光纤围栏报警系统的设计与研究_毕业设计(编辑修改稿)

光纤围栏报警系统的设计与研究_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

承载物，如覆土、铁丝网、围栏等，传递给光纤 (缆 )的各种扰动，进行持续和实时的监控，采集扰动数据，经过后端分析处理和智能识别，判断出不同的外部干扰类型，如攀爬铁丝网、按压围墙、禁行区域的奔跑或行走，以及可能威胁周界建筑物的机械施工等，实现系统预警或实时告警，从 而 达到对侵入设防区域周界的威胁行为进行预警监测的目的。 其中光纤既作为传感的介质，又作为传输介质。 光纤围栏报警系统可以在传感光纤布设长度内，对一定准确度范围内的突发事件进行远程和实时的监控。 因此，在光缆监控、光纤围栏监 控、管道监控等方面都有着广阔的应用前景。 长春理工大学光电信息学院 毕业设计 5 光纤围栏报警系统及其研究现状 [7］ 目前，在灵敏度较高的干涉型传感器中，国外研究较多的是基于 Sagac 干涉 [8]的光纤围栏报警系统。 另外，还有一些将两种干涉仪结合在一起的结构，如 Sagnac 和MachZehnder, Sagnac 和 Michelson。 基于 Sagnac 干涉的光纤围栏报警系统优点是定位精度很高，已有论文报道在 5 公里的光纤环中，实现了。 在国内，进行围栏报警系统研制的单位主 要是华中科技大学和南开大学，他们采用的干涉仪主要是 MachZehnde:干涉仪。 华中科技大学孙琪真报道的光纤围栏报警系统采用 3X3 的光祸合器进行无源零差解调，用高速 DSP 器件进行信号分析，在 公里的长度上实现了小于 100 米的定位精度 ，并能实时观察扰动信号的幅度和频率。 本文的意义及其主要研究内容 目前国内外光纤围栏报警系统方面存在的问题是报警光纤的传感距离比较近，而对光纤环位点的干扰检测比较困难，定位精度比较低。 本文研究的是超过 超长距离光纤围栏报警系统。 在精度方面，控制在 10m左右。 : 本文研究的是一种能实现全自动侵入 [9]检测的光纤围栏报警系统， 应用于 各种闭合区域的入侵检测。 若有行人、车辆等 通过该闭合区域时，该系统能够及时发现，并准确定位，判断类型，便于 及早处理。 对那些非人为因素 (如大风、大雨等 )产生的干扰通过软件进行滤除，避免误报警。 : 1)光纤围栏报警系统设计 : (1)光纤围栏报警系统基本原理。 (2)光纤围栏报警系统系统结构。 2)光纤围栏报警系统实验验证方案 : 根据实验设计方案，硬件方面 采用中央控制计算机、驱动电路 、 MachZehnder 干涉仪、耦 合器、单模光纤和围栏等搭建了模拟测试的光纤围栏报警系统。 在测试定位精度方面，我们通过预先测量好扰动的位置来比照实验中测得的扰动位置，测试报警系统的定位精度。 在测试报警类型方面，我们预先通过报警系统采集好各种类型事物所产生的波形，建立数据库。 实验测试类型时，我们通过软件实现现场采集的信号与信号库里的信号进行比较，判断扰动类型。 长春理工大学光电信息学院 毕业设计 6 第二章 传感器原理以及相关技术 光纤围栏报警系统采用分布式光纤传感器作为传感 元 件，利用 MachZehnder 干涉仪实现干涉，本部分 主要对传感器原理及干涉技术作了分析，对系统的研究提供理论的基础。 光纤传感器基本原理 光纤是由两种折射率不同的芯和包层组成的，包层的折射率小于芯。 当端面入射角小于 它的界面的临界全反射角的光线射入，就形成全反射。 光纤的传输模式分 为单模式和多模式两种。 单模式光纤芯非常的细，与波长差不多或几倍于 波长 (光波长为 0. 8 um 1. 6 um )，其外包层直径约为芯直径的 10 倍以上。 多模式光纤的纤芯则相对较粗，直径约为 5 um 75 um，包层外径约为纤芯直径的两倍，大概为 10 um— 150 um。 多 模式光纤可做成阶跃式和梯度式两种， 而 单模式光纤只能为阶跃式折射分布。 梯度式即渐变式折射率分布，中心最大，逐渐减小到与包层相同。 单模光纤由于 纤芯直径接近波长，所以光传输单一，可能只有一种模式。 当光纤的纤芯直径较大时，则有多种沿不同的途径，以不同速率传输的模式，所以有多种不同的模式传输但由十不同正弦形的途径长度不一样，因 而 到达接收的时延几乎相等。 