随着现代光电信息科学技术的发展，光纤传感器技术迅速崛起，并越来越多地应用于安全防范、生活等的方方面面，大有取代电子传感器的趋势。
常用光纤传感器技术在安防中的应用
1.用Y型光纤传感器鉴别纸币的真伪，以保障人民财产的安全
2004年8月，广东中山百佳百特集团老总聘作者为该公司总工程师，我带领我的硕、博研究生团队给他们组建了高新技术研究所，在不到2年的时间内，开发了“纸币新旧级别鉴别系统”、“带点钞数据视频叠加的银行专用智能防伪点钞机”、“带点钞数据视频叠加的银行专用柜员制监控系统”、“银行存取款的声音识别系统”，并重点做了“伪钞检测工作站-纸币鉴定系统”这一大型项目（巳用于批量生产）。就是在这个“伪钞检测工作站”中，我们自主创新地开发了很多纸币真伪识别技术，如纸币图像的白光与红外光检测识别技术，20倍放大识别技术，纸币光谱识别技术，荧光色差识别技术，激光检测识别技术，用Y型光纤传感器检测识别技术等。实际上，这些都是光电信息的检测技术与方法，现这里主要是介绍用光纤传感器的检测识别方法。
2.用丫型光纤传感器监测微小振动的振幅与频率，以预防事故的发生
在前述的Y型光纤传感器的典型应用中，已简述了用Y型光纤传感器测量振动频率的问题，实际上利用该系统也可监测微振动。如无振动时，反射镜面与光纤传感器端面间距离不变化，其振幅与频率不变；当有振动发生时，反射镜面与光纤传感器端面间距离将发生变化，其振动振幅与频率均有变化。据此，可根据其变化的大小，来判断是否有地震或其他震动的发生，以预防异常事故。
光纤光栅型传感器技术在安防中的应用
1.组建周界围栏入侵报警系统
多年来，传统的周界安防或围栏报警系统，如主动红外对射、微波对射、泄漏电缆、振动电缆、电子围栏、电网等，为安全技术防范做出了一定的贡献。但是，受一些客观技术条件等因素所限，还存在着一定的缺陷，如主动红外对射的围栏报警系统，易受地形条件的高低、曲折、转弯、折弯等环境限制，而且它们不适合恶劣气候，容易受高温、低温、强光、灰尘、雨、雪、雾、霜等自然气候的影响，易出现误报率；再如泄露电缆、振动电缆、电子围栏、电网等围栏报警系统，均属于有源的电传感，系统功耗很大。并且，电子围栏、电网等又有一定危害性；还易受电磁干扰、信号干扰、串扰等，使灵敏度下降、误报率、漏报率（如覆盖上电绝缘物翻过电围栏）上升。
与上述周界安防或围栏报警系统相比，利用新型光纤传感技术做成的周界安防或围栏报警系统，就具有非常明显的技术优势。
光纤周界围栏报警系统，可利用三种方法来实现：一是利用光时域反射（OTDR）技术；二是利用光纤干涉型光纤传感器；三是利用FBG分布式光纤传感器。
近年来，光纤光栅是发展最为迅速、应用最为广泛的光纤无源器件之一。由于它的敏感变化参量为光的波长，因而不受光源、传输线路损耗等因素所引起的对光强度变化的干扰，并且它易与系统及其他光纤器件连接而便于构成分布式传感系统，因此可实现实时测量和分布式测量。由于FBG具有优良的温度和应变响应特性，因而可用来制成应力、压力、震动、火灾与温度等传感器，尤其方便用于周界安防及围栏入侵报警系统中，所以它在国家与人民安全以及反恐斗争中将具有极大的实际意义和社会意义。
（1）FBG传感周界围栏报警系统的组成及原理。FBG传感周界围栏报警系统是利用激光、光纤传感和光通信等高科技技术构建的安全报警系统，是一种对威胁公众安全的突发事件进行监控和报警的现代防御体系。它是基于FBG分布式光纤传感技术应用于周界监控防护的新系统。
所设计的FBG传感周界围栏报警系统由宽带光源、耦合器、带所需个数FBG传感器（根据周界长度而设）的传感光纤与传输光纤、波长移动解调装置、信号处理系统等组成。其组成及原理框图如图5-25所示。
图5-25FBG传感周界围栏报警系统的组成及原理
由图5-25可见，这种系统是利用单根光纤（在光敏性光纤上用紫外光写入所需个数的布拉格光栅）作为传感传输二合一的器件，通过对直接接触光纤或通过承载物，如覆土、铁丝网、围栏、管道等，传递给光纤（缆）的各种扰动，以进行全程任意点全天候不间断地持续和实时地监控。
