基于Sagnac環(huán)的分布式光纖圍欄智能預警安防系統(tǒng)

摘要：為了解決電力行業(yè)中存在變電站安防檢測系統(tǒng)技術落后，不能實現(xiàn)集中管控、誤警率高，無法滿足全天候防護等問題，本文采用了基于薩格納克效應傳感技術的圍欄智能預警新方法，結(jié)合現(xiàn)代周界及電力行業(yè)對圍欄技術的總體要求，構(gòu)建了基于圍欄智能預警安防系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)模型，按照物理層、采集層、算法層和應用層進行層次分級，對每層涉及的關鍵技術進行分析，并對模型實現(xiàn)智能定址、智能感知、分布式監(jiān)測、抗干擾能力、響應時間等功能的可行性進行論證，最后根據(jù)結(jié)構(gòu)模型分層提出了圍欄智能預警安防系統(tǒng)的初步設計方案。

關鍵詞：光纖傳感;薩格納克效應;分布式光纖;周界安防;智能預警

0.引言

光纖傳感器發(fā)展于20世紀70年代，因其具有較高靈敏度、高絕緣度、抗電磁干擾、耐腐蝕、電絕緣等優(yōu)點，受到越來越多的關注，并取得迅猛的發(fā)展，同時得到廣泛的應用。尤其是在基于光纖傳感器的光纖圍欄技術，作為入侵探測的一種新型安防手段，具有抗電磁干擾、定位能力強、全程無源、靈敏度高、監(jiān)測范圍大等優(yōu)點，已被廣泛應用于眾多領域。

1.相關文獻回顧

1.1對Sagnac光纖干涉技術的研究

文獻[2]從Sagnac效應的基本原理出發(fā)，綜述了光纖Sagnac環(huán)現(xiàn)階段的主要應用和最新進展，認為Sagnac干涉型光纖傳感器在石油管道、擾動定位、化工檢測、電力、通信等領域應用前景誘人。文獻[3]提出了級聯(lián)Sagnac環(huán)組成梳狀濾波器的方案，從而有效提高了系統(tǒng)信道隔離度，得到了具有均勻通帶間隔、信道隔離度高、光譜半高寬度FWHM窄等特性的梳狀濾波器。

1.2對光纖圍欄傳感預警系統(tǒng)關鍵技術的研究

文獻[4]針對分布式光纖入侵監(jiān)測系統(tǒng)在室外復雜環(huán)境下誤報率過高的問題，提出了一種基于時/頻域綜合特征提取的入侵事件識別方法?；陬l譜分析提出了一種稱為頻譜歐氏距離法（EDFS）的快速模式識別方法，該模式識別方法可以有效識別擾動信號，識別時間小于傳統(tǒng)的動態(tài)時域規(guī)劃模式識別方法耗時的1/10。

1.3對基于Sagnac環(huán)分布式光纖圍欄傳感預警系統(tǒng)的研究

設計了光纖圍欄系統(tǒng)的系統(tǒng)組成，并對系統(tǒng)的工作原理和圍欄主機的工作流程進行了重點分析。設計了圍欄主機中基于支持向量機（SVM）的模式識別模塊，介紹了在二類分類和多類分類情況下的相關算法?；诠饫w干涉原理設計了一種適用于中低壓配電網(wǎng)電纜通道的防外侵預警系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)振動信號辨識，對入侵信號進行防區(qū)定位以及綜合評估。

2.基于Sagnac光纖圍欄傳感預警安防系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建及關鍵技術

2.1基于干涉儀原理的分布式光纖傳感技術

2.1.1 M-Z光纖干涉技術

M-Z光纖干涉技術基本原理如圖1所示，由激光器1發(fā)出的光經(jīng)過耦合器被分成相等的兩束，分別進入上下兩根光纖，外界聲壓作用于其中的信號臂，然后在第二個耦合器把兩束光再耦合并發(fā)生干涉，干涉光再分成兩束光經(jīng)光纖傳送到兩個光電探測器中;同理，由激光器2發(fā)出的光會在第一個耦合器中產(chǎn)生干涉。M-Z干涉技術與Michelson干涉技術的不同之處在于光路不需反射，避免了反饋光使激光器不穩(wěn)定而產(chǎn)生噪聲，所以M-Z干涉儀的靈敏度比較高，其解調(diào)技術相比Michelson簡單，但是穩(wěn)定性能較差，容易受到環(huán)境干擾。

2.1.2 Michelson光纖干涉技術

Michelson光纖干涉技術采用具有反射端面的光纖作為參考光纖和傳感光纖，利用分振幅法產(chǎn)生雙光束以實現(xiàn)干涉。原理如圖2所示，測量臂和參考臂中的反射光會在耦合器產(chǎn)生干涉，經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過信號處理可以解調(diào)聲場的信號，當傳感光纖發(fā)生形變時，產(chǎn)生的干涉條紋就會移動，從而確定擾動點位置。由于Michelson是利用光纖反射光進行干涉測量，所以其信號比較微弱，同時還需要復雜的解調(diào)技術進行相位解調(diào)。

