一种基于菲索干涉的超弱光栅周界安防系统技术领域
本发明涉及光纤周界安防技术领域，尤其涉及一种基于菲索干涉的超弱光栅周界
安防系统。
背景技术
光纤周界安防以光纤作为传感介质和信号传输通道，具有无源、抗电磁干扰、灵敏
度高等优点,便于长距离布设,在重要的设施、电站、易燃易爆物资仓库、军事要地等周界安
防领域具有广泛的需求，
上世纪90年代中期，发达国家已率先将光纤传感技术应用到周界安防领域。目前，
全球能掌握该技术并投入使用的主要集中在欧美等少数几个国家，如英国、美国、以色列、
澳大利亚等，多采用基于马赫-泽德(M-Z)光学干涉原理的分布式传感技术；国内近几年在
该领域也获得快速发展，主要有基于高反射率光栅(FBG)的应变传感和基于光学干涉的分
布式传感两种技术。其中，武汉理工光科有限公司的FBG周界安防技术已经在别墅、石化等
工程中获得应用，其在误报率、定位精度、耐候性等方面呈现出优势，但由于单光纤上光栅
复用数量少，灵敏度低，布设成本高，推广应用困难；基于光学干涉的分布式传感周界安防
技术主要有萨格纳克(Sagnac)、迈克尔逊(Mickelson)、马赫-泽德(Mach-Zehnder)等干涉
技术。其中，Sagnac干涉技术的信噪比和检测灵敏度高，但解调复杂，传感光纤的环路结构
也大幅推高了系统的成本；在光学干涉的分布式传感技术中，基于M-Z干涉的技术最为典
型，并获得广泛应用。该技术将探测到正反两路信号进行互相关计算，得到信号延时从而实
现入侵定位。但该技术需要在数公里的防区上保证参考臂和传感臂的长度相等，并对参考
臂有效隔离来避免受到外界干扰。尽管系统的灵敏度高，但对入射光的偏振态和外界环境
因素的影响敏感，容易发生误报和漏报的情况，定位精度不高。国际知名企业澳大利亚未来
光纤科技有限公司(FFT)开发的M-Z干涉周界安防系统已经安装了数千公里，定位精度最高
25米，误报率3％。总体而言，干涉型分布式周界安防系统尽管具有很高的灵敏度，但普遍存
在定位精度差、防区长度受限等问题，且由于光缆整体参与传感，难以分辨出风雨等恶劣天
气的扰动和人为入侵的区别，抗环境干扰能力相对差。
超弱光栅是对反射率低于0.1％光栅的统称，将一系列中心波长和反射率相同(或
者接近)的超弱光栅按照一定的规律排列在传感光纤上，可构成超弱光栅阵列。由于超弱光
栅的反射率低，且以普通低损耗光纤作为载体，光脉冲可以在透过大量的超弱光栅同时实
现长距离传输，并反射高功率的光脉冲(相比较瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射而言)，这
大大简化了探测电路，提升了传感距离，也为大规模光栅传感的应用提供了可能。经过近3
年的研究，我们发现超弱光栅不仅继承传统高反射率光栅的特性，还可以开发出新的传感
机制。专利(公开号：105180977A，“一种单光纤迈克尔逊干涉传感器及传感系统”)提出了利
用两个超弱光栅可实现单跨距的分布式振动传感方法，但单跨距的传感长度受光源相干性
的限制，且缺乏精确定位事件点的功能，难以满足多点检测、大范围周界安防的需求，在工
程应用中存在巨大障碍。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种灵敏度高、定位方便、经济性好、
可长距离传感监测的基于菲索干涉的超弱光栅周界安防系统。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于菲索干涉的超弱光栅周界安防系统，包括：
探测光缆，由刻写有大量宽谱超弱光栅阵列的光纤铠装成微振动光缆，用于将光
缆上局部的振动转化为邻近光栅对反射光菲索干涉后的相位变化。
查询单元，与探测光缆连接，用于产生光栅反射谱内的窄线宽光脉冲，接收光栅阵
列的反射光脉冲，经光电转换后，通过高速开关电路在时域内分离成对目标光栅的干涉信
号。
控制单元，与查询单元连接，用于产生调制脉冲信号和延时后的触发信号，同步获