FBG传感周界围栏报警系统的工作原理是：由宽带光源发出的光，经耦合器传输到布设有所需个数的FBG周界传感光纤中，当其中的某点FBG传感器的光纤受到外界入侵的扰动后，即使该FBG的波长发生变化，其反射光波长调制数据经耦合器通过传输光纤送入监控室内，其输入的光到达波长移动解调装置，先由光电探测器接收放大，再送入波长移动解调电路解调，最后经信号处理系统分析处理和智能识别，以判断出外部有否危害入侵。对非危害性环境干扰如雷鸣、鞭炮、汽车鸣响、雨声等，也能进行识别，而可做出无害判断；当识别有攀爬铁丝网、按压围墙、禁行区域的奔跑或行走，以及可能威胁周界建筑物的机械施工等后，为提高可靠性,必须再经过周界监控摄像机所摄的监控图像的判断复核确定，才可实现系统预警或实时告警，以达到对侵入设防区域周界的威胁行为进行实时监测的目的。
对于局部高危区域，系统还可实现语音监听和记录。该功能完全无须采用电或金属的传感器，仅用光纤即可实现，从而丰富了用单一光纤实现监控系统的功能和防护等级。
(2)波长移动解调。实际上，研究FBG传感器的关键问题是如何精确测量FBG反射波长的移动量。传统上一般应用光谱仪解调系统，虽然近年出现的微型光谱仪体积小、价格便宜，但其光谱分辨力只在0.1nm数量级，远远达不到FBG解调需要的pm级的分辨力。为了提高布拉格波长漂移量的测量精度，各国学者研究了很多解调方法，如边缘滤波器法，可调谐滤波器法，干涉仪扫描法与双腔干涉仪扫描法等。2007年天津大学精仪学院光电信息技术科学教育部重点实验室，针对大型建筑结构监测应用领域研制了一种便携式FBG波长解调仪，它基于无源比例解调原理，以熔融拉锥器件作为线性滤波器，釆用锁相放大技术提取微弱信号，并利用单片机控制FBG波长信息的釆集、显示以及存储。该解调仪结构简单、成本低，可实现大量程波长测量。实验表明，该光纤光栅解调仪解调范围达15nm,波长测量精度为12.4pm。
我们采用一种基于F-P可调谐滤波器和波长基准器，并用插值-相关谱法进行处理。首先在原始光谱中每相邻两点间线性插入一些点，再利用相关谱法得到布拉格波长移动量。该方法不但可以有效抑制噪声，而且能精确地测量布拉格波长移动量，从而实现高精度地测量温度、应变等外界参量。理论分析和实验表明：采用相关谱法测量布拉格波长移动量是可行的，且可以提高信噪比，进而提高解调精度。在此基础上，结合线性插值的方法，在原始光谱中每相邻两点间插入一定数量的点，可以进一步提高解调精度。釆用这种解调方法可使布拉格光栅波长分辨力达到1pm,温度测量精度达到±0.2℃。
(3)多处侵入定位及入侵模式特征。一般；光纤布拉格光栅周界围栏报警系统存在多处同时受扰判断问题。因此，在判断有威胁侵入行为发生时，系统需能根据光信号调制的分析，对侵入行为发生点实时进行定位，从而便于安保人员对目标明确地及时采取有效措施，以制止侵入行为后续事件发生。
为解决光纤围栏报警系统中多个FBG传感器在同时受扰时，定位报警信号难，而无法实现对报警信号的有效识别和判断的问题，可以利用一种基于经验模态分解(EMD)和小波包特征炳算法的分析方法来解决。我们首先对报警信号进行经验模态分解，再结合小波包分解，得到小波包系数提取其信号的能量分布；其次做归一化得到信号的能量分布特征向量；最后运用相关性分析，以实现对报警信号的识别和判断。
实验证明，结合经验模态分解和小波包特征炳算法能够有效解决FBG传感器的光纤围栏报警系统中同时受扰判断的定位报警问题。因此充分证明了，利用这种方法对于解决光纤围栏报警系统中FBG传感器的级联判断报警信号是有效的。
从一般对光纤周界围栏的侵入与实验数据中，我们得出了六种不同的入侵报警模式，其典型的特征如图5-26所示，前三种为地面入侵模式：后三种为围栏入侵模式。
本系统首先从报警信号中提取其长度、极值、幅度、周期、均值、小波系数均值、信号波动、应变特征、峰值特征、冲击特征、振动特征等各种特征数据；其次，根据阈值单元判断信号含有哪些特征；最后，根据经验确定的隶属函数来分析判别这些特征，并用特征组合的方法判断其为何种入侵模式的信号。
由上述介绍可知，基于长距离准分布式FBG传感器的光纤围栏作为一种新型的安防监测系统，不仅具有抗电磁干扰、抗腐蚀、易复用的特点，而且具有技术成熟、成本较低、报警定位精确、可靠性高等优势，在安防领域有着重要的应用前景，也是目前智能安防监控的一种主流发展方向。
