光纤扰动入侵检测系统的设计与实现
摘要：光纤中通过一定的幅值恒定的光，外界扰动时光纤中光的强度将发生变化，因此对这种光强度的变化进行检测可以探测外界扰动的入侵。对功能型光强调制的检测一般利用特殊光纤对某些物理特性敏感而达到测量的目的，但光纤结构比较复杂。对光纤扰动机理进行了论述，提出了采用一般的多模光纤，针对不同入侵对象扰动信号频率的不同，利用带通滤波电路实现检测的方法。并对带通放大器技术进行了设计与仿真，实现了扰动信号的入侵检测。
关键词：光纤 扰动 入侵检测 带通放大器
光纤传感包含对外界信号（被测量）的感知和传输两种功能。所谓感知（或敏感），是指外界信号按照其变化规律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）发生变化后，测量光参量的变化。这种“感知”实质上是外界信号对光纤中传播的光波实施调制。根据被外界信号调制的光波的物理特征参量的变化情况，可以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（如振动、弯曲、挤压等情况）对光纤中光通量的影响属于功能型光强调制。对微弯曲的检测一般采用周期微弯检测方法，需要借用传感板人为地使光纤周期性弯曲，从而使光强得到调制，一般用来检测微小位移，可以作成工业压力传感器，其精度较高，设计也比较复杂。而光纤扰动入侵检测的目的是检测入侵，不需要很高的精度，因为高精度反而容易产生误报警，因此不能采用上述方法。本文提出一种利用不同入侵对象（如人、风等）的扰动调制频率的范围不同，采用一般多模光纤，在后续电路采用带通滤波器进行带通放大，滤出入侵扰动信号的调制频率，有效实现入侵检测的方法。根据对入侵对象及入侵频率的分析，对０．１～３０ｈｚ的带通滤波器电路进行了设计与仿真，有效滤除了电源纹波、温度漂移的影响，并设计了扰动检测系统。在实际应用中，将该入侵检测系统安装在某区域外围或特殊物体上，如篱笆或需检测对象上，能够有效地检测入侵、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材料组成的细圆柱体。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通过包层逸出，必须在纤芯与包层的界面处形成全反射的条件，即满足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、模式（单模、多模）等。对于本系统，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，光沿着光纤传播时，其强度按指数规律递减，即：
ｉ（ｚ）＝ｉ０ｅ－αｚ (1)
其中,ｉ０——进入光纤纤芯(ｚ＝０处)的初始光强；
ｚ——沿光纤的纵向距离；
α——光强衰减系数。
光功率在光纤的衰减情况如图１所示。光纤衰减率的定义为：光在光纤中每传播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，引起光衰减的原因很多，如材料的吸收、弯曲损耗和散射损耗等，光纤扰动入侵检测主要是利用不同外界扰动对光纤的微扰损耗而产生的不同强度调制频率来探测扰动入侵的。
１．２ 微扰损耗
光纤中的微扰损耗是指由光纤的几何不均匀性引起的损耗，其中包括由内部因素和外部干扰引起的不均匀性，如宏观结构上折射率和直径的不均匀性、微弯曲等。根据光纤传输理论，这种不均匀性引起的损耗或以散射形式出现，或以模式耦合的形式出现。模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换或能量传递。这就意味着通过光纤的光会受到衰减。一般情况下，制造和使用光纤时要减小和避免这些损耗，但是光纤扰动入侵检测主要是利用这些耗损对光的衰减来探测入侵的存在，因此研究这些耗损，特别是微弯损耗是比较重要的。微弯损耗是由模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模式的波数差一致时，这种损耗就增加。近似的实验关系如下：
光纤微弯曲损耗∝(纤芯半径／光纤半径)２·(２／ｎ·ａ)４ (３)
其中，ｎ·ａ为光纤的数值孔径，当光从空气入射到光纤端面时，只有入射方向处于某一光锥内的光线在进入光纤之后才能留在纤芯内，而从光锥外入射的光线即使进入光纤，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光源的光学特性主要有波长、线宽、输出功率、光纤耦合等。ｌｅｄ的中心发射波长λ取决于半导体材料的能隙ｅｇ，其公式为：
