基于直線型Sagnac的光纖周界安防系統設計

王 寧,朱宗玖

(安徽理工大學 電氣與信息工程學院,安徽 淮南,232001)

隨著經濟發展水平的不斷提高,社會對電力能源的需求日趨強烈.電力能源供應是一項由發電、輸電、配電、變電等多個環節組成的龐大工程,變電站作為連接電力系統與用戶的重要樞紐,在整個電力系統中發揮著不可替代的作用.隨著變電站無人值守化的推進,電力盜竊案件時有發生,給國民經濟和人民生活帶來了重大損失和影響[1-2].傳統的安防系統雖然達到了一定的防御效果,但存在著一些缺陷,如紅外圍欄誤報率高,脈沖式電子圍欄耗電量大,埋地電纜探測不適宜大面積敷設,視頻監控系統功耗大且容易產生監控死角,且以上安防手段都易受電磁干擾,無法滿足變電站無人值守的需求[3].因此迫切需要開發出一套能夠有效防護無人值守變電站安全的安防系統,對變電站周界進行實時的監控,以保證供電的可靠性.

分布式光纖傳感器集傳感和傳輸為一體,通過傳感光纖對外界被測量進行采集[4-5],具有抗電磁干擾能力強、監測范圍大、靈敏度高等優點,在航天航空、土木工程、周界安防、健康醫療等領域有廣泛的應用[6-9],尤其在周界安防領域,光纖安防系統已成為發展的主流方向.

基于Sagnac結構的分布式光纖傳感系統對光源相干性要求低,特別適合入侵信號監測[10],但在實際使用時傳感光纖會以對稱的方式受到同樣的物理場,由于光的互易效應,將會導致傳感光纖中的光信號相互抵消,沒有干涉信號的輸出,所以需對一半光纖進行聲場上的隔離,導致了施工成本的增加.為解決上述問題,本文設計了基于直線型Sagnac的光纖周界安防系統,同時提高了光纖周界安防系統的監測范圍,實現多防區監測功能,遠程對變電站進行實時動態監控,以滿足電力系統安全生產的需求.

1 直線型Sagnac干涉系統

1.1 直線型Sagnac干涉系統原理

Sagnac干涉效應于1913年被法國科學家Sagnac提出,其原理為將激光器發出的光等比例分為兩束,使其在在干涉儀中相反方向傳輸一周后在耦合器匯聚并發生干涉[11-12].直線型Sagnac干涉系統也是基于Sagnac干涉效應發展而來,在直線型Sagnac干涉系統中,傳感光纖只有一根,光路結構相對簡單,其原理圖如圖1所示.

直線型Sagnac干涉系統包含有激光器、延遲光纖、傳感光纖、3*3耦合器、2*1耦合器、法拉第旋轉鏡(Faraday rotator mirror,FRM)、光電探測器,通過在傳感光纖末端設置FRM使光沿單根光纖傳輸,具有比其他干涉式光纖安防系統更簡單的結構和更強的抗環境干擾能力.從激光器發出的光通過3*3耦合器進入非平衡馬赫-曾德爾干涉儀中,然后從2*1耦合器輸出后進入傳感光纖,當傳感光纖受到外界振動時,光纖中光信號的相位發生變化,隨后經傳感光纖末端的FRM反射后沿原光路返回,然后被光電探測器接收,最終通過干涉轉變為光強變化,通過分析系統輸出干涉光的強度即可判斷外界是否有入侵行為.到達光電探測器的光一共有四路:(Ⅰ)A—C—D—E—FRM—E—D—C—A;(Ⅱ)A—C—D—E—FRM—E—D—B—A;(Ⅲ)A—B—D—E—FRM—E—D—C—A;(Ⅳ)A—B—D—E—FRM—E—D—B—A.

由于延遲光纖的長度遠長于光源的相干長度,因此只有光路Ⅱ和光路Ⅲ中傳輸的信號光能夠發生干涉.而光路Ⅰ和光路Ⅳ中傳輸的信號光光程差相差太大,不滿足干涉條件,可以被認為是直流信號,易于消除.

1.2 直線型Sagnac干涉系統定位原理

由光纖振動感知原理可知,在傳感光纖上某點施加一個振動信號時,光纖中傳輸的光信號的相位因光彈效應而發生變化[13].由傅里葉變換理論可知,信號光的相位變化都可以劃分為多個具有不同幅值、不同頻率和不同相位的正弦波的集合,該集合表示為:

(1)

其中:Ai,ωi,φi分別為各正弦分量的幅值、頻率和初相位,N為正整數,表示構成振動信號所需要的正弦波的數目.則由振動引起的光路Ⅱ和光路Ⅲ之間的相位差可以表示為:

(2)

其中:τ1為光從激光器發出經A、C、D點后到達E點的時間,τ2為光從激光器發出經A、C、D、E點后傳播到FRM,又經FRM反射傳播到E點的時間,τ3為光從激光器發出經A、B、D點后到達E點的時間,τ4為光從激光器發出經A、B、D、E點后傳播到FRM,又經FRM反射傳播到E點的時間.Ld為延遲光纖長度,L為傳感光纖的長度,L1為振動位置B與FRM的距離,L2分別為振動位置B與2*1耦合器的距離,c為真空中傳播的光速,n為光纖的折射率.

(3)

其中:k取正整數.通過傅里葉變換得到振動信號的頻譜,確定相應零頻點的頻率,即可解調出振動位置,實現對振動信號的定位.

