边海防振动光缆报警线路技术综述_吴志宏.pdf

文章编号：1005-5630(2023)02-0083-12DOI:10.3969/j.issn.1005-5630.2023.002.011 边海防振动光缆报警线路技术综述边海防振动光缆报警线路技术综述吴志宏1，李光伟1，邢姗姗1，杨沓霖2，张 辉1，王志佳1，王 超2（193209 部队，北京 100085；2复旦大学 材料科学系，上海 200433）摘要：边海防安全是国家安全的重要组成部分，分布式/准分布式振动光缆报警技术具有长距离、实时报警能力，可为我国漫长的陆地边境线与海岸线实时入侵检测与报警提供重要技术支撑。分析了散射型、干涉型、光纤光栅型以及多技术复合型振动光缆报警技术的原理、特点及缺陷，介绍了以上技术在边海防报警线路系统中的具体应用场景及敷设方式，展望了振动光缆技术在边海防应用前景和发展方向。关键词：边海防；振动光缆；报警线路中图分类号：O 439 文献标志码：A Review of vibration optic-cable alarm line technology forborder and coastal defenceWU Zhihong1，LI Guangwei1，XING Shanshan1，YANG Talin2，ZHANG Hui1，WANG Zhijia1，WANG Chao2（1.93209 Forces,Beijing 100085,China;2.Department of Material Science,Fudan University,Shanghai 200433,China）Abstract:Border and coastal defense is an important part of national security.The distributed orquasi-distributed optical fiber vibration alarm system with long-distance and real-time alarmcapability can provide important technical support for real-time intrusion event detection and alarmof the long land border and coastline of PRC.This paper focuses on different types of optical fibervibration alarm system,such as scattering,interference,fiber Bragg grating and combined types.The principle,characteristics and defects of these technologies are analyzed.As for the technologiesmentioned above,their specific application scenario and installation methods are introduced.Finally,the application prospect and development direction of optical fiber vibration alarm systemin border and coastal defense are proposed.Keywords:border and coastal defence；cable vibration；alarm line收稿日期：2022-09-26第一作者：吴志宏(1981)，男，助理研究员，研究方向为边海防信息系统与智能感知技术。E-mail：通信作者：李光伟(1963)，男，正高级工程师，研究方向为预警探测与信息系统。E-mail：第 45 卷 第 2 期光 学 仪 器Vol.45，No.22023 年 4 月OPTICAL INSTRUMENTSApril，2023引言我国边海防线漫长，边界周边形势复杂，监控管理难度大。为提高边海综合防卫管控能力，经过多年基础设施建设，我国边境沿海一线建设了一批以铁丝网、铁栅栏、拦阻桩为主的物理拦阻设施，并部分加装了振动传感光缆1、脉冲电子围栏2、张力电子围栏3等防越报警装置，实现了对重要边境线和管控区域的物理隔离与防越报警。振动光缆具有传感距离长、易于敷设、抗电磁干扰能力强、传感灵敏度高等优点，被广泛应用于周界安防领域4。本文对振动光缆报警线路技术的原理与特点进行归纳总结，并在此基础上对该技术的具体使用场景进行分析，为推进“智慧边海防”建设，构建边海防立体智能感知体系提供技术支撑。1振动光缆传感技术1.1散射型振动光缆散射型振动光缆传感技术的原理主要基于光纤中的瑞利散射现象。利用相关原理制作的光时域反射仪（OTDR）57和光频域反射仪（OFDR）813可用于实现对振动的传感监控。1.1.1 光时域反射仪OTDR 通过探测光纤中后向散射光强的变化，分析获取光纤沿途各种事件的信息，其基本结构如图 1 所示。脉冲光源环形器传感光纤光探测器信号处理器 图1OTDR 基本结构Fig.1BasicstructureofOTDR光脉冲由脉冲光源产生并注入传感光纤，沿光纤传输时会产生后向瑞利散射光。散射光经光电探测器收集并转换为电信号后，经信号处理器分析得到事件的位置信息，其表达式为x=ct02n(1)cnt0式中：为真空中的光速；为光纤的折射率；为信号强度发生变化的时刻。OTDR 仅能探测光纤中的损耗、断点、弯折等静态事件，多用于光纤质量检测，无法监测外界扰动事件5，因此难以在边海防报警线路中应用。1.1.2 偏振光时域反射仪光纤中传输光的偏振状态会受到应力、温度、电场、磁场等影响。