光纖擾動入侵檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：光纖中通過一定的幅值恒定的光，外界擾動時(shí)光纖中光的強(qiáng)度將發(fā)生變化，因此對這種光強(qiáng)度的變化進(jìn)行檢測可以探測外界擾動的入侵。對功能型光強(qiáng)調(diào)制的檢測一般利用特殊光纖對某些物理特性敏感而達(dá)到測量的目的，但光纖結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。對光纖擾動機(jī)理進(jìn)行了論述，提出了采用一般的多模光纖，針對不同入侵對象擾動信號頻率的不同，利用帶通濾波電路實(shí)現(xiàn)檢測的方法。并對帶通放大器技術(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真，實(shí)現(xiàn)了擾動信號的入侵檢測。

關(guān)鍵詞：光纖 擾動 入侵檢測 帶通放大器

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/201710/368675.htm

光纖傳感包含對外界信號（被測量）的感知和傳輸兩種功能。所謂感知（或敏感），是指外界信號按照其變化規(guī)律使光纖中傳輸?shù)墓獠ǖ奈锢硖卣鲄⒘浚ㄈ鐝?qiáng)度、波長、頻率、相位和偏振態(tài)等）發(fā)生變化后，測量光參量的變化。這種“感知”實(shí)質(zhì)上是外界信號對光纖中傳播的光波實(shí)施調(diào)制。根據(jù)被外界信號調(diào)制的光波的物理特征參量的變化情況，可以將光波的調(diào)制分為光強(qiáng)度調(diào)制、光頻率調(diào)制、光波長調(diào)制以及光相位和偏振調(diào)制等五種類型。外界擾動（如振動、彎曲、擠壓等情況）對光纖中光通量的影響屬于功能型光強(qiáng)調(diào)制。對微彎曲的檢測一般采用周期微彎檢測方法，需要借用傳感板人為地使光纖周期性彎曲，從而使光強(qiáng)得到調(diào)制，一般用來檢測微小位移，可以作成工業(yè)壓力傳感器，其精度較高，設(shè)計(jì)也比較復(fù)雜。而光纖擾動入侵檢測的目的是檢測入侵，不需要很高的精度，因?yàn)楦呔确炊菀桩a(chǎn)生誤報(bào)警，因此不能采用上述方法。本文提出一種利用不同入侵對象（如人、風(fēng)等）的擾動調(diào)制頻率的范圍不同，采用一般多模光纖，在后續(xù)電路采用帶通濾波器進(jìn)行帶通放大，濾出入侵?jǐn)_動信號的調(diào)制頻率，有效實(shí)現(xiàn)入侵檢測的方法。根據(jù)對入侵對象及入侵頻率的分析，對０．１～３０Ｈｚ的帶通濾波器電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真，有效濾除了電源紋波、溫度漂移的影響，并設(shè)計(jì)了擾動檢測系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，將該入侵檢測系統(tǒng)安裝在某區(qū)域外圍或特殊物體上，如籬笆或需檢測對象上，能夠有效地檢測入侵、篡改、替換等非授權(quán)活動。

１ 擾動原理

１．１ 光纖特性

光纖是由折射率不同的石英材料組成的細(xì)圓柱體。圓柱體的內(nèi)層稱為纖芯，外層稱為包層，光線（或光信號）在纖芯內(nèi)進(jìn)行傳輸。設(shè)纖芯的折射率為ｎ１，包層的折射率為ｎ２，要使光線只在纖芯內(nèi)傳輸而不致通過包層逸出，必須在纖芯與包層的界面處形成全反射的條件，即滿足ｎ１＞ｎ２。

光纖除了折射率參數(shù)外還有其它參數(shù)，如相對折射率、數(shù)值孔徑Ｎ·Ａ、衰減、模式（單模、多模）等。對于本系統(tǒng)，衰減參數(shù)比較重要，在光纖中峰值強(qiáng)度（光功率）為Ｉ０的光脈沖從左端注入光纖纖芯，光沿著光纖傳播時(shí)，其強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律遞減，即：

Ｉ（ｚ）＝Ｉ０ｅ－αＺ (1)

其中,Ｉ０——進(jìn)入光纖纖芯(Ｚ＝０處)的初始光強(qiáng)；

Ｚ——沿光纖的縱向距離；

α——光強(qiáng)衰減系數(shù)。

光功率在光纖的衰減情況如圖１所示。光纖衰減率的定義為：光在光纖中每傳播１ｋｍ，光強(qiáng)所損耗的分貝數(shù)。即：

衰減率＝－１０ｌｇ(I/I0)ｄｂ／ｋｍ) (２)

