基于光學雷達系統的計算機軟件設計

孫婉婷 荊濤 陳沭

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2007-5640-5849

摘? 要：針對現有光學雷達運用場所不確定以及監測人員可能非專業、不能及時準確地發現入侵事件的問題，結合光學雷達的工作原理，利用Visual C++6.0設計了一款具有身份驗證、實時監測、報警定位、事件記錄和保存數據等功能的監測軟件，并進行了實驗測試。測試結果表明，該軟件與光學雷達配套使用智能化效果良好，能夠實時獲取雷達系統的監測數據，并且可以在長距離上實現對入侵事件的及時報警和精準定位。

關鍵詞：光學雷達? 軟件設計? 遠程實時監控? 數據采集處理

中圖分類號：TP311 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）03（c）-0116-05

Software Design Based on Optical Radar System

SUN Wanting1? JING Tao2? CHEN Shu3

（1. Data and Information Room of the People's Liberation Army Jilin Military Region，? Changchun， Jilin Province， 130022 China; 2. Systems Squadron of the People's Liberation Army 93107 Unit， Shenyang， Liaoning Province， 110000 China; 3. People's Liberation Army 93392 Unit， Dalian， Liaoning Province， 116103 China）

Abstract： In view of the uncertainty of the existing optical radar's operation site and the non-professional monitoring personnel， which cause that the intrusion incident cannot be detected accurately and timely， combining the working principle of the optical radar， designing a monitoring software with functions of authentication， real-time monitoring， alarm positioning， event recording and data saving by using Visual C++6.0， and experimental measurement was implemented. The test results show that the software and the optical radar have good intelligence effect， can acquire the monitoring data of the radar system in real time， and can realize the timely alarm and accurate positioning of the intrusion event over a long distance.

Key Words： Optical radar; Software design; Remote real-time monitoring; Data acquisition and processing

國土邊界的安全穩定是國家經濟發展的重要保證，我國擁有5.2萬km長的邊境線和海岸線，同時與15個國家相鄰，因此這樣的現實情況給我國的邊境安防工作帶來了巨大的挑戰。同時，一些傳統的邊界安防手段如高壓電網、柵欄和人工巡邏等逐漸暴露出不少問題，可見傳統手段已經不適用于高要求的邊界安防[1-2]。

隨著光纖產業的蓬勃發展以及科學家對其進行的深入研究，人們發現光纖集傳輸和傳感于一體，其中光纖傳感技術是通過感知光纖上某處的物理量的變化來識別目標，該技術原理和特征與雷達探測技術相類似，因此我們將光纖傳感器視為一種應用光學雷達。光學雷達相較于傳統的安防手段，具有更高的靈敏度、測量對象廣泛、抗干擾能力強、遠距離分布式監測、成本低、定位精度準確等優點，已經廣泛應用于周界安防、大型橋梁、石油天然氣管道等領域[3-4]。目前，應用在重點區域的周界安防的光學雷達主要是相位敏感型光時域反射計（Phase-sensitive optical time domain reflectometry， φ-OTDR），該系統是通過檢測入侵事件引起光纖上某處產生的振動信號，通過對系統采集的信號進行篩選，在有入侵事件發生時，能夠準確識別入侵信號的位置，從而最大程度上防止事故的發生。因此，如何準確地及時地將入侵事件報告給監測人員一直是本學科的研究熱點[5-6]。

目前，光學雷達的應用環境較為復雜，并且監測人員可能是非專業人員，致使不能及時準確地對入侵事件作出響應。因此，本文在光學雷達的基礎上，結合實際工作原理，使用Visual C++6.0設計了一款具有身份驗證、實時監測、報警定位、事件記錄和保存數據等功能的監測軟件。該軟件采用C語言編寫，操作簡單，軟件功能滿足操作人員需求。

1? 光學雷達系統工作原理及組成

光學雷達系統工作原理如圖1所示，光學雷達與鋪設在防御區周界地下的傳感光纖相連，構成分布式光纖傳感系統。利用光纖傳感原理檢測入侵點，當有敵人入侵事件發生時，相應位置傳感光纖的長度及折射率發生的變化，將導致該位置后向散射光的相位發生變化，并體現為光強度發生變化。光強信號經過光電轉換后最終成為電信號。系統采集傳感光纖上每一點的電壓并送入上位機進行分析處理，從而篩選出入侵事件位置。當光纖上某一點的電壓超過設定的入侵電壓閾值時，即判定該點有入侵事件發生。入侵位置定位原理采用飛行原理，如式（1）所示：