取当前光栅对的反射信号，实时完成数字相位解调，通过信号处理和模式识别，判断探测区
间上是否有入侵行为。
该探测光缆中的宽谱光栅阵列，可以是全同的啁啾光栅或其它宽谱光栅，3dB反射
谱宽大于1nm，反射率在-30dB～-40dB之间。光栅阵列的反射率在-30dB～-40dB之间，可以
保证光栅反射信号的强度远高于噪声(主要的瑞利散射噪声强度约-60dB)，便于探测和信
号处理；考虑超弱光栅阵列在线制备、成缆及线路铺设时，容易产生局部应力，导致相应区
域的光栅波长出现漂移。此外，环境温度也会引起中心波长的漂移。因此，选择3dB反射谱宽
大于1nm以上全同的啁啾光栅或其它宽谱光栅，将有效保障入射的激光信号被反射，降低了
光栅阵列对制备、铺设及工作环境的要求。
该查询单元中窄线宽光源的相干长度大于2ne△L，其中ne为光纤纤芯的折射率，△
L为两个光栅之间的间距。当光源的相干长度大于两个光栅之间的光程差，即δ>2ne△L，其
中，δ为激光光源的相干长度。这种配置可满足两束光稳定干涉的充分条件，附加成本不高，
但确保干涉信号的信噪比，大幅降低了对解调装置的技术要求。
该查询单元中还可以配置非平衡迈克尔逊干涉仪，用于补偿双光栅反射信号的臂
差，满足不同系统对灵敏度和可见度的要求。如前所述，这种双光栅干涉存在一定的光程
差，这会影响相位干涉信号的可见度及稳定性。通过配置非平衡迈克尔逊干涉仪，可以减小
或消除两束干涉光在光程上的差异，提升可见度和信噪比，配合相应的反馈装置，可以将静
态工作点稳定在高灵敏度区域，从而使双光栅干涉具有极高的灵敏度。是否配置以及配置
非平衡迈克尔逊干涉仪的精度，决定系统的灵敏度等级，这可以满足各种系统对不同高灵
敏度等级的要求。
该控制单元还用于存储初始化时各个光栅的时延信息和位置，脉冲的宽度及延时
间隔。本发明采用扫描的方法对光栅进行初始查询，光栅的位置由时延决定，这是后续光栅
查询和位置修正的基础。不同的光栅对之间采用不同的脉冲宽度和延时间隔查询，保存这
些初始化的状态信息，在后续查询中直接从存储器中调取，可以大幅提升查询速度。
一种基于菲索干涉的超弱光栅周界安防系统的入侵事件定位方法，该系统采用相
邻的两个弱光栅构建一个微型振动传感区域，通过定位最大相位变化的传感区域位置来定
位入侵事件的发生位置。超弱光栅对将整个传感区域划分为若干个微型传感区域，当有入
侵事件发生时，应力引起邻近两个光栅干涉信号的相位变化，且应力会由近及远成衰减式
传播。因此，相位变化最大的光栅对必然距离入侵事件发生位置最近，因此，该通过定位最
大相位变化的传感区域位置来定位入侵事件的发生位置可以有效提高定位的精度。
一种基于菲索干涉的超弱光栅周界安防系统查询方法，包括以下步骤：
步骤一、根据光栅间隔设定脉冲宽度，以控制单元允许的最小时延作为增量，沿光
纤长度方向进行初始化扫描查询，采用时延-强度二维算法识别阵列中的各个光栅及其位
置，配置脉冲参数，设定查询方式；
步骤二、启动光纤上成对光栅的相位扫描查询；
步骤三、监测成对光栅上反射信号的相位值是否有超出设定值；
步骤四、若超出设定值，暂停扫描查询模式，直接查询前、后相邻光栅对上的相位
变化；
步骤五、对相邻3个成对光栅传感区的相位变化进行特征参量比较和分析，判定是
否有入侵行为；
步骤六、如有入侵行为，设定最大相位变化的成对光栅区域为入侵事件发生区域，
反馈该对光栅的位置及强度等级，并发出即时告警，继续下一对光栅的查询；
步骤七、全光纤查询结束，修改查询方式配置，重新开始查询。
系统的查询方式可以设定为：①偶数光栅对查询，②奇数光栅对查询，③依次查
询，通过对触发脉冲的控制，灵活选择查询方式，改善系统的查询速度。在初始化时采用方
式③依次查询的方法，获取整个光栅阵列的原始信息；正常工作后，为了提高查询速度，可
以选择①偶数光栅对查询，或者②奇数光栅对查询，这可以将查询速度提升一倍，有效改善
