光纤扰动侵略检测体系的规划与完成

摘要：光纤中经过必定的幅值安稳的光，外界扰动时光纤中光的强度将发生改变，因而对这种光强度的改变进行检测能够勘探外界扰动的侵略。对功用型光强调制的检测一般运用特别光纤对某些物理特性灵敏而到达丈量的意图，但光纤结构比较复杂。对光纤扰动机理进行了论说，提出了选用一般的多模光纤，针对不同侵略目标扰动信号频率的不同，运用带通滤波电路完成检测的办法。并对带通扩大器技能进行了规划与仿真，完成了扰动信号的侵略检测。

关键词：光纤 扰动 侵略检测 带通扩大器

光纤传感包含对外界信号（被丈量）的感知和传输两种功用。所谓感知（或灵敏），是指外界信号依照其改变规则使光纤中传输的光波的物理特征参量（如强度、波长、频率、相位和偏振态等）发生改变后，丈量光参量的改变。这种“感知”实质上是外界信号对光纤中传达的光波施行调制。依据被外界信号调制的光波的物理特征参量的改变状况，能够将光波的调制分为光强度调制、光频率调制、光波长调制以及光相位和偏振调制等五种类型。外界扰动（如振荡、曲折、揉捏等状况）对光纤中光通量的影响归于功用型光强调制。对微曲折的检测一般选用周期微弯检测办法，需求借用传感板人为地使光纤周期性曲折，从而使光强得到调制，一般用来检测细小位移，能够作成工业压力传感器，其精度较高，规划也比较复杂。而光纤扰动侵略检测的意图是检测侵略，不需求很高的精度，由于高精度反而简单发生误报警，因而不能选用上述办法。本文提出一种运用不同侵略目标（如人、风等）的扰动调制频率的规模不同，选用一般多模光纤，在后续电路选用带通滤波器进行带通扩大，滤出侵略扰动信号的调制频率，有用完成侵略检测的办法。依据对侵略目标及侵略频率的剖析，对０．１～３０Ｈｚ的带通滤波器电路进行了规划与仿真，有用滤除了电源纹波、温度漂移的影响，并规划了扰动检测体系。在实践运用中，将该侵略检测体系安装在某区域外围或特别物体上，如篱笆或需检测目标上，能够有用地检测侵略、篡改、替换等非授权活动。

１ 扰动原理

１．１ 光纤特性

光纤是由折射率不同的石英资料组成的细圆柱体。圆柱体的内层称为纤芯，外层称为包层，光线（或光信号）在纤芯内进行传输。设纤芯的折射率为ｎ１，包层的折射率为ｎ２，要使光线只在纤芯内传输而不致经过包层逸出，必须在纤芯与包层的界面处构成全反射的条件，即满意ｎ１＞ｎ２。

光纤除了折射率参数外还有其它参数，如相对折射率、数值孔径Ｎ·Ａ、衰减、方式（单模、多模）等。关于本体系，衰减参数比较重要，在光纤中峰值强度（光功率）为Ｉ０的光脉冲从左端注入光纤纤芯，光沿着光纤传达时，其强度按指数规则递减，即：

Ｉ（ｚ）＝Ｉ０ｅ－αＺ (1)

其间,Ｉ０——进入光纤纤芯(Ｚ＝０处)的初始光强；

Ｚ——沿光纤的纵向间隔；

α——光强衰减系数。

光功率在光纤的衰减状况如图１所示。光纤衰减率的界说为：光在光纤中每传达１ｋｍ，光强所损耗的分贝数。即：

衰减率＝－１０ｌｇ(I/I0)ｄｂ／ｋｍ) (２)

光纤的衰减率只与衰减系数有关，引起光衰减的原因许多，如资料的吸收、曲折损耗和散射损耗等，光纤扰动侵略检测首要是运用不同外界扰动对光纤的微扰损耗而发生的不同强度调制频率来勘探扰动侵略的。

