摘要：本文基于光纖干涉原理對(duì)光纖擾動(dòng)信號(hào)識(shí)別、入侵快速判定算法、干擾位置定位等技術(shù)進(jìn)行分析，并結(jié)合視頻監(jiān)控、聲光報(bào)警等多種安防系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，提出了基于光纖薩格納克干涉儀的周界安防智能預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)，該系統(tǒng)具備性能穩(wěn)定、敏感度高、反應(yīng)及時(shí)等重要特性，有效地解決了傳統(tǒng)預(yù)警系統(tǒng)存在的抗干擾能力差、誤報(bào)率高等問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)周界全天候、無(wú)間歇的智能化集中管控，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)入侵、安全事故信號(hào)自動(dòng)識(shí)別和辨識(shí)、遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警、入侵行為恐嚇等功能。本文所構(gòu)建的周界安防智能預(yù)警系統(tǒng)豐富了光纖薩格納克干涉儀在智能預(yù)警系統(tǒng)中應(yīng)用，可有效提升我國(guó)電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程、無(wú)人監(jiān)控的智能化水平。

關(guān)鍵詞：光纖傳感、干涉儀、電力系統(tǒng)、智能預(yù)警、預(yù)警系統(tǒng)

0.引言

隨著社會(huì)發(fā)展，電纜憑借諸多優(yōu)勢(shì)得到了廣泛應(yīng)用。但各類違章行為造成的電纜受外力破壞事故層出不窮，帶來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的巨大損失[1]。目前電力系統(tǒng)中存在變電站安防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)落后，不能滿足集中管控和全天候防護(hù)的需求，且誤警率高，因此實(shí)現(xiàn)對(duì)各變電站的布防情況、報(bào)警信息、案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控和檢測(cè)，實(shí)時(shí)、直接地了解各個(gè)變電站的情況，并及時(shí)做出有效反應(yīng)，對(duì)電力系統(tǒng)安全生產(chǎn)尤為重要和急迫?；诖耍瑸楦脑祀娋W(wǎng)系統(tǒng)目前電力系統(tǒng)高危險(xiǎn)性場(chǎng)景遠(yuǎn)程監(jiān)管及野外無(wú)人值守監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)所存在的問(wèn)題，本文利用光纖Sagnac干涉儀的穩(wěn)定性及適合長(zhǎng)距離分布式監(jiān)測(cè)特點(diǎn)[2]探討光纖Sagnac干涉儀在電網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。將Sagnac干涉儀應(yīng)用到變電站報(bào)警系統(tǒng)中，以達(dá)到遠(yuǎn)程對(duì)變電站實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，并對(duì)周界侵?jǐn)_行為做出及時(shí)的報(bào)警的目的，以滿足電力系統(tǒng)安全生產(chǎn)的需求。

1.光纖Sagnac傳感技術(shù)研究現(xiàn)狀

1913年法國(guó)科學(xué)家Sagnac首次提出了Sagnac效應(yīng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。之后，光纖Sagnac干涉型傳感系統(tǒng)憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，適合于高頻信號(hào)的監(jiān)測(cè)，且抗干擾能力強(qiáng)，易構(gòu)成分布式檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，在工程實(shí)際中得到了廣泛研究與應(yīng)用。基于光纖Sagnac傳感系統(tǒng)制造的光纖陀螺、光纖Sagnac水聽(tīng)器，因其抗電磁干擾、耐高溫高壓、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為航空、航天、航海及其他監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中不可或缺的傳感器產(chǎn)品。

Sagnac具備良好的性能，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，基于Sagnac的光纖傳感技術(shù)也是各高校和科研單位的研究熱點(diǎn)。南京航空航天大學(xué)程竹明等研究一種利用光纖Sagnac傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)沖擊定位的方法[3]。中國(guó)鐵路總公司熊杰與北京交通大學(xué)周洋構(gòu)建一種基于Sagnac的干涉型光纖聲音傳感技術(shù)方案[4]。馮素娟研究了一種結(jié)構(gòu)新穎、光譜特性可精確控制的Sagnac環(huán)濾波器[5]。Sagnac干涉儀技術(shù)逐漸成熟，為其應(yīng)用領(lǐng)域研究奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)為Sagnac干涉儀的應(yīng)用提供了廣闊的前景。

2.基于Sagnac干涉儀智能預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1基于Sagnac干涉儀定位原理

