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1、光纤传感周界入侵防范系统技术现状及市场前景浅析理工光科 闫奇众一、 引 言进入21世纪以来，全球在经济、文化方面不断取得进步。但“911”事件的发生，也警示了这个世界，还存在太多危险和恐怖因素。事实上，采用先进的技术，开发稳定可靠的安防系统，对敏感和重要区域的周界进行全范围、全天候的安全防护，关系到社会的稳定发展和人民生命财产的安全，一直受到各国的高度重视。周界入侵防范技术的发展及相应周界入侵防范产品的开发与应用，始终是社会公共安全及安防产业的重要研究课题，也是“物联网”的重要应用领域。由于周界入侵防范系统所面对的防范对象广泛而复杂，且受到地形、地势、气候、气象等各方面条件的制约，防范要求更高
2、，难度也更大。目前在国内周界安防领域内，虽然视频监控、门禁和红外等传统技术已经比较成熟，占据市场主流，但其均属于较低安全级别的周界安防技术，存在被突破几率较高、防误报技术有待改进、定位功能原始等很多缺点，难以满足现代军事要地、国家重要机关部门和机场、银行等特殊场所较高级别安防的需求，在技术和市场上还存在很大空白。因此传统周界安防传感器受自身技术条件限制存在诸多功能缺陷，已经越来越难以满足新时期的周界安防的要求。自上世纪90年代以来，由于光电技术、光纤技术、计算机技术和集成电路技术的发展，出现了一类新型的基于光纤传感技术的安防技术-光纤传感周界防范技术。由于光纤传感具有抗电磁干扰、易于远传等优点
3、，可以有效克服电类传感器的不足，近十年得到迅速发展。因此，作为智能材料、智能结构和智能皮肤技术发展的关键，光纤传感周界防范技术是未来智能环境感知与周界探测预警系统的主要发展方向之一。二、市场前景社会财富的增加和国际恐怖活动威胁的增长是周界安防市场持续壮大的核心驱动力。尤其是“911”事件发生之后，以美国为首的世界各国均加强了在周界防范预警领域的研发力度，在机场、军事基地、国土边境、港口、政府机关、银行、核电站、易燃易爆物资仓库等军事与民用要害部门均投入巨资，以期开发完备的周界预警防务网络。根据研究机构IMS预测，周界安防系统的世界市场将以每年8的速度稳步增长到2014年；预计2012年全球周界
4、安防设备市场总额为4.43亿美元，其中欧洲、中东和非洲占41.6，美洲和亚洲占58.4。中东和非洲地区作为石油天然气供应地，机场和港口数量较多，由于战局动荡，对周界安防类产品需求较为旺盛；东欧受核电站数量增加和恐怖主义活动影响，需求也有所增加；美洲对周界安防产品的需求主要还是国防边界和重要基础设施；而亚洲是最小的市场，主要由本土周界安防企业供货，例如中国、日本和韩国。2012年全球周界入侵探测设备国际市场份额分配如图1所示1。图1. 周界安防产品2012年市场份额分配在我国，随着改革开放政策的深入实施，社会财富高速增加，国人对安全的需求愈来愈高，愈来愈广。国内周界安防产品最近几年将保持快速发展
5、的态势，发展潜力巨大。中国安防行业“十一五”发展规划指导思想指出，“十一五”期间安防产业发展年增长率要达到20%以上，2010年实现增加值800亿元以上，成为继美国之后全球第二大安防市场；中国安防杂志撰文估计我国安防市场需求的年增长率将保持在20%以上。据美国咨询机构Forrester预测，到2020年世界上内嵌传感器的“智能物件”在人类上网交换信息的同时，也能相互感知、形成“物联网”业务，为人与人通信业务量的30倍。因此物联网被称为与互联网相当的下一个万亿元级产业。周界入侵防范系统是物联网的重要组成部分，已由初期的国家要害部门扩展到当今的公共场所、大型建筑、金融、交通、社区等各个领域，市场容