2.1.3Sagnac光纖干涉技術

Sagnac光纖干涉結(jié)構(gòu)也可用于外界時變信號的測量包括聲音信號的測量。Sagnac分布式光纖傳感器是在Sagnac光纖陀螺的基礎上發(fā)展起來的用于管線泄漏探測和定位的一種新技術，Sagnac光纖干涉技術原理如圖3所示。圖3中，左端的激光器發(fā)出的激光經(jīng)過耦合器之后一分為二，在同一根閉合的光纖中一束光順時針方向前行，另一束逆時針方向干前行。在無外界干擾的情況下，兩束光的光程一樣;當有外力作用于傳感光纖時，兩束光相位發(fā)生改變，返回到耦合器時發(fā)生干涉，通過解調(diào)干涉信號得到聲信號。由于擾動點的位置與兩束光的相位差及相位的變化速率相關，所以可以對擾動點進行定位。

2.2基于Sagnac圍欄預警系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建及關鍵技術

根據(jù)系統(tǒng)具體功能性和特征的要求，同時結(jié)合光、電、機械、信息、計算機、安防、經(jīng)濟等各領域的綜合考慮，將整個系統(tǒng)分解為四層，每一層次對其上一層次負責且未上一層次功能實現(xiàn)的基礎，然后對各個層次的任務進一步細分，從而明確的任務分工以及系統(tǒng)的整體把控，進而實現(xiàn)系統(tǒng)對應的功能和特性。

（1）物理層：此層為整個系統(tǒng)的最低層，但卻是整個系統(tǒng)的基礎，是系統(tǒng)功能實現(xiàn)的基石。此層的元素基本固定，遵從元素本身的客觀性，其是實現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡的基本環(huán)節(jié)。

（2）采集層：這一部分的關鍵技術包括Sagnac振動傳感器的研制、Sagnac信號解調(diào)和系統(tǒng)的聯(lián)動報警以及系統(tǒng)可擴展性的研究，在這里將室外光無源系統(tǒng)與室內(nèi)有源系統(tǒng)以及聯(lián)動擴展集成起來。

①Sagnac傳感器振動光纜是系統(tǒng)的傳感部分，它將多個振動傳感器通過一定的方式連接在一起，是光無源傳感網(wǎng)絡的核心，而光纜的核心就是振動傳感器。Sagnac振動傳感器的研制首先要根據(jù)周界安防的特點與需求，以探測人為入侵為激勵輸入方式，并結(jié)合其它專業(yè)知識以及相關安防規(guī)范，確定振動傳感器的結(jié)構(gòu)模型，其次，根據(jù)模型計算，得到傳感器靈敏度、頻率與結(jié)構(gòu)參數(shù)的具體關系，設計實驗方案，通過反復實驗確定傳感器的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)，再次，通過實際工程應用實現(xiàn)對傳感單元的檢驗。

②信號解調(diào)主要用來多通道同時解調(diào)波長并與上位計算機進行通信。聯(lián)動以及可擴展接口的設計需要滿足系統(tǒng)升級，入侵報警與視頻監(jiān)控的聯(lián)動，入侵圖像信息上傳上一級系統(tǒng)，與其它安防網(wǎng)絡聯(lián)網(wǎng)，系統(tǒng)擴展（增加防區(qū)等）以及視頻聯(lián)動和遠程信息管理的需求。

③在此層涉及到室外無源光網(wǎng)絡的構(gòu)建，它是實現(xiàn)周界安防的重要傳感網(wǎng)絡，同時也是實現(xiàn)分布式監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)，同時采用多種傳感光纜鋪設方式，設計合理的光纜布線方式，最大限度的避免光纜誤報。

（3）算法層：此層為系統(tǒng)的的核心內(nèi)容。算法分為時域、頻域和時頻聯(lián)合分析三類。本系統(tǒng)應用時域與頻域相結(jié)合的方法得到了在同一時間段內(nèi)，一定的頻率范圍內(nèi)信號的能量信息，也就是將入侵信號的時域峰值時刻與人的入侵動作的頻率結(jié)合起來，通過能量積分的方法判斷入侵事件。

（4）應用層：主要針對用戶需求的功能，同時考慮的主要內(nèi)容就是如何使得人機互動更方便順暢，信息管理更科學有序，實現(xiàn)如自動觸發(fā)聲光告警裝置，后臺存儲相應告警事件圖像信息并歸檔，用戶定制分級告警等功能。

2.4系統(tǒng)可行性研究分析

根據(jù)以上系統(tǒng)層級拆分和功能要求的確定，對其進行可行性分析。

（1）智能定址：Sagnac傳感器的波長選擇功能對入侵定址是一個非常好的選擇，可利用波長信息與傳感器的物理信息的對應關系即可以實現(xiàn)入侵的準確定址。

（2）智能感知：預先采集大量的不同的擾動信號，包括真實的環(huán)境、惡劣天氣、小動物等的入侵干擾模擬數(shù)據(jù)，再把這些數(shù)據(jù)分類進行處理與分析，提取特征向量，建立數(shù)據(jù)庫，應用模式識別等方法得到具體的入侵方式，從而在實際的判斷中將干擾信號排除，提升報警的準確率，降低其誤報率。