當(dāng)系統(tǒng)存在入侵時(shí)，會(huì)對(duì)光纖傳感器產(chǎn)生震動(dòng)、變形或破壞等，對(duì)光信號(hào)的傳輸產(chǎn)生影響，基于Sagnac干涉儀所產(chǎn)生的兩個(gè)方向的光信號(hào)中的一個(gè)信號(hào)將發(fā)生改變，兩束光信號(hào)在光纖耦合器的另一端發(fā)生干涉產(chǎn)生干涉光路，根據(jù)干涉光路的移頻量和干涉條紋數(shù)可計(jì)算出破壞點(diǎn)到零點(diǎn)頻率值的距離[6]，進(jìn)而測(cè)算出光纖被破壞的距離，從而實(shí)現(xiàn)破壞點(diǎn)定位的效果。我們假設(shè)L為光纖總長(zhǎng)度，N為自然常數(shù)，c為光纖折射率，為零頻點(diǎn)的零點(diǎn)頻率值，則在環(huán)形Sagnac傳感光纖中間部位距離振動(dòng)源的長(zhǎng)度S：

當(dāng)光纖耦合器監(jiān)測(cè)到干擾信號(hào)后，可通過(guò)對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換放大干擾信息的頻率、振幅和相位，然后在其頻譜中尋找零頻點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)頻率值，經(jīng)過(guò)調(diào)解便可定位出振動(dòng)源的位置。

2.2光纖擾動(dòng)信號(hào)的識(shí)別

光纖周界安防系統(tǒng)中的傳感光纜一般敷設(shè)在室外，不可避免地會(huì)有環(huán)境噪聲，比如小動(dòng)物造成的輕微擾動(dòng)、刮風(fēng)、下雨等，這些環(huán)境噪聲直接或間接作用在光纜上，也會(huì)造成光纖擾動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)的入侵判定產(chǎn)生一定的干擾。干涉型光纖傳感是相位調(diào)制，靈敏度極高，對(duì)非常微小的擾動(dòng)也敏感，容易收到外界環(huán)境的干擾[7]。此外，即便排除外界環(huán)境的影響，檢測(cè)系統(tǒng)采集到的信號(hào)本身也含有系統(tǒng)中的元件產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲。如何能最大程度地排除噪聲的干擾，降低系統(tǒng)的誤報(bào)率也是研究的重點(diǎn)。

在信號(hào)處理部分中，其核心的技術(shù)是入侵判定技術(shù)，即如何判斷該信號(hào)是由入侵事件引起的還是由外界干擾引起的。自然環(huán)境中的噪聲干擾很多，光纖受到這些噪聲干擾產(chǎn)生的信號(hào)與受到入侵行為產(chǎn)生的信號(hào)有一點(diǎn)類似，而這些噪聲干擾不能被判為報(bào)警，我們必須通過(guò)算法排除這些噪聲。

2.3入侵快速判定算法

（1）第一級(jí)：短時(shí)能量和短時(shí)平均過(guò)零率的條件判斷識(shí)別

通過(guò)比較任意時(shí)刻與正常狀態(tài)下最小分幀信號(hào)的短時(shí)能量及短時(shí)平均過(guò)零率，通過(guò)大小關(guān)系來(lái)判斷信號(hào)是否屬于正常狀態(tài)。

為每一幀信號(hào)的短時(shí)能量，為每一幀信號(hào)的短時(shí)平均過(guò)零率。其中，為光纖周界安防系統(tǒng)采集信號(hào)時(shí)間序列，表示第幀的第個(gè)值;為截取每幀信號(hào)的長(zhǎng)度。

若滿足且，則系統(tǒng)處于未被振動(dòng)的正常狀態(tài);否則，系統(tǒng)處于振動(dòng)狀態(tài)。其中，與為系統(tǒng)正常情況下采集信號(hào)的短時(shí)能量和短時(shí)過(guò)零率，為調(diào)整系數(shù)，其設(shè)置目的是為了調(diào)整系統(tǒng)的敏感度，降低系統(tǒng)的漏報(bào)率。

（2）第二級(jí)：小波域分解的各層系數(shù)能量分布比較判定識(shí)別

將第一級(jí)判定識(shí)別出的振動(dòng)信號(hào)分解到小波域，并采用不同尺度能量分布進(jìn)一步細(xì)化入侵信號(hào)的判定識(shí)別。

其中，為第層小波系數(shù)長(zhǎng)度;為尺度系數(shù)長(zhǎng)度，為第個(gè)尺度系數(shù)。

根據(jù)Parseval定理可知，小波系數(shù)能量分布與原始信號(hào)特征之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)各層小波尺度能量分布特征與先驗(yàn)的入侵信號(hào)能量分布特征比較，區(qū)分并識(shí)別入侵信號(hào)。

