基于光纖Bragg光柵傳感器陣列的智能周界安防系統

陳兆鵬， 胡 明， 李 斌， 張 政， 劉曉銘

(1.國網山東省電力公司 肥城市供電公司,山東 肥城 271600；2.山東圣海光纖科技有限公司， 山東 肥城 271600)

基于光纖Bragg光柵傳感器陣列的智能周界安防系統

陳兆鵬1， 胡 明1， 李 斌1， 張 政2， 劉曉銘2

(1.國網山東省電力公司肥城市供電公司,山東肥城271600；2.山東圣海光纖科技有限公司，山東肥城271600)

為了克服現有技術存在分辨率低、監測距離有限、價格昂貴等特點，提出了一種基于光纖布拉格光柵傳感器(FBGS)陣列技術的周界入侵行為感知增敏方法及系統。采用全同光柵陣列技術提高系統復用能力，使得相同長度防區內傳感器數量成倍增加，從而大大提高了系統感知外界入侵行為的靈敏度；采用特殊的傳感器封裝工藝和敷設方法進一步提高了系統感知外界微小振動靈敏度；結合時域、頻域分析方法智能識別外界入侵行為，降低系統誤報率。相比傳統光纖光柵周界防入侵技術，系統具有米(m)級空間分辨率、誤報率極低、監測距離更長、性價比高等特點。

光纖布拉格光柵傳感器陣列； 智能周界； 振動； 頻域

0 引 言

常見的周界防范技術主要有光、電兩種類型，其中電類最具代表性的產品有：泄露電纜、紅外入侵探測器以及電子圍欄，此類產品易受電磁干擾、氣候及環境的影響，誤報率較高，空間分辨率低[1,2]。光類產品主要包括分布式振動傳感光纖和準分布式光纖Bragg光柵(fiber Bragg grating ,FBG)振動傳感器，前者對多點入侵的定位分析較為復雜，空間分辨率低，誤報率高，很難精確定位,后者雖然能夠精確定位，具有較高的空間分辨率，但受光源帶寬影響，傳感器復用數量十分有限，導致系統成本較高[3,4]。

本文提出了一種基于光纖Bragg光柵傳感器(FBGS)陣列技術的智能周界安防系統，采用全同陣列光柵提高系統復用能力，減小傳感器之間的間距，大幅提高了系統感知外界入侵行為的靈敏度；結合時域、頻域分析方法智能識別外界入侵行為，降低系統誤報率，具有米(m)級空間分辨率、誤報率極低、監測距離更長、性價比高等特點。

1 光纖光柵振動傳感[5,6]原理

當寬帶光通過光纖B光柵時，會對入射光進行選擇性反射，反射一個中心波長與芯層折射率調制相位相匹配的窄帶光，在外界參量(如應力、溫度等)發生變化的情況下，光柵的柵距隨之發生變化，從而導致FBG中心波長發生偏移，其變化滿足如下關系式[7]

λB=2neffΛ

(1)

式中λB為光柵的布拉格波長；neff為光柵的有效折射率；Λ為光柵條紋周期。由此可知，FBG的中心波長λB取決于neff和Λ，其波長變化量可以表示為

(2)

式中α為光纖的熱光系數，Pe為光纖的彈光系數，ζf為光纖的熱膨脹系數，由式(2)可知：外力和溫度的變化均使得FBG反射波長發生漂移，且漂移量與溫度、應力密切相關。

假設環境溫度不變，對應變來說，FBG的反射波長在應力作用下的漂移量為

(3)

對于摻鍺石英光纖，Pe取值為0.22，則FBG的應變可表示為

Δλε/ε=0.78λB

(4)

可以看出：FBG中心波長的變化可以隨時反映出外界應變的變化量，且應變與波長呈線性關系。對于中心波長為1500nm的裸光柵來說，FBG的應變系數為1.17pm/10-6。

