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[摘 要]本文主要介绍了一种基于M-Z干涉原理的振动光缆周界防护系统。该系统利用敷设在地表下的震动光缆中光纤作为分布式传感器，长距离连续监测厂区周围的土壤振动情况，并分析判断可能威胁厂区安全的破坏事件，及时报警，起到安全预警的作用，能够对事件进行精确的分析和定位。本论文详细阐述了系统的原理、架构、功能及其现场应用情况。经过理论分析和现场应用情况表明，该系统具有较高的灵敏度和定位精度。
[关键词]分布式光纤振动传感器；马赫-曾德（M-Z）干涉仪；相位
中图分类号：TN818 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）15-0122-02
0 引言
厂区安全，逐渐变成人们关注的焦点。为了保证一个厂区的周边安全，往往需要安排大量的安防人员进行定时定期的巡检，此种方法不但复杂而且消耗大量的人力物力，无法实时监测厂区安全状态和及时发现厂区的入侵破坏行为。而随着科技的发展，人们开始将光纤传感技术应用于厂区周界的安全防护上，由此一些公司开始研发周界安防产品，与其它周界防护方法来说该系统有着无法比拟的优势。
振动光缆周界防护系统是新一代信息化安全预警系统，采用光缆作为传感器件，无论是通过对光纤的直接接触，还是通过承载物间接接触，都将引起光缆的扰动。当光缆产生振动后，系统从光缆中采集扰动数据，进行分析处理，处理后交给后端服务程序进行智能识别（智能识别可以判断出不同的外部干扰类型，报警程序可根据智能识别结果实现系统预警或实时告警功能，从而达到对设防区域进行入侵监测的目的。该系统以光纤作为传感单元，可实现高灵敏、长距离，大范围的周界防护，非常适合于厂区周边的入侵防范应用。
本文采用M-Z干涉技术，结合实际应用条件，实现了一种振动光缆周界防护系统。系统结合厂区周界防护环境和综合信息平台，实现对厂区的实时监控，实现厂区安全的监测预警，避免恶意入侵行为的发生。
1 系统原理
系统采用在监测区域铺设光缆作为振动光缆的探测设备，对监测区域环境的振动信息进行连续的分布式的监测，并根据振动信息的异常点处激光信息正反向传输达到振动设备主机的时间差值，进行振动异常点定位。
振动光缆周界防护系统是基于M-Z干涉技术为基础进行设计。由激光器发出连续激光，经过耦合器1分为两束，分别进行顺时针方向传输和逆时针方向传输。顺时针方向直接进入到耦合器2和耦合器4搭建的M-Z干涉仪中感受外界振动信息，经耦合器3输出被探测器2探测到；逆时针方向经过耦合器3，进入到耦合器4和耦合器2搭建的M-Z干涉仪中感受外界振动信息，耦合器2直接输出被探测器1探测到。
M-Z干涉仪分为信号臂和参考臂，信号臂主要用于感受外界振动信息，参考臂提供相位参考值作为相位变换对比。由干涉原理可知同频率同振动方向的两束光波发生干涉时，该点干涉的光强为：
式中，、分别为发生干涉的两束光的初始光强，为两束光之间的初始相位差。光通过耦合器进入干涉仪两臂传输后再发生干涉。此时发生干涉的两束光的相位差可以看作是由于两条光纤臂本身光程不对称等原因造成的初始相位差，压力作用造成的相位差，以及应变导致光纤长度变化产生的相位差三者的迭加。即：
由于通过光电探测器可以探测到光强，而初始相位差是一个定值，因此光强的变化只与后面两项所表示的相位差和的变化有关，所以在测得光强的变化后可以得出两束光的相位差的变化。通过对相位差的分析，就能得到作用在干涉臂上的振动压力的情况。
系统的定位算法，是通过检测两路携带相同振动信息的干涉信号分别被两个探测器探测的时延差而进行定位的，其计算公式如下：
其中X为振动信号到达监测主机的光缆长度；L为3芯传感光缆的长度；ν为光在光纤中传输的速度；Δt为两个探测器探测到信号的时延差。
时延的计算可通过正反两个光路的光信号的互相关函数求取。假设两端信号为：
其中，分别为两个探测器检测到的信号，为管道的振动信号，为噪声，为比例系数，为两个信号之间的时延。
通常是互不相关的平稳随即过程，则两探测器信号的互相关函数为：
互相关函数中，时，会出现峰值。确定获得最大值所对应的值，可确定两个测试信号之间的时间差。