１．２ 微扰损耗

光纤中的微扰损耗是指由光纤的几许不均匀性引起的损耗，其间包含由内部要素和外部搅扰引起的不均匀性，如微观结构上折射率和直径的不均匀性、微曲折等。依据光纤传输理论，这种不均匀性引起的损耗或以散射方式呈现，或以方式耦合的方式呈现。方式耦合是指光纤的传导模之间、传导模与辐射模之间的能量交流或能量传递。这就意味着经过光纤的光会遭到衰减。一般状况下，制作和运用光纤时要减小和防止这些损耗，可是光纤扰动侵略检测首要是运用这些耗费对光的衰减来勘探侵略的存在，因而研讨这些耗费，特别是微弯损耗是比较重要的。微弯损耗是由方式间的机械感应耦合引起的。光纤中的传导模变换成包层模，并从纤芯中消失。当沿光纤的机械微扰的空间周期与光纤内相邻的方式的波数差共一起，这种损耗就添加。近似的试验联系如下：

光纤微曲折损耗∝(纤芯半径／光纤半径)２·(２／Ｎ·Ａ)４ (３)

其间，Ｎ·Ａ为光纤的数值孔径，当光从空气入射到光纤端面时，只要入射方向处于某一光锥内的光线在进入光纤之后才干留在纤芯内，而从光锥外入射的光线即便进入光纤，也会从包层逸出。这个光锥半角的正弦称为光纤的数值孔径。

１．３ ＬＥＤ光源特性

图4 带通滤波器仿真电路图

ＬＥＤ光源的光学特性首要有波长、线宽、输出功率、光纤耦合等。ＬＥＤ的中心发射波长λ取决于半导体资料的能隙Ｅｇ，其公式为：

λ＝hc/Eg≈１.２４／Ｅｇ(μｍ) (４)

其间?熏ｈ为普朗克常数，ｃ为光速。ＬＥＤ的线宽一般为其间心波长的５％量极，由于增益的选择性会使线宽变窄。制作ＬＥＤ的常用资料如表１所示。

表1 制作LED的常用资料列表

材 料	发射波长/nm	光 谱
GaP	700	红
GaAlAs	650～850	红至近红外
GaAs	900	近红外
InGaAs	1200～1700	近红外

８５０ｎｍ波长的ＬＥＤ输出功率一般在１～１０ｍＷ规模内，波长小于８５０ｎｍ的器材，其可用功率明显减小。一切ＬＥＤ的输出功率及波长都随温度改变，在８５０ｎｍ时，输出功率和波长的典型温度系数分别为０．５％Ｃ－１和０．３ｎｍＣ－１，因而热安稳度关于光纤扰动侵略检测是需求考虑的要素。

