基于Sagnac的干涉型光纤入侵报警系统的设计及应用

周 莹，段维维

基于Sagnac的干涉型光纤入侵报警系统的设计及应用

周 莹，段维维

（中国航天空气动力技术研究院，北京 10074）

光纤入侵报警系统可对防区进行全天候、全方位实时监测。设计了一种基于Sagnac的干涉型光纤入侵报警系统，并对系统的响应特性进行了测试，结果表明入侵动作发生时，系统具有灵敏度高及快速响应特性。现场连续48小时监测到的传感系统时域波形说明，系统具有抗环境噪声干扰能力强、稳定性好、误报率低的特点，可广泛应用于各安防领域。

光纤传感；入侵报警；响应特性；稳定性

周界安防技术是指使用传感探测器件对某些特定区域进行全方位、全天候的实时动态监测，并对周界侵扰行为做出及时报警的监控技术，在国家安全和国防建设中占据着十分重要的地位[1]。光纤周界入侵报警系统是一种新型的安防技术，它是利用光纤作为感应体来探测外界扰动入侵行为，发出报警信号的系统，解决了有些领域长距离、野外作业、无源探测等方面的要求。该系统以传感光缆作为传感介质，以光信号为载体，不需要供电，使用安全，便于野外作业；光纤的线状结构易于架设，便于大范围长距离的检测；其铺设方便灵活，可以做到高隐蔽性，易与周围环境融于一体；光纤既作为传感单元，又作为传输介质，增加了光纤材料的复用性；此外光纤传感器体积小、质量轻、稳定性高、抗干扰能力强、耐腐蚀、无辐射，这种光纤入侵报警系统的误报和漏报明显优于常规的安防技术，因此被广泛应用于各领域进行周界安防[2,3]。

本文设计了一种基于Sagnac的干涉型光纤报警系统，其传感部分仅由通信光纤、3×3耦合器和传感光纤组成。与其他干涉型光纤传感系统相比，该系统集信号发射与接收于一端，结构简单，生产成本低，更利于实际操作[4,5]。现场对传感系统的响应特性、漏报误报现象及系统稳定特性分别进行了测试。该传感系统具有快速响应、抗干扰性能好、漏报误报率低等优点，在油气管道、石油化工领域具有广泛的应用前景。

1 系统原理及设计

1.1 基于Sagnac的干涉型光纤传感原理

图1 基于Sagnac的干涉型光纤报警系统原理

基于Sagnac的干涉型光纤报警系统原理如图1所示。图中数字1代表光源，数字2代表PIN光电二极管，数字3代表3×3光纤耦合器，数字4为延迟环，数字5代表光纤对熔点，其余均为光纤连接线。光源发出的相干光经过3×3光纤耦合器后将光源能量均分为1:1:1，经过光纤延时环以及传感光纤的两路光波因经过的光程差相等而发生干涉。外界环境的运动、振动等干扰活动的进行将导致传输光波的相位发生改变。通过光电探测器将传感器的相位变化信息转化为探测到的光强信号，即可实现外界扰动的监测[6,7]。该传感光路具有对温度及偏振变化不敏感等优点，且环境适应性较强。

1.2 系统设计及介绍

本文设计的光纤入侵报警系统结构如图2所示，由报警主机、防区处理单元、振动感应光缆、通讯光缆（含引导光缆部分）、报警控制服务器等组成。其中报警主机内部选用波长为1310nm的SLED激光器作为发射光源，具有较好的光谱稳定性，降低了光源波动对系统信噪比的影响，同时特殊的光路设计，报警主机可对多个防区同时进行监控。振动光缆和通讯光缆部分均选用单模光纤，降低了生产成本，更利于实际应用。光电转换器接收到的信号经放大、滤波及提取后，通过Labview编程的控制软件的阈值设置可实现报警响应时间不大于2秒的快速响应[8]。

图2 光纤入侵报警系统结构

2 现场测试

2.1 动作测试

实验室环境下，将振动光缆固定在围栏上，设定好报警阈值，分别对围栏进行敲击、拍打、晃动以及攀爬等入侵动作进行测试。结果表明，基于Sagnac的干涉型光纤报警系统在2秒内能对外界入侵及时做出快速报警提示且漏报率极低。为进一步证实结果的可靠性，将振动光缆固定在野外作业区围栏上如图3所示，并对上述几种动作进行了多次测试，所得结果一致，图4（a）-（d）所示为其现场测试时域波形图。

