢驗(yàn)、食品安全的檢測(cè)手段相對(duì)比較落后，所以光纖傳感器在這些領(lǐng)域具有非常好的市場(chǎng)潛力。5)醫(yī)學(xué)及生物傳感器。醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用的光纖輻射劑量計(jì)及其它的化學(xué)污染物光纖表面細(xì)胞質(zhì)粒基因組共振生物傳感器等等;生物適應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)用于生化技術(shù)、醫(yī)藥、海水監(jiān)測(cè)。 光纖傳感器在實(shí)踐中應(yīng)用到的例子不勝枚舉，這些技術(shù)很多都是

19、多學(xué)科的綜合和交叉，涵蓋的知識(shí)面非常廣，如火花塞、光纖陀螺光纖傳感器，光纖傳感復(fù)合材料，光纖傳感器對(duì)植物葉綠素的研究等等。由于科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來(lái)越多的光纖傳感器將出現(xiàn)，它們將被應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)生活的每一個(gè)角落。因此研究基于光纖傳感器的光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)也具有非常重要的應(yīng)用前景。4.光纖傳感器的技術(shù)發(fā)展方向光纖傳感器的技術(shù)發(fā)展方向 光纖傳感技術(shù)經(jīng)過(guò)將近 20 年的發(fā)展已獲得很大的進(jìn)步，出現(xiàn)了非常多的實(shí)用性的產(chǎn)品，然而光纖傳感技術(shù)的這種現(xiàn)狀仍然在很大程度上不能滿足實(shí)際需要。目前，長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)4光纖傳感器技術(shù)發(fā)展的主要方向是:1)傳感器實(shí)用化方面的研究，即一種光纖傳感器不僅只針

20、對(duì)一種物理量，而應(yīng)該能夠?qū)Χ喾N物理量進(jìn)行同時(shí)測(cè)量。2)提高分布式傳感器的空間靈敏度、分辨率，降低其成本，設(shè)計(jì)較復(fù)雜的傳感器網(wǎng)絡(luò)工程。注意到分布式傳感器的參數(shù)，即溫度、壓力，特別是化學(xué)參數(shù)(一些污染物、碳?xì)浠衔?、ph 值、濕度等)對(duì)光纖的干擾。3)傳感器使用特殊光纖材料和器件的研究，譬如增敏和去敏光纖、電極化光纖、熒光光纖的研究等。這些將都將是以后傳感器進(jìn)一步發(fā)展的必然的趨勢(shì)。4)在惡劣條件下(化學(xué)腐蝕、高溫、高壓)低成本傳感器(支架、連接、安裝)的研發(fā)。5)新傳感機(jī)理的研究，研發(fā)新型光纖傳感器。1.2 分布式光纖傳感技術(shù)分布式光纖傳感技術(shù) 分布式光纖傳感器技術(shù)(dofs) 5由于其可對(duì)被測(cè)量

21、的測(cè)量場(chǎng)的連續(xù)空間進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量的特點(diǎn)而變成光纖傳感技術(shù)中非常引人注目的一項(xiàng)新興技術(shù)。主要分為以下兩類: 第一類為準(zhǔn)分布式光纖傳感器，也即是由 n 個(gè)放置在空間預(yù)知位置上的分立的光學(xué)傳感器共享一個(gè)或幾個(gè)(nn)信息傳輸通道所組成的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)6它的優(yōu)點(diǎn)在于可以同時(shí)或分時(shí)測(cè)量預(yù)知位置上被測(cè)量的空間分布情況，也可同時(shí)探測(cè)到某一或某些空間點(diǎn)上不同被測(cè)量的分布信息。它的缺點(diǎn)在十只能測(cè)量預(yù)知離散空間位置上的傳感信息，并且在大多數(shù)情況下其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本非常高。 第二類是全分布式光纖傳感器，也即是利用一根傳感光纖作為傳輸?shù)拿舾性饫w傳感器上的任意一部分既是敏感單元，又是其它敏感單兀信息的傳輸通道，所

22、以可獲得被測(cè)量沿此時(shí)間變化和光纖空間的分布信息。 從分布式光纖傳感器的本身特點(diǎn)來(lái)看，分布式光纖傳感器有著很多其它傳感器無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，分布式光纖傳感器在安防監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。而光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)正是基于分布式光纖傳感器上研制的一種周界防范報(bào)警系統(tǒng)。 光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)的安防技術(shù)，即采用分布式光纖傳感器作為傳感的器件，通過(guò)對(duì)直接觸及布式光纖傳感器或通過(guò)承載物，如覆土、鐵絲網(wǎng)、圍欄等，傳遞給光纖(纜)的各種擾動(dòng)，進(jìn)行持續(xù)和實(shí)時(shí)的監(jiān)控，采集擾動(dòng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)后端分析處理和智能識(shí)別，判斷出不同的外部干擾類型，如攀爬鐵絲網(wǎng)、按壓圍墻、禁行區(qū)域的奔跑或行走，以及可能威脅周界建筑物的機(jī)械施工等，實(shí)現(xiàn)系