λ＝hc/eg≈１.２４／ｅｇ(μｍ) (４)
其中?熏ｈ为普朗克常数，ｃ为光速。ｌｅｄ的线宽一般为其中心波长的５％量极，因为增益的选择性会使线宽变窄。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 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输出功率通常在１～１０ｍｗ范围内，波长小于８５０ｎｍ的器件，其可用功率显著减小。所有ｌｅｄ的输出功率及波长都随温度变化，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，因此热稳定度对于光纤扰动入侵检测是需要考虑的因素。
２ 硬件技术方案
光纤扰动入侵检测系统原理框图如图２所示。系统主要包括：载频信号源电路、ｌｅｄ光源、ｐｉｎ光电探测器、光纤、扰动入侵检测、报警传输接口电路等。
２．１ 传感电路的设计
载频信号源电路的目的是为增加ｌｅｄ的发射功率，同时在接收端对缓变ｌｅｄ光电流实现检测。光电发射与接收电路由ｌｅｄ光源、光纤、ｐｉｎ光电探测器等三个部分组成，组成传感单元，如图３所示。ｌｅｄ采用美国安捷伦(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，工作温度范围为－４０℃～８５℃，适合与５０／１２５μｍ、６２．５／１２５μｍ、１００／１４０μｍ等光纤耦合。目前光纤通信中普遍使用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，故很难将其有效地转换为伏级电压以供后继电路进行信号处理使用；以前通常采用价格昂贵的高性能运算放大器构成放大电路，但实验结果不很理想，且容易受到外界电磁干扰的影响；为克服这些缺点，采用美国安捷伦公司生产的ｈｆｂｒ２４１６，它是将ｐｉｎ光检测器和前置放大器集成在一起的新型光接插器件。ｈｆｂｒ２４１６主要特点如下：(１)将ｐｉｎ光检测器与前置放大器集成在一起，可直接输出较大的电压信号；(２)只需少量外部元件便可构成高性能的光接收电路，典型带宽高达１２５ｍｈｚ；(３)可用于模拟和数字光通信系统，抗干扰性能好；(４)与ｈｆｂｒ０４００系列其它产品兼容，符合国际工业标准，适用性好；(５)具有多种封装形式，体积小、重量轻；(６)价格便宜。其具体技术参数如表２所示。
表2 hfbr2416技术参数表
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
响应度 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 带通滤波器的设计与仿真
扰动信号通过放大与带通滤波器鉴别后，检测出扰动信号，并产生报警。上述电路中最主要的为带通滤波器。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放大，放大器输出频率为１００ｋｈｚ、幅度为５００ｍｖ的脉冲。实验证明扰动信号在输出波形上表现为波形幅度的缩小，变化范围为ｍｖ量级，由放大器的放大倍数可估算扰动造成的光通量的变化，为几十μｖ左右。根据人行动的特点，其运动频率应该在０.１～３０ｈｚ范围内，根据上述考虑，设计了一个带通滤波器，将０.１ｈｚ以下的低频滤掉，这样就将光电流与系统的缓慢漂移略去，将高于３０ｈｚ的信号滤掉，就可以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中可以看出，采用有源带通滤波器的设计可以将频率为２０ｈｚ的模拟的扰动信号检测出来。在实际电路中根据仿真电路设计了滤波器硬件电路，实现对一定频率的扰动信号的检测。单次扰动信号和连续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，当有一定频率的扰动信号时，滤波器输出脉冲信号，此信号经整形放大后可以驱动继电器产生报警，或通过无线传输到远端做进一步处理。
在对光纤扰动入侵检测技术的研究中，对光纤扰动信号的机理进行了研究，对ｌｅｄ和光纤特性以及微扰损耗等进行了理论研究，并采用ａｇｉｌｅｎｔ公司的光电器件ｈｆｂｒ－１４２４与ｈｆｂｒ－２４１６以及多模光纤设计了光纤传感系统，同时对前端载频信号源电路以及后续扰动信号放大电路进行了设计，采用带通滤波的方法对检测电路进行了设计与电路仿真，成功地实现了对扰动信号的检测。
