孫婉婷 荊濤 陳沭

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

摘? 要：針對現(xiàn)有光學(xué)雷達(dá)運(yùn)用場所不確定以及監(jiān)測人員可能非專業(yè)、不能及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)入侵事件的問題，結(jié)合光學(xué)雷達(dá)的工作原理，利用Visual C++6.0設(shè)計(jì)了一款具有身份驗(yàn)證、實(shí)時(shí)監(jiān)測、報(bào)警定位、事件記錄和保存數(shù)據(jù)等功能的監(jiān)測軟件，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。測試結(jié)果表明，該軟件與光學(xué)雷達(dá)配套使用智能化效果良好，能夠?qū)崟r(shí)獲取雷達(dá)系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并且可以在長距離上實(shí)現(xiàn)對入侵事件的及時(shí)報(bào)警和精準(zhǔn)定位。

關(guān)鍵詞：光學(xué)雷達(dá)? 軟件設(shè)計(jì)? 遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控? 數(shù)據(jù)采集處理

中圖分類號：TP311 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(wěn)定是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)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(shí)與15個(gè)國家相鄰，因此這樣的現(xiàn)實(shí)情況給我國的邊境安防工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)。同時(shí)，一些傳統(tǒng)的邊界安防手段如高壓電網(wǎng)、柵欄和人工巡邏等逐漸暴露出不少問題，可見傳統(tǒng)手段已經(jīng)不適用于高要求的邊界安防[1-2]。

隨著光纖產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展以及科學(xué)家對其進(jìn)行的深入研究，人們發(fā)現(xiàn)光纖集傳輸和傳感于一體，其中光纖傳感技術(shù)是通過感知光纖上某處的物理量的變化來識別目標(biāo)，該技術(shù)原理和特征與雷達(dá)探測技術(shù)相類似，因此我們將光纖傳感器視為一種應(yīng)用光學(xué)雷達(dá)。光學(xué)雷達(dá)相較于傳統(tǒng)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(qiáng)、遠(yuǎn)距離分布式監(jiān)測、成本低、定位精度準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于周界安防、大型橋梁、石油天然氣管道等領(lǐng)域[3-4]。目前，應(yīng)用在重點(diǎn)區(qū)域的周界安防的光學(xué)雷達(dá)主要是相位敏感型光時(shí)域反射計(jì)（Phase-sensitive optical time domain reflectometry， φ-OTDR），該系統(tǒng)是通過檢測入侵事件引起光纖上某處產(chǎn)生的振動信號，通過對系統(tǒng)采集的信號進(jìn)行篩選，在有入侵事件發(fā)生時(shí)，能夠準(zhǔn)確識別入侵信號的位置，從而最大程度上防止事故的發(fā)生。因此，如何準(zhǔn)確地及時(shí)地將入侵事件報(bào)告給監(jiān)測人員一直是本學(xué)科的研究熱點(diǎn)[5-6]。

目前，光學(xué)雷達(dá)的應(yīng)用環(huán)境較為復(fù)雜，并且監(jiān)測人員可能是非專業(yè)人員，致使不能及時(shí)準(zhǔn)確地對入侵事件作出響應(yīng)。因此，本文在光學(xué)雷達(dá)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工作原理，使用Visual C++6.0設(shè)計(jì)了一款具有身份驗(yàn)證、實(shí)時(shí)監(jiān)測、報(bào)警定位、事件記錄和保存數(shù)據(jù)等功能的監(jiān)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(xué)雷達(dá)系統(tǒng)工作原理及組成

光學(xué)雷達(dá)系統(tǒng)工作原理如圖1所示，光學(xué)雷達(dá)與鋪設(shè)在防御區(qū)周界地下的傳感光纖相連，構(gòu)成分布式光纖傳感系統(tǒng)。利用光纖傳感原理檢測入侵點(diǎn)，當(dāng)有敵人入侵事件發(fā)生時(shí)，相應(yīng)位置傳感光纖的長度及折射率發(fā)生的變化，將導(dǎo)致該位置后向散射光的相位發(fā)生變化，并體現(xiàn)為光強(qiáng)度發(fā)生變化。光強(qiáng)信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后最終成為電信號。系統(tǒng)采集傳感光纖上每一點(diǎn)的電壓并送入上位機(jī)進(jìn)行分析處理，從而篩選出入侵事件位置。當(dāng)光纖上某一點(diǎn)的電壓超過設(shè)定的入侵電壓閾值時(shí)，即判定該點(diǎn)有入侵事件發(fā)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(tǒng)發(fā)出探測脈沖與探測器接收到擾動信號間的時(shí)間差。

利用上位機(jī)監(jiān)測軟件，監(jiān)測人員通過簡單操作即可完成系統(tǒng)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測并且及時(shí)準(zhǔn)確地獲取入侵位置。

