吳志宏，李光偉，邢姍姍，楊沓霖，張 輝，王志佳，王 超

（1.93209 部隊(duì)，北京 100085；2.復(fù)旦大學(xué) 材料科學(xué)系，上海 200433）

引言

我國邊海防線漫長，邊界周邊形勢復(fù)雜，監(jiān)控管理難度大。為提高邊海綜合防衛(wèi)管控能力，經(jīng)過多年基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，我國邊境沿海一線建設(shè)了一批以鐵絲網(wǎng)、鐵柵欄、攔阻樁為主的物理攔阻設(shè)施，并部分加裝了振動(dòng)傳感光纜[1]、脈沖電子圍欄[2]、張力電子圍欄[3]等防越報(bào)警裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)重要邊境線和管控區(qū)域的物理隔離與防越報(bào)警。

振動(dòng)光纜具有傳感距離長、易于敷設(shè)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、傳感靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于周界安防領(lǐng)域[4]。本文對(duì)振動(dòng)光纜報(bào)警線路技術(shù)的原理與特點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)該技術(shù)的具體使用場景進(jìn)行分析，為推進(jìn)“智慧邊海防”建設(shè)，構(gòu)建邊海防立體智能感知體系提供技術(shù)支撐。

1 振動(dòng)光纜傳感技術(shù)

1.1 散射型振動(dòng)光纜

散射型振動(dòng)光纜傳感技術(shù)的原理主要基于光纖中的瑞利散射現(xiàn)象。利用相關(guān)原理制作的光時(shí)域反射儀（OTDR）[5-7]和光頻域反射儀（OFDR）[8-13]可用于實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)的傳感監(jiān)控。

1.1.1 光時(shí)域反射儀

OTDR 通過探測光纖中后向散射光強(qiáng)的變化，分析獲取光纖沿途各種事件的信息，其基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 OTDR 基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of OTDR

光脈沖由脈沖光源產(chǎn)生并注入傳感光纖，沿光纖傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生后向瑞利散射光。散射光經(jīng)光電探測器收集并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，經(jīng)信號(hào)處理器分析得到事件的位置信息，其表達(dá)式為

式中：c為真空中的光速；n為光纖的折射率；t0為信號(hào)強(qiáng)度發(fā)生變化的時(shí)刻。

OTDR 僅能探測光纖中的損耗、斷點(diǎn)、彎折等靜態(tài)事件，多用于光纖質(zhì)量檢測，無法監(jiān)測外界擾動(dòng)事件[5]，因此難以在邊海防報(bào)警線路中應(yīng)用。

1.1.2 偏振光時(shí)域反射儀

光纖中傳輸光的偏振狀態(tài)會(huì)受到應(yīng)力、溫度、電場、磁場等影響。偏振光時(shí)域反射儀（POTDR）利用窄帶激光器產(chǎn)生光脈沖，經(jīng)起偏器后注入傳感光纖，通過檢測后向瑞利散射光的偏振態(tài)，可以對(duì)光纖沿路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測[14]。POTDR 的基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示，在傳統(tǒng)OTDR的基礎(chǔ)上，于傳感光纖和光電探測器的前端分別引入起偏器和檢偏器。

圖2 POTDR 基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Basic structure of POTDR

在靜態(tài)情形下，POTDR 可以用于檢測光纖的偏振模色散[15]、偏振相關(guān)損耗[16]和雙折射效應(yīng)[17]。在動(dòng)態(tài)情形下，利用POTDR 對(duì)于后向瑞利散射光的偏振變化具有快速響應(yīng)的特點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)傳感，為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)實(shí)時(shí)性和信噪比，還可以在POTDR 種應(yīng)用數(shù)字平均降噪和小波降噪的方法[18]。但當(dāng)傳感光纖上不同兩點(diǎn)受到干擾時(shí)，兩點(diǎn)產(chǎn)生的散射光的偏振狀態(tài)會(huì)互相影響，從而產(chǎn)生偏振疊加效應(yīng)，使POTDR 無法定位多個(gè)擾動(dòng)事件[14]。因此，對(duì)于POTDR 結(jié)構(gòu)的多點(diǎn)擾動(dòng)檢測是當(dāng)前研究的重點(diǎn)，目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)雙事件檢測[6]和對(duì)兩個(gè)同頻率擾動(dòng)的位置區(qū)分[7]。偏振疊加效應(yīng)使得多點(diǎn)擾動(dòng)互相串?dāng)_，一旦系統(tǒng)前端出現(xiàn)擾動(dòng)事件，則后端的光纖系統(tǒng)將無法進(jìn)行事件檢測，這使得POTDR 系統(tǒng)大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段，難以在邊海防報(bào)警線路中應(yīng)用。

