吴志宏，李光伟，邢姗姗，杨沓霖，张 辉，王志佳，王 超

（1.93209 部队，北京 100085；2.复旦大学 材料科学系，上海 200433）

引言

我国边海防线漫长，边界周边形势复杂，监控管理难度大。为提高边海综合防卫管控能力，经过多年基础设施建设，我国边境沿海一线建设了一批以铁丝网、铁栅栏、拦阻桩为主的物理拦阻设施，并部分加装了振动传感光缆[1]、脉冲电子围栏[2]、张力电子围栏[3]等防越报警装置，实现了对重要边境线和管控区域的物理隔离与防越报警。

振动光缆具有传感距离长、易于敷设、抗电磁干扰能力强、传感灵敏度高等优点，被广泛应用于周界安防领域[4]。本文对振动光缆报警线路技术的原理与特点进行归纳总结，并在此基础上对该技术的具体使用场景进行分析，为推进“智慧边海防”建设，构建边海防立体智能感知体系提供技术支撑。

1 振动光缆传感技术

1.1 散射型振动光缆

散射型振动光缆传感技术的原理主要基于光纤中的瑞利散射现象。利用相关原理制作的光时域反射仪（OTDR）[5-7]和光频域反射仪（OFDR）[8-13]可用于实现对振动的传感监控。

1.1.1 光时域反射仪

OTDR 通过探测光纤中后向散射光强的变化，分析获取光纤沿途各种事件的信息，其基本结构如图1 所示。

图1 OTDR 基本结构Fig.1 Basic structure of OTDR

光脉冲由脉冲光源产生并注入传感光纤，沿光纤传输时会产生后向瑞利散射光。散射光经光电探测器收集并转换为电信号后，经信号处理器分析得到事件的位置信息，其表达式为

式中：c为真空中的光速；n为光纤的折射率；t0为信号强度发生变化的时刻。

OTDR 仅能探测光纤中的损耗、断点、弯折等静态事件，多用于光纤质量检测，无法监测外界扰动事件[5]，因此难以在边海防报警线路中应用。

1.1.2 偏振光时域反射仪

光纤中传输光的偏振状态会受到应力、温度、电场、磁场等影响。偏振光时域反射仪（POTDR）利用窄带激光器产生光脉冲，经起偏器后注入传感光纤，通过检测后向瑞利散射光的偏振态，可以对光纤沿路进行实时监测[14]。POTDR 的基本结构如图2 所示，在传统OTDR的基础上，于传感光纤和光电探测器的前端分别引入起偏器和检偏器。

图2 POTDR 基本结构Fig.2 Basic structure of POTDR

在静态情形下，POTDR 可以用于检测光纤的偏振模色散[15]、偏振相关损耗[16]和双折射效应[17]。在动态情形下，利用POTDR 对于后向瑞利散射光的偏振变化具有快速响应的特点进行振动传感，为了提高系统的响应实时性和信噪比，还可以在POTDR 种应用数字平均降噪和小波降噪的方法[18]。但当传感光纤上不同两点受到干扰时，两点产生的散射光的偏振状态会互相影响，从而产生偏振叠加效应，使POTDR 无法定位多个扰动事件[14]。因此，对于POTDR 结构的多点扰动检测是当前研究的重点，目前已经可以实现双事件检测[6]和对两个同频率扰动的位置区分[7]。偏振叠加效应使得多点扰动互相串扰，一旦系统前端出现扰动事件，则后端的光纤系统将无法进行事件检测，这使得POTDR 系统大多停留在实验室阶段，难以在边海防报警线路中应用。

1.1.3 相位光时域反射仪

1993 年，Taylor 首次提出相位敏感光时域反射仪（Φ-OTDR）的概念[19]。与传统OTDR 不同，Φ-OTDR 的光源使用窄线宽的激光器。由于光源线宽窄、相干性好，入射光在光脉冲宽度范围内产生的后向散射光会发生干涉，探测后向散射光干涉后的强度变化，可以准确识别位置信息和振动信号。Φ-OTDR 基本结构如图3 所示。