基于光柵陣列傳感的智能周界安防系統通過感知外界振動信號判斷入侵狀態，其振動信息來自于外界入侵行為發生時施加給傳感器的作用力，由于入侵行為作用時間很短，報警響應很快，在入侵行為判斷過程中可以不考慮溫度對波長變化的影響。

2 光柵陣列智能周界安防系統

2.1 系統架構

本文基于光柵陣列傳感技術的智能周界安防系統主要由全同陣列光柵振動傳感器、多芯傳輸光纜、光纖光柵解調器、計算機、聲光報警器構成。

圖1 光柵陣列智能周界安防系統

如圖1，采用50只相同波長的FBG振動傳感器級聯后構成一個防區[8,9]，空間分辨率可以達到1m以內，相鄰防區之間通過傳輸光纜采用串/并聯的方式將所有防區內的振動傳感器信號匯聚到FBG解調器(BGD—16M)；FBG解調器負責采集和處理傳感器信號，并將處理后的數據通過網口上傳至計算機；計算機對上傳的實時數據進行處理、時,頻域分析、特征提取、模式識別、聯動控制，提供強大的智能算法引擎和樣本存儲能力。防區內任意一只傳感器感知到外界入侵振動信號后，均以防區的形式輸出報警信息，并將入侵行為以報警的形式輸出至聲光報警器，從而警示工作人員采用防范和處理措施。

采用FBGS陣列方法可以明顯提高系統感知外界入侵行為的敏感程度，在不多占用解調帶寬的情形下，起到很好的增敏作用，且1臺儀表的監測范圍可以擴寬到10km以上。

2.2 FBG振動傳感器

FBG振動傳感器主要由裸FBG、質量重錘、金屬套管和單模光纖構成，如圖2所示。考慮到聚四氟乙烯材料具有密度小、受溫度影響小、易加工等特點，故選用該材料加工制作1.2g的質量重錘作為彈性質點。

圖2 FBG振動傳感器結構

該結構可以簡化為單質點彈性繩模型，當FBG受到徑向力作用時，外力使得質量重錘產生振動并帶動光纖偏離水平位置，光纖的拉力變化使得FBG中心波長發生變化,隨著質量重錘的振動，中心波長的變化幅值與頻率也相應產生改變。

2.3 信號預處理與特征提取方法

考慮到外界入侵方式的復雜性，采用時域、頻域相結合的分析方法，其算法識別流程如圖3所示。

圖3 基于時域及頻域信號識別流程

首先，由系統對所有傳感器的波長信號進行初始化，當有外界入侵行為產生時，系統采用時域分析方法并通過極值尋優自動篩選出防區內波長幅值變化最大的振動傳感器信號進行分析；當波長變化幅值超過預先設定的閾值時，初步斷定有入侵行為事件發生，但此時無法區分人為的主動激勵和外界環境帶來的客觀激勵；于是，采用基于快速傅立葉變換(fast Fourier transform,FFT)的頻域分析方法，并輔以小波對信號進行降噪處理[10]，通過頻譜特性來區分不同模式下的振動信號，從而智能識別外界入侵行為。

3 實驗測試與分析

3.1 實驗概況

某大型變電站屬于該市重點防護區域，其整體周界長度達到1km，其中，磚墻圍界為0.6km，鐵藝圍欄為0.4km，為防止非法入侵事件，采用FBGS陣列智能周界和視頻監控相結合的方法對變電站周圍進行全天候安全防范。整個1km的周界被劃分為20個防區，單個監控防區的長度縮小到50m，明顯優于120m的防區長度，且傳感器間距為1m，大幅提高了系統的感知靈敏度。振動光纜以“S”型方式鋪設在鐵藝圍欄上，有效增強了探測面積及報警靈敏度。對于磚墻的防護，在磚墻頂部鋪設50cm高的鐵絲網，在鐵絲網上鋪設“S”型振動光纜，實現24h不間斷安防監控，防止外界入侵。