1.1.3 相位光時(shí)域反射儀

1993 年，Taylor 首次提出相位敏感光時(shí)域反射儀（Φ-OTDR）的概念[19]。與傳統(tǒng)OTDR 不同，Φ-OTDR 的光源使用窄線寬的激光器。由于光源線寬窄、相干性好，入射光在光脈沖寬度范圍內(nèi)產(chǎn)生的后向散射光會(huì)發(fā)生干涉，探測后向散射光干涉后的強(qiáng)度變化，可以準(zhǔn)確識(shí)別位置信息和振動(dòng)信號(hào)。Φ-OTDR 基本結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 Φ-OTDR 基本結(jié)構(gòu)Fig.3 Basic structure of Φ-OTDR

光纖中后向瑞利散射光的相位對(duì)微小的擾動(dòng)和應(yīng)力變化很敏感，Φ-OTDR 系統(tǒng)通過對(duì)該相位變化的檢測，可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度的振動(dòng)探測。因?yàn)閭鞲泄饫w遠(yuǎn)端信噪比較低，Φ-OTDR 仍存在著誤報(bào)率高、多點(diǎn)定位不準(zhǔn)確等問題。目前，對(duì)Φ-OTDR 的研究集中于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和算法的改善，從而提高信噪比，增加系統(tǒng)傳感距離。在改善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，研究者們?cè)讦?OTDR 系統(tǒng)中分別引入了一階和二階分布式拉曼放大器[20]、混合分布式放大器[21-22]。在優(yōu)化系統(tǒng)算法方面，研究者們將自適應(yīng)雙邊濾波算法[23]、粒子群優(yōu)化算法[24]和基于機(jī)器學(xué)習(xí)模型的多維信號(hào)檢測識(shí)別算法[25]用于Φ-OTDR 系統(tǒng)的信號(hào)去噪。除此之外，還有學(xué)者設(shè)計(jì)并搭建了一種集成ΦOTDR 和BOTDR 的雙參量分布式光纖傳感系統(tǒng)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和振動(dòng)的監(jiān)測[26]。

Φ-OTDR 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)的長距離、高分辨率探測，因此在未來邊海防報(bào)警線路中具有廣闊應(yīng)用前景。隨著距離的增加，Φ-OTDR 的單點(diǎn)采樣率會(huì)大幅降低，同時(shí)在長距離的入侵探測應(yīng)用中，Φ-OTDR 對(duì)系統(tǒng)組成中的激光器和采集模塊要求較高，成本也相應(yīng)提高，一定程度上限制了其應(yīng)用。

1.1.4 光頻域反射儀

對(duì)于OTDR 來說，空間分辨率的量級(jí)主要為米級(jí)。為了能達(dá)到毫米級(jí)的空間分辨率，研究者們開始將目光轉(zhuǎn)向光頻域反射儀（OFDR），其基本結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 OFDR 基本結(jié)構(gòu)Fig.4 Basic structure of OFDR

目前，使用可調(diào)諧激光器，OFDR 實(shí)現(xiàn)了空間分辨率為毫米級(jí)的探測[8]。OFDR 可以實(shí)現(xiàn)較高的空間分辨率，但傳感距離受到光源的相干長度、相位噪聲和偏振狀態(tài)的限制。為提高傳感距離，研究者提出了相位噪聲補(bǔ)償[9]、雙邊帶相位噪聲消除[10]、加入光IQ 調(diào)制器[11]、應(yīng)用自相關(guān)算法[12]等方法，以及非相干OFDR[13]。OFDR適用于短距離、高分辨率的振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測，可應(yīng)用于邊海防報(bào)警線路中。

1.2 干涉型振動(dòng)光纜傳感技術(shù)

干涉型振動(dòng)光纜傳感技術(shù)發(fā)源于20 世紀(jì)70 年代，是目前市面上振動(dòng)光纜傳感的主流技術(shù)。干涉型振動(dòng)光纜傳感是利用光彈效應(yīng)，外界物理場的變化會(huì)引起光纖的長度L、纖芯折射率n、光纖直徑d等物理量發(fā)生變化，從而導(dǎo)致傳輸光相位的變化，通過探測相位改變來獲取擾動(dòng)信息

