陳兆鵬， 胡 明， 李 斌， 張 政， 劉曉銘

(1.國(guó)網(wǎng)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(tǒng)

陳兆鵬1， 胡 明1， 李 斌1， 張 政2， 劉曉銘2

(1.國(guó)網(wǎng)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(xiàn)有技術(shù)存在分辨率低、監(jiān)測(cè)距離有限、價(jià)格昂貴等特點(diǎn)，提出了一種基于光纖布拉格光柵傳感器(FBGS)陣列技術(shù)的周界入侵行為感知增敏方法及系統(tǒng)。采用全同光柵陣列技術(shù)提高系統(tǒng)復(fù)用能力，使得相同長(zhǎng)度防區(qū)內(nèi)傳感器數(shù)量成倍增加，從而大大提高了系統(tǒng)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(shè)方法進(jìn)一步提高了系統(tǒng)感知外界微小振動(dòng)靈敏度；結(jié)合時(shí)域、頻域分析方法智能識(shí)別外界入侵行為，降低系統(tǒng)誤報(bào)率。相比傳統(tǒng)光纖光柵周界防入侵技術(shù)，系統(tǒng)具有米(m)級(jí)空間分辨率、誤報(bào)率極低、監(jiān)測(cè)距離更長(zhǎng)、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)。

光纖布拉格光柵傳感器陣列； 智能周界； 振動(dòng)； 頻域

0 引 言

常見(jiàn)的周界防范技術(shù)主要有光、電兩種類(lèi)型，其中電類(lèi)最具代表性的產(chǎn)品有：泄露電纜、紅外入侵探測(cè)器以及電子圍欄，此類(lèi)產(chǎn)品易受電磁干擾、氣候及環(huán)境的影響，誤報(bào)率較高，空間分辨率低[1,2]。光類(lèi)產(chǎn)品主要包括分布式振動(dòng)傳感光纖和準(zhǔn)分布式光纖Bragg光柵(fiber Bragg grating ,FBG)振動(dòng)傳感器，前者對(duì)多點(diǎn)入侵的定位分析較為復(fù)雜，空間分辨率低，誤報(bào)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(fù)用數(shù)量十分有限，導(dǎo)致系統(tǒng)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(shù)的智能周界安防系統(tǒng)，采用全同陣列光柵提高系統(tǒng)復(fù)用能力，減小傳感器之間的間距，大幅提高了系統(tǒng)感知外界入侵行為的靈敏度；結(jié)合時(shí)域、頻域分析方法智能識(shí)別外界入侵行為，降低系統(tǒng)誤報(bào)率，具有米(m)級(jí)空間分辨率、誤報(bào)率極低、監(jiān)測(cè)距離更長(zhǎng)、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)。

1 光纖光柵振動(dòng)傳感[5,6]原理

當(dāng)寬帶光通過(guò)光纖B光柵時(shí)，會(huì)對(duì)入射光進(jìn)行選擇性反射，反射一個(gè)中心波長(zhǎng)與芯層折射率調(diào)制相位相匹配的窄帶光，在外界參量(如應(yīng)力、溫度等)發(fā)生變化的情況下，光柵的柵距隨之發(fā)生變化，從而導(dǎo)致FBG中心波長(zhǎng)發(fā)生偏移，其變化滿(mǎn)足如下關(guān)系式[7]

λB=2neffΛ

(1)

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

(2)

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

假設(shè)環(huán)境溫度不變，對(duì)應(yīng)變來(lái)說(shuō)，F(xiàn)BG的反射波長(zhǎng)在應(yīng)力作用下的漂移量為

(3)

對(duì)于摻鍺石英光纖，Pe取值為0.22，則FBG的應(yīng)變可表示為

Δλε/ε=0.78λB

(4)

可以看出：FBG中心波長(zhǎng)的變化可以隨時(shí)反映出外界應(yīng)變的變化量，且應(yīng)變與波長(zhǎng)呈線(xiàn)性關(guān)系。對(duì)于中心波長(zhǎng)為1500nm的裸光柵來(lái)說(shuō)，F(xiàn)BG的應(yīng)變系數(shù)為1.17pm/10-6。

