干涉型分布式光纤振动传感周界安防监测系统研究_张天翔.pdf

第 39 卷第 1 期2023 年 2月上海电力大学学报JournalofShanghaiUniversityofElectricPowerVol39，No 1Feb2023DOI:10 3969/j issn 2096 8299 2023 01 016收稿日期:2022-03-04通信作者简介:张红娟(1974)，女，博士，教授。主要研究方向为电气节能技术、电气测试技术和新型电力电子技术。E-mail:zhanghongjuan tyut edu cn。基金项目:山西省重点研发计划项目(201803D121071)。干涉型分布式光纤振动传感周界安防监测系统研究张天翔a，张红娟a，高妍a，王宇b，靳宝全b(太原理工大学 a 电气与动力工程学院;b 新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室，山西 太原030024)摘要:针对长距离、大范围周界安防的需求，设计了复合干涉型分布式光纤振动传感周界安防系统。研究了光纤干涉方式实现振动传感的机理，为克服传统干涉结构两路传感光纤需等长且相互隔离的问题，提出采用Sagnac 与 Mach-Zehnder 复合光路结构，通过测量干涉光强的变化还原调制光信号中的振动信号，实现对入侵行为的感知。实验结果证明，本系统的频率响应范围在 100 Hz 20 kHz，可良好还原外界振动信号，在 20 km的测试距离内，可灵敏感知外界扰动。关键词:光纤传感;周界安防;分布式光纤振动传感;振动检测;嵌入式系统中图分类号:TP212文献标志码:A文章编号:2096 8299(2023)01 0098 06esearch on Interferometric Distributed Optical FiberPerimeter Security Monitoring SystemZHANG Tianxianga，ZHANG Hongjuana，GAO Yana，WANG Yub，JIN Baoquanb(a College of Electrical and Power Engineering;b Key Laboratory of Advanced Transducers andIntelligent Control System，Ministry of Education and Shanxi Province，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，Shanxi030024，China)Abstract:In order to meet the needs of long distance and wide range perimeter security，a com-posite interference distributed fiber optic vibration sensor perimeter security system is designed Themechanism of realizing vibration sensing by optical fiber interferometry is studied In order to over-come the problem that two sensing fibers of traditional interference structure need equal length andare isolated from each other，a Sagnac and Mach-Zehnder composite optical path structure is pro-posed to restore the vibration signal modulated in the phase of light by measuring the change of in-terference light intensity，so as to realize the perception of intrusion behavior Experimental resultsshow that the frequency response range of the system is 100 Hz 20 kHz，which can well restorethe external vibration signal，and can sensitively sense the external disturbance within the test dis-tance of 20 kmKey words:optical fiber sensing;perimeter security;distributed optical fiber sensing;vibrationdetection;embedded systems张天翔，等:干涉型分布式光纤周界安防监测系统研究随着社会经济的发展，各领域对安防预警的需求逐渐提高，发电站、军事基地、机场、铁路、油田等重要场站加大了对安防的资金和技术投入 1。周界安防作为最前端防线，对于阻挡、发现入侵至关重要。其要求支持不规则地形安装，可围网部署，系统维护简便，可实时监测入侵行为等 2。组织专业人员进行巡逻防范的人防，以及采用防护设施和警示标志等实体物理防范的物防，面对长距离、大范围的场站周界，难以实时监测整个周界是否出现入侵事件。该问题给场站安全带来了极大的隐患 3。因此，满足长距离、大范围周界安防的需求，实时监测非法入侵事件，实现实时安全报警具有重要意义。目前，场站周界安防的技术防范手段主要有红外对射、电子围栏、视频监控等 4。红外对射虽设备小巧、价格低廉但误报率高，对不规则周界环境设置有难度 5。电子围栏误报率较低，有较强的威慑作用，但安装复杂，不易维护，且可能造成人身伤害 6。