光纤周界安防系统技术现状及市场前景分析1 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，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，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。

2 技术现状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。

下表总结了电类传感器的原理及在实际应用中存在的缺陷。

表1 常用电类传感器的原理及在实际应用中存在的问题与电类传感器相比，光纤传感器技术新颖，应用在周界探测中具有一定优势，其主要体现在：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，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。

因此近年来光纤周界产品得到了越来越多的关注和研究，当前所应用的技术主要有以下几种类型：（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。

（2）基于干涉原理的分布式光纤传感入侵系统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，其中主要技术是Sagnac、Michelson、M-Z（马赫-曾德）光纤干涉技术。

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。

这类光纤传感入侵系统的特点是探测距离远，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。

澳大利亚FFT（Future Fiber Technology）公司开发的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的周界监测和安防报警。

国内如宁波诺可电子科技发展有限公司和上海华魏光纤传感技术有限公司所开发的光纤周界安防系统产品均基于光纤干涉原理。

系统主机光纤信号反馈系统主要由双向共路的分布式光纤振动传感器组成，双向共光路的分布式光纤振动传感器基于“光纤干涉的原理。

为了检测微弱振动，采用两芯单模光纤构成平衡光纤干涉仪。

当用相干激光器向其发射一束激光，由这两根光纤组成的干涉仪输出干涉光信号，若光纤没有受到外界的扰动，则干涉光信号将保持不变；如果光纤受到外界侵扰，如：运动、声波和触动，则干涉光的输出波形改变，并产生干涉图像，通过光探测器可检测到这一波形变化，而且通过软件分析变化波形的特征，可以分辨出事件的真实情况。

光纤干涉原理：图1 光纤干涉原理传感光纤内激光信号相位的改变：●传感光纤没有受到外界干扰情况下，激光信号的传播路径，如下图图2 正常情况下激光信号的传播路径●当传感光纤受到振动或移动时，激光信号的传输相位发生改变，如下图图3 受到振动或移动时激光信号的传播路径●当传感光纤受到压力形变时，激光信号的传输相位也发生改变，如下图图4 受到压力形变时激光信号的传播路径宁波诺可电子科技发展有限公司光纤周界安防系统应用案列：2010上海世博会园区周界安防2010年上海世博会园区3.28平方公里，陆地围栏分为浦东、浦西两部分，总长约9公里，设计了2套光纤周界安防系统，同时与视频系统进行集成，实现对整个园区围栏的破坏、攀爬等入侵事件的监控。

该系统自2010年4月20日投入运行以来，7×24小时全天候为世博运营保驾护航。

截止到10月31日，系统已累计无故障稳定可靠运行4600多小时。

在运行过程中未发生任何入侵漏报，误报率也仅为4.7％。

系统对入侵事件的定位误差小于10米，响应时间小于1秒，有效地为世博安全运营提供了保障。

世博会期间，台风“圆规”登陆上海，世博园区遭到6级以上强风、超过100毫米雨量的大暴雨的侵袭和肆虐。

狂风暴雨天气下，诺可电子筛除恶劣天气误报源的算法专利技术得到用武之地，系统在未进行任何配置调整的情况下没有发生误报，同时对实际入侵事件进行了有效报警，得到了用户的极大肯定和赞许。

图5 光纤周界安防产品现场应用（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Φ-OTDR技术和利用偏振光时域反射的P-OTDR技术。

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。

（4）基于光纤光栅传感技术的光纤周界报警系统光纤布喇格光栅传感器（FBGS）是近十年来发展最快的新一代光纤传感器，除了具有普通光纤传感器(FOS) 的许多优点外，其中最重要的就是FBGS是其传感信号为波长调制方式，这一传感机制的好处在于测量信号不易受光源起伏、弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素影响；通过使用波分复用技术，可在一根光纤中串接多个甚至数百个布喇格光栅进行大范围、大容量、远程分布式探测；传感探头结构简单、尺寸小，因其外径和光纤本身等同，便于扩展与安装。

基于光纤光栅传感技术的周界入侵防范系统具有如下三个显著优点：可精确定址：可以在长达数十公里的周界上准确定位入侵发生的位置；抗干扰能力强：可以辨别风、动物等外界因素的干扰，显著降低系统误报率；传感单元独立，无串扰，当多个入侵同时发生时，能分辨不同的入侵信号。

2009年武汉理工光科股份有限公司和武汉理工大学研制成功了基于传感网应用的新一代光纤光栅周界入侵防范传感器及系统，通过了武汉市科技局的成果鉴定，达到国内先进水平。

同时该成果已先后在政府办公区域、石化厂区、别墅小区、科技园区等多个领域得到成功应用。

该系统原理如下：基于光纤光栅传感器原理研制，其特别之处在于系统采用光纤光栅振动探测器封装成高灵敏度的振动探测光缆。

振动探测光缆可任意布防在周界区域，并对直接或间接传递的各种扰动信号进行采集，后端信号处理器及系统软件实现扰动信号的智能分析和模式识别，并对入侵地点进行精确定位。

图6 基于光纤光栅传感技术的光纤周界报警系统工作原理框图3 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“9·11”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2016年；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；而亚洲是快速发展中的市场，主要由本土周界安防企业供货，例如中国、日本和韩国。

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的态势，发展潜力巨大。

2011年，《中国安防行业“十二五”发展规划》正式出台，规划提出，到“十二五”末，安防行业要实现产业规模翻一番的总体目标，年增长率达20%左右；2011年，安防市场实现了全年市场增长24.6%、行业总产值完成“十二五”规划一半的目标，金额已达2860亿元。

到2015年，总产值将达5000亿元。

随着光纤传感技术的在周界安防领域的成熟应用，光纤传感技术凭借其抗电磁干扰、易于远传及误报率低等优点，有效克服了电类、红外传感技术的不足，逐渐获得周界安防领域的市场认可，其应用范围从政府机关逐步拓展到民用机场、博物馆、监狱、油库、电站等重要场所，2013年光纤传感技术在周界安防领域的市场需求接近6.5亿元。

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。

下图展示了2011年各个用户群体所占的市场份额。

图7 2011年各个用户群体所占的市场份额（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。