光纖的衰減率只與衰減系數(shù)有關(guān)，引起光衰減的原因很多，如材料的吸收、彎曲損耗和散射損耗等，光纖擾動入侵檢測主要是利用不同外界擾動對光纖的微擾損耗而產(chǎn)生的不同強(qiáng)度調(diào)制頻率來探測擾動入侵的。

１．２ 微擾損耗

光纖中的微擾損耗是指由光纖的幾何不均勻性引起的損耗，其中包括由內(nèi)部因素和外部干擾引起的不均勻性，如宏觀結(jié)構(gòu)上折射率和直徑的不均勻性、微彎曲等。根據(jù)光纖傳輸理論，這種不均勻性引起的損耗或以散射形式出現(xiàn)，或以模式耦合的形式出現(xiàn)。模式耦合是指光纖的傳導(dǎo)模之間、傳導(dǎo)模與輻射模之間的能量交換或能量傳遞。這就意味著通過光纖的光會受到衰減。一般情況下，制造和使用光纖時(shí)要減小和避免這些損耗，但是光纖擾動入侵檢測主要是利用這些耗損對光的衰減來探測入侵的存在，因此研究這些耗損，特別是微彎損耗是比較重要的。微彎損耗是由模式間的機(jī)械感應(yīng)耦合引起的。光纖中的傳導(dǎo)模變換成包層模，并從纖芯中消失。當(dāng)沿光纖的機(jī)械微擾的空間周期與光纖內(nèi)相鄰的模式的波數(shù)差一致時(shí)，這種損耗就增加。近似的實(shí)驗(yàn)關(guān)系如下：

光纖微彎曲損耗∝(纖芯半徑／光纖半徑)２·(２／Ｎ·Ａ)４ (３)

其中，Ｎ·Ａ為光纖的數(shù)值孔徑，當(dāng)光從空氣入射到光纖端面時(shí)，只有入射方向處于某一光錐內(nèi)的光線在進(jìn)入光纖之后才能留在纖芯內(nèi)，而從光錐外入射的光線即使進(jìn)入光纖，也會從包層逸出。這個(gè)光錐半角的正弦稱為光纖的數(shù)值孔徑。

１．３ ＬＥＤ光源特性

圖4 帶通濾波器仿真電路圖

ＬＥＤ光源的光學(xué)特性主要有波長、線寬、輸出功率、光纖耦合等。ＬＥＤ的中心發(fā)射波長λ取決于半導(dǎo)體材料的能隙Ｅｇ，其公式為：

λ＝hc/Eg≈１.２４／Ｅｇ(μｍ) (４)

其中?熏ｈ為普朗克常數(shù)，ｃ為光速。ＬＥＤ的線寬一般為其中心波長的５％量極，因?yàn)樵鲆娴倪x擇性會使線寬變窄。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	發(fā)射波長/nm	光 譜
GaP	700	紅
GaAlAs	650～850	紅至近紅外
GaAs	900	近紅外
InGaAs	1200～1700	近紅外

８５０ｎｍ波長的ＬＥＤ輸出功率通常在１～１０ｍＷ范圍內(nèi)，波長小于８５０ｎｍ的器件，其可用功率顯著減小。所有ＬＥＤ的輸出功率及波長都隨溫度變化，在８５０ｎｍ時(shí)，輸出功率和波長的典型溫度系數(shù)分別為０．５％Ｃ－１和０．３ｎｍＣ－１，因此熱穩(wěn)定度對于光纖擾動入侵檢測是需要考慮的因素。

２ 硬件技術(shù)方案

光纖擾動入侵檢測系統(tǒng)原理框圖如圖２所示。系統(tǒng)主要包括：載頻信號源電路、ＬＥＤ光源、ＰＩＮ光電探測器、光纖、擾動入侵檢測、報(bào)警傳輸接口電路等。

２．１ 傳感電路的設(shè)計(jì)