（1）

式中，c/n為光在光纖中傳波速度，τ為系統發出探測脈沖與探測器接收到擾動信號間的時間差。

利用上位機監測軟件，監測人員通過簡單操作即可完成系統的遠程實時監測并且及時準確地獲取入侵位置。

2? 系統監測軟件設計

監測軟件是與光學雷達系統配套使用的，其作用主要是實現人機交互，以達到系統智能化的目的。監測人員通過監測軟件可以控制分布式光纖監測系統的運行狀態，并且可以通過界面顯示的測量數據實時觀測到監測目標的狀態。本文利用Visual C++6.0設計了一款操作簡便以及報警信息準確及時的監測軟件。

2.1 Visual C++6.0軟件介紹

Visual C++開發軟件是由Microsoft公司設計出的以C++語言為基礎的Windows開發環境，同樣是面向對象的可視化集成編程系統。其特點是自動產生程序架構、代碼編寫和界面設計可交互操作和能夠編譯多種程序等;通過設置就能夠產生程序框架支持數據庫接口和WinSock網絡[7]。

本文使用微軟公司的Visual C++6.0作為監測軟件的開發平臺，使用C語言編寫信號的采集和識別算法，直接調用MATLAB編寫的信號處理程序和檢測算法編譯成動態鏈接庫文件（DLL），進行入侵事件定位[8]。

2.2 系統軟件界面的實現

監測軟件的運作機理是：調用dll文件可以運行實時監測功能，并且通過設定系統報警的振幅閾值和頻率閾值，綜合篩選出有效的故障信號并發出報警。由于監測軟件的使用是有權限的，所以本文設計了軟件的登錄界面如圖2所示，有權限的監測人員根據自己的登錄密碼登錄使用軟件。

軟件的主界面如圖3所示，監測軟件主界面的左上方是功能選擇區，其中包括可以選擇監測任一系統的實時信號，參數設置，事件記錄和歷史數據。在功能選擇區的下面，有一個控制鍵（開始保存）開可以控制監測軟件的運行或停止。在控制鍵下面是監軟件的實時監測曲線框，在軟件運行時可以看見信號的實時狀態。在監測曲線框的右上方是兩個系統的監測信息欄，顯示信號的振動位置、幅值頻率等信息。在監測信息欄下面是軟件的報警信息，當目標周圍發生侵擾時，報警信息會顯示出侵擾位置，侵擾頻率和侵擾時間等，這樣可以使監測人員及時發現事故位置。軟件的其他功能界面如圖4至圖6所示。圖4為參數設置界面，其功能包括采集卡參數設定和信號檢測算法參數設定，通過設定采集卡參數可以確定采樣模式，信號檢測的算法參數也是通過人工設定的。圖5為歷史數據界面，其功能是記錄報警時信號的數據，便于監測人員查驗和分析。圖6為事件記錄界面，其功能為記錄軟件報警時的報警信息，如振動位置和頻率等。

綜上所述，本文設計的監測軟件能夠實現實時監測目標狀態，人工設置監測參數，數據記錄與顯示、并且可以全面分析振動信息發出準確報警信號等功能，同時方便監測人員操作。

3? 系統軟件測試及分析

為了測試光學雷達系統的監測效果，使用試驗機進行了實驗測試。首先，把試驗機的信號輸出端與鎧裝光纜的輸入端相連，系統顯示實時監測長度是22km的傳感光纖。然后，根據現場環境設定報警的幅度閾值，在傳感光纖5～20km處多次敲擊光纖進行測量，實驗結果如圖7和圖8所示。由圖7可知，在5km處出現尖峰，報警信息顯示入侵位置為50005米，振動頻率為20kHz。圖8為在傳感光纖20km處進行敲擊的實時監測結果，在對應的20km處出現尖峰，報警信息顯示入侵事件位置為200008m，振動頻率為50Hz。

4? 結語

本文首先詳細介紹了光學雷達系統的工作原理，在此基礎上設計了雷達系統的上位機監測軟件，并且對監測軟件的性能進行了測試。實驗結果表明，本文設計的光學雷達監測軟件操作簡單方便，智能化程度高，并且能夠準確及時地向監測人員報告入侵事件。

參考文獻

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[3] 楊經國.φ-OTDR分布式光纖傳感系統信噪比增強與模式識別研究[D].成都：西南交通大學，2018.

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[8] 龔純，王正林.精通MATLAB最優化計算[M].2版.北京：電子工業出版社，2010：180-202.