2 系统架构和功能
振動光缆周界防护系统根据设备安装和使用环境分为中央控制室和工业园区两部分。整个系统架构如图2所示。
中央控制室主要包含主机、报警器、中心数据库和监控显示端；工业园区主要包括传感光缆和光模块。
系统主要通过传感光缆感受到外部振动信息，并将信息传送给主机进行分析判断，主机针对探测信息进行相位信息变化判断。当有非法入侵产生时，相位信息会产生特殊变化，结合智能识别算法进行相位信息变化判断，排除环境干扰信号影响因素，确定出非法入侵的特性并确定出准确位置。
系统探测到非法入侵的报警信息，通过局域网传输给综合信息平台进行报警界面显示和报警器、摄像头等设备联动；同时也将报警信息存储到中心数据库，用于报警信息查询、分析和处理。
振动光缆周界防护系统根据组网可包含如下软件平台，分别为监控平台、控制平台和数据处理平台，三个平台相互连接形成三级管理体系。
信号处理平台主要实现对探测区域的振动信号进行实时检测，并实现光信号到微弱电流信号、微弱电流信号到电压信号的转换，完成信号的提取，并对转换后的信号进行预处理；对采集的不同振动信号滤除环境干扰信号，进行特征向量提取，根据信号持续的时间长度、振动强度、光学相位变化趋势和信号的频谱等特征进行分类学习；对非法入侵事件根据时延差进行定位计算。
控制平台起到连接信号处理平台和监控平台的桥梁，将信号处理平台的报警信息数据上传给监控平台；同时能够对数据处理参数和区域进行调整，保证报警信息真实有效。 监控平台根据现场情况自主定制图形化操作界面，便于用户操作和报警查看，以生动的图像形式向用户展现报警信息；支持报警历史记录管理、记录、查询，提供短信、邮件报警通知，提供胁迫密码报警功能；可提供联动视频、声光报警器等外部报警器等功能。
3 应用研究
在某工业园进行应用，工业园总长度约为7050米，为保证人为入侵能够准确被测量到，采用振幅为1米的正弦波光缆铺设方式，该方式铺设，光缆使用长度约为工业园总长度的2倍，同时为了维修方便，在部分位置留有预留光缆，铺设光缆总长度为20000米。采用光缆为4芯直埋光缆，留有1芯作为备用芯。
振动光缆铺设一共分为4层，自底层往上依次为底层土工布、格栅（光缆固定于格栅上）、上层土工布、草坪。其铺设示意图如图3所示。
图3 铺设示意图
底层土工布为可渗水土工布，位于最底层，深度约为5厘米，土工布上摆放格栅，选用尼龙扎带将光缆绑扎在格栅上，每30厘米作为一共绑扎点，正弦铺设宽度约为1米，放置好格栅和光缆后，铺设上层可渗水土工布，并覆盖上约为3厘米土壤，最后将绿化草坪铺设于上部，进行隐蔽布置。
在该种铺设条件下，进行不同体重的人为走动、翻墙跳跃等不同方式的模拟入侵，系统能够及时探测到，并联动声光报警器进行报警提示，同时监控端构图界面对应位置颜色发生变化，且显示报警信息；经过几百次模拟入侵，系统能够准确报警定位，定位平均误差小于15米；系统误报率极低，完全可以满足需求，可有效实现周界安全的防护和监控。
4 结论
振动光缆周界防护系统可以有效的监测厂区周围的各种入侵行为，并且可以联动视频对现场的情况进行拍照取证。警务人员接到报警后立即出警，避免的复杂的巡检工作，节省了人力物力。
目前该系统已经应用于安全防护项目中，根据现场使用情况来看，该系统具有较高的灵敏度和定位精度，系统通过与人防的紧密结合，实现了人防联动，防护厂区安全等方面发挥了举足轻重的作用，有效地保护了厂区的安全，保证了生产工作的顺利进行，为厂区的发展做出了贡献。
参考文献
[1] 张治国；张民；叶培大 基于线型腔拉曼光纤激光器的长距离光纤布拉格光栅传感[期刊论文]-中国激光2006（08）
[2] Jianzhong Gao；Zhuangde Jiang；Yulong Zhao Full distributed fiber optical sensor for intrusion detection in application to buried pipelines[外文期刊] 2005（11）
[3] 潘岳.王健 雙马赫—曾德尔型干涉仪定位技术研究[期刊论文]-光学仪器2012（3）