干涉型振動(dòng)光纜傳感技術(shù)主要利用干涉儀將相位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)的變化，雙光束干涉時(shí)，干涉光的光強(qiáng)可表示為

式中：I1和I2分別為兩束相干光的光強(qiáng)；Δφ為兩束光的相位差。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，干涉儀可分為Sagnac 型[27-32]、Mach-Zehnder 型[33-36]、Michelson 型[37-38]，以及復(fù)合型[39-43]。

1.2.1 薩格納克（Sagnac）干涉儀

Sagnac 干涉儀基本結(jié)構(gòu)如圖5 所示[27]，光源發(fā)出的光由3 dB 耦合器分為兩束，在傳感光纖環(huán)中分別沿順時(shí)針和逆時(shí)針傳播，回到耦合器時(shí)發(fā)生干涉。當(dāng)環(huán)路沒有受到外界擾動(dòng)作用時(shí)，兩個(gè)方向傳輸光的光程相等，干涉光的相位恒定。而當(dāng)環(huán)路某一位置受到外界擾動(dòng)作用時(shí)，兩束光產(chǎn)生不同的相位變化，干涉光的相位隨之發(fā)生改變，從而改變干涉光的光強(qiáng)，通過對(duì)光強(qiáng)變化的分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外界擾動(dòng)的定位以及擾動(dòng)信號(hào)的還原。目前國內(nèi)已有相關(guān)基于Sagnac 干涉儀的智能光纖安防系統(tǒng)投入應(yīng)用[28]。為提升系統(tǒng)準(zhǔn)確度和可靠性，研究者們進(jìn)一步提出使用雙波長光源[29]、保偏光纖[30]，以及雙Sagnac 環(huán)[31]的結(jié)構(gòu)。

圖5 Sagnac 干涉儀基本結(jié)構(gòu)Fig.5 Basic structure of Sagnac interferometer

Sagnac 結(jié)構(gòu)具有互易性，無外界擾動(dòng)時(shí)干涉光的相位和偏振態(tài)相同，保持穩(wěn)定。在光源的選擇方面，寬譜光源可以有效抑制相干噪聲，提升系統(tǒng)性能。若擾動(dòng)發(fā)生在Sagnac 環(huán)的對(duì)稱中心位置附近，則兩束光會(huì)同時(shí)發(fā)生相位改變，干涉光的相位變化較小，使擾動(dòng)難以被探測。為解決Sagnac 環(huán)的對(duì)稱中心檢測盲區(qū)問題，研究者提出了一種直線型Sagnac 結(jié)構(gòu)[32]，并且相比于環(huán)狀結(jié)構(gòu)，直線型結(jié)構(gòu)易于在實(shí)際應(yīng)用中鋪設(shè)，提高了實(shí)用性。

1.2.2 馬赫-曾德（Mach-Zehnder）干涉儀

Mach-Zehnder 干涉儀的基本結(jié)構(gòu)如圖6 所示[33]。光源發(fā)出的光通過光纖耦合器分為兩束，分別進(jìn)入?yún)⒖脊饫w和傳感光纖，然后在另一個(gè)光纖耦合器處產(chǎn)生干涉信號(hào)，通過對(duì)干涉相位的解調(diào)得到擾動(dòng)信息。

圖6 Mach-Zehnder 干涉儀基本結(jié)構(gòu)Fig.6 Basic structure of Mach-Zehnder interferometer

Mach-Zehnder 干涉儀結(jié)構(gòu)簡單，且光纖中的光束單向傳輸，相干噪聲較低。但基本的Mach-Zehnder 結(jié)構(gòu)僅能探測擾動(dòng)的發(fā)生，定位比較困難，且在實(shí)際使用中很難控制傳感臂和參考臂等長，對(duì)光源也有較高的要求。目前已有研究者提出了多種類型的雙Mach-Zehnder 干涉結(jié)構(gòu)[34-35]以提高傳感精度和傳感距離，除此之外還可以與Φ-OTDR 相結(jié)合以降低誤報(bào)率和實(shí)現(xiàn)同時(shí)多點(diǎn)報(bào)警[36]。