图5-26六种入侵模式
值得指出的是，为更加提高可靠性，本方案最后均经视频监控系统集成联动复核后，再驱动声光报警。因此，本方案的特点是，简单高效、安装便捷、方便用户、维护简单，且灵敏度还可以根据实际的安装环境变化而调整，稳定可靠。因此，在它转化定型生产后，将非常适合于大中小型的周界围栏布防用户的使用。
2.组建火灾报警系统
（1）一般的光纤光栅感温火灾探测系统。由式（5-22）可知，光纤布拉格光栅传感器的反射波长的变化与温度变化呈正比。因此，由反射波长的变化可以得到相应的温度变化量，此即利用光纤布拉格光栅探测温度的基本原理。
光纤布拉格光栅火灾监测报警系统主要由宽带光源、耦合器、FBG感温火灾探测器、波长解调系统、信号处理系统等组成，如图5-27所示。
图5-27 光纤布拉格光栅火灾监测报警系统
一般，图中的FBG感温火灾探测器，可以利用一个独立的光纤布拉格光栅或将多个温度特性完全相同的FBG串接在一根光纤中形成FBG感温火灾探测器，当宽带光源发出的光通过耦合器入射到用光纤串接的光纤光栅感温火灾探测器中时，利用多区波分复用技术，将每个被测对象的参量变化转换为光脉冲信号，受波长调制的反射光经耦合器通过传输光纤送入波长解调系统。该信号先通过光电探测器将光脉冲信号转换为电脉冲信号，并进行放大整形和线性化处理，解调出被测参量，送入信号处理系统中处理而得出所检测的温度值。
（2）全同FBG多区波分复用的火灾监测报警系统。为实现多区波分复用，还需釆用一种全同光纤光栅技术（即具有相同的中心波长，温度敏感特性一致的FBG）。这种全同光纤光栅技术使感温探头的复用数量能根据现场实际需要确定，而不受光源带宽的影响。理论上，如不考虑光源能量的限制（比波长限制更易提高一些），全同光纤光栅的复用数量可以是无限多的。其另一个优点是，全同光纤光栅系统中只需要解调单一波长，因而其解调快速、方便。
为更进一步提高FBG火灾监测报警系统中FBG的复用数量，在FBG传感复用网络中，对某一个区域采用全同光纤光栅复用，而对另外的区域使用与上述全同光纤光栅不同的中心波长的光栅，即通过全同光纤光栅复用技术提高光纤光栅复用数量，再通过波分复用技术使此数量成倍增长。这种多区波分复用技术的FBG火灾监测报警系统如图5-28所示。
图5-28多区波分复用技术的FBG火灾监测报警系统
显然，解调时通过检测光栅波长，即能准确区分探测区域位置，并准确分辨FBG所在位置。这种全同光纤光栅复用技术与波分复用技术的混合运用，不仅克服了单路全同光纤光栅系统监测数据点单一而无法判断位置的缺点，同时也克服了波分复用技术复用光栅数太少的缺点，使同一根光纤上复用的光栅数成倍增长，并且能区分不同区域的温度和报警信号。
一个大型的火灾监测报警系统的网络拓扑架构如图5-29所示。
图5-29 火灾监测报警系统的网络架构
由图5-29可知，整个系统由一些重点部位的FBG火灾报警系统、监测计算机、局域网、管理计算机、数据库服务器及网络等组成。其中，监测计算机负责信号的釆集与处理；管理计算机作为人机界面负责信号的监测、报表、打印、显示，组成网络等功能；数据库服务器管理信息数据库和实时监测数据库，并提供各种信息的查询。
由于星状拓扑具有容易进行重新配置，比较容易维护，能较好地处理传输媒介等优点，因而整个系统采用星状拓扑架构进行组网。管理计算机与监测计算机之间的通信协议采用TCP/IP。监测中心网络由监测中心计算机与网络交换机组成。显然，网络交换机是中心与外场计算机进行通信的桥梁。
由上可知，这种FBG火灾探测新技术比传统的火灾探测技术具有稳定可靠、快速方便、易组成大型网络系统的特点，因而它必将会在安防市场获得广泛地应用。
光纤光栅感温火灾探测系统，都具有探测距离远、本质无源、安全防爆、使用寿命长等优点，是长距离火灾探测的理想选择，如用于隧道、电缆夹层等处火灾的探测等，所以，感温光纤在石油、煤矿等场所的火灾探测中运用广泛。而地铁的隧道区间的环境特点是灰尘多（而且是含铁成分高、容易导电的灰尘）、潮气重、电磁场干扰强、风速大，这种环境特点决定了地铁隧道不适宜采用传统的点式火灾探测器，而当采用线性感温探测器进行地铁隧道火灾报警时，光纤测温系统将比缆式线型定温探测器有更好的性能。所以，感温光纤在地铁区间火灾报警中有着广阔的应用前景。
