光纤扰动入侵检测系统的设计与实现
１．３ＬＥＤ光源特性
图4带通滤波器仿真电路图
ＬＥＤ光源的光学特性主要有波长、线宽、输出功率、光纤耦合等。ＬＥＤ的中心发射波长λ取决于半导体材料的能隙Ｅｇ，其公式为：
λ＝hc/Eg≈１.２４／Ｅｇ(μｍ)(４)
其中?熏ｈ为普朗克常数，ｃ为光速。ＬＥＤ的线宽一般为其中心波长的５％量极，因为增益的选择性会使线宽变窄。制造ＬＥＤ的常用材料如表１所示。
表1制造LED的常用材料列表
材料发射波长/nm光谱GaP700红GaAlAs650～850红至近红外GaAs900近红外InGaAs1200～1700近红外
８５０ｎｍ波长的ＬＥＤ输出功率通常在１～１０ｍＷ范围内，波长小于８５０ｎｍ的器件，其可用功率显著减小。所有ＬＥＤ的输出功率及波长都随温度变化，在８５０ｎｍ时，输出功率和波长的典型温度系数分别为０．５％Ｃ－１和０．３ｎｍＣ－１，因此热稳定度对于光纤扰动入侵检测是需要考虑的因素。
２硬件技术方案
光纤扰动入侵检测系统原理框图如图２所示。系统主要包括：载频信号源电路、ＬＥＤ光源、ＰＩＮ光电探测器、光纤、扰动入侵检测、报警传输接口电路等。
２．１传感电路的设计
载频信号源电路的目的是为增加ＬＥＤ的发射功率，同时在接收端对缓变ＬＥＤ光电流实现检测。光电发射与接收电路由ＬＥＤ光源、光纤、ＰＩＮ光电探测器等三个部分组成，组成传感单元，如图３所示。ＬＥＤ采用美国安捷伦(Ａｇｉｌｅｎｔ)公司的ＨＦＢＲ０４００系列低功耗、高效ＬＥＤ，其型号为ＨＦＢＲ－１４２４，发射光波波长为８５０ｎｍ，１２５ＭＨｚ带宽，截止频率为３５ＭＨｚ，输出光功率为５０～１００μＷ。光纤传输长度为４ｋｍ，工作温度范围为－４０℃～８５℃，适合与５０／１２５μｍ、６２．５／１２５μｍ、１００／１４０μｍ等光纤耦合。目前光纤通信中普遍使用ＰＩＮ二极管进行光检测，将光信号转变为电流信号，但因电流信号很弱，仅有ｐＡ级，故很难将其有效地转换为伏级电压以供后继电路进行信号处理使用；以前通常采用价格昂贵的高性能运算放大器构成放大电路，但实验结果不很理想，且容易受到外界电磁干扰的影响；为克服这些缺点，采用美国安捷伦公司生产的ＨＦＢＲ２４１６，它是将ＰＩＮ光检测器和前置放大器集成在一起的新型光接插器件。ＨＦＢＲ２４１６主要特点如下：(１)将ＰＩＮ光检测器与前置放大器集成在一起，可直接输出较大的电压信号；(２)只需少量外部元件便可构成高性能的光接收电路，典型带宽高达１２５ＭＨｚ；(３)可用于模拟和数字光通信系统，抗干扰性能好；(４)与ＨＦＢＲ０４００系列其它产品兼容，符合国际工业标准，适用性好；(５)具有多种封装形式，体积小、重量轻；(６)价格便宜。其具体技术参数如表２所示。
表2HFBR2416技术参数表
参数符合最小值最大值一般值单位注释电源电压Voc-0.56.0V输出电压Vsig-0.5VccV输出阻抗Zo30Ωf=50MHz响应度RP5.39.67mV/μs波长850，50MH上升/下降时间Tr/tf6.33.3nsRp=100μW,peak脉宽失真PWD2.50.4nsRp=100μW,peak带通BW125MHz
２．２带通滤波器的设计与仿真
扰动信号通过放大与带通滤波器鉴别后，检测出扰动信号，并产生报警。上述电路中最主要的为带通滤波器。调制信号经ＬＥＤ由电信号变为光信号，光信号经光纤传输后，到ＰＩＮ由光信号变电信号后进行放大，放大器输出频率为１００ｋＨｚ、幅度为５００ｍＶ的脉冲。实验证明扰动信号在输出波形上表现为波形幅度的缩小，变化范围为ｍＶ量级，由放大器的放大倍数可估算扰动造成的光通量的变化，为几十μＶ左右。根据人行动的特点，其运动频率应该在０.１～３０Ｈｚ范围内，根据上述考虑，设计了一个带通滤波器，将０.１Ｈｚ以下的低频滤掉，这样就将光电流与系统的缓慢漂移略去，将高于３０Ｈｚ的信号滤掉，就可以滤掉载频以及电源纹波。图４为带通滤波器仿真电路图，图５为滤波器仿真输出与输入比较图。从图５中可以看出，采用有源带通滤波器的设计可以将频率为２０Ｈｚ的模拟的扰动信号检测出来。在实际电路中根据仿真电路设计了滤波器硬件电路，实现对一定频率的扰动信号的检测。单次扰动信号和连续扰动信号时滤波器输出波形如图６、图７所示。在没有扰动信号时，滤波器无输出，当有一定频率的扰动信号时，滤波器输出脉冲信号，此信号经整形放大后可以驱动继电器产生报警，或通过无线传输到远端做进一步处理。
《光纤扰动入侵检测系统的设计与实现(第2页)》
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图4带通滤波器仿真电路图
