基于光纤Bragg光栅传感器阵列的智能周界安防系统

陈兆鹏， 胡 明， 李 斌， 张 政， 刘晓铭

(1.国网山东省电力公司 肥城市供电公司,山东 肥城 271600；2.山东圣海光纤科技有限公司， 山东 肥城 271600)

基于光纤Bragg光栅传感器阵列的智能周界安防系统

陈兆鹏1， 胡 明1， 李 斌1， 张 政2， 刘晓铭2

(1.国网山东省电力公司肥城市供电公司,山东肥城271600；2.山东圣海光纤科技有限公司，山东肥城271600)

为了克服现有技术存在分辨率低、监测距离有限、价格昂贵等特点，提出了一种基于光纤布拉格光栅传感器(FBGS)阵列技术的周界入侵行为感知增敏方法及系统。采用全同光栅阵列技术提高系统复用能力，使得相同长度防区内传感器数量成倍增加，从而大大提高了系统感知外界入侵行为的灵敏度；采用特殊的传感器封装工艺和敷设方法进一步提高了系统感知外界微小振动灵敏度；结合时域、频域分析方法智能识别外界入侵行为，降低系统误报率。相比传统光纤光栅周界防入侵技术，系统具有米(m)级空间分辨率、误报率极低、监测距离更长、性价比高等特点。

光纤布拉格光栅传感器阵列； 智能周界； 振动； 频域

0 引 言

常见的周界防范技术主要有光、电两种类型，其中电类最具代表性的产品有：泄露电缆、红外入侵探测器以及电子围栏，此类产品易受电磁干扰、气候及环境的影响，误报率较高，空间分辨率低[1,2]。光类产品主要包括分布式振动传感光纤和准分布式光纤Bragg光栅(fiber Bragg grating ,FBG)振动传感器，前者对多点入侵的定位分析较为复杂，空间分辨率低，误报率高，很难精确定位,后者虽然能够精确定位，具有较高的空间分辨率，但受光源带宽影响，传感器复用数量十分有限，导致系统成本较高[3,4]。

本文提出了一种基于光纤Bragg光栅传感器(FBGS)阵列技术的智能周界安防系统，采用全同阵列光栅提高系统复用能力，减小传感器之间的间距，大幅提高了系统感知外界入侵行为的灵敏度；结合时域、频域分析方法智能识别外界入侵行为，降低系统误报率，具有米(m)级空间分辨率、误报率极低、监测距离更长、性价比高等特点。

1 光纤光栅振动传感[5,6]原理

当宽带光通过光纤B光栅时，会对入射光进行选择性反射，反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光，在外界参量(如应力、温度等)发生变化的情况下，光栅的栅距随之发生变化，从而导致FBG中心波长发生偏移，其变化满足如下关系式[7]

λB=2neffΛ

(1)

式中λB为光栅的布拉格波长；neff为光栅的有效折射率；Λ为光栅条纹周期。由此可知，FBG的中心波长λB取决于neff和Λ，其波长变化量可以表示为

(2)

式中α为光纤的热光系数，Pe为光纤的弹光系数，ζf为光纤的热膨胀系数，由式(2)可知：外力和温度的变化均使得FBG反射波长发生漂移，且漂移量与温度、应力密切相关。

假设环境温度不变，对应变来说，FBG的反射波长在应力作用下的漂移量为

(3)

对于掺锗石英光纤，Pe取值为0.22，则FBG的应变可表示为

Δλε/ε=0.78λB

(4)

可以看出：FBG中心波长的变化可以随时反映出外界应变的变化量，且应变与波长呈线性关系。对于中心波长为1500nm的裸光栅来说，FBG的应变系数为1.17pm/10-6。

基于光栅阵列传感的智能周界安防系统通过感知外界振动信号判断入侵状态，其振动信息来自于外界入侵行为发生时施加给传感器的作用力，由于入侵行为作用时间很短，报警响应很快，在入侵行为判断过程中可以不考虑温度对波长变化的影响。

