一種光纖Bragg光柵傳感智能周界圍欄報(bào)警系統(tǒng)

傳統(tǒng)的周界安防或圍欄報(bào)警系統(tǒng)：如主動(dòng)紅外對(duì)射、微波對(duì)射、泄漏電纜、振動(dòng)電纜、電子圍欄、電網(wǎng)等，雖為安全技術(shù)防范做出了一定的貢獻(xiàn)，但受一些客觀技術(shù)條件等因素所限，還存在著一定的缺陷。而利用光電技術(shù)中的新型光纖傳感技術(shù)做成的周界圍欄報(bào)警系統(tǒng)具有非常明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。本文介紹傳統(tǒng)周界圍欄報(bào)警系統(tǒng)的缺陷及光纖傳感的優(yōu)勢(shì)，光纖Bragg光柵傳感器的原理、優(yōu)點(diǎn)，基于光纖Bragg光柵傳感智能周界圍欄報(bào)警系統(tǒng)的組成及工作原理，系統(tǒng)多處侵入定位報(bào)警的解決法及其應(yīng)用與市場(chǎng)前景等。

一、光纖傳感技術(shù)與周界圍欄報(bào)警系統(tǒng)比較

　　多年來，傳統(tǒng)的周界安防或圍欄報(bào)警系統(tǒng)：如主動(dòng)紅外對(duì)射、微波對(duì)射、泄漏電纜、振動(dòng)電纜、電子圍欄、電網(wǎng)等，為安全技術(shù)防范做出了一定的貢獻(xiàn)。但是，受一些客觀技術(shù)條件等因素所限，還存在著一定的缺陷：如主動(dòng)紅外對(duì)射的圍欄報(bào)警系統(tǒng)，易受地形條件的高低、曲折、轉(zhuǎn)彎、折彎等環(huán)境限制，而且它們不適合惡劣氣候，容易受高溫、低溫、強(qiáng)光、灰塵、雨、雪、 霧、霜等自然氣候的影響，易出現(xiàn)誤報(bào)率；再如泄露電纜、振動(dòng)電纜、電子圍欄、電網(wǎng)等圍欄報(bào)警系統(tǒng)，均屬于有源的電傳感，系統(tǒng)功耗很大；且電子圍欄、電網(wǎng)等又有一定危害性；它們又易受電磁干擾、信號(hào)干擾、串?dāng)_等，而使靈敏性下降，誤報(bào)率、漏報(bào)率上升等。

　　與上述周界安防或圍欄報(bào)警系統(tǒng)相比，利用光電技術(shù)中的新型光纖傳感技術(shù)做成的周界安防或圍欄報(bào)警系統(tǒng)具有非常明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

　　(1)抗電磁干擾，電絕緣性好、安全可靠，耐腐蝕、化學(xué)性能穩(wěn)定，因而完全不受雷電影響，能在惡劣的化學(xué)環(huán)境、野外環(huán)境及強(qiáng)電磁干擾等場(chǎng)所下工作；

　　(2)體積小、重量輕，幾何形狀可塑，傳輸損耗小，傳輸容量大，具有非常好的可靠性和穩(wěn)定性；

　　(3)不僅能發(fā)現(xiàn)外界擾動(dòng)，而且可確定外界擾動(dòng)的位置，系統(tǒng)具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于擴(kuò)展與安裝容易；

　　(4)無輻射、無易燃易爆材料，既防水又環(huán)保；

　　(5)能源依賴性低，可大大節(jié)省供電設(shè)備與線路的成本，適合長(zhǎng)距離使用；

　　(6)可根據(jù)被測(cè)對(duì)象的情況選擇不同的檢測(cè)方法，再加上其對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小，所以它非常有利于在結(jié)構(gòu)檢測(cè)等具有復(fù)雜環(huán)境的領(lǐng)域中應(yīng)用等。