3.智能检测汽车超载
由前述可知，光纤布拉格（Bragg）光栅对特定波长的光具有反射作用，并且其反射中心波长随着应力、温度等物理量的变化而变化，因此利用光纤布拉格光栅的应变传感特性进行车辆超载测量，完全可克服汽车现行动态称重系统的缺陷。所以，能动态地智能检测汽车超载，以维护公路与桥壊的使用寿命，保障人民生命财产的安全，具有很大的社会意义和经济意义。
（1）光纤Bragg光栅传感应力的工作原理。FBG传感应力的工作原理如图5-30所示。当光栅受到外部应力的作用时，其栅距A随之发生变化，从而改变了后向反射光的波长。根据△λB而变化的大小就可以确定待测部位相应物理量的变化。
图5-30 光纤布拉格光栅传感应力的原理
由前述公式（5-21）看出，反射波长的变化与应变成正比。也就是说，由反射波长的变化可以得到相应的应变力，因此用光纤布拉格光栅检测汽车重量，理论上是完全可行的。
（2）动态检测汽车重量的光纤布拉格光栅传感系统。光纤布拉格光栅汽车重量传感器的纵向剖面图，如图5-31所示。其横向设置同样的光纤布拉格光栅5个,的宽度，即汽车通道宽。
由图可知，当行驶的汽车驶上光纤布拉格光栅汽车重量传感器时,形就通过支柱传给悬臂梁，致使其弯曲，从而导致光栅周期4的变化,弹光效应，使得有效折射率也随着外界应力状态的变化而改变。因此, 使光纤光栅的中心波长λB发生改变。如果事先对光纤光栅已进行过定标，在车辆通过检测装置时，光纤光栅的应力变化信号，就会经传输光纤远距离地传输到监测室，然后经波长解调，由光电探测器转换为电信号后，输入计算机处理系统，从而就可以迅速地自动地给出该汽车的重量。
图5-31光纤布拉格光栅汽车重量传感器的纵向剖面图
实际上，式(5-20)还可以转换为压力F,即
式中，K为比例系数。式(5-24)说明，光纤布拉格光栅反射波长的变化与压力成正比，而比例系数K可以通过特定使用条件和应用环境测试得出。因此，只要测得光纤布拉格光栅反射波的中心波长的变化，即可测得压力F。
设汽车通过光纤布拉格光栅汽车重量传感器的前轮的压力为F1,后轮通过的压力为F2，则可得到汽车的重量的表达式为
G=(Fi+F2)/g (5-25)
式中，g为重力加速度。当检测到汽车重量后，检测口管理人员即可根据车型与车重判断该车是否超载；如无人收费管理，则需通过远、近景摄像机进行智能化检测，通过远景摄像机视频检测出车型及大小，并自动与数据库该类车的标准载重比较。当超载时，现场与监控室立即声光报警，近景摄像机识别并记下车牌号，同时门禁关闭，扬声器发出“车辆超载，禁止通行，靠边停下，接受处理”的声音，从而可杜绝因车辆超载引发的交通事故或损坏高速公路等等。显然，这种传感器最好设在公路治安卡口或高速公路收费站口。
(3)温度和应力的交叉敏感问题与实验仿真。值得提出的是，除了应力外，外界温度的变化也会引起光栅周期和导膜的有效折射率变化而引起中心波长的漂移，这就是应力与温度的交叉敏感问题。为解决这一问题，可通过引入一参考光纤光栅来解决，即装有5个同样的光纤布拉格光栅的汽车重量传感器的最中间的1个光纤布拉格光栅就可作为参考光纤光栅。因为一般汽车的2个前轮可能各压1个光纤布拉格光栅，2个后轮可能一轮压在2个光纤布拉格光栅之间，而正中间的光纤布拉格光栅没有车轮压而正好为参考光栅(如果是三轮摩托车，则两旁没车轮压的也是)。这5个光栅的中心波长变化情况均通过波长解调装置检测。当汽车通过汽车重量传感器的测量光栅之后，温度和压力同时作用而使其中心波长发生漂移；而参考光栅没有受到压力，其中心波长的漂移仅来源于温度的变化。因此，可根据检测光栅和参考光栅中心波长的变化情况，就能有效地解决温度和应力的交叉敏感问题。
用实验装置做了实际检测与计算机仿真。数值模拟出车辆前后轮压过光纤布拉格光栅所引起的波长漂移情况，如图5-32所示。图5-32(a)为两个前轮经过检测口时引起光栅中心波长变化情况；图5-32(b)为两个后轮经过检测口时引起光栅中心波长变化情况；图5-32(c)为光栅没有受力时中心波长变化情况。
图5-32光纤布拉格光栅中心波长随压力变化情况