6、量巨大。（1）军事要地、重要设施等高端领域周界安防产品在军事要地、国防设施、政府部门等高端领域应用得相当普遍。如：部队、机场、军港、导弹/火箭发射基地、雷达、通讯站点；监狱、学校、水库、政府机构等重要安全防护场所等。由于政府和军队对安全防护的需求较高，并且预算充足，因此周界产品在这些领域保持着相当高的应用增长速度，市场容量和增长率很大。图2展示了各个用户群体所占的市场份额2。图2. 周界安防产品2011年用户市场份额（2） 机场周界防入侵系统民航总局文件民用航空运输机场安全保卫设施明确提出了要应用周界安防入侵系统，并对入侵目标进行识别、分类及全天候工作。以上海浦东国际机场防入侵系统为例，周界防
7、入侵系统铺设了3万多个传感节点，覆盖了地面、栅栏和低空探测，可以防止人员的翻越、偷渡、恐怖袭击等攻击性入侵。国家民航局正式发文要求全国民用机场都要采用国产周界入侵探测防范系统。全国近200家民用机场如果都加装防入侵系统，将产生上百亿的市场规模。（3） 油气管道等易燃易爆场所的防卫国家对油气管道安全传输非常重视，在2001年8月即由国务院发布了石油天然气管道保护条例。保障油气管道的安全运行是国家油气运输部门的一项重要职责。近年来，相对于油气管道的自然泄漏，由于开挖、偷盗、破坏产生的管道泄漏、人为盗油给管道带来的破坏更为严重，已经成为石油泄漏的最主要原因。石油泄漏不仅使国家财产蒙受重大损失，还有可
8、能带来环境污染和诸如火灾等次生灾害。据统计，我国的油田管道年穿孔率为0.66/km左右，仅输油管道在近30年内共发生大小事故上千次，天然气管道也发生事故几百起。由此可见，油气管道周界安全防范系统需求极为迫切。目前，我国已建成投入运营长输油气管道6万多公里，保障了经济建设和人民生活的正常用油用气，其中建成原油管道1.7万公里、成品油管道1.2万公里、天然气管道3.3万公里、海底管道三千公里，因此油气管道周界安全防范系统市场容量极大。另外，国内外还有大量的油库、气站、油气储存罐区、炸药库等领域，都是周界极为敏感区域，市场容量巨大。（4） 通讯线缆的防护当今世界任何一个地区的现代化通信都是建立在一个
9、高密度分布、大容量、高速的光缆光纤网络上，其安全性和可靠性极为重要，一旦发生光缆故障，将严重影响正常通信，造成巨额经济损失。随着我国电信事业的飞速发展，电信网络日益庞大而复杂，给通信网络的管理维护带来了巨大的困难，迫切需要周界安全防范技术产品实现实时、自动的光缆线路自动监测。到2007年底，我国光缆线路总长度达到577.7万公里，其中长途光缆线路长度达到79.2万公里。周界安全防范能检测到光缆沿途产生的微小振动，对破坏光缆的行为产生预警，为光缆线路维护部门提供了一种先进的防护手段，为光缆传输网络优质、高效、安全、稳定地运行提供了可靠保障，市场前景很好。（5）其它领域的应用重要国境线、保税区隔离
10、带、海关港口等长距离大范围防止侵入或越境的场所警戒，特别是崇山峻岭、沙漠荒野、人工巡逻查检十分不易的场所需要敷设周界安全防范技术产品；长途电力线缆方面，2005年全国220kV及以上的输电线路已达到21万公里，还有更多110kV及以下的输电线路需要进行周界入侵防范等。特别是在2010-2012年，市场需求趋于多样化，用户对高技术产品的需求量越来越大，中国正在发展成为世界上最庞大的周界安防产品市场已是不争的事实。三、光纤周界入侵防范技术现状周界入侵防范系统即在防护区域的边界利用各种技术形成一道或可见的、或不可见的“防护墙”，若当有人通过或欲通过时，相应的探测器即会发出报警信号送至安保值班室或控制
11、中心的报警控制主机，同时发出声光报警，显示报警位置，有的报警系统还会联动周界模拟电子屏，甚至联动摄像监控系统、门禁系统、周界强电照明系统等。现代周界环境感知与防范报警系统所使用的传感器种类繁多，不同传感器的使用决定了整个系统所处理的数据特性以及报警机制的差异。目前，周界入侵传感器可以分为三类：电类周界入侵防范传感器、普通光纤周界入侵防范传感器和光纤光栅周界入侵防范传感器。与电类传感器相比，光纤传感器进行周界探测预警具有以下优点：抗干扰性能好，不受雷、电、磁、风、雪、雨、雾等自然条件和环境的影响，特别适用于有强电磁干扰和环境条件恶劣的场合；结构简单，安装隐蔽，适合各种场合；误报率低；检测距离长，