基于光柵陣列傳感的智能周界安防系統(tǒng)通過(guò)感知外界振動(dòng)信號(hào)判斷入侵狀態(tài)，其振動(dòng)信息來(lái)自于外界入侵行為發(fā)生時(shí)施加給傳感器的作用力，由于入侵行為作用時(shí)間很短，報(bào)警響應(yīng)很快，在入侵行為判斷過(guò)程中可以不考慮溫度對(duì)波長(zhǎng)變化的影響。

2 光柵陣列智能周界安防系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文基于光柵陣列傳感技術(shù)的智能周界安防系統(tǒng)主要由全同陣列光柵振動(dòng)傳感器、多芯傳輸光纜、光纖光柵解調(diào)器、計(jì)算機(jī)、聲光報(bào)警器構(gòu)成。

圖1 光柵陣列智能周界安防系統(tǒng)

如圖1，采用50只相同波長(zhǎng)的FBG振動(dòng)傳感器級(jí)聯(lián)后構(gòu)成一個(gè)防區(qū)[8,9]，空間分辨率可以達(dá)到1m以?xún)?nèi)，相鄰防區(qū)之間通過(guò)傳輸光纜采用串/并聯(lián)的方式將所有防區(qū)內(nèi)的振動(dòng)傳感器信號(hào)匯聚到FBG解調(diào)器(BGD—16M)；FBG解調(diào)器負(fù)責(zé)采集和處理傳感器信號(hào)，并將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)口上傳至計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)對(duì)上傳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、時(shí),頻域分析、特征提取、模式識(shí)別、聯(lián)動(dòng)控制，提供強(qiáng)大的智能算法引擎和樣本存儲(chǔ)能力。防區(qū)內(nèi)任意一只傳感器感知到外界入侵振動(dòng)信號(hào)后，均以防區(qū)的形式輸出報(bào)警信息，并將入侵行為以報(bào)警的形式輸出至聲光報(bào)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(tǒng)感知外界入侵行為的敏感程度，在不多占用解調(diào)帶寬的情形下，起到很好的增敏作用，且1臺(tái)儀表的監(jiān)測(cè)范圍可以擴(kuò)寬到10km以上。

2.2 FBG振動(dòng)傳感器

FBG振動(dòng)傳感器主要由裸FBG、質(zhì)量重錘、金屬套管和單模光纖構(gòu)成，如圖2所示?？紤]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(diǎn)，故選用該材料加工制作1.2g的質(zhì)量重錘作為彈性質(zhì)點(diǎn)。

圖2 FBG振動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為單質(zhì)點(diǎn)彈性繩模型，當(dāng)FBG受到徑向力作用時(shí)，外力使得質(zhì)量重錘產(chǎn)生振動(dòng)并帶動(dòng)光纖偏離水平位置，光纖的拉力變化使得FBG中心波長(zhǎng)發(fā)生變化,隨著質(zhì)量重錘的振動(dòng)，中心波長(zhǎng)的變化幅值與頻率也相應(yīng)產(chǎn)生改變。

2.3 信號(hào)預(yù)處理與特征提取方法

考慮到外界入侵方式的復(fù)雜性，采用時(shí)域、頻域相結(jié)合的分析方法，其算法識(shí)別流程如圖3所示。

圖3 基于時(shí)域及頻域信號(hào)識(shí)別流程

首先，由系統(tǒng)對(duì)所有傳感器的波長(zhǎng)信號(hào)進(jìn)行初始化，當(dāng)有外界入侵行為產(chǎn)生時(shí)，系統(tǒng)采用時(shí)域分析方法并通過(guò)極值尋優(yōu)自動(dòng)篩選出防區(qū)內(nèi)波長(zhǎng)幅值變化最大的振動(dòng)傳感器信號(hào)進(jìn)行分析；當(dāng)波長(zhǎng)變化幅值超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，初步斷定有入侵行為事件發(fā)生，但此時(shí)無(wú)法區(qū)分人為的主動(dòng)激勵(lì)和外界環(huán)境帶來(lái)的客觀激勵(lì)；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(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪處理[10]，通過(guò)頻譜特性來(lái)區(qū)分不同模式下的振動(dòng)信號(hào)，從而智能識(shí)別外界入侵行為。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)概況

