光纤扰动入侵检测系统的设计与实现

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摘要：光纤中通过一定的幅值恒定的光，外界扰动时光纤中光的强度将发生变化，因此对这种光强度的变化进行检测可以探测外界扰动的入侵。对功能型光强调制的检测一般利用特殊光纤对某些物理特性敏感而达到测量的目的，但光纤结构比较复杂。对光纤扰动机理进行了论述，提出了采用一般的多模光纤，针对不同入侵对象扰动信号频率的不同，利用带通滤波电路实现检测的方法。并对带通放大器技术进行了设计与仿真，实现了扰动信号的入侵检测。

    关键词：光纤 扰动 入侵检测 带通放大器

光纤传感包含对外界信号（被测量）的感知和传输两种功能。所谓感知（或敏感），是指外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量（如强度、波长、频率、相位和偏振态等）发生变化后，测量光参量的变化。javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>这种“感知”实质上是外界信号对光纤中传播的光波实施调制。根据被外界信号调制的光波的物理特征参量的变化情况，可以将光波的调制分为光强度调制、光频率调制、光波长调制以及光相位和偏振调制等五种类型。外界扰动（如振动、弯曲、挤压等情况）对光纤中光通量的影响属于功能型光强调制。对微弯曲的检测一般采用周期微弯检测方法，需要借用传感板人为地使光纤周期性弯曲，从而使光强得到调制，一般用来检测微小位移，可以作成工业压力传感器，其精度较高，设计也比较复杂。而光纤扰动入侵检测的目的是检测入侵，不需要很高的精度，因为高精度反而容易产生误报警，因此不能采用上述方法。本文提出一种利用不同入侵对象（如人、风等）的扰动调制频率的范围不同，采用一般多模光纤，在后续电路采用带通滤波器进行带通放大，滤出入侵扰动信号的调制频率，有效实现入侵检测的方法。根据对入侵对象及入侵频率的分析，对０．１～３０Ｈｚ的带通滤波器电路进行了设计与仿真，有效滤除了电源纹波、温度漂移的影响，并设计了扰动检测系统。在实际应用中，将该入侵检测系统安装在某区域外围或特殊物体上，如篱笆或需检测对象上，能够有效地检测入侵、篡改、替换等非授权活动。

１ 扰动原理javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

１．１ 光纤特性

光纤是由折射率不同的石英材料组成的细圆柱体。圆柱体的内层称为纤芯，外层称为包层，光线（或光信号）在纤芯内进行传输。设纤芯的折射率为ｎ１，包层的折射率为ｎ２，要使光线只在纤芯内传输而不致通过包层逸出，必须在纤芯与包层的界面处形成全反射的条件，即满足ｎ１＞ｎ２。

光纤除了折射率参数外还有其它参数，如相对折射率、数值孔径Ｎ·Ａ、衰减、模式（单模、多模）等。对于本系统，衰减参数比较重要，在光纤中峰值强度（光功率）为Ｉ０的光脉冲从左端注入光纤纤芯，光沿着光纤传播时，其强度按指数规律递减，即：

Ｉ（ｚ）＝Ｉ０ｅ－αＺ     (1)

其中,Ｉ０——进入光纤纤芯(Ｚ＝０处)的初始光强；

Ｚ——沿光纤的纵向距离；

α——光强衰减系数。

光功率在光纤的衰减情况如图１所示。光纤衰减率的定义为：光在光纤中每传播１ｋｍ，光强所损耗的分贝数。即：

衰减率＝－１０ｌｇ(I/I0)ｄｂ／ｋｍ)     (２)

光纤的衰减率只与衰减系数有关，引起光衰减的原因很多，如材料的吸收、弯曲损耗和散射损耗等，光纤扰动入侵检测主要是利用不同外界扰动对光纤的微扰损耗而产生的不同强度调制频率来探测扰动入侵的。javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

１．２ 微扰损耗

光纤中的微扰损耗是指由光纤的几何不均匀性引起的损耗，其中包括由内部因素和外部干扰引起的不均匀性，如宏观结构上折射率和直径的不均匀性、微弯曲等。根据光纤传输理论，这种不均匀性引起的损耗或以散射形式出现，或以模式耦合的形式出现。模式耦合是指光纤的传导模之间、传导模与辐射模之间的能量交换或能量传递。这就意味着通过光纤的光会受到衰减。一般情况下，制造和使用光纤时要减小和避免这些损耗，但是光纤扰动入侵检测主要是利用这些耗损对光的衰减来探测入侵的存在，因此研究这些耗损，特别是微弯损耗是比较重要的。微弯损耗是由模式间的机械感应耦合引起的。光纤中的传导模变换成包层模，并从纤芯中消失。当沿光纤的机械微扰的空间周期与光纤内相邻的模式的波数差一致时，这种损耗就增加。近似的实验关系如下：

光纤微弯曲损耗∝(纤芯半径／光纤半径)２·(２／Ｎ·Ａ)４     (３)

其中，Ｎ·Ａ为光纤的数值孔径，当光从空气入射到光纤端面时，只有入射方向处于某一光锥内的光线在进入光纤之后才能留在纤芯内，而从光锥外入射的光线即使进入光纤，也会从包层逸出。这个光锥半角的正弦称为光纤的数值孔径。

１．３ ＬＥＤ光源特性

图4 带通滤波器仿真电路图

    ＬＥＤ光源的光学特性主要有波长、线宽、输出功率、光纤耦合等。ＬＥＤ的中心发射波长λ取决于半导体材料的能隙Ｅｇ，其公式为：

λ＝hc/Eg≈１.２４／Ｅｇ(μｍ)   (４)

其中?熏ｈ为普朗克常数，ｃ为光速。ＬＥＤ的线宽一般为其中心波长的５％量极，因为增益的选择性会使线宽变窄。制造ＬＥＤ的常用材料如表１所示。

表1 制造LED的常用材料列表

材   料	发射波长/nm	光  谱
GaP	700	红
GaAlAs	650～850	红至近红外
GaAs	900	近红外
InGaAs	1200～1700	近红外

８５０ｎｍ波长的ＬＥＤ输出功率通常在１～１０ｍＷ范围内，波长小于８５０ｎｍ的器件，其可用功率显著减小。所有ＬＥＤ的输出功率及波长都随温度变化，在８５０ｎｍ时，输出功率和波长的典型温度系数分别为０．５％Ｃ－１和０．３ｎｍＣ－１，因此热稳定度对于光纤扰动入侵检测是需要考虑的因素。

２ 硬件技术方案

光纤扰动入侵检测系统原理框图如图２所示。系统主要包括：载频信号源电路、ＬＥＤ光源、ＰＩＮ光电探测器、光纤、扰动入侵检测、报警传输接口电路等。

２．１ 传感电路的设计
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