近年來，傳感器在朝著靈敏、精巧、適應(yīng)性強和智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)發(fā)展，而另辟新徑的一種嶄新的傳感技術(shù)，該技術(shù)在國外已成功應(yīng)用多年，今年逐步引進到國內(nèi)安防領(lǐng)域。

    光纖傳感器按結(jié)構(gòu)分類可分為集總式和分布式，集總式利用傳感探頭檢測局部參量，而分布式探測外界在光纖中任一點引起的參量變化；按原理分類可分為干涉型、反射型、波長掃描型和模式濾波型。干涉型利用激光干涉原理，通過檢測光路中光波的相位變化得到被測參量的信息；反射型利用光纖在外部擾動作用下產(chǎn)生的Reyleigh、Raman、Brillouin等效應(yīng)進行測量；波長掃描型把寬譜光源注入光纖中，以光纖布拉格光柵作為探測器，通過檢測輸出光譜的變化進行參數(shù)測量；而模式濾波型利用多模光纖中模式分配與光纖應(yīng)力應(yīng)變有關(guān)進行測量。目前國內(nèi)外以光纖為介質(zhì)的振動監(jiān)測安防產(chǎn)品主要以干涉型和模式濾波型為主。

干涉型光纖傳感器
工作原理
    干涉型光纖傳感器的基本原理是通過被測物理量的作用，使某段單模光纖內(nèi)傳播的光波發(fā)生相位變化，再用干涉技術(shù)把相位變化變換為振幅變化，從而還原所檢測的物理量，并具有高靈敏度、響應(yīng)速度快、抗電磁干擾、超高壓絕緣、防燃防爆、體積小及可靈活撓曲等優(yōu)點，近年來發(fā)展迅速，在各個領(lǐng)域都擁有廣泛的應(yīng)用前景和巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/P>

    圖1所示為三種不同類型的全光纖干涉儀的結(jié)構(gòu)：邁克爾遜（Michelson）、馬赫-澤德（Mach-Zehnder）和賽格納克（Sagnac）干涉儀。這三種干涉儀都存在一個難以攻克的難題：偏振衰落。偏振衰落使傳感器進入一種靈敏度極差甚至失效的狀態(tài)，而該狀態(tài)與環(huán)境有關(guān)，無法預(yù)測，成為該技術(shù)應(yīng)用推廣的一大缺陷。

圖1 幾種不同類型的干涉儀結(jié)構(gòu)示意表[nextpage]

關(guān)鍵技術(shù)
1、偏振控制技術(shù)
    目前，消偏振衰落技術(shù)主要有偏振態(tài)分集檢測、偏振態(tài)高頻調(diào)制、偏振態(tài)反饋控制等。消偏技術(shù)的性能可以采用可見度來衡量，可見度為1時則完全消除了偏振，可見度為0時，干涉儀失效，完全沒有傳感作用?？梢姸鹊臏y量通過在其中一個干涉臂上加相位調(diào)制器，使干涉儀在一段時間內(nèi)產(chǎn)生完整的干涉條紋，用峰峰探測電路檢測出這段時間內(nèi)的、，即可算出可見度V＝。

    圖2是馬赫澤德干涉利用偏振態(tài)反饋控制進行消偏的示意圖，當(dāng)干涉儀受外界影響時，通過反饋控制PC，使（PC＋MZ）共同作用的結(jié)果仍使其輸出可見度為1。

    誤報是光纖入侵傳感系統(tǒng)需要解決的另一個重要的關(guān)鍵技術(shù)，由于干涉型光纖傳感系統(tǒng)靈敏度極高，微小的振動即可觸發(fā)報警，高靈敏度帶來的問題是一些自然現(xiàn)象可能引起誤報，比如刮風(fēng)、下雨、機器轟鳴聲引起的柵欄共振等都會引起誤報。擾動信號的識別檢測是該傳感系統(tǒng)的重要功能，報警檢測的核心在于提取出輸入信號中所有符合入侵信號特征的信號，對這類信號進行報警。對于噪聲或不具備入侵特征的信號，都應(yīng)被系統(tǒng)過濾。信號特征辨識技術(shù)，是一種模式識別技術(shù)，通過對不同輸入信號的特征進行分析，對這些信號如噪聲、入侵信號、振動信號等建立特征模板，將實時信號與模板進行比對，以確定實時信號類型。圖3是實驗室測得的強入侵、弱入侵和噪聲信號，這三類信號特征比較明顯，容易識別，因為實驗室環(huán)境噪聲很小。但在現(xiàn)場布設(shè)的系統(tǒng)中，傳感光纖覆蓋區(qū)域長，每段環(huán)境都不盡相同，在復(fù)雜環(huán)境下，這三類信號難于分辨，需要借鑒現(xiàn)有模式識別的技術(shù)對信號進行分析建模，對不同的環(huán)境采用不同的算法才能解決誤報問題。該現(xiàn)象也是多數(shù)現(xiàn)有產(chǎn)品存在的問題，給用戶留下的光纖傳感入侵系統(tǒng)誤報高的印象。

