光纖擾動(dòng)入侵檢測(cè)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(dòng)時(shí)光纖中光的強(qiáng)度將發(fā)生變化，因此對(duì)這種光強(qiáng)度的變化進(jìn)行檢測(cè)可以探測(cè)外界擾動(dòng)的入侵。對(duì)功能型光強(qiáng)調(diào)制的檢測(cè)一般利用特殊光纖對(duì)某些物理特性敏感而達(dá)到測(cè)量的目的，但光纖結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。對(duì)光纖擾動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了論述，提出了采用一般的多模光纖，針對(duì)不同入侵對(duì)象擾動(dòng)信號(hào)頻率的不同，利用帶通濾波電路實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的方法。并對(duì)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(dòng)信號(hào)的入侵檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：光纖 擾動(dòng) 入侵檢測(cè) 帶通放大器

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光纖傳感包含對(duì)外界信號(hào)（被測(cè)量）的感知和傳輸兩種功能。所謂感知（或敏感），是指外界信號(hào)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(zhǎng)、頻率、相位和偏振態(tài)等）發(fā)生變化后，測(cè)量光參量的變化。這種“感知”實(shí)質(zhì)上是外界信號(hào)對(duì)光纖中傳播的光波實(shí)施調(diào)制。根據(jù)被外界信號(hào)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(zhǎng)調(diào)制以及光相位和偏振調(diào)制等五種類型。外界擾動(dòng)（如振動(dòng)、彎曲、擠壓等情況）對(duì)光纖中光通量的影響屬于功能型光強(qiáng)調(diào)制。對(duì)微彎曲的檢測(cè)一般采用周期微彎?rùn)z測(cè)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(cè)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(dòng)入侵檢測(cè)的目的是檢測(cè)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(duì)象（如人、風(fēng)等）的擾動(dòng)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(dòng)信號(hào)的調(diào)制頻率，有效實(shí)現(xiàn)入侵檢測(cè)的方法。根據(jù)對(duì)入侵對(duì)象及入侵頻率的分析，對(duì)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(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，將該入侵檢測(cè)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(cè)對(duì)象上，能夠有效地檢測(cè)入侵、篡改、替換等非授權(quán)活動(dòng)。

１ 擾動(dòng)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(hào)）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(duì)折射率、數(shù)值孔徑Ｎ·Ａ、衰減、模式（單模、多模）等。對(duì)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(dòng)入侵檢測(cè)主要是利用不同外界擾動(dòng)對(duì)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(cè)擾動(dòng)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(huì)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(dòng)入侵檢測(cè)主要是利用這些耗損對(duì)光的衰減來探測(cè)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(huì)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(zhǎng)、線寬、輸出功率、光纖耦合等。ＬＥＤ的中心發(fā)射波長(zhǎng)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(zhǎng)的５％量極，因?yàn)樵鲆娴倪x擇性會(huì)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(zhǎng)/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(zhǎng)的ＬＥＤ輸出功率通常在１～１０ｍＷ范圍內(nèi)，波長(zhǎng)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(zhǎng)都隨溫度變化，在８５０ｎｍ時(shí)，輸出功率和波長(zhǎng)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(duì)于光纖擾動(dòng)入侵檢測(cè)是需要考慮的因素。

２ 硬件技術(shù)方案

光纖擾動(dòng)入侵檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖如圖２所示。系統(tǒng)主要包括：載頻信號(hào)源電路、ＬＥＤ光源、ＰＩＮ光電探測(cè)器、光纖、擾動(dòng)入侵檢測(cè)、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(hào)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(duì)緩變ＬＥＤ光電流實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。光電發(fā)射與接收電路由ＬＥＤ光源、光纖、ＰＩＮ光電探測(cè)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(guó)安捷倫(Ａｇｉｌｅｎｔ)公司的ＨＦＢＲ０４００系列低功耗、高效ＬＥＤ，其型號(hào)為ＨＦＢＲ－１４２４，發(fā)射光波波長(zhǎng)為８５０ｎｍ，１２５ＭＨｚ帶寬，截止頻率為３５ＭＨｚ，輸出光功率為５０～１００μＷ。光纖傳輸長(zhǎng)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(cè)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)，但因電流信號(hào)很弱，僅有ｐＡ級(jí)，故很難將其有效地轉(zhuǎn)換為伏級(jí)電壓以供后繼電路進(jìn)行信號(hào)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(guó)安捷倫公司生產(chǎn)的ＨＦＢＲ２４１６，它是將ＰＩＮ光檢測(cè)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(cè)器與前置放大器集成在一起，可直接輸出較大的電壓信號(hào)；(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(guó)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(zhǎng)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(dòng)信號(hào)通過放大與帶通濾波器鑒別后，檢測(cè)出擾動(dòng)信號(hào)，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(hào)經(jīng)ＬＥＤ由電信號(hào)變?yōu)楣庑盘?hào)，光信號(hào)經(jīng)光纖傳輸后，到ＰＩＮ由光信號(hào)變電信號(hào)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(dòng)信號(hào)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(jí)，由放大器的放大倍數(shù)可估算擾動(dòng)造成的光通量的變化，為幾十μＶ左右。根據(jù)人行動(dòng)的特點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)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(hào)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(dòng)信號(hào)檢測(cè)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(duì)一定頻率的擾動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)。單次擾動(dòng)信號(hào)和連續(xù)擾動(dòng)信號(hào)時(shí)濾波器輸出波形如圖６、圖７所示。在沒有擾動(dòng)信號(hào)時(shí)，濾波器無輸出，當(dāng)有一定頻率的擾動(dòng)信號(hào)時(shí)，濾波器輸出脈沖信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)整形放大后可以驅(qū)動(dòng)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(duì)光纖擾動(dòng)入侵檢測(cè)技術(shù)的研究中，對(duì)光纖擾動(dòng)信號(hào)的機(jī)理進(jìn)行了研究，對(duì)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(duì)前端載頻信號(hào)源電路以及后續(xù)擾動(dòng)信號(hào)放大電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用帶通濾波的方法對(duì)檢測(cè)電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)與電路仿真，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)擾動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)。