视频监控技术应用广泛、发展成熟，且现已实现智能视频监控，但存在监控死角，在能见度较低的天气环境下效果不佳，仍需其他手段进行补足 7。光纤传感技术作为新兴的传感技术，具有检测距离长、抗电磁干扰能力强、施工维护简便等优点，并且能够实现对异常情况的及时报警，适用于周界安防8。目前，光纤传感技术已逐步在周界安防领域得到应用，如光时域反射计9-10、布拉格光栅11、Mach-Zehnder 干涉仪12-13。其中，干涉型分布式光纤传感通过构造干涉仪进行振动信号的解调还原，因灵敏度高、成本低廉、结构简单得到了广泛关注。但传统干涉结构的两路传感光纤需等长且相互隔离，为安装铺设带来了困难。因此，本文采用 Sagnac 与 Mach-Zehnder 复合干涉光路作为光纤振动传感器，设计了一种以单根传感光纤作为振动传感元件，便于布置安装的周界安防系统，实现了对安防区域的实时非法入侵检测。本系统将光缆铺设于安防区域护栏，搭建干涉型光纤振动传感光路，感知攀爬、破坏围栏等入侵行为的振动信号，并进行无源传输;通过硬件电路解调、还原调制光信号中的振动信号，并采集、传输该信号至上位机。采用 16 位模数转换进行高精度采样，并利用可变静态存储控制器(Flexible Static Memory Controller，FSMC)、直接存储器访问(Direct Memory Access，DMA)传输方式结合 USB2 0 通讯方式实现数据的高效传输，通过实验检验了系统的频率响应能力、信号还原能力和对信号突变的响应能力，从而验证了该系统对非法入侵的良好响应能力。1系统传感原理干涉型分布式光纤传感根据干涉仪光路结构的不同分为 Sagnac，Mach-Zehnder，Michelson 结构14。本文以 Sagnac 和 Mach-Zehnder 的复合光路结构搭建了光纤传感系统。该系统由光源、光隔离器、2 2 耦合器、延迟光纤、2 1 耦合器、传感光纤、法拉第旋转镜构成，如图 1 所示。图 1探测光路结构图 1 中，光源使用放大自发辐射(AmplifiedSpontaneous Emission，ASE)宽带光源，用于输出探测光;光隔离器对反射光进行隔离，以避免反射光对光源造成不良影响;延迟光纤用于保证系统中仅存在一对光路中的探测光能进行干涉;法拉第旋转镜不仅用于反射探测光，同时对传感光纤双折射引起的偏振诱导信号衰落进行补偿15。该光纤传感结构中共存在 4 条光路:光路 1，ABDEFEDCA;光 路 2，ACDEFEDBA;光 路 3，ABDEFEDBA;光路 4，ACDEFEDCA。其中光路 1 和光路 2 的光程相同，能够进行干涉。其他任意光路组合由于光程差大于最大相干长度，均无法发生干涉，因此系统的探测光路为光路 1 和光路 2。当无外界振动发生时，探测光经过长度为 L的传感光纤，相位 为=2n0L=L(1)式中:n 纤芯的折射率;0 真空中的波长;光纤中的传播系数。当外界振动产生时，振动作用于光纤将改变光纤长度、纤芯折射率、芯径，对探测光相位造成调制作用，即应变效应、光弹效应、泊松效应。其表达式为99上海电力大学学报2022 年=LLL+L()nn+L()dd(2)式中:相位变化量;L 光纤长度变化量;n 折射率变化量;d 纤芯直径变化量。式(2)右侧 3 项从左到右依次为应变效应、光弹效应、泊松效应所引起的相位延迟。由干涉原理可知，探测光相位变化将改变干涉后的光强，光路 1 和光路 2 中探测光的光强 I1和 I2分别为I1=A1exp j t+(t 1)+(t 2)+1(3)I2=A2exp j t+(t 3)+(t 4)+2(4)式中:A1、A2 光路 1 和光路 2 的振幅;光波角频率;t 时间;1、2 光路 1 和光路 2 的初始相位;1、2 光路 1 中探测光先后经过振动位置经历的时间;3、4 光路 2 中探测光先后经过振动位置经历的时间。根据 Sagnac 效应，两束光干涉后在光电探测器处的光强 I 为I (I1+I2)(I1+I2)*=12A02 1+cos(+B)(5)式中:A0=A1=A2;其他信号引起的非互易相移常数;B=(t 1)+(t 2)(t 3)(t 4)。由此可知，当入侵行为直接作用或通过围栏、土壤间接作用于光纤时，通过光电探测器对干涉光光强的检测即可实现对区域周界入侵行为的检测。2系统框架及设计本文设计的干涉型分布式光纤周界安防系统结构如图 2 所示。光电探测器将 2 2 耦合器输入的受外界振动调制后的干涉光转换为电流信号，并经内部跨阻放大电路将微弱的电流信号放大变换成电压信号，再由高速数据采集电路采集该信号并上传至上位机。图 2干涉型分布式光纤周界安防系统结构分布式光纤传感系统数据量大，因此为了实时在线监测，确保数据的高速采集与传输十分重要。本文采用 STM32 结合 USB2 0 构建数据采集模块，以实现数据的高效采集。其中，STM32作为数据采集模块的控制处理单元，通过高级定时器输出 PWM 控制模数转换芯片 AD7606 的转换频率，进行信号数据采集。本系统的信号采集传输控制示意图如图 3 所示。图 3信号采集传输控制示意001张天翔，等:干涉型分布式光纤周界安防监测系统研究FSMC 能够适用于各种不同类型存储器数据的交换。本系统采用了用于访问静态随机存取存储器的存储区 Bank，同时利用两个子 Bank 的独立片选控制从 AD7606 读取数据，并向通讯芯片 FT2232 的先入先出缓存区写入数据。为确保子 Bank 之间的数据高效传输，应用 DMA 传输方式进行数据交换。DMA 传输方式可直接介入控制传输，无需微控制单元，大大提高了数据传输效率。系统使用USB20 通信方式，数据传输速率可达480 Mb/s，从而应对光纤传感所采集的大量数据，实现实时监测。3实验分析在实验室条件下，采用 ASE 宽带光源、光隔离器、2 2 光耦合器、2 1 光耦合器、法拉第旋转镜以及单模光纤搭建周界安防传感光路。ASE 宽带光源波长范围为1 5276 1 5648