[4] 邓琳.逯丹凤.祁志美.夏善红 基于双光栅的马赫-曾德尔干涉仪的初步研制[期刊论文]-光学学报2009（7）
[5] 吴俊.陈伟民.谭靖.丁（生生）奇.章鹏 偏振态退化对双马赫-曾德尔分布式光纤传感系统定位性能的影响分析[期刊论文]-激光杂志2008（6）
[关键词]分布式光纤振动传感器；马赫-曾德（M-Z）干涉仪；相位
中图分类号：TN818 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）15-0122-02
0 引言
厂区安全，逐渐变成人们关注的焦点。为了保证一个厂区的周边安全，往往需要安排大量的安防人员进行定时定期的巡检，此种方法不但复杂而且消耗大量的人力物力，无法实时监测厂区安全状态和及时发现厂区的入侵破坏行为。而随着科技的发展，人们开始将光纤传感技术应用于厂区周界的安全防护上，由此一些公司开始研发周界安防产品，与其它周界防护方法来说该系统有着无法比拟的优势。
振动光缆周界防护系统是新一代信息化安全预警系统，采用光缆作为传感器件，无论是通过对光纤的直接接触，还是通过承载物间接接触，都将引起光缆的扰动。当光缆产生振动后，系统从光缆中采集扰动数据，进行分析处理，处理后交给后端服务程序进行智能识别（智能识别可以判断出不同的外部干扰类型，报警程序可根据智能识别结果实现系统预警或实时告警功能，从而达到对设防区域进行入侵监测的目的。该系统以光纤作为传感单元，可实现高灵敏、长距离，大范围的周界防护，非常适合于厂区周边的入侵防范应用。
本文采用M-Z干涉技术，结合实际应用条件，实现了一种振动光缆周界防护系统。系统结合厂区周界防护环境和综合信息平台，实现对厂区的实时监控，实现厂区安全的监测预警，避免恶意入侵行为的发生。
1 系统原理
系统采用在监测区域铺设光缆作为振动光缆的探测设备，对监测区域环境的振动信息进行连续的分布式的监测，并根据振动信息的异常点处激光信息正反向传输达到振动设备主机的时间差值，进行振动异常点定位。
振动光缆周界防护系统是基于M-Z干涉技术为基础进行设计。由激光器发出连续激光，经过耦合器1分为两束，分别进行顺时针方向传输和逆时针方向传输。顺时针方向直接进入到耦合器2和耦合器4搭建的M-Z干涉仪中感受外界振动信息，经耦合器3输出被探测器2探测到；逆时针方向经过耦合器3，进入到耦合器4和耦合器2搭建的M-Z干涉仪中感受外界振动信息，耦合器2直接输出被探测器1探测到。
M-Z干涉仪分为信号臂和参考臂，信号臂主要用于感受外界振动信息，参考臂提供相位参考值作为相位变换对比。由干涉原理可知同频率同振动方向的两束光波发生干涉时，该点干涉的光强为：
式中，、分别为发生干涉的两束光的初始光强，为两束光之间的初始相位差。光通过耦合器进入干涉仪两臂传输后再发生干涉。此时发生干涉的两束光的相位差可以看作是由于两条光纤臂本身光程不对称等原因造成的初始相位差，压力作用造成的相位差，以及应变导致光纤长度变化产生的相位差三者的迭加。即：
由于通过光电探测器可以探测到光强，而初始相位差是一个定值，因此光强的变化只与后面两项所表示的相位差和的变化有关，所以在测得光强的变化后可以得出两束光的相位差的变化。通过对相位差的分析，就能得到作用在干涉臂上的振动压力的情况。
系统的定位算法，是通过检测两路携带相同振动信息的干涉信号分别被两个探测器探测的时延差而进行定位的，其计算公式如下：
其中X为振动信号到达监测主机的光缆长度；L为3芯传感光缆的长度；ν为光在光纤中传输的速度；Δt为两个探测器探测到信号的时延差。
时延的计算可通过正反两个光路的光信号的互相关函数求取。假设两端信号为：
其中，分别为两个探测器检测到的信号，为管道的振动信号，为噪声，为比例系数，为两个信号之间的时延。
通常是互不相关的平稳随即过程，则两探测器信号的互相关函数为：
互相关函数中，时，会出现峰值。确定获得最大值所对应的值，可确定两个测试信号之间的时间差。
2 系统架构和功能
振動光缆周界防护系统根据设备安装和使用环境分为中央控制室和工业园区两部分。整个系统架构如图2所示。
中央控制室主要包含主机、报警器、中心数据库和监控显示端；工业园区主要包括传感光缆和光模块。