因此，实际上在汽车通过有光纤布拉格光栅汽车重量传感器的检测口时，共引起了6个中心波长的变化，因而通过与参考光栅的变化比较，滤去温度的影响，即可得出6个压力F1+F2+F3+F4+F5+F6,所以汽车的实际重量为
G=(Fi+Fz+Fi+F4+Fs+F6)/g (5-26)
实验证明，当对20t的货车进行测量时，其载货量超载2%即可检测出来。
4.可用于地震与地表骤变等的监测预报
在前述的光纤光栅传感器在地球动力学中的应用中，光纤光栅传感器则可应用在岩石变形、垂直震波的检测，以及作为地形检波器和光学地震仪使用等方面。因此，它可用于地震检测与地表骤变等现象的预测，光纤光栅传感器是能实现远距离和密集排列复用传感的宽带、高网络化传感器，符合地震检测等的要求，因此它在地球动力学领域中无疑具有较大的潜在用途。有报道指出，光纤光栅传感器已成功检测了频率为0.1-2Hz,大小为10〜9ε(应变)的岩石和地表动态应变。
而火山区的应力和温度变化是目前为止能够揭示火山活动性及其关键活动范围演变的最有效手段。利用光纤光栅传感器，在较远的地方亦能进行监测。
5.可用于航天器及船舶的监测预报
在前述的光纤光栅传感器在航天器及船舶的应用中，为了监测一架飞行器的应变、温度、振动、起落驾驶状态、超声波场和加速度情况，通常需要100多个传感器，故传感器的重量要尽量轻，尺寸尽量小，因此利用最灵巧的光纤光栅传感器是最好的选择。实际上，飞机的复合材料中存在两个方向的应变，嵌入材料中的光纤光栅传感器是实现多点多轴向应变和温度测量的理想智能元件。
为全面衡量船体的状况，需要了解其不同部位的变形力矩、剪切压力、甲板所受的抨击力,对于普通船体大约需要100个传感器，因此波长复用能力极强的光纤光栅传感器最适合于船体检测。光纤光栅传感系统可测量船体的弯曲应力，而且可测量海浪对湿甲板的抨击力。具有干涉探测性能的16路光纤光栅复用系统成功实现了在带宽为5kHz范围内、分辨率小于lOnE/HzS的动态应变测量。因此，光纤光栅传感器可用于航天器及船舶的监测预报。
6.用于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和状况监测预报
在前述的光纤光栅传感器在民用工程结构中的应用中，力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和状况监测是非常重要的。通过测量上述结构的应变分布，可以预知结构局部的载荷及状况。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等，以监视结构的缺陷情况。另外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，可以用计算机对传感信号进行远程控制。
光纤光栅传感器用于检测桥梁时，一组光纤光栅被粘于桥梁复合筋的表面，或在梁的表面开一个小凹槽，使光栅的裸纤芯部分嵌进凹槽得以保护。如果需要更加完善的保护，则最好是在建造桥时把光栅埋进复合筋，由于需要修正温度效应引起的应变，可使用应力和温度分开的传感臂，并在每一个梁上均安装这两个臂。
两个具有相同中心波长的光纤光栅代替法布里-珀罗干涉仪的反射镜，形成全光纤法布里-珀罗干涉仪(FFH),利用低相干性使干涉的相位噪声最小化，实现了高灵敏度的动态应变测量。用FFPI结合另外两个FBG,其中一个光栅用来测应变，另一个被保护起来，免受应力影响，以测量和修正温度效应，所以FFP-FBG实现了同时测量三个量：温度、静态应变、瞬时动态应变。这种方法兼有干涉仪的相干性和光纤布拉格光栅传感器的优点，已在5ms的测量范围内，实现了小于1με的静态应变测量精度、0.1C的温度灵敏度和小于Inε/Hzm的动态应变灵敏度。
多路复用和分布式光纤传感器技术在安防中的应用
1.基于拉曼散射的分布式光纤感温探测系统，可监测预报火灾
基于拉曼散射的光纤温度传感器所检测的物理量是后向拉曼散射光的光强。后向拉曼散射光的光强会随着检测光缆周围温度的变化而变化，从而能测知光缆周围的温度值。它利用的是拉曼散射产生的反斯托克斯线与斯托克斯线的光强比值，具体通过下式可将温度值计算出来。