系统实时性。当然，也可以①、②交替查询，兼顾查询速度和可靠性。
本发明一种基于菲索干涉的超弱光栅周界安防系统，利用超弱光栅对菲索共路干
涉的特点，将长距离光纤周界划分为若干个微型防区，通过检测微型防区内双光栅反射光
的迈克逊干涉现象判定是否存在入侵，结合控制技术进行防区扫描，结合快速防区扫描查
询方法实现全光纤分布式传感，有效解决了分布式周界安防系统的灵敏度、传感距离、定
位、误报等问题，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)、灵敏度高：利用同一根光纤上两个光栅构建菲索干涉仪，两臂之间的光程差只
有数十米，能有效减小偏振衰落和非传感区域线路抖动的影响，相干信号的可见度好，灵敏
度高；且通过非平衡迈克尔逊干涉仪补偿臂差后，可以稳定工作点，进一步优化可见度和灵
敏度。
2)、拓展了分布式光纤周界安防技术的传感距离：经典的M-Z分布式周界安防技术
受偏振退化、双光缆布设及定位精度等的限制，防区最大长度一般只有2km左右，在诸如机
场、核电站、边防等应用中存在明显劣势；本发明基于超弱光栅反射信号进行感测，信号强
度高(与其它散射信号比较)，偏振影响因素小，周界安防距离可达100km。
3)、可以根据周界安防的需求，提供灵活的定位精度，具备多点入侵识别功能：采
用2个光栅(光栅对)构建微型传感区域，通过识别传感区域的位置来定位入侵事件的位置。
这种定位方法只需要灵活调节光栅对之间的间隔，即可满足不同周界安防系统的定位精度
需求，且与周界安防距离的大小无关。目前光栅对之间的间隔可以设置到10米以下，优于现
有M-Z传感技术的定位精度；分区定位也为多点入侵识别创造了条件。
4)、误报率低：2个光栅(光栅对)构建微型传感区域通常只有几米或几十米，干涉
效果好，可有效规避传感光纤上其它区域的干扰。与此同时，通过检测相邻传感区域的信
息，根据振动信号的传播特征，综合判定是否入侵事件，可大幅降低系统的误报率。
5)、性价比高：理论上只需要光源的相干长度大于光栅之间光程的两倍，即可保证
两个光栅之间菲索干涉的发生，降低了对光源的要求(MHz线宽的激光光源)；光栅阵列在普
通光纤上刻写，制作成本低，成缆简单；100km级的周界安防系统只需要一套解调设备，性价
比高。
附图说明
图1为本发明实施例基于菲索干涉的超弱光栅周界安防系统的示意图；
图2为本发明实施例基于菲索干涉的超弱光栅周界安防系统查询方法的示意图；
图3(a)为本发明实施例基于菲索干涉的超弱光栅周界安防系统探测脉冲的示意
图(双脉冲检测示意图)；
图3(b)为本发明实施例基于菲索干涉的超弱光栅周界安防系统探测脉冲的示意
图(单脉冲检测示意图)。
图1中：1—相干激光光源，2—光调制器，3—光环行器，4—振动传感光缆，5—臂长
补偿模块，6—光电探测器，7—A/D采集卡，8—控制单元，9—查询单元。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述：
本发明一种基于菲索干涉的超弱光栅周界安防系统，如图1所示，该系统包括：
探测光缆，光缆长度10km，由刻写有大量啁啾超弱光栅阵列的光纤铠装成单芯微
振动光缆，直接用自锁扎带固定在围栏或其它需要安防的地方，用于将光缆上局部的振动
转化为邻近光栅上反射光菲索干涉后的相位变化。超弱光栅阵列由全同啁啾光栅构成，反
射率在-40dB，使光栅反射信号的幅度远高于噪声(如瑞利散射)幅度，便于探测和信号处
理；光栅间距10米，3dB反射谱宽大于1nm，中心波长1550nm。啁啾光栅可以直接利用相位掩
模方法制备，带宽1nm可以有效避免光缆铺设时应力不均导致的波长漂移，以及温度变化的
影响，确保有效反射激光光源的光脉冲信号，降低光缆对工作环境和铺设的要求。
对于低反射率的宽谱弱光栅，在窄线宽激光的照射下，相邻两个光栅反射信号具
备如下特征：
①、两个光栅的反射信号具有同频率(波长)；