23、統(tǒng)預(yù)警或?qū)崟r(shí)告警，從而達(dá)到對(duì)侵入設(shè)防區(qū)域周界的威脅行為進(jìn)行預(yù)警監(jiān)測(cè)的目的。其中光纖既作為傳感的介質(zhì)，又作為傳輸介質(zhì)。光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)可以在傳感光纖布設(shè)長(zhǎng)度內(nèi)，對(duì)一定準(zhǔn)確度范圍內(nèi)長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)5的突發(fā)事件進(jìn)行遠(yuǎn)程和實(shí)時(shí)的監(jiān)控。因此，在光纜監(jiān)控、光纖圍欄監(jiān)控、管道監(jiān)控等方面都有著廣闊的應(yīng)用前景。1.3 光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)及其研究現(xiàn)狀光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)及其研究現(xiàn)狀1.國(guó)外主要技術(shù)途徑7 目前，在靈敏度較高的干涉型傳感器中，國(guó)外研究較多的是基于 sagac 干涉8的光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)。另外，還有一些將兩種干涉儀結(jié)合在一起的結(jié)構(gòu)，如 sagnac 和mach-zehnder, sagnac

24、和 michelson。基于 sagnac 干涉的光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是定位精度很高，已有論文報(bào)道在 5 公里的光纖環(huán)中，實(shí)現(xiàn)了 0.9m 的定位精度。2.國(guó)內(nèi)主要技術(shù)途徑 在國(guó)內(nèi)，進(jìn)行圍欄報(bào)警系統(tǒng)研制的單位主要是華中科技大學(xué)和南開(kāi)大學(xué)，他們采用的干涉儀主要是 mach-zehnde:干涉儀。華中科技大學(xué)孫琪真報(bào)道的光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)采用 3x3 的光禍合器進(jìn)行無(wú)源零差解調(diào)，用高速 dsp 器件進(jìn)行信號(hào)分析，在 6.8 公里的長(zhǎng)度上實(shí)現(xiàn)了小于 100 米的定位精度，并能實(shí)時(shí)觀察擾動(dòng)信號(hào)的幅度和頻率。1.4 本文的意義及其主要研究?jī)?nèi)容本文的意義及其主要研究?jī)?nèi)容 目前國(guó)內(nèi)外光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)方面存在的

25、問(wèn)題是報(bào)警光纖的傳感距離比較近，而對(duì)光纖環(huán)位點(diǎn)的干擾檢測(cè)比較困難，定位精度比較低。本文研究的是超過(guò)超長(zhǎng)距離光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)。在精度方面，控制在 10m 左右。1.本文應(yīng)用方面的意義: 本文研究的是一種能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)侵入9檢測(cè)的光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)，應(yīng)用于各種閉合區(qū)域的入侵檢測(cè)。若有行人、車輛等通過(guò)該閉合區(qū)域時(shí)，該系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并準(zhǔn)確定位，判斷類型，便于及早處理。對(duì)那些非人為因素(如大風(fēng)、大雨等)產(chǎn)生的干擾通過(guò)軟件進(jìn)行濾除，避免誤報(bào)警。2.本文的主要研究?jī)?nèi)容:1)光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì):(1)光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)基本原理;(2)光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。2)光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案: 根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方

26、案，硬件方面采用中央控制計(jì)算機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、mach-zehnder 干涉儀、耦合器、單模光纖和圍欄等搭建了模擬測(cè)試的光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)。 在測(cè)試定位精度方面，我們通過(guò)預(yù)先測(cè)量好擾動(dòng)的位置來(lái)比照實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的擾動(dòng)位置，測(cè)試報(bào)警系統(tǒng)的定位精度。 在測(cè)試報(bào)警類型方面，我們預(yù)先通過(guò)報(bào)警系統(tǒng)采集好各種類型事物所產(chǎn)生的波形，長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)6建立數(shù)據(jù)庫(kù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試類型時(shí)，我們通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)采集的信號(hào)與信號(hào)庫(kù)里的信號(hào)進(jìn)行比較，判斷擾動(dòng)類型。第二章第二章 傳感器原理以及相關(guān)技術(shù)傳感器原理以及相關(guān)技術(shù) 光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)采用分布式光纖傳感器作為傳感元件，利用 mach-zehnder 干涉儀實(shí)現(xiàn)干涉，