3.2 實驗過程分析

為了檢驗系統感知靈敏度，分別模擬3種不同的入侵行為(攀爬、搖晃、風吹)進行實驗。

由于不同入侵行為對鐵藝圍欄和傳感光纜的作用效果不同，因而所產生的振動信號不僅在振幅上有所區別，其振動持續時間也有所不同。如圖4所示，系統在無外界激勵時，其波長偏移量在±10pm以內，變化較小。當有外界激勵(如攀爬、搖晃、風吹)發生時，傳感器波長偏移量明顯變大，且幅值超過了50pm。此時，根據現場實際敷設條件，設定合適的波長偏移量作為預警閾值，即可有效地對外界激勵進行判斷和篩選。

圖4 周界系統在不同激勵下的時域

然而，不同外界激勵所引起的波長最大變化幅值十分接近，單純采用閾值法無法區分人為主動激勵和氣候環境帶來的激勵，易導致系統產生誤報，誤報率約為10.9%左右，即單一的時域閾值法對入侵行為的判斷存在一定的局限性，需要采用新的數據處理方法和報警策略區分不同的外界激勵。

采用FFT完成信號由時域到頻域的轉換，其頻譜特征區別非常明顯[11,12]。如圖5(a)，攀爬模式下，頻率分量主要分布在40～90Hz區間；如圖5(b)，在外界風吹自然環境影響下，頻率主要分布在10～20Hz范圍，且幅值相對偏小。

圖5 周界系統在不同激勵下的頻域特性

3.3 實驗結果分析

通過對不同入侵行為進行模擬和數據分析，結果表明：采用單一的時域閾值判斷法給系統帶來的誤報率高達10%左右，而采用時域、頻域相結合的報警策略對入侵行為進行識別，可以大幅降低系統誤報率，誤報率可控制在1%左右。

4 結 論

與同類周界安防技術相比，光柵陣列傳感智能周界安防系統克服了現有技術存在分辨率低、監測距離有限、價格昂貴等不足，采用全同陣列光柵技術大幅提高了系統復用能力以及感知外界入侵行為的靈敏度；采用時域和頻域相結合的方法智能識別外界入侵行為，大幅降低了系統誤報率。系統具有米(m)級空間分辨率、誤報率極低、監測距離更長、性價比高等特點。

目前，該系統已經被廣泛應用于軍事、國防邊界、機場、能源安全、金融、博物館以及重要安保等領域，具有極為廣闊的發展前景。

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IntelligentperimetersecuritysystembasedonFBGSarraytechnology

CHEN Zhao-peng1, HU Ming1, LI Bin1, ZHANG Zheng2, LIU Xiao-ming2

(1.FeichengPowerSupplyCompany,ShandongElectricPowerBureau,StateGrid,Feicheng271600,China;2.ShandongShenghaiFiberTechnologyCoLtd,Feicheng271600,China)

In order to overcome the problems of existing technology of low resolution,limited mornitoring distance and high price,provide behaviors of perimeter intrusion sensing technology and system sensitivity enhancement method based on fiber Bragg grating sensor (FBGS) array .Using the whole grating array technology to improve the multiplexing capacity of system,the number of the same length zone sensor increases exponentially,thus greatly improves the sensitivity of the system to perceive the external intrusion.The sensitivity of the system is further improved by adopting special package and laying technology.Combining the time domain and frequency domain analysis methods,the system can intelligently identify the outside intrusion behavior,and the false positive rate is decreased.Compared with the traditional fiber grating perimeter anti intrusion technology,the system has the characteristics of m class space resolution,low false positive rate,long monitoring distance and high cost performance.

fiber Bragg grating sensor(FBGS) array; intelligent perimeter; vibration；frequency domain

10.13873/J.1000—9787(2017)10—0121—03

2017—08—01

TP 212

A

1000—9787(2017)10—0121—03

陳兆鵬(1970-)，男，高級工程師，從事電力生產管理工作,E—mail:247818835@qq.com 。