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光纤传感包含对外界信号（被测量）的感知和传输两种功能。所谓感知（或敏感），是指外界信号按照其变化规律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）发生变化后，测量光参量的变化。这种“感知”实质上是外界信号对光纤中传播的光波实施调制。根据被外界信号调制的光波的物理特征参量的变化情况，可以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（如振动、弯曲、挤压等情况）对光纤中光通量的影响属于功能型光强调制。对微弯曲的检测一般采用周期微弯检测方法，需要借用传感板人为地使光纤周期性弯曲，从而使光强得到调制，一般用来检测微小位移，可以作成工业压力传感器，其精度较高，设计也比较复杂。而光纤扰动入侵检测的目的是检测入侵，不需要很高的精度，因为高精度反而容易产生误报警，因此不能采用上述方法。本文提出一种利用不同入侵对象（如人、风等）的扰动调制频率的范围不同，采用一般多模光纤，在后续电路采用带通滤波器进行带通放大，滤出入侵扰动信号的调制频率，有效实现入侵检测的方法。根据对入侵对象及入侵频率的分析，对０．１～３０ｈｚ的带通滤波器电路进行了设计与仿真，有效滤除了电源纹波、温度漂移的影响，并设计了扰动检测系统。在实际应用中，将该入侵检测系统安装在某区域外围或特殊物体上，如篱笆或需检测对象上，能够有效地检测入侵、篡改、替换等非授权活动。
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１．１ 光纤特性
光纤是由折射率不同的石英材料组成的细圆柱体。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通过包层逸出，必须在纤芯与包层的界面处形成全反射的条件，即满足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、模式（单模、多模）等。对于本系统，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，光沿着光纤传播时，其强度按指数规律递减，即：
ｉ（ｚ）＝ｉ０ｅ－αｚ (1)
其中,ｉ０——进入光纤纤芯(ｚ＝０处)的初始光强；
ｚ——沿光纤的纵向距离；
α——光强衰减系数。
光功率在光纤的衰减情况如图１所示。光纤衰减率的定义为：光在光纤中每传播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，引起光衰减的原因很多，如材料的吸收、弯曲损耗和散射损耗等，光纤扰动入侵检测主要是利用不同外界扰动对光纤的微扰损耗而产生的不同强度调制频率来探测扰动入侵的。
１．２ 微扰损耗
光纤中的微扰损耗是指由光纤的几何不均匀性引起的损耗，其中包括由内部因素和外部干扰引起的不均匀性，如宏观结构上折射率和直径的不均匀性、微弯曲等。根据光纤传输理论，这种不均匀性引起的损耗或以散射形式出现，或以模式耦合的形式出现。模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换或能量传递。这就意味着通过光纤的光会受到衰减。一般情况下，制造和使用光纤时要减小和避免这些损耗，但是光纤扰动入侵检测主要是利用这些耗损对光的衰减来探测入侵的存在，因此研究这些耗损，特别是微弯损耗是比较重要的。微弯损耗是由模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模式的波数差一致时，这种损耗就增加。近似的实验关系如下：
光纤微弯曲损耗∝(纤芯半径／光纤半径)２·(２／ｎ·ａ)４ (３)
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ｌｅｄ光源的光学特性主要有波长、线宽、输出功率、光纤耦合等。ｌｅｄ的中心发射波长λ取决于半导体材料的能隙ｅｇ，其公式为：
λ＝hc/eg≈１.２４／ｅｇ(μｍ) (４)
其中?熏ｈ为普朗克常数，ｃ为光速。ｌｅｄ的线宽一般为其中心波长的５％量极，因为增益的选择性会使线宽变窄。制造ｌｅｄ的常用材料如表１所示。
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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
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８５０ｎｍ波长的ｌｅｄ输出功率通常在１～１０ｍｗ范围内，波长小于８５０ｎｍ的器件，其可用功率显著减小。所有ｌｅｄ的输出功率及波长都随温度变化，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，因此热稳定度对于光纤扰动入侵检测是需要考虑的因素。