各類入侵信號(hào)的尺度能量特征偏差.其中，為入侵振動(dòng)信號(hào)第層小波系數(shù)尺度能量分布;為先驗(yàn)的各類入侵信號(hào)小波系數(shù)尺度分布特征。

若滿足（為先驗(yàn)的特征偏差閾值），則認(rèn)為該信號(hào)為入侵振動(dòng)信號(hào);否則，為環(huán)境因素引起的振動(dòng)信號(hào)。

3.基于Sagnac干涉儀的周界安防智能預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)傳感原理

當(dāng)外界的擾動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的應(yīng)力作用于光纖，使光纖中光信號(hào)的相位發(fā)生變化，通過(guò)干涉轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化，系統(tǒng)接收到從戶外返回的光信號(hào)是攜帶外界擾動(dòng)信息的，經(jīng)過(guò)信號(hào)的處理分析光的特性，確定外界有無(wú)違法入侵行為。

Sagnac光纖環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由光源發(fā)出的光信號(hào)經(jīng)耦合器分成兩束光強(qiáng)相同，依次耦合進(jìn)入傳感光纖，從而在光纖中形成沿不同方向傳播的兩束光。因?yàn)閮墒獾恼駝?dòng)方向以及頻率都相同，兩束光滿足相干疊加條件，兩束光再次經(jīng)過(guò)耦合器時(shí)便會(huì)發(fā)生干擾現(xiàn)象。當(dāng)傳感區(qū)沒(méi)有干擾現(xiàn)象，兩束光沒(méi)有光程差，相位差不會(huì)發(fā)生改變，光強(qiáng)變化了為零;當(dāng)有外界因素干擾時(shí)，這兩束光由于經(jīng)過(guò)干擾點(diǎn)的時(shí)間不同，在干擾點(diǎn)處兩束光改變的相位不同，因此兩束光具有不同的相位，存在相位差，從而在耦合器處發(fā)生干涉現(xiàn)象。探測(cè)器接收的干涉信號(hào)能反映兩束光的相位差，即含有干擾點(diǎn)的位置信息。

3.2基于光纖Sagnac干涉儀智能預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)基于光纖Sagnac干涉儀智能預(yù)警系統(tǒng)主要由邊界安防系統(tǒng)、視頻聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)、聲光報(bào)警系統(tǒng)四部分組成，具體系統(tǒng)架構(gòu)詳見(jiàn)圖2。關(guān)于視頻聯(lián)動(dòng)、遠(yuǎn)程報(bào)警、聲光報(bào)警系統(tǒng)目前技術(shù)已較為成熟，本文主要研究基于光纖Sagnac干涉儀的邊界安防系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)。

（1）系統(tǒng)功能

系統(tǒng)通過(guò)Sagnac干涉儀傳感器感知周邊環(huán)境的波動(dòng)，通過(guò)相應(yīng)的干擾信號(hào)分析判斷入侵事件類型、入侵事件地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)入侵、環(huán)境等波動(dòng)的監(jiān)測(cè)，并在地理信息服務(wù)基礎(chǔ)上定位事件具體發(fā)生地點(diǎn)，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)取該區(qū)域監(jiān)控?cái)z像頭實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)容并在中央控制中心顯示，在發(fā)送相應(yīng)警告給最近管理人員的同時(shí)觸發(fā)聲光警告，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能定址、智能感知、遠(yuǎn)程預(yù)警和主動(dòng)警告等功能。構(gòu)建智能預(yù)警系統(tǒng)軟硬件分別承載不同功能，以滿足系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)。

（2）邊界安防系統(tǒng)

邊界安防系統(tǒng)是Sagnac干涉儀應(yīng)用的主要場(chǎng)景，該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)入侵事件分析和判斷、智能感知和智能定址的功能。系統(tǒng)主要由戶外防區(qū)的傳感光路部分以及控制室中的報(bào)警主機(jī)和主機(jī)服務(wù)器構(gòu)成。對(duì)于光纖周界安防系統(tǒng)來(lái)講，如何確定入侵行為發(fā)生的位置是一個(gè)難點(diǎn)，目前研制出的可以定位的光纖周界安防系統(tǒng)成本將高，光路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且存在一定的定位誤差?；诖耍疚奶岢龅陌卜肋吔缦到y(tǒng)采取的是以防區(qū)為單元進(jìn)行監(jiān)控報(bào)警，構(gòu)建多通道光纖周界安防系統(tǒng)，將防范區(qū)域劃分為多個(gè)區(qū)域，每個(gè)通道負(fù)責(zé)一個(gè)區(qū)域，系統(tǒng)能準(zhǔn)確判定是哪個(gè)防區(qū)有入侵，每個(gè)通道互不影響，實(shí)現(xiàn)多個(gè)防區(qū)大范圍同時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)轄區(qū)狀況。