27、本部分主要對(duì)傳感器原理及干涉技術(shù)作了分析，對(duì)系統(tǒng)的研究提供理論的基礎(chǔ)。2.1 光纖傳感器基本原理光纖傳感器基本原理 光纖是由兩種折射率不同的芯和包層組成的，包層的折射率小于芯。當(dāng)端面入射角小于它的界面的臨界全反射角的光線射入，就形成全反射。光纖的傳輸模式分為單模式和多模式兩種。單模式光纖芯非常的細(xì)，與波長(zhǎng)差不多或幾倍于波長(zhǎng)(光波長(zhǎng)為 0. 8 um -1. 6 um )，其外包層直徑約為芯直徑的 10 倍以上;多模式光纖的纖芯則相對(duì)較粗，直徑約為 5 um -75 um，包層外徑約為纖芯直徑的兩倍，大概為 10 um150 um。多模式光纖可做成階躍式和梯度式兩種，而單模式光纖只能為階躍式折射

28、分布。梯度式即漸變式折射率分布，中心最大，逐漸減小到與包層相同。 單模光纖由于纖芯直徑接近波長(zhǎng)，所以光傳輸單一，可能只有一種模式。當(dāng)光纖的纖芯直徑較大時(shí)，則有多種沿不同的途徑，以不同速率傳輸?shù)哪Ｊ?，所以有多種不同的模式傳輸?shù)墒煌倚蔚耐緩介L(zhǎng)度不一樣，因而到達(dá)接收的時(shí)延幾乎相等。光纖的主要有損耗與色散兩方面的特點(diǎn)，這對(duì)光纖通訊是必須解決的問(wèn)題。1.干涉型傳感原理干涉型傳感原理 近 20 年來(lái)光纖傳感器發(fā)展非常的快，對(duì)應(yīng)力應(yīng)變型，主要研究領(lǐng)域?yàn)槠窈透缮鎯深悅鞲衅?。其中高折射率偏振型光纖和 fabry-perot 11干涉光纖應(yīng)用較多。干涉型光纖傳感器的原理，用兩鏡面的相干光強(qiáng)描述： 兩鏡面

29、可為空氣(外 f-p 型)12或玻璃(內(nèi) f-p 型)型兩個(gè)反射面，如圖 2-1 所示。l=lo+l 為 a ，b 間的距離，包含了因外部擾動(dòng)而引起的變形，ne 為光纖的有效折射率，隨光纖的偏振方而異，cos 函數(shù)則表示兩者的相位差，o 為光波在真空中的波長(zhǎng)。長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)7圖 2-1 光在光纖中傳播 對(duì)于埋入各向異性材料(復(fù)合材料)中的光纖，光纖內(nèi)的內(nèi)力場(chǎng)和變形場(chǎng)與包裹它的材料的內(nèi)力場(chǎng)和變形場(chǎng)，在研究中經(jīng)常假設(shè):1)小變形，服從線彈性理論;2)光纖中的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)是均勻的，目一為常數(shù)。而對(duì)包裹光纖的材料，在光纖方向?yàn)槌?shù)，在垂直光纖方向不再是常數(shù);3)在包裹材料與光纖的界面上

30、位移保持連續(xù)，包裹材料和光纖的溫度相同;界面相互作用力保持平衡。 由上述假設(shè)很容易建立光纖和包裹材料的力學(xué)方程，以及由假設(shè) 2 建立求解的邊界條件，最終得到兩者的應(yīng)力和應(yīng)變場(chǎng)。2 相位調(diào)制傳感原理相位調(diào)制傳感原理 相位調(diào)制就是利用外界因素變化所引起光纖中光波的相位變化，來(lái)測(cè)量外界物理量。通常還要利用光干涉技術(shù)。模式調(diào)制型和偏振型光纖傳感的原理，則是基于光纖所傳出的兩個(gè)以上模式的相速度是不同的，這種相位差是光纖本身特性和外界擾動(dòng)的函數(shù)。對(duì)于偏振型則是在輸出端用偏振鏡采集因外界擾動(dòng)引起光纖偏振態(tài)(偏振面旋轉(zhuǎn))的變化，這是采用光在介質(zhì)中傳播的旋光效應(yīng).圖 2-2 多模光纖模式功率調(diào)制傳感原理長(zhǎng)春理工