式中，Ps(D为斯托克斯光强：Pas(T)为反斯托克斯光强；λs为拉曼散射的斯托克斯线波长；λas为拉曼散射的反斯托克斯线波长；h为普朗克常量；C为真空中的光速；v为拉曼频移波数；k为玻尔兹曼常量；T为检测温度。
从式(5-27)可以得出，只要测定了Ps(T)和Pas(T)的比值，就可以计算出温度T的值。基于拉曼散射的分布式光纤感温探测系统的工作过程，如图5-33所示。
半导体激光器发出的光脉冲通过耦合器到传感光纤里，经过温度调制的散射光通过耦合器进入到滤波器，滤波器分别滤出斯托克斯线和反斯托克斯线，再经过放大处理和A/D转换，然后将信号传入计算机进行信号处理，最终得出环境温度的检测值。
值得指出的是，由于斯托克斯线，特别是反斯托克斯线的信号非常微弱，所以探测信号会受发光光源稳定性、连接损耗、光缆缺陷、光缆位置的微小变动等因素的影响，从而影响检测结果的可靠性和精确性；而且，基于拉曼散射的光纤温度探测器在数据的处理过程中，-是要对时间求平均，二是要对空间求平均。因此，这种探测系统需要釆用较复杂的信号处理手段，这就造成基于拉曼散射的探测系统对信号的响应时间较长。上述这两个问题，是设计这种火灾探测系统时，必须考虑的因素。
图5-33基于拉曼散射的分布式光纤感温探测系统的工作原理
2.用于地震等灾害的监测预报
众所周知，自然灾害往往对人民的生命和财产带来极大的伤害，尤其地震灾害带来的损失使人防不胜防。因此，寻求对地震等自然灾害的预告，是摆在科技工作者面前的一项艰巨的任务。实际上，各种自然灾害发生前都是有各种征兆的，因而做到事前预告是可能的。
如前所述，光纤光栅传感器技术对温度和应力的探测是非常敏感的，它在测量桥梁和建筑物的应力变化方面的应用已获得成功，因此，完全可利用光纤光栅传感器技术，并加上作成多路复用和分布式光纤传感器技术，在每个地震监测站埋设起来，每天对其应力与温度等数据进行测量记录，当数据异常，并结合气候及一些动物等的异常反应，完全可证明是地震的前兆，即可发出地震预报。
光纤传感器在城市物联网智能安防中的应用
物联网技术现阶段应用已经十分广泛，利用各种技术对信息进行感知、传输、处理和反馈，其最大特征是感知的多样性、分散性、智能性和实时性。多样性表现为感知对象多、感知参数多、容量大；分散性即人与物、物与物通常比较分散；智能性是指需对数据进行分析和处理；实用性即能够实时感知、传输和处理信息。
光纤材料具有体积小、重量轻、牢固耐用、抗电磁干扰、传感头无需供电、使用安全、可远距离遥测、分布式等优点，和物联网的需求十分吻合。通过检测电波传输频率和变化来测量物体，可以用来做传感器。目前，光纤技术已经在物联网领域有广泛的应用，如海底观测网、地震、军事、交通等。
传感网络是由众多传感器节点组成的有线或无线通信网络，节点密集分布在所关注的物或事物的内部或周围，实现对物的连接、感知和监控。实际上，物联网就是将各种信息传感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。物联网中的传感网技术主要包括无线传感网和光纤传感网。由于通信网络通常要求传感器长时间工作在长距离、大温差、高压、强磁场或者更加恶劣的自然环境中，光纤传感器因其重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、数据传输安全等诸多优点，既能同时探测光波的多种参数变化又能提高信号传输的安全性和稳定性，具备无线传感网不具有的优势。因此，在物联网的发展中提出了“光纤物联网”，即光纤传感器与物联网技术融合而成为光纤传感物联网，也就是光纤传感与通信一体化网络。分布式光纤传感网因传输容量大、速度快，使光纤传感与通信一体化传输成为了现实。
总之，物联网与光纤传感有相辅相成、相互促进的作用。光纤同时具备宽带、大容量、远距离传输和可实现多参数、分布式、低能耗传感的显著优点。光纤传感可以不断汲取光纤通信的新技术（如新的半导体光源、新型光纤）、新器件，各种光纤传感器有望在物联网中得到广泛应用。光纤技术在物联网中有很广阔的应用前景，全光物联网有望在将来岀现并成为一种新的物联网形式。