图3 Φ-OTDR 基本结构Fig.3 Basic structure of Φ-OTDR

光纤中后向瑞利散射光的相位对微小的扰动和应力变化很敏感，Φ-OTDR 系统通过对该相位变化的检测，可以实现高灵敏度的振动探测。因为传感光纤远端信噪比较低，Φ-OTDR 仍存在着误报率高、多点定位不准确等问题。目前，对Φ-OTDR 的研究集中于系统结构和算法的改善，从而提高信噪比，增加系统传感距离。在改善系统结构方面，研究者们在Φ-OTDR 系统中分别引入了一阶和二阶分布式拉曼放大器[20]、混合分布式放大器[21-22]。在优化系统算法方面，研究者们将自适应双边滤波算法[23]、粒子群优化算法[24]和基于机器学习模型的多维信号检测识别算法[25]用于Φ-OTDR 系统的信号去噪。除此之外，还有学者设计并搭建了一种集成ΦOTDR 和BOTDR 的双参量分布式光纤传感系统，可以同时实现对温度和振动的监测[26]。

Φ-OTDR 可以实现对振动的长距离、高分辨率探测，因此在未来边海防报警线路中具有广阔应用前景。随着距离的增加，Φ-OTDR 的单点采样率会大幅降低，同时在长距离的入侵探测应用中，Φ-OTDR 对系统组成中的激光器和采集模块要求较高，成本也相应提高，一定程度上限制了其应用。

1.1.4 光频域反射仪

对于OTDR 来说，空间分辨率的量级主要为米级。为了能达到毫米级的空间分辨率，研究者们开始将目光转向光频域反射仪（OFDR），其基本结构如图4 所示。

图4 OFDR 基本结构Fig.4 Basic structure of OFDR

目前，使用可调谐激光器，OFDR 实现了空间分辨率为毫米级的探测[8]。OFDR 可以实现较高的空间分辨率，但传感距离受到光源的相干长度、相位噪声和偏振状态的限制。为提高传感距离，研究者提出了相位噪声补偿[9]、双边带相位噪声消除[10]、加入光IQ 调制器[11]、应用自相关算法[12]等方法，以及非相干OFDR[13]。OFDR适用于短距离、高分辨率的振动信号监测，可应用于边海防报警线路中。

1.2 干涉型振动光缆传感技术

干涉型振动光缆传感技术发源于20 世纪70 年代，是目前市面上振动光缆传感的主流技术。干涉型振动光缆传感是利用光弹效应，外界物理场的变化会引起光纤的长度L、纤芯折射率n、光纤直径d等物理量发生变化，从而导致传输光相位的变化，通过探测相位改变来获取扰动信息

干涉型振动光缆传感技术主要利用干涉仪将相位变化转换为光强的变化，双光束干涉时，干涉光的光强可表示为

式中：I1和I2分别为两束相干光的光强；Δφ为两束光的相位差。根据结构的不同，干涉仪可分为Sagnac 型[27-32]、Mach-Zehnder 型[33-36]、Michelson 型[37-38]，以及复合型[39-43]。

1.2.1 萨格纳克（Sagnac）干涉仪

Sagnac 干涉仪基本结构如图5 所示[27]，光源发出的光由3 dB 耦合器分为两束，在传感光纤环中分别沿顺时针和逆时针传播，回到耦合器时发生干涉。当环路没有受到外界扰动作用时，两个方向传输光的光程相等，干涉光的相位恒定。而当环路某一位置受到外界扰动作用时，两束光产生不同的相位变化，干涉光的相位随之发生改变，从而改变干涉光的光强，通过对光强变化的分析，可以实现对外界扰动的定位以及扰动信号的还原。目前国内已有相关基于Sagnac 干涉仪的智能光纤安防系统投入应用[28]。为提升系统准确度和可靠性，研究者们进一步提出使用双波长光源[29]、保偏光纤[30]，以及双Sagnac 环[31]的结构。

图5 Sagnac 干涉仪基本结构Fig.5 Basic structure of Sagnac interferometer

Sagnac 结构具有互易性，无外界扰动时干涉光的相位和偏振态相同，保持稳定。在光源的选择方面，宽谱光源可以有效抑制相干噪声，提升系统性能。若扰动发生在Sagnac 环的对称中心位置附近，则两束光会同时发生相位改变，干涉光的相位变化较小，使扰动难以被探测。为解决Sagnac 环的对称中心检测盲区问题，研究者提出了一种直线型Sagnac 结构[32]，并且相比于环状结构，直线型结构易于在实际应用中铺设，提高了实用性。

