光纤扰动入侵检测系统的设计与实现

加。近似的实验关系如下：

光纤微弯曲损耗∝(纤芯半径／光纤半径)２·(２／Ｎ·Ａ)４     (３)

其中，Ｎ·Ａ为光纤的数值孔径，当光从空气入射到光纤端面时，只有入射方向处于某一光锥内的光线在进入光纤之后才能留在纤芯内，而从光锥外入射的光线即使进入光纤，也会从包层逸出。这个光锥半角的正弦称为光纤的数值孔径。

１．３ ＬＥＤ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

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2 HFBR2416技术参数表