　　周界安防或圍欄報(bào)警系統(tǒng)，在光纖傳感技術(shù)中可利用兩種光纖傳感器來實(shí)現(xiàn)：一是利用光纖Bragg光柵分布式光纖傳感器；二是利用光纖干涉型光纖傳感器。本文討論前者，后者己另外撰文介紹。

　　近年來，光纖傳感技術(shù)中的光纖光柵是發(fā)展最為迅速、應(yīng)用最為廣泛的光纖無源器件之一。光纖光柵傳感主要優(yōu)點(diǎn)之一是便于構(gòu)成分布式傳感系統(tǒng)，而構(gòu)成分布式傳感系統(tǒng)最關(guān)鍵技術(shù)之一是復(fù)用技術(shù)，包括波分復(fù)用(WDM)、時(shí)分復(fù)用(TDM)、空分復(fù)用(SDM)及它們的組合復(fù)用技術(shù)。由于它的敏感變化參量為光的波長(zhǎng)，所以，不受光源、傳輸線路損耗等因素所引起的對(duì)光強(qiáng)度變化的干擾，并且光纖光柵具有制作簡(jiǎn)單、體積小、性能穩(wěn)定可靠、又易與系統(tǒng)及其他光纖器件連接等特點(diǎn)。若將其作為傳感部件，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量和分布式測(cè)量。

　　由于光纖布拉格(Bragg)光柵對(duì)特定波長(zhǎng)的光具有反射作用，并且其反射中心波長(zhǎng)隨著溫度、應(yīng)力等物理量的變化而變化，具有優(yōu)良的溫度和應(yīng)變響應(yīng)特性，因此它在傳感領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景。隨著光纖布拉格光柵傳感技術(shù)在測(cè)量方面的廣泛應(yīng)用，為安全技術(shù)防范系統(tǒng)的研究提供了廣闊的生機(jī)。顯然，能利用光纖布拉格光柵的應(yīng)變與溫度傳感特性制成周界安防及圍欄報(bào)警系統(tǒng)，因而對(duì)它的研究具有很大的實(shí)際意義和社會(huì)意義。

　　上面己簡(jiǎn)述了傳統(tǒng)周界圍欄報(bào)警系統(tǒng)的缺陷及光纖傳感的優(yōu)勢(shì)，下面再介紹光纖Bragg光柵傳感器的原理、優(yōu)點(diǎn)，基于光纖Bragg光柵傳感周界圍欄報(bào)警系統(tǒng)的組成及工作原理，系統(tǒng)多處侵入定位報(bào)警的解決法及其應(yīng)用與市場(chǎng)前景等。

二、光纖Bragg光柵傳感器原理

　　光纖布拉格光柵FBG(Fiber Bragg Grating）是衍射光柵概念的發(fā)展，其衍射是由光纖內(nèi)部折射率的變化實(shí)現(xiàn)的。FBG于1978年問世，它利用摻雜（如鍺、磷等）光纖的光敏性，通過紫外寫入的方法使外界入射光子和纖芯內(nèi)的摻雜粒子相互作用，導(dǎo)致纖芯折射率沿纖軸方向周期性或非周期性的永久性變化，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵，如圖1所示。圖中，光纖Bragg光柵的周期Λ一般小于1μm。

圖1、均勻周期光纖Bragg光柵結(jié)構(gòu)

　　光纖布拉格(Bragg)光柵FBG傳感的基本原理如圖2所示。

圖2、光纖布拉格(Bragg)光柵傳感原理

　　光纖布拉格(Bragg)光柵傳感的原理是，當(dāng)一束光送進(jìn)Bragg光纖光柵時(shí)，根據(jù)光柵理論，在滿足Bragg條件的情況下，就會(huì)發(fā)生全反射，其反射光譜在Bragg波長(zhǎng)處出現(xiàn)峰值。光柵受到外部物理場(chǎng)（如應(yīng)力、應(yīng)變溫度等）的作用時(shí)，其柵距Λ隨之發(fā)生變化，從而改變了后向反射光的波長(zhǎng)。根據(jù)ΔλB變化的大小就可以確定待測(cè)部位相應(yīng)物理量的變化。