ＬＥＤ光源的光学特性主要有波长、线宽、输出功率、光纤耦合等。ＬＥＤ的中心发射波长λ取决于半导体材料的能隙Ｅｇ，其公式为：
λ＝hc/Eg≈１.２４／Ｅｇ(μｍ)(４)
其中?熏ｈ为普朗克常数，ｃ为光速。ＬＥＤ的线宽一般为其中心波长的５％量极，因为增益的选择性会使线宽变窄。制造ＬＥＤ的常用材料如表１所示。
表1制造LED的常用材料列表
材料发射波长/nm光谱GaP700红GaAlAs650～850红至近红外GaAs900近红外InGaAs1200～1700近红外
８５０ｎｍ波长的ＬＥＤ输出功率通常在１～１０ｍＷ范围内，波长小于８５０ｎｍ的器件，其可用功率显著减小。所有ＬＥＤ的输出功率及波长都随温度变化，在８５０ｎｍ时，输出功率和波长的典型温度系数分别为０．５％Ｃ－１和０．３ｎｍＣ－１，因此热稳定度对于光纤扰动入侵检测是需要考虑的因素。
２硬件技术方案
光纤扰动入侵检测系统原理框图如图２所示。系统主要包括：载频信号源电路、ＬＥＤ光源、ＰＩＮ光电探测器、光纤、扰动入侵检测、报警传输接口电路等。
２．１传感电路的设计
载频信号源电路的目的是为增加ＬＥＤ的发射功率，同时在接收端对缓变ＬＥＤ光电流实现检测。光电发射与接收电路由ＬＥＤ光源、光纤、ＰＩＮ光电探测器等三个部分组成，组成传感单元，如图３所示。ＬＥＤ采用美国安捷伦(Ａｇｉｌｅｎｔ)公司的ＨＦＢＲ０４００系列低功耗、高效ＬＥＤ，其型号为ＨＦＢＲ－１４２４，发射光波波长为８５０ｎｍ，１２５ＭＨｚ带宽，截止频率为３５ＭＨｚ，输出光功率为５０～１００μＷ。光纤传输长度为４ｋｍ，工作温度范围为－４０℃～８５℃，适合与５０／１２５μｍ、６２．５／１２５μｍ、１００／１４０μｍ等光纤耦合。目前光纤通信中普遍使用ＰＩＮ二极管进行光检测，将光信号转变为电流信号，但因电流信号很弱，仅有ｐＡ级，故很难将其有效地转换为伏级电压以供后继电路进行信号处理使用；以前通常采用价格昂贵的高性能运算放大器构成放大电路，但实验结果不很理想，且容易受到外界电磁干扰的影响；为克服这些缺点，采用美国安捷伦公司生产的ＨＦＢＲ２４１６，它是将ＰＩＮ光检测器和前置放大器集成在一起的新型光接插器件。ＨＦＢＲ２４１６主要特点如下：(１)将ＰＩＮ光检测器与前置放大器集成在一起，可直接输出较大的电压信号；(２)只需少量外部元件便可构成高性能的光接收电路，典型带宽高达１２５ＭＨｚ；(３)可用于模拟和数字光通信系统，抗干扰性能好；(４)与ＨＦＢＲ０４００系列其它产品兼容，符合国际工业标准，适用性好；(５)具有多种封装形式，体积小、重量轻；(６)价格便宜。其具体技术参数如表２所示。
表2HFBR2416技术参数表
参数符合最小值最大值一般值单位注释电源电压Voc-0.56.0V输出电压Vsig-0.5VccV输出阻抗Zo30Ωf=50MHz响应度RP5.39.67mV/μs波长850，50MH上升/下降时间Tr/tf6.33.3nsRp=100μW,peak脉宽失真PWD2.50.4nsRp=100μW,peak带通BW125MHz
２．２带通滤波器的设计与仿真
扰动信号通过放大与带通滤波器鉴别后，检测出扰动信号，并产生报警。上述电路中最主要的为带通滤波器。调制信号经ＬＥＤ由电信号变为光信号，光信号经光纤传输后，到ＰＩＮ由光信号变电信号后进行放大，放大器输出频率为１００ｋＨｚ、幅度为５００ｍＶ的脉冲。实验证明扰动信号在输出波形上表现为波形幅度的缩小，变化范围为ｍＶ量级，由放大器的放大倍数可估算扰动造成的光通量的变化，为几十μＶ左右。根据人行动的特点，其运动频率应该在０.１～３０Ｈｚ范围内，根据上述考虑，设计了一个带通滤波器，将０.１Ｈｚ以下的低频滤掉，这样就将光电流与系统的缓慢漂移略去，将高于３０Ｈｚ的信号滤掉，就可以滤掉载频以及电源纹波。图４为带通滤波器仿真电路图，图５为滤波器仿真输出与输入比较图。从图５中可以看出，采用有源带通滤波器的设计可以将频率为２０Ｈｚ的模拟的扰动信号检测出来。在实际电路中根据仿真电路设计了滤波器硬件电路，实现对一定频率的扰动信号的检测。单次扰动信号和连续扰动信号时滤波器输出波形如图６、图７所示。在没有扰动信号时，滤波器无输出，当有一定频率的扰动信号时，滤波器输出脉冲信号，此信号经整形放大后可以驱动继电器产生报警，或通过无线传输到远端做进一步处理。
《光纤扰动入侵检测系统的设计与实现(第2页)》
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