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分布式光纤传感安全防护系统

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    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。该技术从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。

    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。

    图1 几种不同的干涉仪

(a)迈克尔逊干涉仪(b)马赫-泽德干涉仪(c)赛格纳克干涉仪[nextpage]

图2. 输入偏振态反馈控制原理框图

    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。如图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。

图3. 入侵信号和背景噪声信号

    北京北邮国安宽带网络技术有限公司依托北京邮电大学的技术优势和中信国安的资本优势成功攻克了干涉型光纤传感系统偏振衰落的难题,隆重推出了分布式光纤传感安全防护平台,该平台成功解决了光纤中的偏振问题,采用独特的模式识别算法解决了误报问题,同时具有学习功能,可以根据用户需求,对特定误报事件采用一键式消除技术。该系统与国外某公司的产品同时安装在某用户的栅栏中作对比试验,通过1个多月的测试,其灵敏度及误报性能远优于对手,测试漏报率为0,没有发生一起误报。(本文由北邮国安宽带网络技术有限公司提供)

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