12、可精确定位；复用性强，既是传输又是传感；光纤易于远传，价格较低，更适宜长距离探测。因此，近年来光纤传感器特别是光纤光栅传感器得到了越来越多的关注和研究。近年来，光纤传感周界入侵报警系统得到了快速地发展，当前所应用的技术主要有以下几大类：（1）基于多模光纤相干技术的光纤周界报警系统。20世纪八十年代，C.Leung等人研究了基于多模光纤的光纤入侵传感器。其原理是当某点发生机械形变，引起多模光纤中传播光相干，传感器通过探测光相干而引起的扰动获取入侵信息。其特点是使用了多模技术，所以成本较低。Senstar-Stellar公司基于测量多模光纤中偏振态的变化开发的Interlli-FIBER系统，当入
13、侵者入侵时，会引起在光纤中传播的光偏振态的变化，通过分析和处理由光偏振态的变化产生光强的变化，从而获取入侵信息。其缺点是探测距离短，不能定位入侵点的具体位置，且不具有分布式功能。（2）基于干涉原理的分布式光纤传感入侵系统。其中主要技术是Sagnac、Michelson、M-Z（马赫-曾德）光纤干涉技术。20世纪末，基于干涉原理的分布式光纤传感入侵系统得以研究并发展3-5。Sagnac干涉型光纤传感系统基本原理是，激光器发出的光经3dB耦合器分成两束相同的光，分别耦合进由同一光纤构成的光纤环中，形成沿相反方向前进的两光波，此两路光符合频率相同，振动方向相同，相位差不变的干涉条件，因此在耦合器处发
14、生干涉。当传感光纤没有受到干扰时，此干涉现象趋于稳定，光强变化率为零；当这两束光受外界因素干扰时，就会产生不同的相移，因而在两束光回到耦合器处时干涉发生变化，而这种变化就可被光电探测器监测到，它将这种变化转变为电信号后，即送到信号处理系统处理，如图3所示。图3. Sagnac干涉型光纤传感系统原理这类光纤传感入侵系统的特点是，可以实现分布式测量，探测距离远，简单高效，安装便捷，维护简单，成本较低，且灵敏度还可以根据实际的安装环境变化而调整，很方便用户。OptiPhase公司开发出基于Sagnac干涉仪的探测系统。美国Fiber Sensys公司立足于干涉型分布式光纤传感技术，研发了许多光纤防卫
15、产品。主要应用于入侵检测，客户为美国和欧洲的政府机构、银行以及军事单位。澳大利亚FFT（Future Fiber Technology）公司报道了一种分布式光相位传感系统，该系统以光学干涉理论为基础，采用Mach-Zehnder（马赫-曾德）干涉技术方案，结合了光纤传感技术，可以不间断地实时采集20km传感距离内的各种振动信号，并可以利用已有的通讯方式构成通信网络，实现具有实时性、可精确定位的防止第三方干扰的传感系统，定位精度150m。目前该系统已经在澳大利亚、新加坡、美国、英国、日本、意大利等国家和地区得到应用，应用领域涵盖政府机构、军队、机场、港口、边境线、银行和石油/天然气公司等重要单位
16、的周界监测和安防报警。这类传感系统对入射光的偏振态以及外界环境因素(如温度等)的变化比较敏感易产生漏报和误报等现象，也不能精确定位，且其定位精度会随着传感距离的增大而降低，数据处理工作复杂，且对参考光纤的屏蔽有很高的要求。（3）基于光时域反射定位(OTDR)技术的光纤周界报警系统。主要技术是基于布里渊区散射的B-OTDR技术、相位敏感的-OTDR技术和利用偏振光时域反射的P-OTDR技术6-7。这类系统工作原理是利用光纤内不同部位的背向散射光的干涉效应，由光相位变化致光功率变化，通过入侵前后功率谱曲线的比较获取入侵点的位置信息。系统特点是只需采用单根光纤，在同一端进行测量，监测距离长，一般为几公里到几十公里，可以实现入侵位置的精确定位。缺点是对光源要求比较高。光纤的背向瑞利散射信号一般较弱，因此对光探测器要求比较高，要获得高的信噪比，一般需要对多个探测脉冲进行平均，这样会影