31、大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)83.模式功率調(diào)制傳感原理模式功率調(diào)制傳感原理 這是最近發(fā)展的一種傳感機(jī)理，其原理如圖 2-2 所示。雖然給出實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，但尚無(wú)理論分析。由于理論分析復(fù)雜，在此不再贅述。2.2 分布式光纖傳感器基本原理分布式光纖傳感器基本原理2.2.1 分布式光纖傳感器類型分布式光纖傳感器類型 當(dāng)分布式光纖傳感的概念被提出來(lái)以后，以其可以預(yù)測(cè)的許多優(yōu)點(diǎn)而備受大家關(guān)注，一度成為研究的熱點(diǎn)，經(jīng)過(guò)幾十年的飛速發(fā)展，我們今天的分布式光纖傳感器主要可分為以下幾類:1.基于瑞麗后向散射的光纖傳感器基于瑞麗后向散射的光纖傳感器 在單模光纖中，當(dāng)使用偏振光時(shí)域反射儀時(shí)，瑞麗回后向散射光的偏振狀態(tài)以時(shí)

32、間為函數(shù)被檢測(cè)到，單模光纖的雙折射參數(shù)對(duì)諸如壓力、磁場(chǎng)、應(yīng)力、電場(chǎng)等被測(cè)量很敏感。接著，后向散射光的偏振狀態(tài)沿著光纖軸向而改變。所以可以通過(guò)相應(yīng)的法拉第旋光效應(yīng)和克爾效應(yīng)監(jiān)測(cè)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的變化。后向散射光的后向散射系數(shù)與強(qiáng)度呈比例，而后向散射系數(shù)一般只隨溫度變化。在固體光纖里溫度影響很弱，而在液體中，瑞麗散射與反射系數(shù)對(duì)溫度的依賴關(guān)系卻非常的明顯。 。2.基于布里淵效應(yīng)國(guó)的傳感器基于布里淵效應(yīng)國(guó)的傳感器 基于布里淵效應(yīng)的光時(shí)域反射儀是 otdr 探測(cè)技術(shù)和布里淵散射相結(jié)合構(gòu)成的分布式光纖傳感器。其原理如圖 2-3 所示，處于光纖兩端的可調(diào)諧激光器分別將一連續(xù)光與一脈沖光(分別作為探測(cè)和泵浦光)注

33、人傳感光纖，當(dāng)泵浦光與探測(cè)光的頻率差與光纖中某區(qū)域的布里淵頻移相等時(shí)，就會(huì)在該區(qū)產(chǎn)生布里淵放大效應(yīng)，兩光束之間發(fā)生能量的轉(zhuǎn)移。由于布里淵應(yīng)變與頻移，它們的溫度存在線性關(guān)系。所以對(duì)兩激光器的頻率連續(xù)進(jìn)行調(diào)節(jié)的同時(shí)，通過(guò)檢測(cè)從光纖一端射出的連續(xù)光的功率，就可以獲得光纖各小段區(qū)域上能量轉(zhuǎn)移達(dá)到最大時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率差。圖 2-3 基于布里淵散射效應(yīng)的傳感器長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)92.2.2 系統(tǒng)接收光功率系統(tǒng)接收光功率 一般的分布式光纖傳感器系統(tǒng)模型:連接檢測(cè)器和激光源長(zhǎng)為 l 的兩段傳感光纖。這兩段光纖可以為兩根不同光纖，也可以為同一根光纖或一根光纖中的兩纖芯，傳感光纖處在測(cè)量場(chǎng) m (l)

34、中。 考慮從激光源出發(fā)距離在 l + dl 和 l 之間的光纖單兀 dl，脈寬為 t 和入纖能量為eo 的光脈沖以速度為 c;在通道中傳輸，當(dāng)經(jīng)過(guò)光纖單元 dl 時(shí)，其能量發(fā)生以下三種變化:1.一部分能量（a, di)被耦合到通道，然后以速度 c 到達(dá)檢測(cè)端;2 一部分能量（a, di)被光纖吸收或被散射出光纖外;3 能量的變化(衰減和禍合)由測(cè)量場(chǎng) m (l)決定。 我們由理論公式推導(dǎo)可知，接收光功率與傳感光纖長(zhǎng)度、光散射棲合系數(shù)(ac)導(dǎo)入纖激勵(lì)光能量和光纖衰減系數(shù)有關(guān)，因此要提高接收光功率應(yīng)從提高入纖光能量、光散射系數(shù)和與減少光衰減這三方面考慮。2.3 光纖圍欄可行性技術(shù)分析光纖圍欄可行