2? 系統(tǒng)監(jiān)測軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測軟件是與光學(xué)雷達(dá)系統(tǒng)配套使用的，其作用主要是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，以達(dá)到系統(tǒng)智能化的目的。監(jiān)測人員通過監(jiān)測軟件可以控制分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并且可以通過界面顯示的測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)觀測到監(jiān)測目標(biāo)的狀態(tài)。本文利用Visual C++6.0設(shè)計(jì)了一款操作簡便以及報(bào)警信息準(zhǔn)確及時(shí)的監(jiān)測軟件。

2.1 Visual C++6.0軟件介紹

Visual C++開發(fā)軟件是由Microsoft公司設(shè)計(jì)出的以C++語言為基礎(chǔ)的Windows開發(fā)環(huán)境，同樣是面向?qū)ο蟮目梢暬删幊滔到y(tǒng)。其特點(diǎn)是自動產(chǎn)生程序架構(gòu)、代碼編寫和界面設(shè)計(jì)可交互操作和能夠編譯多種程序等;通過設(shè)置就能夠產(chǎn)生程序框架支持?jǐn)?shù)據(jù)庫接口和WinSock網(wǎng)絡(luò)[7]。

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

2.2 系統(tǒng)軟件界面的實(shí)現(xiàn)

監(jiān)測軟件的運(yùn)作機(jī)理是：調(diào)用dll文件可以運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測功能，并且通過設(shè)定系統(tǒng)報(bào)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(fā)出報(bào)警。由于監(jiān)測軟件的使用是有權(quán)限的，所以本文設(shè)計(jì)了軟件的登錄界面如圖2所示，有權(quán)限的監(jiān)測人員根據(jù)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(jiān)測軟件主界面的左上方是功能選擇區(qū)，其中包括可以選擇監(jiān)測任一系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信號，參數(shù)設(shè)置，事件記錄和歷史數(shù)據(jù)。在功能選擇區(qū)的下面，有一個(gè)控制鍵（開始保存）開可以控制監(jiān)測軟件的運(yùn)行或停止。在控制鍵下面是監(jiān)軟件的實(shí)時(shí)監(jiān)測曲線框，在軟件運(yùn)行時(shí)可以看見信號的實(shí)時(shí)狀態(tài)。在監(jiān)測曲線框的右上方是兩個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測信息欄，顯示信號的振動位置、幅值頻率等信息。在監(jiān)測信息欄下面是軟件的報(bào)警信息，當(dāng)目標(biāo)周圍發(fā)生侵?jǐn)_時(shí)，報(bào)警信息會顯示出侵?jǐn)_位置，侵?jǐn)_頻率和侵?jǐn)_時(shí)間等，這樣可以使監(jiān)測人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)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(shù)設(shè)置界面，其功能包括采集卡參數(shù)設(shè)定和信號檢測算法參數(shù)設(shè)定，通過設(shè)定采集卡參數(shù)可以確定采樣模式，信號檢測的算法參數(shù)也是通過人工設(shè)定的。圖5為歷史數(shù)據(jù)界面，其功能是記錄報(bào)警時(shí)信號的數(shù)據(jù)，便于監(jiān)測人員查驗(yàn)和分析。圖6為事件記錄界面，其功能為記錄軟件報(bào)警時(shí)的報(bào)警信息，如振動位置和頻率等。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測軟件能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測目標(biāo)狀態(tài)，人工設(shè)置監(jiān)測參數(shù)，數(shù)據(jù)記錄與顯示、并且可以全面分析振動信息發(fā)出準(zhǔn)確報(bào)警信號等功能，同時(shí)方便監(jiān)測人員操作。

3? 系統(tǒng)軟件測試及分析

為了測試光學(xué)雷達(dá)系統(tǒng)的監(jiān)測效果，使用試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。首先，把試驗(yàn)機(jī)的信號輸出端與鎧裝光纜的輸入端相連，系統(tǒng)顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測長度是22km的傳感光纖。然后，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境設(shè)定報(bào)警的幅度閾值，在傳感光纖5～20km處多次敲擊光纖進(jìn)行測量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7和圖8所示。由圖7可知，在5km處出現(xiàn)尖峰，報(bào)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(jìn)行敲擊的實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果，在對應(yīng)的20km處出現(xiàn)尖峰，報(bào)警信息顯示入侵事件位置為200008m，振動頻率為50Hz。

4? 結(jié)語

本文首先詳細(xì)介紹了光學(xué)雷達(dá)系統(tǒng)的工作原理，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了雷達(dá)系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)測軟件，并且對監(jiān)測軟件的性能進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的光學(xué)雷達(dá)監(jiān)測軟件操作簡單方便，智能化程度高，并且能夠準(zhǔn)確及時(shí)地向監(jiān)測人員報(bào)告入侵事件。

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