1.2.3 邁克爾遜（Michelson）干涉儀

Michelson 干涉儀的基本結(jié)構(gòu)如圖7 所示。光源發(fā)出的光經(jīng)過3dB 耦合器后分為強(qiáng)度相同的兩束光，分別進(jìn)入長度相同的傳感光纖和參考光纖中，在光纖末端經(jīng)反射鏡反射回到耦合器發(fā)生干涉，通過對(duì)干涉相位的解調(diào)得到擾動(dòng)信息。

圖7 Michelson 干涉儀基本結(jié)構(gòu)Fig.7 Basic structure of Michelson interferometer

該結(jié)構(gòu)能夠使傳感距離不受相干長度的限制。使用法拉第旋轉(zhuǎn)鏡作為反射鏡可使兩光路的偏振保持一致，消除偏振衰落。理想的Michelson 干涉儀要求傳感光纖和參考光纖等長，這在實(shí)際應(yīng)用中難以實(shí)現(xiàn)。此外，該結(jié)構(gòu)需要相干性較好的光源，這也增加了系統(tǒng)的成本。為提升Michelson 干涉儀的性能，研究者提出了雙輸出[37]、非平衡Michelson 干涉儀[38]等結(jié)構(gòu)。

1.2.4 復(fù)合干涉儀

為降低成本，實(shí)現(xiàn)更高效的檢測，研究者還提出了復(fù)合干涉結(jié)構(gòu)來滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。報(bào)道中使用最多的復(fù)合干涉結(jié)構(gòu)為Sagnac 與Mach-Zehnder 干涉儀的結(jié)合（見圖8）[39]。在此基礎(chǔ)上，后續(xù)發(fā)展出了時(shí)分復(fù)用與波分復(fù)用的復(fù)合結(jié)構(gòu)[40]、可調(diào)節(jié)測量范圍的干涉儀結(jié)構(gòu)[41]等。此外，Sagnac 與Michelson 復(fù)合干涉儀的研究[42-44]也被陸續(xù)報(bào)道出來，基于這種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)事件的監(jiān)測和定位。

圖8 Sagnac 與Mach-Zehnder 干涉結(jié)構(gòu)結(jié)合的復(fù)合干涉儀[39]Fig.8 Sagnac and Mach-Zehnder compound interferometer

干涉型分布式光纖傳感技術(shù)具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單且穩(wěn)定、易于解調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)有很多成功的應(yīng)用案例并且正在逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，是當(dāng)前比較適用于邊海防振動(dòng)光纜報(bào)警線路的技術(shù)。

1.3 光纖光柵型振動(dòng)傳感技術(shù)

光纖布拉格光柵（FBG）傳感技術(shù)是常用于振動(dòng)傳感的準(zhǔn)分布式光纖傳感技術(shù)。利用光纖纖芯的紫外光敏特性，通過使用紫外光的照射，使纖芯折射率發(fā)生周期性變化，形成衍射光柵。具有一定帶寬的光束入射到光纖光柵后，波長為布拉格中心波長的光會(huì)發(fā)生反射，其余波長的光將發(fā)生透射。對(duì)于光纖纖芯有效折射率為neff、周期為 Λ 的光柵，其布拉格中心波長為

當(dāng)外界物理場如溫度、應(yīng)變等作用于光纖光柵上時(shí)，光纖光柵的有效折射率和周期會(huì)發(fā)生變化，可以通過檢測反射光的中心波長的變化來實(shí)現(xiàn)對(duì)外界物理場變化的監(jiān)測。

基于光纖光柵的準(zhǔn)分布式光纖傳感系統(tǒng)是在光纖上級(jí)聯(lián)多個(gè)布拉格中心波長不同的光纖光柵，處在不同位置的光柵會(huì)有不同波長的反射光，探測每個(gè)光柵的反射光波長改變，則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖沿線光柵處的物理量測量。為實(shí)現(xiàn)長距離的探測，提出了優(yōu)化光路結(jié)構(gòu)、改良光器件的方法來降低系統(tǒng)損耗，并引入光放大器。研究者提出了可調(diào)諧激光器結(jié)合摻鉺光纖放大器、拉曼放大器的FBG 傳感系統(tǒng)，將傳感距離提高至300 km[45]?；贔BG 的光纖傳感技術(shù)較為成熟，但在邊海防這種大范圍振動(dòng)傳感系統(tǒng)應(yīng)用、安裝和使用，還需進(jìn)一步研究。