35、性技術(shù)分析1. sagnac 光纖干涉技術(shù)光纖干涉技術(shù) sagnac 光纖干涉技術(shù)的基本原理是利用同一光纖環(huán)中沿相反方向前進(jìn)的兩光波，在外界因素影響下產(chǎn)生不同的相移，通過(guò)干涉效應(yīng)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。如圖 2-4 所示其基本結(jié)構(gòu)是將耦合器的輸出端相連接，形成光回路。圖 2-4 sagnac 光纖干涉技術(shù)從光源發(fā)出的光，如圖 4，經(jīng)耦合器分為兩路，它們分別沿順時(shí)針和逆時(shí)針的方向在傳感光纖中傳播。當(dāng)傳感光纖的某處發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，這就會(huì)導(dǎo)致兩束傳輸光波相位發(fā)生變化進(jìn)而兩束光相位發(fā)生改變，兩束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。我們利用這一原理可實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行定位。長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)

36、院畢業(yè)設(shè)計(jì)10 2. michelson 光纖干涉技術(shù)光纖干涉技術(shù) michelson 光纖干涉技術(shù)的基本原理如圖所示。光源發(fā)出的光，經(jīng)耦合器分為兩路，分別入射到傳感光纖和參考光纖。傳感光纖和參考光纖的反射光在耦合器處疊加，產(chǎn)生干涉效應(yīng)。圖 2-5 michelson 干涉技術(shù)michelson 光纖干涉技術(shù)的缺點(diǎn):michelson 光纖干涉技術(shù)是利用光纖反射光進(jìn)行干涉測(cè)量。因此，其信號(hào)比較微弱。因此，在長(zhǎng)距離測(cè)量時(shí)，需要相干度極高的光源，這對(duì)光源的制作要求很高。3. mach-zehnde:光纖干涉技術(shù)光纖干涉技術(shù)mach-zehnder 干涉技術(shù)的原理如圖所示圖 2-6 machzehn

37、der 干涉技術(shù)由 1 端發(fā)出的光，經(jīng)耦合器后進(jìn)入兩根長(zhǎng)度基本相同的單模光纖。兩光纖輸出的光在第 2 個(gè)耦合器處發(fā)生干涉。由于光路的對(duì)稱性，由 2 端發(fā)出的光，也可以在耦合1 處發(fā)生干涉。在傳感光纖無(wú)擾動(dòng)時(shí)，由 1 端發(fā)出將在 2 端產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉條紋。同時(shí)，由 2 端發(fā)出的光也將在 1 端產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉條紋。采用窄帶激光作為光源時(shí)，將分別在 1 端和 2 端接到穩(wěn)定的光功率(暫不考慮環(huán)境及溫度變化等干擾信號(hào)的影響)。對(duì)于 mach-zehnde:干涉方案的一些討論:1信噪比問(wèn)題信噪比問(wèn)題 mach-zehnde:干涉儀是一種基于相位干涉的方案。因此，其檢測(cè)靈敏度是相當(dāng)高的。同時(shí)，由于其采用雙

38、臂干涉結(jié)構(gòu)。因此，外界環(huán)境如溫度等的變化，將會(huì)影響傳長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)11感光纖的長(zhǎng)度、折射率等發(fā)生微小的變化，從而使傳輸過(guò)程的隨機(jī)相位噪聲很容易達(dá)到很高，并使檢測(cè)信號(hào)的信噪比很低。甚至信號(hào)會(huì)淹沒(méi)在噪聲中，無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。因此，必須采用某些技術(shù)以提高信噪比?？梢圆扇∫韵聨追N技術(shù): （1)對(duì)窄帶激光光源加調(diào)制。所加調(diào)制為正弦信號(hào)，頻率應(yīng)當(dāng)大于最高可檢測(cè)頻率的幾倍。同時(shí)，在接收端 pd1 和 pd2 處，采用電路選頻濾波或者數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)，以提高系統(tǒng)的信噪比。 （2)采用外差檢測(cè)等干涉解調(diào)方案，可以提高系統(tǒng)信噪比，電路設(shè)計(jì)難度也將增大。2 mach-zehnder

39、 干涉技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)干涉技術(shù)的優(yōu)點(diǎn): （1)解調(diào)技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，可以簡(jiǎn)單地采用光電檢測(cè)器直接進(jìn)行光功率測(cè)量。 （2)光路結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單。 （3)對(duì)光源的相干度要求不高。由干涉原理可知，在 1 和 2 端檢測(cè)得到的擾動(dòng)信號(hào)，只是時(shí)間延遲上有不同，而其信號(hào)的頻譜特性是相同的。也就是說(shuō)，這兩路信號(hào)是互相關(guān)的。因此，根據(jù)互相關(guān)理論，通過(guò)計(jì)算兩路信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)，可以很方便地確定出時(shí)延(關(guān)聯(lián)度)。而對(duì)于多點(diǎn)擾動(dòng)的情況時(shí)，其互相關(guān)函數(shù)將出現(xiàn)多個(gè)極值點(diǎn)，而每個(gè)極值點(diǎn)將對(duì)應(yīng)一個(gè)擾動(dòng)的時(shí)延。由此，可以對(duì)多點(diǎn)擾動(dòng)進(jìn)行分析。這是相比于其它光纖傳感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)所在3mach-zehnder 干涉技術(shù)的缺點(diǎn)干涉技術(shù)的缺點(diǎn):（1

