葉雯

（公安海警學院 電子技術系，浙江 寧波 315801）

基于分布式光纖傳感技術的邊境遠程監(jiān)控系統(tǒng)

葉雯

（公安海警學院 電子技術系，浙江 寧波 315801）

本文研制了一種適用于邊境安全監(jiān)控，具有實時、多點、長距離遠程監(jiān)控能力的分布式光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以廣泛應用于我國廣闊的陸地和海洋邊境線上，對我國邊境安防管理的發(fā)展具有極為重要的意義。

分布式光纖傳感；邊境監(jiān)控；瑞利散射

自從20世紀80年代低損耗光纖問世以來，光纖傳感技術一直處于傳感技術發(fā)展的前沿，與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器具有抗電磁干擾、耐腐蝕、質量輕、體積小、靈敏度高、易組成光纖傳感網絡等優(yōu)點，被廣泛應用于航空、航天、航海、石油化工、電力、核工業(yè)、土木工程、生物醫(yī)藥等領域。而其中的分布式光纖傳感器近年來得到了廣泛的關注，是光纖傳感技術的一個重要研究方向。[1-4]

中國是一個大國，與14個國家接壤，中國陸地邊境線長2.2萬余公里，大陸海岸線長1.8萬多公里，邊境線跨越大、距離長，給國家安全造成了極大的挑戰(zhàn)，而中國的邊境情況一直是不安定的?，F(xiàn)在我國的邊境線安防的基本情況是：過度依賴人力防護，雖然也對技術防護有了一定認識和投入，但卻非常忽視實體防護的作用，導致國家的邊境線許多實體防護設施落后陳舊，防護手段單一，易于突破。僅僅依靠人防來進行防御，對人的依賴性太高，所以在對邊境線安防系統(tǒng)的設計上，要把物防(實體防護)、技防(技術防范)和人防(人力防范)結合在一起。

本文講述了一種基于分布式光纖傳感技術的邊境遠程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)24小時無人值守自動監(jiān)控，在有目標侵入等異常狀態(tài)出現(xiàn)時，立即給出報警信號；并且具有同時識別多個目標同時在不同位置出現(xiàn)的功能，給出眾目標各自所對應的位置信息；通過配置相應的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可以在分布式光纖傳感系統(tǒng)給出報警信號后，自動迅速啟動針對該位置的詳細視頻監(jiān)控和攝錄；根據(jù)相關預警信號和視頻攝錄，可以針對性地派出人員，處理所發(fā)生的事件，這樣可以極大地提高邊境守衛(wèi)人員的工作效率，增強邊境監(jiān)控的有效性，消除監(jiān)控盲區(qū)。

1 分布式光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

作為一種干涉系統(tǒng)，分布式光纖振動傳感器通過檢測光纖不同位置的瑞利散射信號的光相位變化來檢測入侵信號，因此具有極高的檢測靈敏度。光纖傳感器整個系統(tǒng)的基本框架如圖1所示，包括信號發(fā)射端、信號接收端、信號處理單元和傳感光纖等四個部分。其中信號發(fā)射端、信號接收端和信號處理與控制單元三個部分可以集成為一個整體，工作時放置于用戶端，傳感光纖則是一根距離最長可達到50km的普通光纜，用于感知外界的振動信號。

圖1 分布式光纖振動傳感器原理結構圖

光纖傳感器系統(tǒng)工作時，由脈沖信號發(fā)射單元按一定頻率發(fā)出一個經放大后的窄頻光脈沖，脈沖寬度在10-100ns之間，該脈沖經由光環(huán)形器后沿著傳感光纖向外傳輸；由于光纖材料內部的瑞利散射（導致光纖損耗的主要原因），沿著光纖各個不同位置都會產生一個背向的散射信號，其光波長與發(fā)射的脈沖光相同；背向的散射光經由光環(huán)形器進入脈沖信號接收單元，并得到濾波和放大處理；在此基礎上，隨時間變化的背向散射光信號（實際上代表了沿著光纖不同位置處產生的散射信號）在信號處理與控制單元被轉換為隨時間變化的電信號波形，經高速模擬/數(shù)字轉換采樣后，可以由軟件進行自動分析。由此，完成一個脈沖信號的發(fā)射、傳輸、接收和轉換過程周期。脈沖的頻率根據(jù)系統(tǒng)要求設定，其最高頻率受限于傳感光纖的鋪設長度，脈沖周期應大于光脈沖在光纖中的來回渡越時間。根據(jù)傳感光纖的總長度，可以確定下一個脈沖的發(fā)射時間，例如，對于10km的光纖長度，光纖發(fā)射和經過的光纖總長度為20km，對應的來回傳輸時間為10-4S，因此脈沖間隔必須大于10-4S，以使得兩個脈沖信號之間無干擾。這樣脈沖的最高頻率可以設定為10kHz。如果光纖長度擴展為50km，對應的來回時間為5x10-4S，因此脈沖的最高頻率可以設定為2kHz。根據(jù)系列脈沖的回波信號，可以實時地處理、分析不同位置散射信號隨時間的變化特征，并由此獲得外界的振動信息。顯然，回波的時間對應于所鋪設光纖的位置，因此，從回波信號的時間序列中，就可以準確地獲得振動源的位置信息，并且適用于沿著光纖的多個振動源的同時擾動。