1.2.2 马赫-曾德（Mach-Zehnder）干涉仪

Mach-Zehnder 干涉仪的基本结构如图6 所示[33]。光源发出的光通过光纤耦合器分为两束，分别进入参考光纤和传感光纤，然后在另一个光纤耦合器处产生干涉信号，通过对干涉相位的解调得到扰动信息。

图6 Mach-Zehnder 干涉仪基本结构Fig.6 Basic structure of Mach-Zehnder interferometer

Mach-Zehnder 干涉仪结构简单，且光纤中的光束单向传输，相干噪声较低。但基本的Mach-Zehnder 结构仅能探测扰动的发生，定位比较困难，且在实际使用中很难控制传感臂和参考臂等长，对光源也有较高的要求。目前已有研究者提出了多种类型的双Mach-Zehnder 干涉结构[34-35]以提高传感精度和传感距离，除此之外还可以与Φ-OTDR 相结合以降低误报率和实现同时多点报警[36]。

1.2.3 迈克尔逊（Michelson）干涉仪

Michelson 干涉仪的基本结构如图7 所示。光源发出的光经过3dB 耦合器后分为强度相同的两束光，分别进入长度相同的传感光纤和参考光纤中，在光纤末端经反射镜反射回到耦合器发生干涉，通过对干涉相位的解调得到扰动信息。

图7 Michelson 干涉仪基本结构Fig.7 Basic structure of Michelson interferometer

该结构能够使传感距离不受相干长度的限制。使用法拉第旋转镜作为反射镜可使两光路的偏振保持一致，消除偏振衰落。理想的Michelson 干涉仪要求传感光纤和参考光纤等长，这在实际应用中难以实现。此外，该结构需要相干性较好的光源，这也增加了系统的成本。为提升Michelson 干涉仪的性能，研究者提出了双输出[37]、非平衡Michelson 干涉仪[38]等结构。

1.2.4 复合干涉仪

为降低成本，实现更高效的检测，研究者还提出了复合干涉结构来满足实际应用的需要。报道中使用最多的复合干涉结构为Sagnac 与Mach-Zehnder 干涉仪的结合（见图8）[39]。在此基础上，后续发展出了时分复用与波分复用的复合结构[40]、可调节测量范围的干涉仪结构[41]等。此外，Sagnac 与Michelson 复合干涉仪的研究[42-44]也被陆续报道出来，基于这种结构的系统可以实现对扰动事件的监测和定位。

图8 Sagnac 与Mach-Zehnder 干涉结构结合的复合干涉仪[39]Fig.8 Sagnac and Mach-Zehnder compound interferometer

干涉型分布式光纤传感技术具有灵敏度高、结构简单且稳定、易于解调的优点，目前已经有很多成功的应用案例并且正在逐步实现产品化，是当前比较适用于边海防振动光缆报警线路的技术。

1.3 光纤光栅型振动传感技术

光纤布拉格光栅（FBG）传感技术是常用于振动传感的准分布式光纤传感技术。利用光纤纤芯的紫外光敏特性，通过使用紫外光的照射，使纤芯折射率发生周期性变化，形成衍射光栅。具有一定带宽的光束入射到光纤光栅后，波长为布拉格中心波长的光会发生反射，其余波长的光将发生透射。对于光纤纤芯有效折射率为neff、周期为 Λ 的光栅，其布拉格中心波长为

当外界物理场如温度、应变等作用于光纤光栅上时，光纤光栅的有效折射率和周期会发生变化，可以通过检测反射光的中心波长的变化来实现对外界物理场变化的监测。

基于光纤光栅的准分布式光纤传感系统是在光纤上级联多个布拉格中心波长不同的光纤光栅，处在不同位置的光栅会有不同波长的反射光，探测每个光栅的反射光波长改变，则可以实现对光纤沿线光栅处的物理量测量。为实现长距离的探测，提出了优化光路结构、改良光器件的方法来降低系统损耗，并引入光放大器。研究者提出了可调谐激光器结合掺铒光纤放大器、拉曼放大器的FBG 传感系统，将传感距离提高至300 km[45]。基于FBG 的光纤传感技术较为成熟，但在边海防这种大范围振动传感系统应用、安装和使用，还需进一步研究。