系统主要通过传感光缆感受到外部振动信息，并将信息传送给主机进行分析判断，主机针对探测信息进行相位信息变化判断。当有非法入侵产生时，相位信息会产生特殊变化，结合智能识别算法进行相位信息变化判断，排除环境干扰信号影响因素，确定出非法入侵的特性并确定出准确位置。
系统探测到非法入侵的报警信息，通过局域网传输给综合信息平台进行报警界面显示和报警器、摄像头等设备联动；同时也将报警信息存储到中心数据库，用于报警信息查询、分析和处理。
振动光缆周界防护系统根据组网可包含如下软件平台，分别为监控平台、控制平台和数据处理平台，三个平台相互连接形成三级管理体系。
信号处理平台主要实现对探测区域的振动信号进行实时检测，并实现光信号到微弱电流信号、微弱电流信号到电压信号的转换，完成信号的提取，并对转换后的信号进行预处理；对采集的不同振动信号滤除环境干扰信号，进行特征向量提取，根据信号持续的时间长度、振动强度、光学相位变化趋势和信号的频谱等特征进行分类学习；对非法入侵事件根据时延差进行定位计算。
控制平台起到连接信号处理平台和监控平台的桥梁，将信号处理平台的报警信息数据上传给监控平台；同时能够对数据处理参数和区域进行调整，保证报警信息真实有效。 监控平台根据现场情况自主定制图形化操作界面，便于用户操作和报警查看，以生动的图像形式向用户展现报警信息；支持报警历史记录管理、记录、查询，提供短信、邮件报警通知，提供胁迫密码报警功能；可提供联动视频、声光报警器等外部报警器等功能。
3 应用研究
在某工业园进行应用，工业园总长度约为7050米，为保证人为入侵能够准确被测量到，采用振幅为1米的正弦波光缆铺设方式，该方式铺设，光缆使用长度约为工业园总长度的2倍，同时为了维修方便，在部分位置留有预留光缆，铺设光缆总长度为20000米。采用光缆为4芯直埋光缆，留有1芯作为备用芯。
振动光缆铺设一共分为4层，自底层往上依次为底层土工布、格栅（光缆固定于格栅上）、上层土工布、草坪。其铺设示意图如图3所示。
图3 铺设示意图
底层土工布为可渗水土工布，位于最底层，深度约为5厘米，土工布上摆放格栅，选用尼龙扎带将光缆绑扎在格栅上，每30厘米作为一共绑扎点，正弦铺设宽度约为1米，放置好格栅和光缆后，铺设上层可渗水土工布，并覆盖上约为3厘米土壤，最后将绿化草坪铺设于上部，进行隐蔽布置。
在该种铺设条件下，进行不同体重的人为走动、翻墙跳跃等不同方式的模拟入侵，系统能够及时探测到，并联动声光报警器进行报警提示，同时监控端构图界面对应位置颜色发生变化，且显示报警信息；经过几百次模拟入侵，系统能够准确报警定位，定位平均误差小于15米；系统误报率极低，完全可以满足需求，可有效实现周界安全的防护和监控。
4 结论
振动光缆周界防护系统可以有效的监测厂区周围的各种入侵行为，并且可以联动视频对现场的情况进行拍照取证。警务人员接到报警后立即出警，避免的复杂的巡检工作，节省了人力物力。
目前该系统已经应用于安全防护项目中，根据现场使用情况来看，该系统具有较高的灵敏度和定位精度，系统通过与人防的紧密结合，实现了人防联动，防护厂区安全等方面发挥了举足轻重的作用，有效地保护了厂区的安全，保证了生产工作的顺利进行，为厂区的发展做出了贡献。
参考文献
[1] 张治国；张民；叶培大 基于线型腔拉曼光纤激光器的长距离光纤布拉格光栅传感[期刊论文]-中国激光2006（08）
[2] Jianzhong Gao；Zhuangde Jiang；Yulong Zhao Full distributed fiber optical sensor for intrusion detection in application to buried pipelines[外文期刊] 2005（11）
[3] 潘岳.王健 雙马赫—曾德尔型干涉仪定位技术研究[期刊论文]-光学仪器2012（3）
[4] 邓琳.逯丹凤.祁志美.夏善红 基于双光栅的马赫-曾德尔干涉仪的初步研制[期刊论文]-光学学报2009（7）
[5] 吴俊.陈伟民.谭靖.丁（生生）奇.章鹏 偏振态退化对双马赫-曾德尔分布式光纤传感系统定位性能的影响分析[期刊论文]-激光杂志2008（6）