图3 现场光缆铺设图片

由以上现场测试结果得出：入侵动作进行时，传感器输出光能量幅值发生明显改变，系统做出报警提示，动作结束后，能量恢复至测试前幅值，由此说明系统具有较好的信噪比及响应灵敏度。测试动作所引起的时域波形包络各不相同，其原因是各动作发生的频段不同，引起的光波相位变化有所不同，在该系统中表现为时域特征包络有所差异。因此在实际应用中可将这些动作测试波形预先存入报警系统，即可实现动作入侵识别。

图4 动作测试时域波形图

2.2 稳定性测试

为验证无入侵活动时，外界干扰噪声、及温度变化对系统引起的误报现象。现场监测了连续48小时内，温差变化范围约为10摄氏度时，传感系统的的噪声变化情况，其时域波形如图5所示。此波形虽与理论结果有所偏差，但测试时间范围内其噪声基本处于同一水平。经证实a、b两点为干扰噪声引起的突变，虽发生较大幅值变化，但与入侵信号相比变化不大，且其包络与入侵行为差异悬殊，故并未超过报警阈值，未发生报警提示，说明该传感系统稳定性好、抗环境噪声干扰能力强及误报率低的特点。

3 结论

本文设计的基于Sagnac的干涉型光纤入侵报警系统，结构简单，便于实际操作。现场动作入侵及系统稳定性测试结果表明，该系统稳定性好，具有灵敏度高、快速响应、抗干扰能力强、漏报误报率低等优点，现已成功应用于多个重要场所的周界安防系统，取得了较高的社会价值和经济价值。

图5 传感系统噪声变化时域波形图

[1] 唐璜.光纤振动传感技术在周界安防领域的应用方法研究[D].上海：复旦大学，2012.

[2] 刑八一 ，徐方辰.光纤周界安防系统技术现状及市场前景分析[J].中国安防，2014,（1）：85-89.

[3] 刘波，杨亦飞，张健，等. 基于M-Z干涉的光纤围栏系统实验研究[J].光子学报，2007,（6）:1013-1017.

[4] 吴锋，吴柏昆，余文志，等.基于3×3耦合器相位解调的光纤声音传感器设计[J].激光技术，2016,（1）：64-67.

[5] 涂吉祥，黄俊斌，顾宏灿，等.光纤激光水听器解调干涉仪相位噪声研究[J].船舶电子工程，2016，（12）：165-169.

[6] 基于Sagnac环的分布式光纤周界安防检测系统[J].光传输，2017，（7）：29-31.

[7] Wada K., Narui H., Yamamoto D., et al. Balanced polarization maintaining fiber Sagnac interferometer vibration sensor[J].Optics Experss,2011,22(19):21467-21474.

[8] 雷玉堂.光电信息技术[M]. 北京：北京电子工业出版社，2011:365-368.

Design and Application of an Interferometer Optical Fiber Intrusion Alarm System Based on Sagnac

ZHOU Ying, DUAN Wei-wei
(China Academy of Aerospace Aerodynamics, Beijing100074)

The fiber-optic intrusion alarm system can be used to monitor the defense area in a round-theclock and omni-directional way. In this paper, an interferometric fiber optic intrusion alarm system based on the Sagnac is designed, and response characteristics of the system tested. The test shows that the system has a higher sensitivity and fast response characteristics when the external intrusion occurs. The results based on 48 hours of continuous monitoring indicate that the system have strong ability to resist environmental noise, good stability,and low rate of false positive alarms. It can be widely used in the most security fields.

optical fiber senor; intrusion alarm; response characteristic; stability

TP277

A

1671-9654(2017)0079-03

10.13829/j.cnki.issn.1671-9654.2017.04.020

2017-10-01

周莹（1981- ），男，湖北荆门人，工程师，经济学硕士，研究方向为光纤传感、测控系统。

［编校：杨 琴］