（3）視頻聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)

在每個(gè)防區(qū)布設(shè)一個(gè)或者多個(gè)攝像機(jī)，當(dāng)系統(tǒng)判斷出某個(gè)防區(qū)有警報(bào)時(shí)，將帶有防區(qū)號(hào)的警報(bào)信息發(fā)送到視頻監(jiān)控系統(tǒng)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)接收到后，首先進(jìn)行解碼，根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的防區(qū)與攝像機(jī)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，打開該防區(qū)相應(yīng)的攝像頭進(jìn)行拍照或者錄像，留存證據(jù)，如果是幾個(gè)防區(qū)共用一個(gè)攝像頭，則將攝像頭旋轉(zhuǎn)至報(bào)警防區(qū)。系統(tǒng)可以布設(shè)在防范區(qū)域的周界，也可以布設(shè)在重要的出入口，兩種系統(tǒng)融合在一起，形成更加周密的監(jiān)控網(wǎng)。

兩個(gè)系統(tǒng)融合有很多優(yōu)點(diǎn)，一是避免了視頻監(jiān)控系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間錄像或者拍照;二是不需要有人專門監(jiān)視著攝像機(jī)傳回的畫面，節(jié)省大量人力成本;三是為入侵人員非法行徑留下不可否認(rèn)的證據(jù)。

（4）遠(yuǎn)程報(bào)警

將防區(qū)監(jiān)控與GSM裝置通過(guò)串口連接，當(dāng)發(fā)生報(bào)警時(shí)，將發(fā)生報(bào)警的防區(qū)編號(hào)以及短信內(nèi)容轉(zhuǎn)換成GSM可以識(shí)別的編碼傳輸?shù)紾SM，GSM接收解析后發(fā)送短信到提前設(shè)置好的手機(jī)上，這樣即便不在監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，也可以獲知所有區(qū)域的最新動(dòng)態(tài)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警功能。這樣，遠(yuǎn)程報(bào)警的功能使得監(jiān)控中心可以減少工作者，從而節(jié)省掉一大部分人力成本。

（5）聲光報(bào)警

全光纖防區(qū)型周界監(jiān)控可以與報(bào)警擴(kuò)音器、照明等裝置融合。因?yàn)榉绤^(qū)型光纖周界安防系統(tǒng)的報(bào)警主機(jī)及軟件界面都位于監(jiān)控中心，如果有非法人員闖入防區(qū)，不能對(duì)其起到實(shí)質(zhì)性的威懾作用。如果與報(bào)警擴(kuò)音器或者照明系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，當(dāng)防區(qū)型光纖周界安防系統(tǒng)判定某個(gè)防區(qū)存在入侵時(shí)，將防區(qū)號(hào)和報(bào)警信號(hào)發(fā)送到控制中心，控制中心接收后啟動(dòng)對(duì)相應(yīng)防區(qū)的擴(kuò)音器和照明燈光，尤其是在夜晚，打開照明燈可以強(qiáng)有力地威懾非法分子。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文借助光纖Sagnac傳感技術(shù)，結(jié)合視頻聯(lián)動(dòng)、遠(yuǎn)程報(bào)警和聲光報(bào)警構(gòu)建了基于Sagnac智能預(yù)警系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)智能定址、智能感知、分布式監(jiān)測(cè)、抗干擾能力、響應(yīng)時(shí)間等功能。此外，針對(duì)邊界安防系統(tǒng)的定位方法、光纖擾動(dòng)信號(hào)識(shí)別和入侵行為判定方法進(jìn)行了詳細(xì)的論證，為該智能預(yù)警系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的實(shí)施提供了方向。

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項(xiàng)目名稱：基于Sagnac環(huán)的分布式光纖圍欄智能預(yù)警安防系統(tǒng)

項(xiàng)目編號(hào)：GZ2015-2-0051

作者簡(jiǎn)介：

姓名：劉昌宏（1985—），男，漢族，本科，工程師。主要從事電力系統(tǒng)安全管理方面的研究工作。