偏振光时域反射仪（POTDR）利用窄带激光器产生光脉冲，经起偏器后注入传感光纤，通过检测后向瑞利散射光的偏振态，可以对光纤沿路进行实时监测14。POTDR 的基本结构如图 2 所示，在传统 OTDR的基础上，于传感光纤和光电探测器的前端分别引入起偏器和检偏器。脉冲光源环形器传感光纤光电探测器检偏器起偏器信号处理器 图2POTDR 基本结构Fig.2BasicstructureofPOTDR 在静态情形下，POTDR 可以用于检测光纤的偏振模色散15、偏振相关损耗16和双折射效应17。在动态情形下，利用 POTDR 对于后向瑞利散射光的偏振变化具有快速响应的特点进行振动传感，为了提高系统的响应实时性和信噪比，还可以在 POTDR 种应用数字平均降噪和小波降噪的方法18。但当传感光纤上不同两点受到干扰时，两点产生的散射光的偏振状态会互相影响，从而产生偏振叠加效应，使 POTDR 无法定位多个扰动事件14。因此，对于 POTDR 结构的多点扰动检测是当前研究的重点，目前已经可以 84 光 学 仪 器第 45 卷实现双事件检测6和对两个同频率扰动的位置区分7。偏振叠加效应使得多点扰动互相串扰，一旦系统前端出现扰动事件，则后端的光纤系统将无法进行事件检测，这使得 POTDR 系统大多停留在实验室阶段，难以在边海防报警线路中应用。1.1.3 相位光时域反射仪1993 年，Taylor 首次提出相位敏感光时域反射仪（-OTDR）的概念19。与传统 OTDR 不同，-OTDR 的光源使用窄线宽的激光器。由于光源线宽窄、相干性好，入射光在光脉冲宽度范围内产生的后向散射光会发生干涉，探测后向散射光干涉后的强度变化，可以准确识别位置信息和振动信号。-OTDR 基本结构如图 3 所示。脉冲光源环形器传感光纤光电探测器调制模组解调模组信号处理器 图3-OTDR 基本结构Fig.3Basicstructureof-OTDR 光纤中后向瑞利散射光的相位对微小的扰动和应力变化很敏感，-OTDR 系统通过对该相位变化的检测，可以实现高灵敏度的振动探测。因为传感光纤远端信噪比较低，-OTDR 仍存在着误报率高、多点定位不准确等问题。目前，对-OTDR 的研究集中于系统结构和算法的改善，从而提高信噪比，增加系统传感距离。在改善系统结构方面，研究者们在-OTDR 系统中分别引入了一阶和二阶分布式拉曼放大器20、混合分布式放大器21-22。在优化系统算法方面，研究者们将自适应双边滤波算法23、粒子群优化算法24和基于机器学习模型的多维信号检测识别算法25用于-OTDR 系统的信号去噪。除此之外，还有学者设计并搭建了一种集成-OTDR 和 BOTDR 的双参量分布式光纤传感系统，可以同时实现对温度和振动的监测26。-OTDR 可以实现对振动的长距离、高分辨率探测，因此在未来边海防报警线路中具有广阔应用前景。随着距离的增加，-OTDR 的单点采样率会大幅降低，同时在长距离的入侵探测应用中，-OTDR 对系统组成中的激光器和采集模块要求较高，成本也相应提高，一定程度上限制了其应用。1.1.4 光频域反射仪对于 OTDR 来说，空间分辨率的量级主要为米级。为了能达到毫米级的空间分辨率，研究者们开始将目光转向光频域反射仪（OFDR），其基本结构如图 4 所示。光源耦合器环形器传感光纤光电探测器频谱分析仪 图4OFDR 基本结构Fig.4BasicstructureofOFDR 目前，使用可调谐激光器，OFDR 实现了空间分辨率为毫米级的探测8。OFDR 可以实现较高的空间分辨率，但传感距离受到光源的相干长度、相位噪声和偏振状态的限制。为提高传感距离，研究者提出了相位噪声补偿9、双边带相位噪声消除10、加入光 IQ 调制器11、应用自相关算法12等方法，以及非相干 OFDR13。OFDR适用于短距离、高分辨率的振动信号监测，可应用于边海防报警线路中。1.2干涉型振动光缆传感技术Lnd干涉型振动光缆传感技术发源于 20 世纪70 年代，是目前市面上振动光缆传感的主流技术。干涉型振动光缆传感是利用光弹效应，外界物理场的变化会引起光纤的长度 、纤芯折射率、光纤直径 等物理量发生变化，从而导致传输光相位的变化，通过探测相位改变来获取扰动信息=L+L=LLL+Lnn+Ldd(2)干涉型振动光缆传感技术主要利用干涉仪将相位变化转换为光强的变化，双光束干涉时，干涉光的光强可表示为I=I1+I2+2I1I2cos(3)I1I2式中：和 分别为两束相干光的光强；为两束光的相位差。根据结构的不同，干涉仪第 2 期吴志宏，等：边海防振动光缆报警线路技术综述 85 可 分 为 Sagnac 型27-32、Mach-Zehnder 型33-36、Michelson 型3738，以及复合型39-43。1.2.1 萨格纳克（Sagnac）干涉仪Sagnac 干涉仪基本结构如图 5 所示27，光源发出的光由 3 dB 耦合器分为两束，在传感光纤环中分别沿顺时针和逆时针传播，回到耦合器时发生干涉。当环路没有受到外界扰动作用时，两个方向传输光的光程相等，干涉光的相位恒定。而当环路某一位置受到外界扰动作用时，两束光产生不同的相位变化，干涉光的相位随之发生改变，从而改变干涉光的光强，通过对光强变化的分析，可以实现对外界扰动的定位以及扰动信号的还原。目前国内已有相关基于 Sagnac 干涉仪的智能光纤安防系统投入应用28。为提升系统准确度和可靠性，研究者们进一步提出使用双波长光源29、保偏光纤30，以及双 Sagnac 环31的结构。Sagnac 结构具有互易性，无外界扰动时干涉光的相位和偏振态相同，保持稳定。在光源的选择方面，宽谱光源可以有效抑制相干噪声，提升系统性能。若扰动发生在 Sagnac 环的对称中心位置附近，则两束光会同时发生相位改变，干涉光的相位变化较小，使扰动难以被探测。为解决 Sagnac 环的对称中心检测盲区问题，研究者提出了一种直线型 Sagnac 结构32，并且相比于环状结构，直线型结构易于在实际应用中铺设，提高了实用性。扰动发生处探测器隔离器光