光纤传感器的应用范围很广，它在城市物联网智能安防系统中也有很多应用。如城市建设中桥梁、大坝、油田等的干涉陀螺仪和光栅压力传感器的应用。光纤传感器可预埋在混凝土、碳纤维增强塑料及各种复合材料中，用于测试应力松弛、施工应力和动荷载应力，从而评估桥梁短期施工阶段和长期营运状态的结构性能。
在电力系统，需要测定温度、电流等参数，如对高压变压器和大型电机的定子、转子内温度的检测等，由于电类传感器易受电磁场的干扰，无法在这类场合中使用，只能用光纤传感器。例如，分布式光纤温度传感器就是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高新技术；又如，可用于易燃易爆物的生产过程与设备的温度测量。光纤传感器在本质上是防火防爆器件，它不需要采用隔爆措施，十分安全可靠。与电学传感器相比，既能降低成本又能提高灵敏度。此外，它还可以应用于铁路监控、火箭推进系统与油井检测等方面。
总之，光纤传感器目前可以直接或间接测量近百种物理量、化学量和生物量，下面再简单介绍一下它在城市物联网智能安防中的几个主要应用。
1.在石油工业中的应用方案
在石油工业中，通常釆用石油测井技术测量井下的温度、流量及压力等物理量，通过对各物理量的分析实时的监测井下情况，并对可能出现的各种问题提前做出预判。在测量各物理量时，需要克服恶劣的环境因素包括高温、高压、强腐蚀和电磁干扰等。对于传统的电子传感器来说，克服这些因素十分困难或者需要更多额外的成本和技术投入，而光纤传感器凭借自身的特点就可以克服这些极端环境，又因为光纤传感器能够实现分布测量，因此在石油测井技术中具有广阔的应用前景。
目前在石油测井技术中，可以利用光纤传感器实现井下石油流量、温度、压力和含水率等物理量的测量。现在较成熟的应用是釆用非本征光纤F-P腔传感器测量井下的压力和温度。非本征光纤F-P腔传感器利用光的多光束干涉原理，当被测的温度或者压力发生变化时干涉条纹改变，光纤F-P腔的腔长也随之发生变化，通过计算腔长的变化实现温度和压力的测量，其方案的结构与工作原理，如图5-34所示。
图5-34 非本征F-P腔型光纤传感器系统结构与原理
由图可知，SLED光源发出的光耦合到多模光纤中，经耦合器和光纤传给传感头，F-P腔置于被测环境中，入射到F-P腔的信号经反射后再次通过光纤和耦合器传给微型光谱仪。计算机釆集微型光谱仪的光谱经干涉解调计算出F-P腔的腔长，最后通过标定确定其对应的温度和压力。
2.在电力工业中的应用方案
在电力系统中，为了能够及时发现系统可能出现的各种安全隐患，需要釆取有效措施对系统内的各条线路和网络进行实时监测以维持系统的安全运行。由于系统通常工作在高电压、大电流的情况下，还有部分置于高空中，这些因素都为系统的监测带来了不便。光纤传感器因其具有较强的抗电磁干扰能力和较宽的工作频率可以在电力系统中用于电流、电压、温度等参数的测量。
目前，用分布式光纤传感器测量高压电力线的温度已在国外得到广泛应用，在国内的研究也已经开始。在各种分布式光纤传感器中，基于布里渊时域反射（BOTDR）的分布式光纤传感器是一个重要的发展方向，其系统组成如图5-35所示。
图5-35 BOTDR分布式光纤传感测量系统
由图可知，光源LD发岀的光经AOM调制成脉冲信号后被EDFA放大，放大后的脉冲信号经光纤光栅滤波后耦合到传感光纤，光纤的背向瑞利散射和布里渊散射经过耦合器输出到干涉仪，布里渊散射信号被提取出来后，经PD监测再被放大器放大后用数字示波器显示釆集到的波形信号，最后通过对波形的分析获得监测的参数变化。
由于我国各地环境差异较大，在不同环境中光缆的性能也将受到不同程度的改变，而瑞利散射光基本不受外界环境中温度和应力的影响，这种基于BOTDR的分布式光纤传感器不能检测环境温度和应力对光纤性能的影响，因此这种传感器的应用也受到了一定的限制。釆用相干检测技术的BOTDR传感系统测量的是光纤的自发布里渊散射信号，尽管其信号强度微弱，但可以通过相干检测提高系统信噪比，如图5-36所示。
图5-36 BOTDR传感测量系统
这种传感系统结构简单，实现方便，可以同时监测光纤断点、损耗、温度和应变等多个参数的变化。目前该系统已实现了距离30km以上、温度分辨率4°C、应变分辨率100μs、空间分辨率20m的温度和应变的同时测量，在只测量温度时，测量距离可达150km。