2 入侵信號判定算法

光纖周界安防系統依靠傳感光纖采集外界振動信號,由于采集數據量大,必須綜合考慮系統報警的誤報率和實時性,這就要求信號處理算法既要有效,又不能過于復雜.現有的光纖振動信號檢測方法通常從單一的信號處理角度進行判定,如基于時域特征閾值的端點檢測算法,這樣會使系統具有片面性,影響識別精度,誤報率較高.在此基礎上,為了提高事件分類的準確率,增強在復雜環境下的魯棒性,本文提出一種基于多域特征的動態閾值端點檢測算法,從時域、頻域和小波域提取振動信號的特征進行判斷,實時更新特征閾值,通過三級判定算法提高系統對入侵事件的檢測效果.

2.1 時域特征分析

在時域中選取短時過零率來判斷系統是否處于振動狀態.短時過零率是表示信號的波形在零電平附近上下波動的頻率的特征量,對于光纖振動信號來說,當相鄰兩點幅值符合變化即可記為一次過零[14].設光纖時域振動信號為x(t),加窗分后幀得到的第i幀信號記為xi(n),則光纖幀信號x(n)的短時過零率Z(i)為:

(4)

其中:N為每幀信號中采樣點的個數,sgn是符號函數,即:

(5)

2.2 頻域特征分析

在光纖傳感信號中,振動信號和噪聲信號之間的頻譜分布具有很大差異,因此可以通過分析信號的頻帶分布特性對信號進行檢測和識別.將第一級判定識別出的振動信號進行離散傅里葉變換得到第i幀信號的頻譜為:

(6)

第i幀信號幅值的均值為:

(7)

第i幀信號的頻帶方差表示為:

(8)

2.3 小波域特征分析

(9)

(10)

(11)

3 光纖周界安防系統設計

本文設計了一種基于直線型Sagnac的光纖周界安防系統,主要由光路系統、視頻監控系統、微信推送系統、聲光報警系統四部分組成.通過埋地敷設、圍欄敷設等形式將傳感光纖布設到預先劃分好的防區內,并在每個防區架設有攝像頭.當其中某一防區發生入侵事件時,布設的傳感光纖會檢測到振動信號,此時系統會及時對入侵事件做出判定,并調用對應防區的攝像頭進行拍照或錄像記錄入侵影像,將實時監測內容顯示到控制中心,同時通過企業微信將報警結果通知給管理人員.系統總體設計方案如圖2所示.

圖2 系統總體方案圖Figure 2 System overall scheme diagram

3.1 光路系統

光路系統中采用直線型Sagnac結構,主要由位于控制中心的工控主機、信號處理模塊、光開關模塊和戶外防區的傳感光路部分構成,用于實現入侵事件的分析和定位功能.本文對傳感光路部分進行結構改進,將單一傳感支路擴展為雙傳感支路,每條傳感支路分別由傳感光纖和法拉第旋轉鏡構成,可分別布設兩個防區,實現對兩個防區入侵信號的實時檢測.

系統采用光開關模塊來實現不同防區之間的切換監測,防區的切換由STM32F407構成的微控單元控制.上位機通過控制微控單元向光開關發送指令,進而實現不同防區的監測切換,防區切換速率非常快,一般為毫秒級.利用STM32F407控制在兩個輸出端之間切換,通過上位機軟件編寫,可實現兩通道之間自動切換或指定切換,相較于單通道檢測并沒有增加系統整體結構的復雜度,但擴大了系統整體的監測范圍,實現了多防區的在線監測.

3.2 視屏監控系統

光纖周界安防系統通過傳感光纖實時監測布設防區的每一個點,只要有入侵事件發生,系統會第一時間檢測出,但不能將入侵信息可視化.視頻監控系統可以將入侵信息在控制中心實時顯示,但需要人員進行不間斷的監控,且在長距離安防中容易產生監控死角,不能及時獲取到入侵信息.為此在系統中加入視頻聯動功能,實時動態的監測布設防區的安全狀況.在視屏監控系統與光纖周界安防系統應用組網中,根據傳感光纖的長度和定位誤差以及攝像頭最大視角等因素綜合考慮使用攝像頭的數量,并傳感光纖分段和攝像頭之間進行編號,當入侵事件發生時,通過定位信息將對應編號的攝像頭轉到相應位置,然后拍攝到的畫面發送給控制中心,進而實現光纖周界安防系統與視頻監控系統的聯動.

3.3 微信推送系統

為了能更好地應對入侵行為,需要將報警信息第一時間通知到管理人員,在系統中編寫企業微信連接程序,通過企業微信將報警信息通知給管理人員.企業微信平臺可以為企業、媒體和個人創建信息推送渠道,通過訂閱號經平臺可以將信息推送至手機終端,信息閱讀簡單且易操作,高效聯通,可實現報警信息的精準推送.利用光纖安防系統對采集到的振動信號進行分析,當振動信號判定為入侵行為時,系統將報警信息打包后調用企業微信API接口推送信息,企業微信后臺根據信息要求向指定管理人員發送信息.將企業微信與光纖安防系統聯動,能有效提升入侵監測手段的多樣性和報警的實時性.

3.4 聲光報警系統

當非法人員闖入防區時,位于控制中心的光纖周界安防系統報警主機自動報警,但不能對其起到實質性的威懾作用,及時制止入侵行為.為此,將系統與報警器、照明燈等現場設備聯動,當系統判定某一防區發生入侵事件時,通過定位信息啟動對應編號的報警器和照明燈,威懾不法分子,制止其入侵行為,保證防區安全.

4 結 語

本文針對直線型Sagnac干涉系統的定位算法、光纖振動信號識別算法進行了詳細的論證,提出了基于直線型Sagnac的光纖周界安防系統設計方案,結合聲光報警系統、視屏監控系統和微信報警系統,實現了多防區監測、智能定址、主動警告、遠程報警等功能.為光纖周界安防系統在變電站安防系統中的實施提供了方向,更好地滿足安防應用需求.