光纤扰动入侵检测系统的设计与实现

1、光纤扰动入侵检测系统的设计与实现光纤扰动入侵检测系统的设计与实现摘要：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

2、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。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

3、 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0130Hz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11光纤特性光纤是由折射率不同的石英材料组成的细圆柱

4、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nl,包层的折射率为n 2,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nl 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I 0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 ） = I 0 e a Z （1）其中，10 一进入光纤纤芯（Z= 0处）的初始光强；Z 一沿光纤的纵向距离；光强衰减系数。光功

5、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1 km,光强所损耗的分贝数。即：衰减率=一1 0 1 g (I/IO) d b / k m) ( 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。12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

6、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8(纤芯半径/光纤半径)2(2 / N A) 4 (3)其中，NA为光纤的数值孔径，当光从空气入射到光纤端面时，只有入

7、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。13 LED光源特性图4带通滤波器仿真电路图LE D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 X取决于半导体材料的能隙E g ,其公式为：X =hc/Ega 1 . 2 4 / E g (um)(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GaP700红GaAlAs

8、650850红至近红外GaAs900近红外 InGaAsl2001700近红外 8 5 0 nm波长的LED输出功率 通常在11 OmW范围内，波长小于8 5 0 nm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8 5 0 nm时，输出功率和波长的典型温度系数分别为0. 5%C 1和0. 3 nmC- 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、P I N光电探测器、光纤、扰动入 侵检测、报警传输接口电路等。2. 1传感电路的设计载频信号源电路的目的是为

9、增加LED的发射功率，同时在接收 端对缓变LED光电流实现检测。光电发射与接收电路由L E D光源、光纤、P I N光电探测器等三个部分组成，组成传感单 元，如图3所示。LED采用美国安捷伦（A g i 1 ent）公司 的H F B R 0 4 0 0系列低功耗、高效L ED,其型号为H F B R- 1 4 2 4 ,发射光波波长为8 5 0 n m, 1 2 5 MH z带 宽，截止频率为3 5 MH z ,输出光功率为5 01 0 0 uW。 光纤传输长度为4 km,工作温度范围为一 4 0匸8 5 C,适 合与 5 0 / 1 2 5 y m. 62 5 / 1 2 5 u m. 1

10、0 0/14 0 Mm等光纤耦合。目前光纤通信中普遍使用PIN二极管进行 光检测，将光信号转变为电流信号，但因电流信号很弱，仅有p A级，故很难将其有效地转换为伏级电压以供后继电路进行信号 处理使用；以前通常采用价格昂贵的高性能运算放大器构成放大 电路，但实验结果不很理想，且容易受到外界电磁干扰的影响； 为克服这些缺点，采用美国安捷伦公司生产的HFBR241 6,它是将PIN光检测器和前置放大器集成在一起的新型光接 插器件。HFER2 4 1 6主要特点如下：（1）将卩I N光检测 器与前置放大器集成在一起，可直接输出较大的电压信号；（2） 只需少量外部元件便可构成高性能的光接收电路，典型带宽

11、髙达 12 5MHz；（3）可用于模拟和数字光通信系统，抗干扰性能 好；（4）与日F B R 0 4 0 0系列其它产品兼容，符合国际工业 标准，适用性好；（5）具有多种封装形式，体积小、重量轻；（6） 价格便宜。其具体技术参数如表2所示。表2I1FBR2416技术参数表参数符合最小值最大值一般值单位注释电源电压Voc-O. 56. 0V输出电压Vsig-0. 5VccV输出阻抗Zo30 Q f=50MHz 响应度 RP5. 39. 67mV/ u s 波长 850, 50MII 上升/下 降时间 Tr/tf6. 33. 3nsRp=100uW,peak 脉宽失真PWD2. 50. 4nsRp

12、=100 n W, peak 带通 BW125MIIz 2 2 带通滤波 器的设计与仿真扰动信号通过放大与带通滤波器鉴别后，检测出扰动信号，并产生报警。上述电路中最主要的为带通 滤波器。调制信号经LED由电信号变为光信号，光信号经光纤 传输后，到P I N由光信号变电信号后进行放大，放大器输出频 率为1 0 0 k H z、幅度为5 0 0 mV的脉冲。实验证明扰动信 号在输出波形上表现为波形幅度的缩小，变化范围为mV量级， 由放大器的放大倍数可估算扰动造成的光通量的变化，为几十u V左右。根据人行动的特点，其运动频率应该在0 . 13 0 H z 范围内，根据上述考虑，设计了一个带通滤波器，将0. 1 H z以 下的低频滤掉，这样就将光电流与系统的缓慢漂移略去，将髙于 3 0Hz的信号滤掉，就可以滤掉载频以及电源纹波。图4为带 通滤波器仿真电路图，图5为滤波器仿真输出与输入比较图。从 图5中可以看出，采用有源带通滤波器的设计可以将频率为20 H z的模拟的扰动信号检测出来。在实际电路中根据仿真电路设 计了滤波器硬件电路，实现对一定频率的扰动信号的检测。单次 扰动信号和连续扰动信号时滤波器输出波形如图6、图7所示。 在没有扰动信号时，滤波器无输出，当有一定频率的扰动信号 时，滤波器输出脉冲信号，此信号经整形放大后可以驱动继电器 产生报警，或通过无线传