值得指出的是，电力工业中的设备大都处在强电磁场中，电类传感器无法使用，而光纤光栅传感器在高电压和大电流中，具有高绝缘性和强抗电磁干扰的能力，因此特别适合在电力行业应用。用常规电流转换器、压电元件和光纤光栅组成的综合系统对大电流进行间接测量，电流转换器将电流转变成电压，电压变化使压电元件形变，形变大小由光纤光栅传感器测量。因此，封装于磁致伸缩材料的光纤光栅可测量磁场和电流，可用于检测电机和绝缘体之间的杂散磁场通量。
3.在民用建筑工程结构中的应用方案
在民用建筑工程中，为确保工程质量和建设过程安全进行，通常需要在桥梁、大坝和楼宇的建设过程中采集多个监控点的数据信息，以此来分析当前工程的进行情况和可能出现的安全隐患。传统的测量方法一般釆用表面贴片或者预埋钢弦式传感器实现监测点的应力、应变测试,由电阻应变片构成的贴片材料在混凝土中受基底材料和介质腐蚀的影响，会导致测量精度下降，且不利于分布监测和长期监测，钢弦式传感器的钢弦也会随时间的延长而损失测量精度，所以这些测试方法都不利于建筑工程的长期、精确观测。
光纤传感器以其轻巧耐用、灵敏度高、抗电磁干扰和可实现分布式检测等优点，更加适合建筑工程中的应力、应变检测。其中，光纤光栅传感器是最理想的灵敏元件。正如光纤光栅传感器在民用工程结构中所说，可以将它贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等，以监视结构的缺陷情况；并且，用多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，可以用计算机对传感信号进行远程控制。
用光纤光栅传感器检测桥梁的应用方案是，将一组光纤光栅黏于桥梁复合筋的表面，或在梁的表面开一个小凹槽，使光栅的裸纤芯部分嵌进凹槽得以保护。如果需要更加完善的保护，则最好在建造桥时把光栅埋进复合筋。由于需要修正温度效应引起的应变，可使用应力和温度分开的传感臂，并在每一个梁上均安装这两个臂。这样，即可对输岀的数据予以修正，从而得到准确的应变值。
此外，还可利用两个具有相同中心波长的光纤光栅代替法布里-珀罗干涉仪的反射镜，形成全光纤法布里-珀罗干涉仪（FFH）,利用低相干性使干涉的相位噪声最小化，从而可实现高灵敏度的动态应变测量。用FFPI结合另外两个FBG,其中一个光栅用来测应变，另一个被保护起来，免受应力影响，以测量和修正温度效应，所以FFP-FBG实现了同时测量三个量：温度、静态应变、瞬时动态应变。这种方法兼有干涉仪的相干性和光纤布拉格光栅传感器的优点。已用它在5mε的测量范围内，实现了小于1με的静态应变测量精度、01C的温度灵敏度和小于1nε/Hzl/2的动态应变灵敏度。
南京大学工程管理学院张旭苹教授利用物联网的概念提出了“基于布里渊效应的连续分布式光纤传感技术”。利用连续分布式光纤传感器可以进行连续的分布式测量，24小时监测工程的“健康状况”，并且可以精确定位隐患位置。
4.在军事安防上的应用方案
在空防领域中，目前已经可以釆用光纤陀螺构成战术导弹的惯性测量元件，主要测量导弹运行过程中的俯仰角、偏航角和横滚角，从而准确命中目标。美国首先采用光纤陀螺制导技术,在伊拉克等战场上已取得了较好的效果。日本已将光纤陀螺用于无人机，控制飞机的姿态。光纤陀螺的组成与原理，如图5-37所示。
图5-37 光纤陀螺的组成与原理
在海防领域中，光纤水听器是研究最早、发展最快的光纤传感器，由此构成的海防传感网络系统已开始用于海上边防和重要军事地区的海防警戒。光纤水听器的组成与工作原理，如图5-38所示。
图5-38光纤水听器的组成与工作原理
近几年由光纤传感技术发展而来的光纤网络安全警戒系统在边防和重点区域防卫中也得到了应用。目前，一些发达国家正在使用的安全防卫系统就是由激光和分布式光纤传感网络组成的。
除此之外，它在城市医疗系统、铁路监测、环保与灾害监测等方面都有应用，就不一一列举了。总之，传感器作为物联网采集信息的终端工具，它的发展直接影响着物联网的发展。随着物联网技术的不断进步，光纤传感器也将更多地应用到社会生活的各个角落，如果在光纤传感技术与物联网技术融合的基础上能够解决造价高、集成化和实用化困难等问题，它将具有更加广阔的应用前景。