1.4 多技术复合型振动光缆传感技术

多技术复合型振动光缆传感技术是指结合散射型、干涉型、光纤光栅型等两种或两种以上不同原理而衍生的振动光缆传感技术，以实现多功能、多场景、高效率的检测。如OTDR 技术可以实现精确的定位，而干涉型技术则可以做到更好的模式识别和获得更好的线性度。

1.5 技术应用分析

振动光缆技术应用分析如表1 所示。

表1 振动光缆技术应用分析比较Tab.1 Analysis and comparison of application of vibration optical cable technology

2 振动光缆报警线路系统探测及敷设方式

2.1 系统探测方式

根据系统探测方式，可将边海防振动光缆报警线路系统分为定位型系统、防区型系统和混合型系统。

2.1.1 定位型系统

定位型系统是基于分布式振动光缆传感原理，当扰动发生在光缆上时，系统不仅可以检测扰动的能量、频率，还可以得到扰动发生的位置信息。前文提到的诸多振动光缆传感技术都可以实现该功能。当入侵行为发生时，行为产生的扰动会调制光纤中的光信号，通过信号处理模块可以计算出入侵扰动的位置信息、能量信息和频率信息等，从而实现对入侵行为的定位和报警。

定位型系统可以探测出振动信号发生的精确位置，具有监测距离长，施工难度低等优点，但存在系统结构复杂，造价成本高，抗损毁性差的问题，同时如果相关识别算法不完善，也会有较高的误报率和漏报率。定位型系统结构如图9 所示。

图9 定位型系统结构示意图Fig.9 Structure of positioning system

2.1.2 防区型系统

防区型系统是指将监控区域人为划分成物理防区，每个防区采用独立的振动光缆传感系统进行检测，对入侵扰动行为的能量、频率信息进行捕捉和分析，并对入侵行为进行报警，报警发生的位置对应系统所监测的物理防区位置。

防区划分，应以能明确区分发生报警场所作为依据来划分，同时防区范围不宜过大（一般直线距离不超过1 km），且防区设置应有利于迅速判断入侵位置，弯折多的区域可适当增加防区数量。防区型系统一般采用的是物理分区的方法，将整个防控区域按需求划分为若干个防区，防区的系统探测报警参数应独立配置且独立工作。同一防区的安装载体、探测灵敏度要求应保持一致，同时防区的长度应结合配套光电监控设备前端覆盖的距离进行设置。

防区型系统结构示意图如图10 所示，系统主机通过传输光缆连接各个物理防区的前端模块和传感光缆。每个防区的传感光缆独立工作且无串扰。防区型系统造价成本相对较低，配合良好的振动识别算法可以保证整个系统拥有较低的误报率。由于各个防区间工作相互不影响，所以防区型系统的抗损毁性好。相对于定位型系统，防区型系统的施工难度较高，需要配合长距离的传输光缆，并在各个防区需熔接具有复杂拓扑结构的光纤网络。

图10 防区型系统结构示意图Fig.10 Structure of defense-zone system

2.1.3 混合型系统

混合型系统如图11 所示是在系统建设中同时敷设定位型系统和防区型系统，利用防区型系统的线性采集和识别判断优势，结合定位系统位置判别准确优势，实现高性能的区域防入侵监控系统。混合型系统具有低误报、准确判断入侵时间位置等优点，缺点是建设成本高，施工复杂。

图11 防区混合定位型系统结构示意图Fig.11 Structure of Defense-zone hybrid positioning system

2.1.4 系统组成方式分析

定位型、防区型、混合型系统分析如表2所示。

2.2 敷设方式

振动光缆报警线路系统根据传感光缆敷设方式不同可分为挂网式、地埋式和水下式。

2.2.1 挂网式系统

挂网式系统是指振动光缆悬挂、铺设或嵌入于铁丝网、铁栅栏等安装载体。挂网式系统建造难度低，施工便捷，但存在光缆暴露、易损坏等问题。典型挂网式系统传感光缆敷设如图12 所示，传感光缆应尽可能多地覆盖阻拦设施以避免出现探测盲区、产生漏报。