２ 硬件技能计划

光纤扰动侵略检测体系原理框图如图２所示。体系首要包含：载频信号源电路、ＬＥＤ光源、ＰＩＮ光电勘探器、光纤、扰动侵略检测、报警传输接口电路等。

２．１ 传感电路的规划

载频信号源电路的意图是为添加ＬＥＤ的发射功率，一起在接纳端对缓变ＬＥＤ光电流完成检测。光电发射与接纳电路由ＬＥＤ光源、光纤、ＰＩＮ光电勘探器等三个部分组成，组成传感单元，如图３所示。ＬＥＤ选用美国安捷伦(Ａｇｉｌｅｎｔ)公司的ＨＦＢＲ０４００系列低功耗、高效ＬＥＤ，其型号为ＨＦＢＲ－１４２４，发射光波波长为８５０ｎｍ，１２５ＭＨｚ带宽，截止频率为３５ＭＨｚ，输出光功率为５０～１００μＷ。光纤传输长度为４ｋｍ，工作温度规模为－４０℃～８５℃，合适与５０／１２５μｍ、６２．５／１２５μｍ、１００／１４０μｍ等光纤耦合。现在光纤通信中遍及运用ＰＩＮ二极管进行光检测，将光信号转变为电流信号，但因电流信号很弱，仅有ｐＡ级，故很难将其有用地转换为伏级电压以供后继电路进行信号处理运用；曾经一般选用价格昂贵的高性能运算扩大器构成扩大电路，但试验成果不很抱负，且简单遭到外界电磁搅扰的影响；为战胜这些缺陷，选用美国安捷伦公司出产的ＨＦＢＲ２４１６，它是将ＰＩＮ光检测器和前置扩大器集成在一起的新式光接插器材。ＨＦＢＲ２４１６首要特色如下：(１)将ＰＩＮ光检测器与前置扩大器集成在一起，可直接输出较大的电压信号；(２)只需少数外部元件便可构成高性能的光接纳电路，典型带宽高达１２５ＭＨｚ；(３)可用于模仿和数字光通信体系，抗搅扰性能好；(４)与ＨＦＢＲ０４００系列其它产品兼容，契合世界工业规范，适用性好；(５)具有多种封装方式，体积小、重量轻；(６)价格便宜。其详细技能参数如表２所示。

表2 HFBR2416技能参数表

参 数	符 合	最小值	最大值	一般值	单 位	注 释
电源电压	Voc	-0.5	6.0		V
输出电压	Vsig	-0.5	Vcc		V
输出阻抗	Zo			30	Ω	f=50MHz
呼应度	RP	5.3	9.6	7	mV/μs	波长850，50MH
上升/下降时间	Tr/tf		6.3	3.3	ns	Rp=100μW,peak
脉宽失真	PWD		2.5	0.4	ns	Rp=100μW,peak
带通	BW			125	MHz

２．２ 带通滤波器的规划与仿真

扰动信号经过扩大与带通滤波器鉴别后，检测出扰动信号，并发生报警。上述电路中最首要的为带通滤波器。调制信号经ＬＥＤ由电信号变为光信号，光信号经光纤传输后，到ＰＩＮ由光信号变电信号后进行扩大，扩大器输出频率为１００ｋＨｚ、起伏为５００ｍＶ的脉冲。试验证明扰动信号在输出波形上表现为波形起伏的缩小，改变规模为ｍＶ量级，由扩大器的扩大倍数可预算扰动形成的光通量的改变，为几十μＶ左右。依据人举动的特色，其运动频率应该在０.１～３０Ｈｚ规模内，依据上述考虑，规划了一个带通滤波器，将０.１Ｈｚ以下的低频滤掉，这样就将光电流与体系的缓慢漂移省略，将高于３０Ｈｚ的信号滤掉，就能够滤掉载频以及电源纹波。图４为带通滤波器仿真电路图，图５为滤波器仿真输出与输入比较图。从图５中能够看出，选用有源带通滤波器的规划能够将频率为２０Ｈｚ的模仿的扰动信号检测出来。在实践电路中依据仿真电路规划了滤波器硬件电路，完成对必定频率的扰动信号的检测。单次扰动信号和接连扰动信号时滤波器输出波形如图６、图７所示。在没有扰动信号时，滤波器无输出，当有必定频率的扰动信号时，滤波器输出脉冲信号，此信号经整形扩大后能够驱动继电器发生报警，或经过无线传输到远端做进一步处理。

在对光纤扰动侵略检测技能的研讨中，对光纤扰动信号的机理进行了研讨，对ＬＥＤ和光纤特性以及微扰损耗等进行了理论研讨，并选用Ａｇｉｌｅｎｔ公司的光电器材ＨＦＢＲ－１４２４与ＨＦＢＲ－２４１６以及多模光纤规划了光纤传感体系，一起对前端载频信号源电路以及后续扰动信号扩大电路进行了规划，选用带通滤波的办法对检测电路进行了规划与电路仿真，成功地完成了对扰动信号的检测。