40、）由于 mach-zehnde:干涉技術(shù)中，光是經(jīng)兩根光纖進(jìn)行傳播的。因此，溫度等環(huán)境的變化作用于傳感光纖上，會(huì)引起傳輸光相位的變化，從而使系統(tǒng)的信噪比降低。（2）加強(qiáng)激光功率，可以適當(dāng)提高信噪比，但是光纖的瑞利散射及其它非線性效應(yīng)也可能會(huì)降低信噪比。4. otdr 技術(shù)技術(shù) otdr 的原理是:光脈沖在光纖中傳播時(shí)，由于瑞利散射而發(fā)生能量損耗，通過(guò)監(jiān)測(cè)后向散射光強(qiáng)度，就可以獲得散射系數(shù)或衰減程度沿光纖的分布狀況。其基本原理如圖 2-7 所示。長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)12圖 2-7 otdr 技術(shù)處理2.4 本章小結(jié)本章小結(jié) 本章主要對(duì)光纖的傳感原理做了分析，隨后著重分析了分布式光纖傳

41、感器的基本類型和分布式光纖傳感系統(tǒng)原理，得出了分布式光纖傳感器作為傳感元件的優(yōu)勢(shì)所在。接著分析了光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)的干涉技術(shù)的可行性，本文采用的干涉技術(shù)最成熟，并且最具有很大的市場(chǎng)潛力。長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)13第三章第三章 基于分布式光纖傳感器的光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)基于分布式光纖傳感器的光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng) 光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)是一種即經(jīng)濟(jì)而又有效的監(jiān)測(cè)方式。與一般的報(bào)警系統(tǒng)防范相比，光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)具有能夠在大范圍實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警和對(duì)入侵的方式判斷的能力。 本章主要對(duì)光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)做了整體的研究和設(shè)計(jì)，3.1 基本原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.基本原理基本原理 光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)擬采用 ma

42、ch-zehnder 干涉儀結(jié)構(gòu)，其原理如 3-1 圖所示。圖 3-1 基于 machzehnder 干涉儀的光纖周界系統(tǒng)報(bào)警原理示意圖具體的原理介紹我們已經(jīng)在 2. 2 節(jié)光纖圍欄可行性技術(shù)分析中做了詳細(xì)的闡述，在此不多作贅述。1. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可分為傳感光纜、引導(dǎo)光纜、傳感終端、數(shù)據(jù)處理單元和中央控制計(jì)算機(jī)，如圖 3-2 所示。數(shù)據(jù)處理單元和中央控制計(jì)算機(jī)位于室內(nèi)，多臺(tái)數(shù)據(jù)處理單兀通過(guò) tcp/ip 協(xié)議與中央控制計(jì)算機(jī)相連，形成一個(gè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)14處理單元會(huì)給中央控制計(jì)算機(jī)報(bào)告警信息，中央控制計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)應(yīng)用軟件則可根據(jù)告警信

43、息建立告警口令，判定屬于哪臺(tái)告警處理單元告警，并對(duì)告警信息進(jìn)行智能分析，剔除那些如刮風(fēng)、下雨、汽車等非侵入事件。另外，根據(jù)用戶需要還可增加一些其它功能。圖 3-2 光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖3.定位模塊定位模塊圖 3-3 利用互相關(guān)技術(shù)進(jìn)行擾動(dòng)定位的原理圖4.解調(diào)模塊解調(diào)模塊長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)15為了觀察調(diào)制到光載波上的擾動(dòng)信號(hào)，必須對(duì)光探測(cè)器收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)的方法主要分為外差法和零差法，外差法又分為普通外差法、合成外差法和偽外差法;零差法包括主動(dòng)零差法和被動(dòng)零差法。經(jīng)過(guò)認(rèn)真比較，擬選用基于 3x3 光禍合器的被動(dòng)零差解調(diào)法。這種方法是伴隨著相位解調(diào)技術(shù)發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的

