分布式光纤传感安全防护系统

2009-11-17 17:06:00 来源:安防知识网 有...人评论

    近年来,传感器在朝着灵敏、精巧、适应性强和智能化、网络化的方向发展。光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术发展,而另辟新径的一种崭新的传感技术,该技术在国外已成功应用多年,今年逐步引进到国内安防领域。

    光纤传感器按结构分类可分为集总式和分布式,集总式利用传感探头检测局部参量,而分布式探测外界在光纤中任一点引起的参量变化;按原理分类可分为干涉型、反射型、波长扫描型和模式滤波型。干涉型利用激光干涉原理,通过检测光路中光波的相位变化得到被测参量的信息;反射型利用光纤在外部扰动作用下产生的Reyleigh、Raman、Brillouin等效应进行测量;波长扫描型把宽谱光源注入光纤中,以光纤布拉格光栅作为探测器,通过检测输出光谱的变化进行参数测量;而模式滤波型利用多模光纤中模式分配与光纤应力应变有关进行测量。目前国内外以光纤为介质的振动监测安防产品主要以干涉型和模式滤波型为主。

干涉型光纤传感器
工作原理
    干涉型光纤传感器的基本原理是通过被测物理量的作用,使某段单模光纤内传播的光波发生相位变化,再用干涉技术把相位变化变换为振幅变化,从而还原所检测的物理量,并具有高灵敏度、响应速度快、抗电磁干扰、超高压绝缘、防燃防爆、体积小及可灵活挠曲等优点,近年来发展迅速,在各个领域都拥有广泛的应用前景和巨大的发展潜力。

    图1所示为三种不同类型的全光纤干涉仪的结构:迈克尔逊(Michelson)、马赫-泽德(Mach-Zehnder)和赛格纳克(Sagnac)干涉仪。这三种干涉仪都存在一个难以攻克的难题:偏振衰落。偏振衰落使传感器进入一种灵敏度极差甚至失效的状态,而该状态与环境有关,无法预测,成为该技术应用推广的一大缺陷。

图1 几种不同类型的干涉仪结构示意表[nextpage]

 


关键技术
1、偏振控制技术
    目前,消偏振衰落技术主要有偏振态分集检测、偏振态高频调制、偏振态反馈控制等。消偏技术的性能可以采用可见度来衡量,可见度为1时则完全消除了偏振,可见度为0时,干涉仪失效,完全没有传感作用。可见度的测量通过在其中一个干涉臂上加相位调制器,使干涉仪在一段时间内产生完整的干涉条纹,用峰峰探测电路检测出这段时间内的,即可算出可见度V=

    图2是马赫泽德干涉利用偏振态反馈控制进行消偏的示意图,当干涉仪受外界影响时,通过反馈控制PC,使(PC+MZ)共同作用的结果仍使其输出可见度为1。

    误报是光纤入侵传感系统需要解决的另一个重要的关键技术,由于干涉型光纤传感系统灵敏度极高,微小的振动即可触发报警,高灵敏度带来的问题是一些自然现象可能引起误报,比如刮风、下雨、机器轰鸣声引起的栅栏共振等都会引起误报。扰动信号的识别检测是该传感系统的重要功能,报警检测的核心在于提取出输入信号中所有符合入侵信号特征的信号,对这类信号进行报警。对于噪声或不具备入侵特征的信号,都应被系统过滤。信号特征辨识技术,是一种模式识别技术,通过对不同输入信号的特征进行分析,对这些信号如噪声、入侵信号、振动信号等建立特征模板,将实时信号与模板进行比对,以确定实时信号类型。图3是实验室测得的强入侵、弱入侵和噪声信号,这三类信号特征比较明显,容易识别,因为实验室环境噪声很小。但在现场布设的系统中,传感光纤覆盖区域长,每段环境都不尽相同,在复杂环境下,这三类信号难于分辨,需要借鉴现有模式识别的技术对信号进行分析建模,对不同的环境采用不同的算法才能解决误报问题。该现象也是多数现有产品存在的问题,给用户留下的光纤传感入侵系统误报高的印象。

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2、噪声控制技术
    基于相干技术的光纤传感系统引入的相位噪声的主要因素有:温度引起的相位漂移,激光器线宽引起的相位噪声。在传感系统中,必须尽量排除这个缓变信号的影响。可以通过将传感系统置于温度比较稳定的环境中,例如地下,同时还需要加入一些补偿控制措施,如通过对激光器的偏振态进行实时的调节来使信号始终处于最佳的功率状态。由激光器的频率抖动所引起的相位噪声可以通过稳定激光器的频率来缓解,稳定激光器的频率一般有两种办法:

第一,使用电流反馈(active current feedback)来使得激光器的输出稳定。

第二,将光反馈(optical feedback)回激光腔中来减小激光器的线宽。

    除了相位噪声以外,系统也存在加性噪声,系统中主要的加性噪声为散粒噪声和热噪声,其中热噪声为高斯白噪声,而散粒噪声输入光强相关。随着接收机的入射光强的提高,散粒噪声的强度也会提高,但是信号的信噪比不会因为散粒噪声强度的提高而减小,而是与成正比的增加。

3、激光器温度控制技术
    激光器温度的稳定性决定了其发射波长的稳定程度,温度控制可采用专用的芯片,也可以采用运算放大器构成PID补偿电路来实现。专用芯片集成了PID电路需要的多个运放和电路驱动模块,通过配置外围的阻容网络来构成PID或简单的积分电路,输出的控制信号去控制两个MOSFET来驱动激光器的TEC,从而实现自动温度控制。但是在实际的使用过程中,容易出现以下问题:

    ·配置的PID结构很容易发生振荡,使得激光器输出也产生振荡现象,这个振荡很容易被误检为传感器系统的信号,引起误检;

    ·PCB布局和设计对温度的稳定性和精确性影响很大,可以通过不断的优化设计来减少温度控制所带来相位噪声影响。

4、GIS技术
    嵌入GIS系统可以实时在地图中显示入侵发生的位置信息。使用基于Windows对GIS软件开发工具包,具有.NET开发经验的开发人员使用工具可以创建功能强大的位置增强型桌面和客户机/服务器应用程序。有多家公司提供GIS开发包,开发人员可使用熟悉的.NET编程语言开发应用程序,在桌面和web部署之间共享和重用代码,使用标准协议访问大量数据源中的数据以及更多其它功能。

结语
    分布式光纤传感安全防护系统的设计涉及光纤技术、光学原理、算法建模、电路设计、软件设计等跨学科技术,设计该系统是极具挑战性的工作。本文从该系统设计的关键技术出发,浅显地介绍了设计中涉及的问题。(文/霍晓练 本文作者现任职于北京北邮国安宽带网络技术有限公司)

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[责任编辑:蒋丽萍]

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