某大型變電站屬于該市重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域，其整體周界長(zhǎng)度達(dá)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(jiān)控相結(jié)合的方法對(duì)變電站周?chē)M(jìn)行全天候安全防范。整個(gè)1km的周界被劃分為20個(gè)防區(qū)，單個(gè)監(jiān)控防區(qū)的長(zhǎng)度縮小到50m，明顯優(yōu)于120m的防區(qū)長(zhǎng)度，且傳感器間距為1m，大幅提高了系統(tǒng)的感知靈敏度。振動(dòng)光纜以“S”型方式鋪設(shè)在鐵藝圍欄上，有效增強(qiáng)了探測(cè)面積及報(bào)警靈敏度。對(duì)于磚墻的防護(hù)，在磚墻頂部鋪設(shè)50cm高的鐵絲網(wǎng)，在鐵絲網(wǎng)上鋪設(shè)“S”型振動(dòng)光纜，實(shí)現(xiàn)24h不間斷安防監(jiān)控，防止外界入侵。

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程分析

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)感知靈敏度，分別模擬3種不同的入侵行為(攀爬、搖晃、風(fēng)吹)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

由于不同入侵行為對(duì)鐵藝圍欄和傳感光纜的作用效果不同，因而所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)不僅在振幅上有所區(qū)別，其振動(dòng)持續(xù)時(shí)間也有所不同。如圖4所示，系統(tǒng)在無(wú)外界激勵(lì)時(shí)，其波長(zhǎng)偏移量在±10pm以?xún)?nèi)，變化較小。當(dāng)有外界激勵(lì)(如攀爬、搖晃、風(fēng)吹)發(fā)生時(shí)，傳感器波長(zhǎng)偏移量明顯變大，且幅值超過(guò)了50pm。此時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際敷設(shè)條件，設(shè)定合適的波長(zhǎng)偏移量作為預(yù)警閾值，即可有效地對(duì)外界激勵(lì)進(jìn)行判斷和篩選。

圖4 周界系統(tǒng)在不同激勵(lì)下的時(shí)域

然而，不同外界激勵(lì)所引起的波長(zhǎng)最大變化幅值十分接近，單純采用閾值法無(wú)法區(qū)分人為主動(dòng)激勵(lì)和氣候環(huán)境帶來(lái)的激勵(lì)，易導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生誤報(bào)，誤報(bào)率約為10.9%左右，即單一的時(shí)域閾值法對(duì)入侵行為的判斷存在一定的局限性，需要采用新的數(shù)據(jù)處理方法和報(bào)警策略區(qū)分不同的外界激勵(lì)。

采用FFT完成信號(hào)由時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換，其頻譜特征區(qū)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(qū)間；如圖5(b)，在外界風(fēng)吹自然環(huán)境影響下，頻率主要分布在10～20Hz范圍，且幅值相對(duì)偏小。

圖5 周界系統(tǒng)在不同激勵(lì)下的頻域特性

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)不同入侵行為進(jìn)行模擬和數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明：采用單一的時(shí)域閾值判斷法給系統(tǒng)帶來(lái)的誤報(bào)率高達(dá)10%左右，而采用時(shí)域、頻域相結(jié)合的報(bào)警策略對(duì)入侵行為進(jìn)行識(shí)別，可以大幅降低系統(tǒng)誤報(bào)率，誤報(bào)率可控制在1%左右。

4 結(jié) 論

與同類(lèi)周界安防技術(shù)相比，光柵陣列傳感智能周界安防系統(tǒng)克服了現(xiàn)有技術(shù)存在分辨率低、監(jiān)測(cè)距離有限、價(jià)格昂貴等不足，采用全同陣列光柵技術(shù)大幅提高了系統(tǒng)復(fù)用能力以及感知外界入侵行為的靈敏度；采用時(shí)域和頻域相結(jié)合的方法智能識(shí)別外界入侵行為，大幅降低了系統(tǒng)誤報(bào)率。系統(tǒng)具有米(m)級(jí)空間分辨率、誤報(bào)率極低、監(jiān)測(cè)距離更長(zhǎng)、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)。

目前，該系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于軍事、國(guó)防邊界、機(jī)場(chǎng)、能源安全、金融、博物館以及重要安保等領(lǐng)域，具有極為廣闊的發(fā)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(jí)工程師，從事電力生產(chǎn)管理工作,E—mail:247818835@qq.com 。