２ 硬件技术方案
光纤扰动入侵检测系统原理框图如图２所示。系统主要包括：载频信号源电路、ｌｅｄ光源、ｐｉｎ光电探测器、光纤、扰动入侵检测、报警传输接口电路等。
２．１ 传感电路的设计
载频信号源电路的目的是为增加ｌｅｄ的发射功率，同时在接收端对缓变ｌｅｄ光电流实现检测。光电发射与接收电路由ｌｅｄ光源、光纤、ｐｉｎ光电探测器等三个部分组成，组成传感单元，如图３所示。ｌｅｄ采用美国安捷伦(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，工作温度范围为－４０℃～８５℃，适合与５０／１２５μｍ、６２．５／１２５μｍ、１００／１４０μｍ等光纤耦合。目前光纤通信中普遍使用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，故很难将其有效地转换为伏级电压以供后继电路进行信号处理使用；以前通常采用价格昂贵的高性能运算放大器构成放大电路，但实验结果不很理想，且容易受到外界电磁干扰的影响；为克服这些缺点，采用美国安捷伦公司生产的ｈｆｂｒ２４１６，它是将ｐｉｎ光检测器和前置放大器集成在一起的新型光接插器件。ｈｆｂｒ２４１６主要特点如下：(１)将ｐｉｎ光检测器与前置放大器集成在一起，可直接输出较大的电压信号；(２)只需少量外部元件便可构成高性能的光接收电路，典型带宽高达１２５ｍｈｚ；(３)可用于模拟和数字光通信系统，抗干扰性能好；(４)与ｈｆｂｒ０４００系列其它产品兼容，符合国际工业标准，适用性好；(５)具有多种封装形式，体积小、重量轻；(６)价格便宜。其具体技术参数如表２所示。
表2 hfbr2416技术参数表
参 数 符 合 最小值 最大值 一般值 单 位 注 释
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输出电压 vsig -0.5 vcc v
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响应度 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
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扰动信号通过放大与带通滤波器鉴别后，检测出扰动信号，并产生报警。上述电路中最主要的为带通滤波器。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放大，放大器输出频率为１００ｋｈｚ、幅度为５００ｍｖ的脉冲。实验证明扰动信号在输出波形上表现为波形幅度的缩小，变化范围为ｍｖ量级，由放大器的放大倍数可估算扰动造成的光通量的变化，为几十μｖ左右。根据人行动的特点，其运动频率应该在０.１～３０ｈｚ范围内，根据上述考虑，设计了一个带通滤波器，将０.１ｈｚ以下的低频滤掉，这样就将光电流与系统的缓慢漂移略去，将高于３０ｈｚ的信号滤掉，就可以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中可以看出，采用有源带通滤波器的设计可以将频率为２０ｈｚ的模拟的扰动信号检测出来。在实际电路中根据仿真电路设计了滤波器硬件电路，实现对一定频率的扰动信号的检测。单次扰动信号和连续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，当有一定频率的扰动信号时，滤波器输出脉冲信号，此信号经整形放大后可以驱动继电器产生报警，或通过无线传输到远端做进一步处理。
在对光纤扰动入侵检测技术的研究中，对光纤扰动信号的机理进行了研究，对ｌｅｄ和光纤特性以及微扰损耗等进行了理论研究，并采用ａｇｉｌｅｎｔ公司的光电器件ｈｆｂｒ－１４２４与ｈｆｂｒ－２４１６以及多模光纤设计了光纤传感系统，同时对前端载频信号源电路以及后续扰动信号放大电路进行了设计，采用带通滤波的方法对检测电路进行了设计与电路仿真，成功地实现了对扰动信号的检测。
芯启源推出基于SoC-NP架构DPU芯片智能网卡
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如何正确进行各种不同信号的接地处理
光纤扰动入侵检测系统的设计与实现
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