基于多模光纖振動感知技術的站場安防系統研究

孟佳，馬云賓，蔡永軍

（中國石油管道科技研究中心，河北 廊坊 065000）

隨著光纖傳感技術的日漸成熟，新型光纖站場安防系統不斷朝著輕量化、低功耗、高靈敏度、抗電磁干擾等方向發展完善。基于多模光纖振動感知技術的站場安防系統，可以在無人值守條件下，對外界入侵進行全天候實時監測，在保證站場安全的前提下，大大節約了人力物力。同時，該系統還具有本質安全、結構簡單、便于維護等特點。

1 技術背景

1.1 光纖傳感技術

光纖傳感技術，是光纖作為傳感器，對外界信號的變化進行感知的技術。所謂感知，是指外界信號按照其變化規律作用于光纖，使光纖中傳輸的光波的物理特征參量，如強度(功率)、波長、頻率、相位和偏振態等發生變化，測量光參量的變化即可感知外界信號的變化。

1.2 光纖傳感技術的分類

光纖傳感技術有多種分類方法。依照不同的調制類型，可以分為強度調制型、頻率調制型、相位調制型、偏振態調制型和波長調制型。依照光纖傳感技術感知對象的不同，可以分為振動傳感技術、溫度傳感技術和應力傳感技術等。依照傳感器不同的布設方式，可以分為點式傳感技術和分布式傳感技術。

1.3 多模光纖振動感知技術

光在多模光纖中傳播，存在多個傳播模式，各個傳播模式相互疊加產生干涉。多模光纖振動感知技術，利用多模光纖構成分布式振動傳感器。當外部有振動信號作用于光纖時，多模光纖受到應力而發生形變，其中傳播的光波模式，相位發生變化，導致各個模式之間的干涉散斑變亮或者變暗，見圖1。通過解調并分析光波的相位變化，即可檢測出外部振動信號的強度和頻率。

圖1 干涉散斑變化示意圖

2 系統構成

基于多模光纖振動感知技術的站場安防系統（如圖2），由振動傳感光纖、引導光纖、系統主機、報警處理單元及計算機等部分組成。傳感光纖為多模光纖，專為站場安防設計，靈敏度高，可以感知微弱的振動信號。引導光纖是普通的單模光纖，連接報警處理單元與傳感光纖，用于傳輸振動信號。系統主機為報警處理單元提供供電，并負責處理單元與電腦之間的網絡通信。報警處理單元是光信號發射、接收及振動信號處理裝置。計算機則用來進行人機交互，便于使用者跟蹤并處理報警信息。傳感光纖和引導光纖根據防區劃分，布設于站場周邊的圍欄上。入侵者攀爬圍欄過程中，布設于圍欄上的傳感光纖感受到振動信號，振動信號通過引導光纖傳輸至報警處理單元進行分析識別。當振動信號被識別為入侵事件，該防區報警處理單元會通過網絡交換機將報警信號傳輸至局域網內的計算機。軟件系統收到報警信號，會發出聲光報警，提醒監控人員采取相應措施，并將報警事件的發生時間、防區號記入數據庫，以備查詢。

圖2 基于多模光纖振動感知技術的站場安防系統結構示意圖

該系統主機包含7個報警處理單元，每個處理單元對應一個防區，由引導光纖與前端多模光纖相連接。用戶可根據實際需要對防區數量進行擴展。這種方式實現了站場區域內全光纖布設，無須防雷、接地，整體上增強了系統的本質安全性。

3 系統性能指標

（1）入侵報警響應時間：＜2s。

（2）單防區誤報率≤1次/月。

（3）系統主機工作環境溫度范圍：-30～55℃，濕度范圍：0～ 90%。

（4）系統主機電源配置：120～240VAC，50～60Hz，主機功率：25W。

（5）單防區最佳防護距離：200m，引導光纖最長可達20km。

（6）振動信號監控頻率范圍：0～600Hz。

（7）風速補償范圍：0～70km/h。

（8）通訊方式：串口傳輸、TCP/IP、FSN等多種通訊模式。

4 信號處理方法

為了區分大風等外界干擾引起的振動信號與攀爬、剪切圍欄等真正的入侵振動信號的區別，我們對報警處理單元中的信號處理算法進行了深入研究。通過對實驗數據的系統性分析，發現入侵振動信號和干擾振動信號在頻域分布和時域強度方面都有所不同，可采用小波變換的方法對信號進行處理。

小波變換具有多分辨率的特點，可以由粗到細地逐步觀察信號，且小波變換在時域頻域都有表征信號局部特征的能力，有利于檢測信號的瞬態或奇異點。通過小波變換，可以得到大風引起的振動特征和攀爬導致的振動特征，如圖3所示。從圖3中可以清楚地看到，在不同小波變換層級下，大風等非人員入侵導致的振動與人員攀爬導致的振動在歸一化能量特征值上有明顯的區別。因此，利用小波變換算法，可以減少系統誤報，穩定提升系統報警準確率。

圖3

基于多模光纖振動感知技術的站場安防系統目前已經布設在中國東北地區的油氣站場，經歷了北方寒冷和多風氣候的考驗，目前，運行情況良好。通過模擬入侵測試，系統報警準確率達到100%，見表1。

表1 防區的測試結果

通過對表1數據的分析，可以發現，在較為復雜的條件下，系統能夠在對應的測試點，實現對模擬入侵測試事件的感知，達到無漏報的標準。后續通過積累更多的入侵事件樣本庫，不斷地改進和完善系統，可以確保系統能夠在更惡劣的環境中，保持報警準確率，滿足場站安全防護要求，為站場自動化安全運行奠定堅實的基礎。

5 結語

本文在理論研究的基礎上，提出了一種基于多模光纖振動感知技術的站場安防系統，能夠將自然環境干擾因素與人員入侵正確區分出來。通過模擬入侵實驗測試，系統在正常運行情況下，對人員入侵的監測準確率能夠達到100%，其系統性能指標滿足站場安防的實際需求，可以實現站場無人值守全天候監測，有效保障油氣站場的整體運行安全。