由于系統(tǒng)可以獲得沿著光纖鋪設路線各個位置點的高頻振動信號（對應10km光纖長度為10KHz，對應50km長度為2kHz），因此有能力根據(jù)振動特征和強度來判斷振動源的種類。圖2表示的是分布式光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)檢測到的進入系統(tǒng)監(jiān)測區(qū)域的人員步行振動波形圖。不同的振動源（人、動物、車輛）由于其振動頻率和強度不同，檢測到的振動波形圖也不相同，我們根據(jù)不同的波形，可以判別不同的振動源，進而區(qū)分入侵源是人、動物還是車輛。

圖2 系統(tǒng)檢測到的人員步行振動波形圖

2 分布式光纖傳感器的精細配置

分布式光纖振動傳感器原理上雖然比較簡單，但為了獲得高的性能，包括實時性、大工作距離、高定位精度，其系統(tǒng)的架構必須精細配置。這主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1.脈沖發(fā)射單元必須是一個工作波長在1550nm波段的單頻激光源，經脈沖調制后，所發(fā)射脈沖必須進行功率放大，使能獲得一個足夠強的脈沖回波信號，以滿足脈沖接收單元的處理所需。其信號強度應該覆蓋光纖最遠端，并使其產生的瑞利散射能具有足夠的信噪比。2.脈沖接收單元必須是一個包含光濾波和光放大的高靈敏度光信號接收系統(tǒng)?？梢越邮昭刂饫w產生的瑞利回波信號。放大單元可以提升接收回波信號的光功率，光濾波器件可以使得放大過程中產生的非發(fā)射波段干擾（如摻鉺光纖放大器中的放大的自發(fā)輻射熒光ASE）得以去除。3.信號處理與控制單元將隨時間高速變化的光信號轉換成隨時間高速變化的電信號，并由高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將之采樣收集。因此其帶寬必須滿足脈沖寬度對應的速度要求，精度必須滿足能夠感知信號強度細微變化的要求。所獲得的信號由專用分析處理軟件解析，可以實時準確獲得相關位置的振動信息。根據(jù)以上要求，系統(tǒng)架構需要非常精細地設計。其基本框架如圖3所示，整體上與圖1相對應。系統(tǒng)操作的過程如圖4所示。

圖3 分布式光纖振動傳感器系統(tǒng)架構圖

圖4 分布式光纖震動傳感器的操作過程圖

系統(tǒng)啟動開始工作，同時計算機軟件系統(tǒng)也開啟，從傳感器傳來沿著光纖不同位置處產生的散射信號，被信號處理與控制單元轉換為隨時間變化的電信號，再經高速數(shù)模轉換采樣后，由計算機軟件進行自動分析，若判斷有入侵信號，立即給予報警，同時給出眾目標所各自對應的位置信息，并配有相應的視頻監(jiān)控和攝錄，提醒監(jiān)控人員處理發(fā)生事件；若計算機軟件判斷沒有入侵信號，則系統(tǒng)重新進入啟動模式，進行下一時刻的實時監(jiān)控。

該系統(tǒng)單套監(jiān)控距離最遠可以達到50km，如果需要檢測更長的距離，可以選擇多套監(jiān)控系統(tǒng)同時監(jiān)控。在單套監(jiān)控系統(tǒng)內，我們將分布式光纖振動傳感器放置在用戶端，其余地段都選用傳輸光纜埋設在地底下感知外界的振動信號，系統(tǒng)可以給出包括具體侵入坐標位置等預警信息，位置精度優(yōu)于10m。

3 結束語

我國擁有廣闊的陸地和海洋邊境線，邊境線的實時監(jiān)控對于國家安全具有極為重要的政治意義。鑒于邊境線的廣闊和不同條件（如條件極為惡劣的荒涼無人區(qū)），完全寄希望于公安邊防部隊執(zhí)勤人員的全天候值守既難以實現(xiàn)，也不經濟。發(fā)展無人值守的分布式實時邊境自動監(jiān)控系統(tǒng)無疑具有極為重要的意義，也是國際邊境線管理發(fā)展的一個趨勢。

[1]耿軍平，許家棟，韋高，郭陳江，李焱.基于布里淵散射的分布式光纖傳感器的進展[J].測試技術學報，2002，16（2）:87-91.

[2]T R，F(xiàn)arhadiro ushan M，Handerek V A，et al.A Fully Distributed Simultaneous Strainnd Tempe rapture Sensor using Sntaneous Brillouin Backscatter Parker[J]. IEEE Pho tonics Techno logy Letters,1997,9（7）:979-981.

[3]Bao X,Webb D J，Ja ckso n D A.Combined distributed tempreture and strain sensor based on Brillouin loss in an optical fibre[J].Opt.Lett.，1994，（19）:141-143.

[4]Nikles M，Thevena z L,Rober t P A.Brillouin gain spectrum characterization in single-mode optical fibres[J]. Lightwave Tech,1997,（15）:1842-1851.

Border Remote Monitoring System Based on Distributed Optical Fiber Sensing Technology

YE Wen
（China Maritime Police Academy,Ningbo 315801,China）

This paper develops a remote monitoring system based on distributed optical fiber sensing technology,which has the monitoring ability of real-time,multi-point,long distance.The system can be widely used in China's vast land and sea border.It has very important significance for the development of our security management.

distributed optical fiber sense,border monitoring,Rayleigh Scattering

TP277

：A

：2095-2384（2016）01-0004-03

（責任編輯 儲 歡）

2015-11-05

葉雯（1982-），女，江蘇宜興人，講師，博士，主要從事光纖通信方面的研究。