光纤的主要有损耗与色散两方面的特点，这对光纤通讯是必须解决的问题。 近 20 年来光纤传感器发展非常的快，对应力应变型，主要研究领域为偏振 和干涉两类传感器。 其中高折射率偏振型光纤和 FabryPerot }［ 11]干涉光纤应用较多。 干涉型光纤传感器的原理，用两镜面的相干光强描述： 两镜面可为空气 (外 FP 型 )［ 12]或玻璃 (内 FP 型 )型两个反射面，如图 21 所示。 L=Lo+ΔL为 a ， b 间的距离，包含了因外部扰动而引起的变形， ne 为光纤的有效折射率，随光纤的偏振方 }而异， cos 函数则表示两者的相位差， λo为光波在真空中的波长。 长春理工大学光电信息学院 毕业设计 7 图 21 光在光纤中传播 对于埋入各向异性材料 (复合材料 )中的光纤，光纤内的内力场和变形场与包裹它的材料的内力场和变形场，在研究中经常假设 : 1)小变形，服从线弹性理论。 2)光纤中的应力应变场是均匀的，目一为常数。 而 对包裹光纤的材料，在光纤方向为常数，在垂直光纤方向不再是常数。 3)在包裹材料与光纤的界面上位移保持连续，包裹材料和光纤的温度相同。 界面相互作用力保持平衡。 由上述假设很容易建立光纤和包裹材料的力学方程，以及由假设 2 建立求解的边界条件，最终得到两者的应力和 应变场。 2 相位调制传感原理 相位调制就是利用外界因素变化所引起光纤中光波的相位变化，来测量外界物理量。 通 常还要利用光干涉技术。 模式调制型和偏振型光纤传感的原理，则是基于 光纤所传出的两个以上模式的相速度是不同的，这种相位差是光纤本身特性和外界扰动的函数。 对于 偏振型则是在输出端用偏振镜采集因外界扰动引起光纤 偏振态 (偏振面旋转 )的变化，这是采用光在介质中传播的旋光效应 . 图 22 多模光纤模式功率调制传感原理 长春理工大学光电信息学院 毕业设计 8 这是最近发展的一种传感机理，其原理如图 22 所示。 虽然给出实验研究结果，但尚无理论分析。 由于理论分析复杂，在此不再赘述。 分布式光纤传感器基本原理 分布式光纤传感器类型 当分布式光纤传感的概念被提出来以后，以其可以预测的许多优点 而 备受大家关注，一度成为研究的热点， 经过几十年的飞速发展，我们今天的分布式光纤传感器主要可分为以下几 类 : 瑞 丽后向散射的光纤传感器 在单模光纤中，当使用偏振光时域反射仪时，瑞丽回后向散射光的偏振状态以时间为函数被检测到，单模光纤的双折射参数对诸如压力、磁场、应力、电场等被测量很敏感。 接着，后向散射光的偏振状态沿着光纤轴向 而 改变。 所以可以通过相应的法拉第旋光效应和克尔效应监测电场和磁场的变化。 后向散射光的后向散射系数与强度呈比例， 而 后向散射系数一般只随温度变化。 在固体光纤里温度影响很弱， 而 在液体中，瑞丽散射与反射系数对温度的依赖关系却非常的明显。 基于布里渊效应的光时域反 射仪是 OTDR 探测技术和布里渊散射相结合构成的分布式光纤传感器。 其原理如图 23 所示，处于光纤两端的可调谐激光器分别将一连续光与一脉冲光 (分别作为探测和泵浦光 )注人传感光纤，当泵浦光与探测光的频率差与光纤中某区域的布里渊频移相等 时，就会在该区产生布里渊放大效应，两光束之间发生能量的转移。 由于 布里渊应变与频移，它们的温度存在线性关系。 所以对两激光器的频率连续进行调节的同时，通过检测从光纤一端射出的连续光的功率，就可以获得光纤各小段区域上能量转移达到最大时对应的频率差。 图 23 基于布里渊散射效应的传 感器 长春理工大学光电信息学院 毕业设计 9 系统接收光功率 一般的分布式光纤传感器系统模型 :连接检测器和激光源长为 L 的两段传感光纤。 这两段光纤可以为两根不同光纤，也可以为同一根光纤或一根光纤中的两纤芯，传感光纤处在测量场 M (l) 中。 考虑从激光源出发距离在 l + dl和 l 之间的光纤单兀 dl，脉宽为 δT和入纤能量为Eo 的光脉冲以速度为 c。 在通道中传输，当经过光纤单元 dl时，其能量发生以下三种变化 : （ a, di)被耦 合到通道，然后以速度 c 到达检测端。 2 一部分能量（ a, di)被光纤吸收或被散射出光纤外。 3 能量的变化 (衰减和。