②、由于弱光栅对透射光能量的衰减小，两个光栅反射信号幅度相当。假定光栅的
反射率为R0，激光的光强为I0，前后两个光栅的反射信号强度分别为I0R0和I0R0(1-R0)2，具体
而言，当光栅反射率0.1％时，两个光栅反射光强度差为0.2％，完全满足等强度干涉的要
求；
③、两个光栅之间的间隔固定，两路反射光的相位关系基本稳定，且当光栅之间的
间距不大时(几十米以内)，激光偏振态变化的影响很小，反射信号的振动方向基本相同；
这满足两束光发生干涉的必要条件，只要光源的相干长度大于两个光栅之间的光
程差，即δ>2ne△L，其中δ为激光光源的相干长度，可满足两束光稳定干涉的充分条件。上述
分析中，两个光栅反射光具备完全的菲索干涉特征，故称为双光栅菲索干涉。
其双光束干涉的表达式：
ID≈R0*I0*{1+cos[4πne△L/λ+φr]} (1)
式中，ID为双光束干涉的光强，△L为两个光栅之间的间距，φr为两光栅之间的初
始相位差。当两个光栅之间的光纤受到外界扰动时，干涉信号的相位差变化：
式中，ε为外力作用该段光纤时产生的应变。
由上式可知，当激光光源的波长确定后，两束干涉光的干涉相位变化程度与光栅
间距△L线性相关，光栅之间的间距越长，对外力作用的敏感度越高。但实验研究表明，在同
样线宽的激光光源的照射下，前后两光栅之间的间距越大，即等效于迈克尔逊干涉臂的臂
长差越大，系统的可见度会明显下降。与此同时，双光栅干涉的静态工作点稳定性也会受到
影响，静态工作点稳定在不同的位置，直接决定干涉仪的灵敏度。因此，系统设计时要综合
考虑激光器的线宽、灵敏度及可见度等因素。当两个光栅之间的间距较大时(如10米)，可见
度快速下降，噪声影响严重，需要引入非平衡迈克尔逊干涉仪技术进行臂差补偿，有效减小
臂长不等的影响，并稳定静态工作点，进而提高系统的灵敏度，但经过非平衡迈克尔逊干涉
仪补偿后信号的理论可见度只有50％，需要对探测电路进行优化。此外，不同光栅对之间的
臂差可能不同，需要在查询每对光栅时进行实时调整非平衡迈克尔逊干涉臂差。鉴于本发
明所涉及的非平衡迈克尔逊干涉仪，已经在水听器等中获得广泛应用。在此只是列举部分
实现方式，不对模块的细部特征再做具体叙述。
查询单元，与探测光缆连接，产生光脉冲，接收光栅阵列的反射光脉冲，经过臂长
补偿模块采用高速光电探测器(O/E转换)将光信号转换成模拟的电信号，在控制信号的触
发下，高速A/D转换器选择特定时刻的光脉冲进行转换，分离出目标光栅对的电信号。具体
而言，查询单元中的窄线宽光脉冲采用线宽小于1MHz的激光光源、EOM电光调制器和控制信
号共同实现，光源功率10dBm，中心波长1550nm；光脉冲通过光环形器耦合进入单芯的微振
动光缆，经过菲索干涉仪后的3路信号分别采用高信噪比的PIN光电探测器探测，再经过可
外触发控制的高速A/D转换器，对目标光栅的电信号进行分离和模数转换。
控制单元，与查询单元连接，用于产生可进行脉冲宽度和时延调节的控制信号，并
同步提取解调后的信号；完成信号处理和模式识别，结合波长偏移量的大小及频率特征判
断是否有入侵行为，定位入侵事件的位置。控制单元可以直接采用PC和硬件电路实现，PC进
行信号处理和模式识别，硬件完成控制信号产生，两者之间通过串口或USB进行通信，但这
种解决方案的实时性略差；目前，采用赛灵思推出的ARM+FPGA一体化开发板设计控制单元，
ARM负责高速通信、人机交互和显示告警，FPGA用于信号处理和控制信号产生，该方案具有
更高的集成度和灵活性。在信号处理时，若发现某个微型传感区间上的振动大幅变化(超过
设定阈值)，且频率在入侵范围之内，可以发出疑似入侵的告警提示信息，再启动前、后相邻
微型传感区域的振动监测，综合三个微型防区的监测结果，对振动趋势进行分析和预测，若
预测结果显示该区域的达到临界值，系统发出相应的告警信息，否则，认为围栏(墙)状态正
常。微型传感区域振动幅值的临界值及频率范围，可根据长期振动信号的状况趋势进行分