44、，是一種比較新的解調(diào)技術(shù)，解調(diào)電路直接將干涉儀中的相位變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，原理如圖 3-4 所示圖 3-4 基于光耦合器的被動(dòng)零差解調(diào)法原理示意圖5.數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析 是否告警由數(shù)據(jù)分析模塊決定。因此，數(shù)據(jù)分析模塊需完成擾動(dòng)位置指示、擾動(dòng)性質(zhì)分析、產(chǎn)生報(bào)警輸出等功能。另外，可根據(jù)設(shè)定的報(bào)警門限，對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行判別，如果小于報(bào)警門限，則不發(fā)出報(bào)警，如果大于報(bào)警門限，則驅(qū)動(dòng)繼電器電路發(fā)出報(bào)警。6.中央控制計(jì)算機(jī)中央控制計(jì)算機(jī)功能:以圖形化的界面顯示擾動(dòng)的位置、擾動(dòng)的類型、并完成擾動(dòng)的事件的記錄、報(bào)警輸出、擾動(dòng)的智能化分析。同時(shí)提供與用戶其它設(shè)備的接口，可通過(guò) email,短消息等形式及時(shí)通知用戶告警

45、發(fā)生。3.2 本章小結(jié)本章小結(jié)本章主要對(duì)光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)做了闡述，如數(shù)據(jù)模塊、解調(diào)模長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)16塊等等。接著本章提出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件方面的一些要求，如光纖鏈路的損耗等。第四章第四章 模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)4.1 模型的建立模型的建立研究前面所提出的光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)的可行性的設(shè)計(jì)方案，首先需要建立光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M主要是模擬入侵者在光纖圍欄上的一些情況，根據(jù)這些入侵的情況來(lái)研究相應(yīng)的信號(hào)的變化情況，以初步確定這些信號(hào)的特點(diǎn)。光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要分成四部分:信號(hào)采集、信號(hào)處理、光纖圍欄傳感與報(bào)警。侵入者在圍欄上的行為

46、使得光纖傳感器受到擾動(dòng)，光纖傳感器中傳遞的信號(hào)的也將受到相應(yīng)的調(diào)制。然后信號(hào)采集，將采集來(lái)的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)解調(diào)和處理，確定擾動(dòng)位置。并對(duì)告警信息進(jìn)行智能分析，剔除那些非人為因素影響的非侵入事件。下面我們來(lái)做一些光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)模型上的測(cè)試，如截?cái)鄧鷻凇⒍秳?dòng)圍欄以及非人為因素?cái)_動(dòng)等的測(cè)試。信信號(hào)號(hào)采采集集信信號(hào)號(hào)處處理理光纖光纖圍欄圍欄傳傳 感感光纖光纖圍欄圍欄報(bào)警報(bào)警圖 4-1 光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)原理示意圖我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析了這些信號(hào)的兩種作用效果:光纖圍欄上的光纖傳感器所受到的截?cái)?、抖?dòng)兩種作用效果。長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)17圖 4-2 截?cái)喙饫w圍欄波形 圖 4-2 表示一次截?cái)嗟牟?/p>

47、形圖，當(dāng)截?cái)鄷r(shí)，光纖傳感器收到一次力作用并引起的沖擊作用，出現(xiàn)一個(gè)尖銳的峰值，在主峰值旁邊出現(xiàn)一些微小的峰值，可以解釋為入侵者階段圍欄時(shí)給圍欄瞬間施加的一次力的作用，微小的峰值可以解釋為這次力作用后而引起的余震。圖 4-3 抖動(dòng)光纖圍欄波形圖 4-3 表示抖動(dòng)光纖傳感器時(shí)，有多個(gè)峰值出現(xiàn)，可以解釋為在圍欄上連續(xù)的施以力的作用。我們單憑上面測(cè)試的兩種信號(hào)特點(diǎn)不能判別入侵者類型，需要結(jié)合其它特點(diǎn)綜合分析，最終才能確定是否發(fā)出警報(bào)和判別警報(bào)類型。4.2 報(bào)警系統(tǒng)解決方案的設(shè)計(jì)報(bào)警系統(tǒng)解決方案的設(shè)計(jì)我們?nèi)粢@得一次完整的報(bào)警事件信息，就必須把上面所說(shuō)的信號(hào)特點(diǎn)和相關(guān)的信號(hào)結(jié)合起來(lái)分析。為了便十分析報(bào)警