1.4 多技術(shù)復(fù)合型振動(dòng)光纜傳感技術(shù)

多技術(shù)復(fù)合型振動(dòng)光纜傳感技術(shù)是指結(jié)合散射型、干涉型、光纖光柵型等兩種或兩種以上不同原理而衍生的振動(dòng)光纜傳感技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)多功能、多場景、高效率的檢測。如OTDR 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)精確的定位，而干涉型技術(shù)則可以做到更好的模式識(shí)別和獲得更好的線性度。

1.5 技術(shù)應(yīng)用分析

振動(dòng)光纜技術(shù)應(yīng)用分析如表1 所示。

表1 振動(dòng)光纜技術(shù)應(yīng)用分析比較Tab.1 Analysis and comparison of application of vibration optical cable technology

2 振動(dòng)光纜報(bào)警線路系統(tǒng)探測及敷設(shè)方式

2.1 系統(tǒng)探測方式

根據(jù)系統(tǒng)探測方式，可將邊海防振動(dòng)光纜報(bào)警線路系統(tǒng)分為定位型系統(tǒng)、防區(qū)型系統(tǒng)和混合型系統(tǒng)。

2.1.1 定位型系統(tǒng)

定位型系統(tǒng)是基于分布式振動(dòng)光纜傳感原理，當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生在光纜上時(shí)，系統(tǒng)不僅可以檢測擾動(dòng)的能量、頻率，還可以得到擾動(dòng)發(fā)生的位置信息。前文提到的諸多振動(dòng)光纜傳感技術(shù)都可以實(shí)現(xiàn)該功能。當(dāng)入侵行為發(fā)生時(shí)，行為產(chǎn)生的擾動(dòng)會(huì)調(diào)制光纖中的光信號(hào)，通過信號(hào)處理模塊可以計(jì)算出入侵?jǐn)_動(dòng)的位置信息、能量信息和頻率信息等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)入侵行為的定位和報(bào)警。

定位型系統(tǒng)可以探測出振動(dòng)信號(hào)發(fā)生的精確位置，具有監(jiān)測距離長，施工難度低等優(yōu)點(diǎn)，但存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)成本高，抗損毀性差的問題，同時(shí)如果相關(guān)識(shí)別算法不完善，也會(huì)有較高的誤報(bào)率和漏報(bào)率。定位型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9 所示。

圖9 定位型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Structure of positioning system

2.1.2 防區(qū)型系統(tǒng)

防區(qū)型系統(tǒng)是指將監(jiān)控區(qū)域人為劃分成物理防區(qū)，每個(gè)防區(qū)采用獨(dú)立的振動(dòng)光纜傳感系統(tǒng)進(jìn)行檢測，對(duì)入侵?jǐn)_動(dòng)行為的能量、頻率信息進(jìn)行捕捉和分析，并對(duì)入侵行為進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警發(fā)生的位置對(duì)應(yīng)系統(tǒng)所監(jiān)測的物理防區(qū)位置。

防區(qū)劃分，應(yīng)以能明確區(qū)分發(fā)生報(bào)警場所作為依據(jù)來劃分，同時(shí)防區(qū)范圍不宜過大（一般直線距離不超過1 km），且防區(qū)設(shè)置應(yīng)有利于迅速判斷入侵位置，彎折多的區(qū)域可適當(dāng)增加防區(qū)數(shù)量。防區(qū)型系統(tǒng)一般采用的是物理分區(qū)的方法，將整個(gè)防控區(qū)域按需求劃分為若干個(gè)防區(qū)，防區(qū)的系統(tǒng)探測報(bào)警參數(shù)應(yīng)獨(dú)立配置且獨(dú)立工作。同一防區(qū)的安裝載體、探測靈敏度要求應(yīng)保持一致，同時(shí)防區(qū)的長度應(yīng)結(jié)合配套光電監(jiān)控設(shè)備前端覆蓋的距離進(jìn)行設(shè)置。