析和预测，或通过实验建立各种入侵情况的数据库样本，通过机器学习进行优化，从而提高
预测的准确率。分析振动信号的模式识别算法，可根据学习结果采用阈值判断，或者引入经
验模态分析、神经网络等算法进行优化。
本发明中，该控制单元还用于存储初始化时各个光栅的时延信息和位置，脉冲的
宽度及延时间隔。系统工作时根据光栅对反射脉冲到达A/D转换器的时间进行分离，光栅所
在位置Ln与检测时间tn之间的关系可表示为：
因此，在系统启动初期，通过发射窄脉冲，并基于相位-强度的检测方法(公开号：
104990567A，“一种光栅阵列的相位-强度定位方法”)，可以依次确定各个光栅对应的时延
信息及光栅之间的间隔，光栅的定位精度+/-0.1m。这为后续通过触发脉冲选择光纤上某对
光栅的反射信号提供了关键的信息。
在本发明中，采用相邻的两个弱光栅构建一个微型振动传感区域，通过定位最大
相位变化的传感区位置来定位入侵事件发生的位置。振动传感是基于周界上入侵对光纤外
力作用后，在光纤上产生应变，理论基础见公式(2)，但振动传感区的选择需要对光脉冲进
行精确设计，如图3(a)所示的双脉冲检测方法中，前脉冲和后脉冲的时间间隔为τ，τ＝2△
Lne/c，10米间距的光栅对应的时间间隔为100ns。而脉冲宽度τw的选择要考虑尽量避免多脉
冲干涉，即τw<2△Lne/c小于100ns。事实上，3(b),也可以选择脉冲长度在100ns～200ns之间
的单个脉冲入射，由于脉冲前沿在第二个光栅处的反射信号需要经过100ns才能到达光栅
1，这期间两个光栅的反射光不具备产生干涉的条件，但100n以后两个光栅的反射脉冲相
遇，在10ns～200ns的区间段内发生干涉，超过200ns后，会有更多光栅的反射光参与干涉，
这不利于分离单个微型传感区域的信号。因此，在A/D转换器方面，通过同步脉冲外触发控
制，只解调反射脉冲中100ns～200ns时间段的信号，即为携带了两个光栅菲索干涉后的信
号。
本发明还提供了一种超弱光栅周界安防系统的查询方法，基于上述实施例的系
统，如图2所示，包括以下步骤：
S001：根据光栅间隔设定脉冲宽度10ns，以控制单元允许的最小时延1ns作为增
量，沿光纤长度方向进行初始化扫描查询，采用时延-强度二维算法识别阵列中的各个光栅
及其位置，配置相位查询的双脉冲，脉冲宽度为100ns，脉冲间隔100ns，设定奇数光栅对的
查询；
S002：启动全光纤上成对光栅的相位扫描查询；
S003：监测成对光栅上是否有超出设定值的相位变化；
S004：若发现某对光栅上的相位变化的超出设定值，暂停扫描查询模式，直接查询
前、后相邻光栅对上的相位变化；
S00:5：对相邻3个成对光栅传感区的相位变化进行特征参量比较和分析，判定是
否有入侵行为；
S006：如有入侵行为，设定最大相位变化的成对光栅区域为入侵事件发生点，反馈
该对光栅的位置及强度等级，并发出即时告警，继续查询；
S007：全光纤查询结束，变更查询方式，重新开始查询。
在本发明中，系统可以通过灵活控制触发脉冲选择光纤上任意光栅对的反射信
号。例如，当系统灵敏度较高时，光缆能有效感测外部振动的影响，为了提升系统的响应时
间，可以选择偶数或者奇数光栅对进行查询，这将有望使发现振动异常的时间降低50％以
上。
综上，本发明提供的基于菲索干涉的超弱光栅周界安防系统及方法，利用超弱光
栅将长距离周界划分为若干个微型防区，通过检测微型防区内双光栅反射光的菲索干涉现
象判定是否存在入侵，结合快速防区扫描查询方法实现全光纤分布式传感，快速查找和识
别入侵事件并准确定位，实时监测围栏(墙)状态，为周界安防提供可靠地安全信息。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，
而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。