图12 挂网式系统示例图Fig.12 Net hanging system

2.2.2 地埋式系统

地埋式系统如图13 所示是指振动光缆埋藏于土层等安装载体内部。地埋式系统具有报警性能优异、误报率低且不易损毁等优点。但与挂网式系统相比，系统建设成本较高、施工难度较大。在严寒情况下，由于土壤板结，系统的传感能力会受到极大影响甚至完全丧失。

图13 地埋式系统示例图Fig.13 Buried system

2.2.3 水下式系统

国务院印发的《“十三五”国家信息化规划》明确了“陆海空天一体化信息网络工程”重大工程，要求重点推动海洋综合观测网络由水面向水下和海底延伸的任务。海底光缆通信网和光缆观测网通常以海底光缆为应用形态，大量研究与应用表明，海底光缆监测效率高，能够快速发现入侵，在水下式系统中有广泛研究应用前景[46]。2012 年，国内建成了岸基光纤阵列水声综合探测系统；2014 年，建成了首个水下监视系统和海底观测系统。在工程领域，基于GPRS 振动光缆周界报警系统在水中安防得到成功应用[47]，图14 展示了振动传感光缆铺设方式。

图14 水深＞1.5 m 且＜4 m 支流的振动传感光缆铺设方式[40]Fig.14 Laying mode of vibration sensing fiber optic cable for water depth ＞1.5 m and ＜4 m tributaries

国外挪威 OptoPlan 公司 Nakstad 等在Trondheim 海湾和Tjeldbergodde 海湾铺设了海底地震光缆（fiber-optic ocean bottom seismic cable,OBC）系统，并进行了为期半年的地震监测，OBC 系统结构如图15 所示。2013 年，我国成功研制全光纤海洋边界安全监测设备，在实际应用中，在海岸线、岛屿周边铺设传感光缆，通过采集分析光缆中光信号变化得出振动位置数据，判断周界安全情况，适用于长距离海洋周界入侵监测。振动光纤技术能够检测到低于平均噪声水平的入侵噪声，是岸线防御的重要应用。

图15 海底地震光缆系统Fig.15 Submarine seismic fiber optic cable system

2.2.4 敷设方式分析

挂网式、地埋式、水下式等不同敷设方式系统分析比较如表3 所示。

表3 敷设方式分析比较Tab.3 Laying mode analysis and comparison

3 前景展望

早期振动光缆报警线路技术由于成熟度不高，存在环境适应性差、误报率高、可靠性低等问题，限制了其推广应用。经过长时间的发展之后，从目前的技术成熟度来看，Φ-OTDR 和干涉型振动光缆传感系统都具有良好的应用前景，两者都能较好的实现分布式传感和光纤沿路的振动信号还原和扰动定位。但是前者相较于后者，仍然存在着一些短时间内难以解决的问题：一是传感距离受设备限制较大；二是发生多点扰动时系统难以识别。而后者发展迅速，各种新型的复合干涉结构被诸多学者们研究提出并成功应用，不同干涉结构的结合能有效地避免其单一使用时出现的问题，且能大幅提高传感距离和传感精度，是目前最适用于边海防的振动光缆报警系统。

除此之外，近年来，随着机器学习技术的发展，振动信号分析识别技术也已经日趋成熟，误报率高的问题得以显著改善，具体改善方法有构建BP 神经网络[48]、卷积神经网络[49]，或使用向量机[50-51]和极限学习机[52,53]进行分类等，这些方法极大地提高系统辨别分类扰动事件的能力。目前，振动光缆报警线路技术已在辽宁、吉林、新疆、云南、广东、江苏等边海防一线省份试点应用。2021 年，《边海防振动光缆报警系统技术要求》已制定出台，将进一步规范促进技术创新与推广应用。

在未来的推广应用中，想要进一步提高振动光缆报警系统的可靠性与可用性，应因地制宜地采用振动光缆报警线路技术产品，结合人工智能技术，完善目标探测、分类、识别算法与模型库；做好与光电、雷达、声音、振动传感器联动，不断降低系统误报率与漏报率；同时也可以加入对应的视频监控系统，以提高系统报警的即时性，给予工作人员更好的实时反馈。