防區(qū)型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖10 所示，系統(tǒng)主機(jī)通過傳輸光纜連接各個(gè)物理防區(qū)的前端模塊和傳感光纜。每個(gè)防區(qū)的傳感光纜獨(dú)立工作且無串?dāng)_。防區(qū)型系統(tǒng)造價(jià)成本相對(duì)較低，配合良好的振動(dòng)識(shí)別算法可以保證整個(gè)系統(tǒng)擁有較低的誤報(bào)率。由于各個(gè)防區(qū)間工作相互不影響，所以防區(qū)型系統(tǒng)的抗損毀性好。相對(duì)于定位型系統(tǒng)，防區(qū)型系統(tǒng)的施工難度較高，需要配合長距離的傳輸光纜，并在各個(gè)防區(qū)需熔接具有復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光纖網(wǎng)絡(luò)。

圖10 防區(qū)型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Structure of defense-zone system

2.1.3 混合型系統(tǒng)

混合型系統(tǒng)如圖11 所示是在系統(tǒng)建設(shè)中同時(shí)敷設(shè)定位型系統(tǒng)和防區(qū)型系統(tǒng)，利用防區(qū)型系統(tǒng)的線性采集和識(shí)別判斷優(yōu)勢，結(jié)合定位系統(tǒng)位置判別準(zhǔn)確優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)高性能的區(qū)域防入侵監(jiān)控系統(tǒng)?；旌闲拖到y(tǒng)具有低誤報(bào)、準(zhǔn)確判斷入侵時(shí)間位置等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是建設(shè)成本高，施工復(fù)雜。

圖11 防區(qū)混合定位型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.11 Structure of Defense-zone hybrid positioning system

2.1.4 系統(tǒng)組成方式分析

定位型、防區(qū)型、混合型系統(tǒng)分析如表2所示。

2.2 敷設(shè)方式

振動(dòng)光纜報(bào)警線路系統(tǒng)根據(jù)傳感光纜敷設(shè)方式不同可分為掛網(wǎng)式、地埋式和水下式。

2.2.1 掛網(wǎng)式系統(tǒng)

掛網(wǎng)式系統(tǒng)是指振動(dòng)光纜懸掛、鋪設(shè)或嵌入于鐵絲網(wǎng)、鐵柵欄等安裝載體。掛網(wǎng)式系統(tǒng)建造難度低，施工便捷，但存在光纜暴露、易損壞等問題。典型掛網(wǎng)式系統(tǒng)傳感光纜敷設(shè)如圖12 所示，傳感光纜應(yīng)盡可能多地覆蓋阻攔設(shè)施以避免出現(xiàn)探測盲區(qū)、產(chǎn)生漏報(bào)。

圖12 掛網(wǎng)式系統(tǒng)示例圖Fig.12 Net hanging system

2.2.2 地埋式系統(tǒng)

地埋式系統(tǒng)如圖13 所示是指振動(dòng)光纜埋藏于土層等安裝載體內(nèi)部。地埋式系統(tǒng)具有報(bào)警性能優(yōu)異、誤報(bào)率低且不易損毀等優(yōu)點(diǎn)。但與掛網(wǎng)式系統(tǒng)相比，系統(tǒng)建設(shè)成本較高、施工難度較大。在嚴(yán)寒情況下，由于土壤板結(jié)，系統(tǒng)的傳感能力會(huì)受到極大影響甚至完全喪失。

圖13 地埋式系統(tǒng)示例圖Fig.13 Buried system

2.2.3 水下式系統(tǒng)

國務(wù)院印發(fā)的《“十三五”國家信息化規(guī)劃》明確了“陸?？仗煲惑w化信息網(wǎng)絡(luò)工程”重大工程，要求重點(diǎn)推動(dòng)海洋綜合觀測網(wǎng)絡(luò)由水面向水下和海底延伸的任務(wù)。海底光纜通信網(wǎng)和光纜觀測網(wǎng)通常以海底光纜為應(yīng)用形態(tài)，大量研究與應(yīng)用表明，海底光纜監(jiān)測效率高，能夠快速發(fā)現(xiàn)入侵，在水下式系統(tǒng)中有廣泛研究應(yīng)用前景[46]。2012 年，國內(nèi)建成了岸基光纖陣列水聲綜合探測系統(tǒng)；2014 年，建成了首個(gè)水下監(jiān)視系統(tǒng)和海底觀測系統(tǒng)。在工程領(lǐng)域，基于GPRS 振動(dòng)光纜周界報(bào)警系統(tǒng)在水中安防得到成功應(yīng)用[47]，圖14 展示了振動(dòng)傳感光纜鋪設(shè)方式。