載頻信號源電路的目的是為增加ＬＥＤ的發(fā)射功率，同時(shí)在接收端對緩變ＬＥＤ光電流實(shí)現(xiàn)檢測。光電發(fā)射與接收電路由ＬＥＤ光源、光纖、ＰＩＮ光電探測器等三個(gè)部分組成，組成傳感單元，如圖３所示。ＬＥＤ采用美國安捷倫(Ａｇｉｌｅｎｔ)公司的ＨＦＢＲ０４００系列低功耗、高效ＬＥＤ，其型號為ＨＦＢＲ－１４２４，發(fā)射光波波長為８５０ｎｍ，１２５ＭＨｚ帶寬，截止頻率為３５ＭＨｚ，輸出光功率為５０～１００μＷ。光纖傳輸長度為４ｋｍ，工作溫度范圍為－４０℃～８５℃，適合與５０／１２５μｍ、６２．５／１２５μｍ、１００／１４０μｍ等光纖耦合。目前光纖通信中普遍使用ＰＩＮ二極管進(jìn)行光檢測，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘枺螂娏餍盘柡苋?，僅有ｐＡ級，故很難將其有效地轉(zhuǎn)換為伏級電壓以供后繼電路進(jìn)行信號處理使用；以前通常采用價(jià)格昂貴的高性能運(yùn)算放大器構(gòu)成放大電路，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果不很理想，且容易受到外界電磁干擾的影響；為克服這些缺點(diǎn)，采用美國安捷倫公司生產(chǎn)的ＨＦＢＲ２４１６，它是將ＰＩＮ光檢測器和前置放大器集成在一起的新型光接插器件。ＨＦＢＲ２４１６主要特點(diǎn)如下：(１)將ＰＩＮ光檢測器與前置放大器集成在一起，可直接輸出較大的電壓信號；(２)只需少量外部元件便可構(gòu)成高性能的光接收電路，典型帶寬高達(dá)１２５ＭＨｚ；(３)可用于模擬和數(shù)字光通信系統(tǒng)，抗干擾性能好；(４)與ＨＦＢＲ０４００系列其它產(chǎn)品兼容，符合國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，適用性好；(５)具有多種封裝形式，體積小、重量輕；(６)價(jià)格便宜。其具體技術(shù)參數(shù)如表２所示。

表2 HFBR2416技術(shù)參數(shù)表

參 數(shù)	符 合	最小值	最大值	一般值	單 位	注 釋
電源電壓	Voc	-0.5	6.0		V
輸出電壓	Vsig	-0.5	Vcc		V
輸出阻抗	Zo			30	Ω	f=50MHz
響應(yīng)度	RP	5.3	9.6	7	mV/μs	波長850，50MH
上升/下降時(shí)間	Tr/tf		6.3	3.3	ns	Rp=100μW,peak
脈寬失真	PWD		2.5	0.4	ns	Rp=100μW,peak
帶通	BW			125	MHz

２．２ 帶通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真

擾動信號通過放大與帶通濾波器鑒別后，檢測出擾動信號，并產(chǎn)生報(bào)警。上述電路中最主要的為帶通濾波器。調(diào)制信號經(jīng)ＬＥＤ由電信號變?yōu)楣庑盘枺庑盘柦?jīng)光纖傳輸后，到ＰＩＮ由光信號變電信號后進(jìn)行放大，放大器輸出頻率為１００ｋＨｚ、幅度為５００ｍＶ的脈沖。實(shí)驗(yàn)證明擾動信號在輸出波形上表現(xiàn)為波形幅度的縮小，變化范圍為ｍＶ量級，由放大器的放大倍數(shù)可估算擾動造成的光通量的變化，為幾十μＶ左右。根據(jù)人行動的特點(diǎn)，其運(yùn)動頻率應(yīng)該在０.１～３０Ｈｚ范圍內(nèi)，根據(jù)上述考慮，設(shè)計(jì)了一個(gè)帶通濾波器，將０.１Ｈｚ以下的低頻濾掉，這樣就將光電流與系統(tǒng)的緩慢漂移略去，將高于３０Ｈｚ的信號濾掉，就可以濾掉載頻以及電源紋波。圖４為帶通濾波器仿真電路圖，圖５為濾波器仿真輸出與輸入比較圖。從圖５中可以看出，采用有源帶通濾波器的設(shè)計(jì)可以將頻率為２０Ｈｚ的模擬的擾動信號檢測出來。在實(shí)際電路中根據(jù)仿真電路設(shè)計(jì)了濾波器硬件電路，實(shí)現(xiàn)對一定頻率的擾動信號的檢測。單次擾動信號和連續(xù)擾動信號時(shí)濾波器輸出波形如圖６、圖７所示。在沒有擾動信號時(shí)，濾波器無輸出，當(dāng)有一定頻率的擾動信號時(shí)，濾波器輸出脈沖信號，此信號經(jīng)整形放大后可以驅(qū)動繼電器產(chǎn)生報(bào)警，或通過無線傳輸?shù)竭h(yuǎn)端做進(jìn)一步處理。

在對光纖擾動入侵檢測技術(shù)的研究中，對光纖擾動信號的機(jī)理進(jìn)行了研究，對ＬＥＤ和光纖特性以及微擾損耗等進(jìn)行了理論研究，并采用Ａｇｉｌｅｎｔ公司的光電器件ＨＦＢＲ－１４２４與ＨＦＢＲ－２４１６以及多模光纖設(shè)計(jì)了光纖傳感系統(tǒng)，同時(shí)對前端載頻信號源電路以及后續(xù)擾動信號放大電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用帶通濾波的方法對檢測電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)與電路仿真，成功地實(shí)現(xiàn)了對擾動信號的檢測。