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2、噪聲控制技術(shù)
    基于相干技術(shù)的光纖傳感系統(tǒng)引入的相位噪聲的主要因素有：溫度引起的相位漂移，激光器線寬引起的相位噪聲。在傳感系統(tǒng)中，必須盡量排除這個緩變信號的影響?？梢酝ㄟ^將傳感系統(tǒng)置于溫度比較穩(wěn)定的環(huán)境中，例如地下，同時還需要加入一些補償控制措施，如通過對激光器的偏振態(tài)進行實時的調(diào)節(jié)來使信號始終處于最佳的功率狀態(tài)。由激光器的頻率抖動所引起的相位噪聲可以通過穩(wěn)定激光器的頻率來緩解，穩(wěn)定激光器的頻率一般有兩種辦法：

第一，使用電流反饋（active current feedback）來使得激光器的輸出穩(wěn)定。

第二，將光反饋（optical feedback）回激光腔中來減小激光器的線寬。

    除了相位噪聲以外，系統(tǒng)也存在加性噪聲，系統(tǒng)中主要的加性噪聲為散粒噪聲和熱噪聲，其中熱噪聲為高斯白噪聲，而散粒噪聲輸入光強相關(guān)。隨著接收機的入射光強的提高，散粒噪聲的強度也會提高，但是信號的信噪比不會因為散粒噪聲強度的提高而減小，而是與成正比的增加。

3、激光器溫度控制技術(shù)
    激光器溫度的穩(wěn)定性決定了其發(fā)射波長的穩(wěn)定程度，溫度控制可采用專用的芯片，也可以采用運算放大器構(gòu)成PID補償電路來實現(xiàn)。專用芯片集成了PID電路需要的多個運放和電路驅(qū)動模塊，通過配置外圍的阻容網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)成PID或簡單的積分電路，輸出的控制信號去控制兩個MOSFET來驅(qū)動激光器的TEC，從而實現(xiàn)自動溫度控制。但是在實際的使用過程中，容易出現(xiàn)以下問題：

    ·配置的PID結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生振蕩，使得激光器輸出也產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，這個振蕩很容易被誤檢為傳感器系統(tǒng)的信號，引起誤檢；

    ·PCB布局和設(shè)計對溫度的穩(wěn)定性和精確性影響很大，可以通過不斷的優(yōu)化設(shè)計來減少溫度控制所帶來相位噪聲影響。

4、GIS技術(shù)
    嵌入GIS系統(tǒng)可以實時在地圖中顯示入侵發(fā)生的位置信息。使用基于Windows對GIS軟件開發(fā)工具包，具有.NET開發(fā)經(jīng)驗的開發(fā)人員使用工具可以創(chuàng)建功能強大的位置增強型桌面和客戶機/服務(wù)器應(yīng)用程序。有多家公司提供GIS開發(fā)包，開發(fā)人員可使用熟悉的.NET編程語言開發(fā)應(yīng)用程序，在桌面和web部署之間共享和重用代碼，使用標準協(xié)議訪問大量數(shù)據(jù)源中的數(shù)據(jù)以及更多其它功能。

結(jié)語
    分布式光纖傳感安全防護系統(tǒng)的設(shè)計涉及光纖技術(shù)、光學(xué)原理、算法建模、電路設(shè)計、軟件設(shè)計等跨學(xué)科技術(shù)，設(shè)計該系統(tǒng)是極具挑戰(zhàn)性的工作。本文從該系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)出發(fā)，淺顯地介紹了設(shè)計中涉及的問題。（文/霍曉練 本文作者現(xiàn)任職于北京北郵國安寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司）