圖14 水深＞1.5 m 且＜4 m 支流的振動(dòng)傳感光纜鋪設(shè)方式[40]Fig.14 Laying mode of vibration sensing fiber optic cable for water depth ＞1.5 m and ＜4 m tributaries

國外挪威 OptoPlan 公司 Nakstad 等在Trondheim 海灣和Tjeldbergodde 海灣鋪設(shè)了海底地震光纜（fiber-optic ocean bottom seismic cable,OBC）系統(tǒng)，并進(jìn)行了為期半年的地震監(jiān)測，OBC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖15 所示。2013 年，我國成功研制全光纖海洋邊界安全監(jiān)測設(shè)備，在實(shí)際應(yīng)用中，在海岸線、島嶼周邊鋪設(shè)傳感光纜，通過采集分析光纜中光信號(hào)變化得出振動(dòng)位置數(shù)據(jù)，判斷周界安全情況，適用于長距離海洋周界入侵監(jiān)測。振動(dòng)光纖技術(shù)能夠檢測到低于平均噪聲水平的入侵噪聲，是岸線防御的重要應(yīng)用。

圖15 海底地震光纜系統(tǒng)Fig.15 Submarine seismic fiber optic cable system

2.2.4 敷設(shè)方式分析

掛網(wǎng)式、地埋式、水下式等不同敷設(shè)方式系統(tǒng)分析比較如表3 所示。

表3 敷設(shè)方式分析比較Tab.3 Laying mode analysis and comparison

3 前景展望

早期振動(dòng)光纜報(bào)警線路技術(shù)由于成熟度不高，存在環(huán)境適應(yīng)性差、誤報(bào)率高、可靠性低等問題，限制了其推廣應(yīng)用。經(jīng)過長時(shí)間的發(fā)展之后，從目前的技術(shù)成熟度來看，Φ-OTDR 和干涉型振動(dòng)光纜傳感系統(tǒng)都具有良好的應(yīng)用前景，兩者都能較好的實(shí)現(xiàn)分布式傳感和光纖沿路的振動(dòng)信號(hào)還原和擾動(dòng)定位。但是前者相較于后者，仍然存在著一些短時(shí)間內(nèi)難以解決的問題：一是傳感距離受設(shè)備限制較大；二是發(fā)生多點(diǎn)擾動(dòng)時(shí)系統(tǒng)難以識(shí)別。而后者發(fā)展迅速，各種新型的復(fù)合干涉結(jié)構(gòu)被諸多學(xué)者們研究提出并成功應(yīng)用，不同干涉結(jié)構(gòu)的結(jié)合能有效地避免其單一使用時(shí)出現(xiàn)的問題，且能大幅提高傳感距離和傳感精度，是目前最適用于邊海防的振動(dòng)光纜報(bào)警系統(tǒng)。

除此之外，近年來，隨著機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，振動(dòng)信號(hào)分析識(shí)別技術(shù)也已經(jīng)日趨成熟，誤報(bào)率高的問題得以顯著改善，具體改善方法有構(gòu)建BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[48]、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[49]，或使用向量機(jī)[50-51]和極限學(xué)習(xí)機(jī)[52,53]進(jìn)行分類等，這些方法極大地提高系統(tǒng)辨別分類擾動(dòng)事件的能力。目前，振動(dòng)光纜報(bào)警線路技術(shù)已在遼寧、吉林、新疆、云南、廣東、江蘇等邊海防一線省份試點(diǎn)應(yīng)用。2021 年，《邊海防振動(dòng)光纜報(bào)警系統(tǒng)技術(shù)要求》已制定出臺(tái)，將進(jìn)一步規(guī)范促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新與推廣應(yīng)用。

在未來的推廣應(yīng)用中，想要進(jìn)一步提高振動(dòng)光纜報(bào)警系統(tǒng)的可靠性與可用性，應(yīng)因地制宜地采用振動(dòng)光纜報(bào)警線路技術(shù)產(chǎn)品，結(jié)合人工智能技術(shù)，完善目標(biāo)探測、分類、識(shí)別算法與模型庫；做好與光電、雷達(dá)、聲音、振動(dòng)傳感器聯(lián)動(dòng)，不斷降低系統(tǒng)誤報(bào)率與漏報(bào)率；同時(shí)也可以加入對(duì)應(yīng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)報(bào)警的即時(shí)性，給予工作人員更好的實(shí)時(shí)反饋。