48、信號(hào)的特點(diǎn)和判斷報(bào)警信號(hào)的類型，我們要建立了一個(gè)信號(hào)庫(kù)。我們將入侵信號(hào)與信號(hào)庫(kù)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，并最終判斷出入侵方式。光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)，我們主要分析了入侵圍欄的方式，包括截?cái)鄧鷻诤蛣?dòng)圍欄。根據(jù)這些考慮我們簡(jiǎn)單分析了報(bào)警模式，即截?cái)鄧鷻谀Ｊ胶投秳?dòng)圍欄模式。長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)181.截?cái)鄧鷻趯?shí)驗(yàn)截?cái)鄧鷻趯?shí)驗(yàn)如圖 4-2 所示，截?cái)鄧鷻谛盘?hào)是根據(jù)光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)在截?cái)鄧鷻跁r(shí)采集的具有概括性特點(diǎn)的信號(hào)，顯著特點(diǎn)就是具有沖擊信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)。出現(xiàn)一個(gè)尖銳的峰值信號(hào)，可以解釋為截?cái)鄧鷻诔掷m(xù)的時(shí)間很短，固定在光纖圍欄上的分布式光纖傳感器受到一個(gè)瞬時(shí)的力作用。該信號(hào)的上升和下降的

49、幅度都很大，我們可以認(rèn)為截?cái)鄧鷻跁r(shí)對(duì)光纖圍欄的作用力是瞬間的。截?cái)鄧鷻诤笥捎跉堄嗔Φ淖饔?，故在尖銳峰值旁邊伴隨著許多小的峰值信號(hào)的特點(diǎn)。2.抖動(dòng)圍欄實(shí)驗(yàn)抖動(dòng)圍欄實(shí)驗(yàn)如圖 14 所示，抖動(dòng)圍欄信號(hào)是根據(jù)光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)模擬在實(shí)際抖動(dòng)圍欄時(shí)采集的具有概括性特點(diǎn)的信號(hào)，具有一定的周期特點(diǎn)和振動(dòng)特點(diǎn)。由十抖動(dòng)圍欄時(shí)的力和抖動(dòng)的頻率都時(shí)隨機(jī)的，所以抖動(dòng)圍欄是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，信號(hào)顯得毫無(wú)規(guī)律性。但是仔細(xì)觀察抖動(dòng)圍欄的信號(hào)，我們還是能夠從信號(hào)中分析出它具有周期和振動(dòng)的顯著特點(diǎn)。對(duì)于圍欄侵入信號(hào)總體上說(shuō)明信號(hào)幅度變化比較明顯，兩種模式信號(hào)特點(diǎn)有明顯的差異。3.誤警分析誤警分析為了更加準(zhǔn)確地報(bào)警，在報(bào)警模式的基礎(chǔ)

50、我們提出了誤警模式分析。非人為因素如風(fēng)、雨等的影響較大時(shí)，光纖圍欄信號(hào)所受到的影響顯著特點(diǎn)是幅度變化和微弱的報(bào)警模式信號(hào)很相近，這些影響不需要發(fā)出警報(bào)。這里我們對(duì)光纖圍欄信號(hào)影響比較大的如強(qiáng)風(fēng)，暴雨等非人為因素影響做一些分析。1)風(fēng)吹圍欄風(fēng)吹圍欄 如圖 4-3 所示，根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)風(fēng)吹測(cè)試采集的具有概括性特點(diǎn)的信號(hào)。我們可以從波形圖上看出顯著的特點(diǎn)，該信號(hào)具有周期性和整體性，可以解釋為風(fēng)吹的作用類似增加一個(gè)周期性的力作用。同時(shí)風(fēng)吹的影響又是一個(gè)整體性的影響，即是光纖傳感器在當(dāng)前的所有時(shí)刻都具有類似的信號(hào)特點(diǎn)，信號(hào)幅度變化不大，上升和下降的時(shí)間都比較的快，由此我們很方便判斷這類信號(hào)。長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)19圖 4-3 風(fēng)吹圍欄波形圖2)雨淋圍欄雨淋圍欄如圖 4-4 所示，我們?cè)诖笥戥h(huán)境下根據(jù)模擬測(cè)試采集的具有概括性特點(diǎn)的信號(hào)。我們從圖很容易看出所有的光纖圍欄上的光纖傳感器的信號(hào)在此時(shí)都具有整體性，并目_這些信號(hào)表現(xiàn)出隨機(jī)的沖擊特點(diǎn)。我們可以解釋為雨點(diǎn)隨機(jī)打在光纖圍欄上時(shí)，對(duì)光纖傳感器產(chǎn)生隨機(jī)的作用力。由十圍欄上各部分光纖傳感器所受沖擊的雨點(diǎn)大小和方向的不同，所以信號(hào)的波形圖上表現(xiàn)為沖擊信號(hào)幅度不相同，和時(shí)間軸上位置的隨機(jī)分布。通過(guò)這些特點(diǎn)我們很容易判斷這類信號(hào)。圖 4-4 雨淋圍欄波形圖4.3 本