（3）分布式監(jiān)測：通過將傳感器制成振動光纜，傳感器距離的定制以及采用合理的安裝方式實現(xiàn)。如通過采用多種傳感光纜鋪設方式，設計合理的光纜布線方式。

（4）耐候性能高、抗干擾能力強：可通過組建室外全無源光網(wǎng)絡有助于提高系統(tǒng)的抗干擾能力，其次，還需要借助軟件算法進一步濾除環(huán)境等的干擾，通過時頻分析算法，將環(huán)境干擾信號與實際入侵信號區(qū)別開。

（5）室外無源：Sagnac傳感器是無源的，并且各個傳感器共享光纖鏈路作為光波信號傳輸?shù)慕橘|(zhì)，避免了外部的電磁干擾以及雷擊閃電的破壞，增強了網(wǎng)絡的可靠性。

（6）響應時間短：Sagnac傳感器本身的響應速度很快，關鍵在于解調(diào)系統(tǒng)和后續(xù)的數(shù)據(jù)處理與分析，采用較高的釆集頻率和高配置的服務器可以達到要求。

3.基于Sagnac環(huán)的光纖圍欄傳感預警系統(tǒng)初步設計

根據(jù)Sagnac圍欄預警系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建以及對涉及的傳感技術、信號處理技術和模式識別技術等關鍵技術，對系統(tǒng)進行初步設計，組成框圖如圖5所示。

（1）由傳感光纖組成的防護系統(tǒng)可固定安裝于如無人值守的變電站的物理圍欄（如圍墻、柵欄、鐵絲網(wǎng)等）表面，當有入侵行為發(fā)生時，如入侵者的強力觸碰、攀爬、搖晃等行為，使傳感光纖發(fā)生形變，從而引發(fā)警報。警報是由外接在圍欄上的一些聯(lián)動設備如警報器、公安聲光警燈發(fā)出，起到警訊、恐嚇的作用;同時在圍欄上還可安裝攝像頭及照明燈，實現(xiàn)全天候的視頻監(jiān)控。同時拍攝的告警事件的圖像信息等傳送至上一級系統(tǒng)。

（2）圍欄主機包括信號采集系統(tǒng)和中央控制計算機兩部分。圍欄主機系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，如同人體大腦，起著至關重要的作用。圍欄主機處理流程一般分為：采集信號形成信息（包括正常和擾動信息）數(shù)據(jù);然后判斷是否為入侵事件;對事件涉及數(shù)據(jù)和信息進行存儲;當判斷為入侵事件時，啟動報警裝置;展示入侵事件的多方面信息（入侵位置、時間等）。

4.結(jié)論與啟示

本文借基于Sagnac環(huán)的分布式光纖傳感技術，對圍欄智能預警安防系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型、關鍵技術以及系統(tǒng)初步設計進行研究，得到以下研究結(jié)論：給出了周界安防方

1提出了基于圍欄智能預警安防系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)模型及關鍵技術。根據(jù)功能需求和Sagnac分布式傳感技術特性，設計了Sagnac環(huán)的分布式光纖圍欄智能預警安防系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)模型，將其劃分為物理層、實現(xiàn)層、算法層及應用層四個層次，詳細解讀了每個層次的功能及涉及的傳感技術、信號處理技術和模式識別技術等關鍵技術。

2提出了基于Sagnac環(huán)的分布式光纖圍欄安防系統(tǒng)的設計方案。根據(jù)構(gòu)建的系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)模型對系統(tǒng)進行初步設計，對物理層涉及的傳感光纖和圍欄主機進行一個初步的設計和構(gòu)想。

參考文獻

[1]RUNMING LI，HAOSEN SHI，HAOCHEN TIAN，et al.All-polarization-maintaining dual-wavelength mode-locked fiber laser based on Sagnac loop filter[J].Optics express，2018，26（22）：28302-28311.

[2]徐鵬，魏國華，劉占戈，等.基于云智能井蓋系統(tǒng)的高壓電纜防外破系統(tǒng)研究[J].電力大數(shù)據(jù)，2017，20（9）：33-36.

[3]劉超，張雯，董明利，等.CO2激光刻寫長周期光纖光柵與光纖MZ結(jié)構(gòu)的雙參數(shù)傳感特性[J].紅外與激光工程，2017，46（9）：142-148.

[4]彭寬，馮誠，王森懋，等.基于時/頻域綜合特征提取的分布式光纖入侵監(jiān)測系統(tǒng)事件識別方法[J].光學學報，2019，39（06），338-348.

作者簡介：

姓名：彭期剛，出生年：1974年，性別：男，學歷：本科，職稱：助理政工師，主要從事工作：黨務工作