2 光栅阵列智能周界安防系统

2.1 系统架构

本文基于光栅阵列传感技术的智能周界安防系统主要由全同阵列光栅振动传感器、多芯传输光缆、光纤光栅解调器、计算机、声光报警器构成。

图1 光栅阵列智能周界安防系统

如图1，采用50只相同波长的FBG振动传感器级联后构成一个防区[8,9]，空间分辨率可以达到1m以内，相邻防区之间通过传输光缆采用串/并联的方式将所有防区内的振动传感器信号汇聚到FBG解调器(BGD—16M)；FBG解调器负责采集和处理传感器信号，并将处理后的数据通过网口上传至计算机；计算机对上传的实时数据进行处理、时,频域分析、特征提取、模式识别、联动控制，提供强大的智能算法引擎和样本存储能力。防区内任意一只传感器感知到外界入侵振动信号后，均以防区的形式输出报警信息，并将入侵行为以报警的形式输出至声光报警器，从而警示工作人员采用防范和处理措施。

采用FBGS阵列方法可以明显提高系统感知外界入侵行为的敏感程度，在不多占用解调带宽的情形下，起到很好的增敏作用，且1台仪表的监测范围可以扩宽到10km以上。

2.2 FBG振动传感器

FBG振动传感器主要由裸FBG、质量重锤、金属套管和单模光纤构成，如图2所示。考虑到聚四氟乙烯材料具有密度小、受温度影响小、易加工等特点，故选用该材料加工制作1.2g的质量重锤作为弹性质点。

图2 FBG振动传感器结构

该结构可以简化为单质点弹性绳模型，当FBG受到径向力作用时，外力使得质量重锤产生振动并带动光纤偏离水平位置，光纤的拉力变化使得FBG中心波长发生变化,随着质量重锤的振动，中心波长的变化幅值与频率也相应产生改变。

2.3 信号预处理与特征提取方法

考虑到外界入侵方式的复杂性，采用时域、频域相结合的分析方法，其算法识别流程如图3所示。

图3 基于时域及频域信号识别流程

首先，由系统对所有传感器的波长信号进行初始化，当有外界入侵行为产生时，系统采用时域分析方法并通过极值寻优自动筛选出防区内波长幅值变化最大的振动传感器信号进行分析；当波长变化幅值超过预先设定的阈值时，初步断定有入侵行为事件发生，但此时无法区分人为的主动激励和外界环境带来的客观激励；于是，采用基于快速傅立叶变换(fast Fourier transform,FFT)的频域分析方法，并辅以小波对信号进行降噪处理[10]，通过频谱特性来区分不同模式下的振动信号，从而智能识别外界入侵行为。

3 实验测试与分析

3.1 实验概况

某大型变电站属于该市重点防护区域，其整体周界长度达到1km，其中，砖墙围界为0.6km，铁艺围栏为0.4km，为防止非法入侵事件，采用FBGS阵列智能周界和视频监控相结合的方法对变电站周围进行全天候安全防范。整个1km的周界被划分为20个防区，单个监控防区的长度缩小到50m，明显优于120m的防区长度，且传感器间距为1m，大幅提高了系统的感知灵敏度。振动光缆以“S”型方式铺设在铁艺围栏上，有效增强了探测面积及报警灵敏度。对于砖墙的防护，在砖墙顶部铺设50cm高的铁丝网，在铁丝网上铺设“S”型振动光缆，实现24h不间断安防监控，防止外界入侵。

3.2 实验过程分析

为了检验系统感知灵敏度，分别模拟3种不同的入侵行为(攀爬、摇晃、风吹)进行实验。

由于不同入侵行为对铁艺围栏和传感光缆的作用效果不同，因而所产生的振动信号不仅在振幅上有所区别，其振动持续时间也有所不同。如图4所示，系统在无外界激励时，其波长偏移量在±10pm以内，变化较小。当有外界激励(如攀爬、摇晃、风吹)发生时，传感器波长偏移量明显变大，且幅值超过了50pm。此时，根据现场实际敷设条件，设定合适的波长偏移量作为预警阈值，即可有效地对外界激励进行判断和筛选。

图4 周界系统在不同激励下的时域

然而，不同外界激励所引起的波长最大变化幅值十分接近，单纯采用阈值法无法区分人为主动激励和气候环境带来的激励，易导致系统产生误报，误报率约为10.9%左右，即单一的时域阈值法对入侵行为的判断存在一定的局限性，需要采用新的数据处理方法和报警策略区分不同的外界激励。

采用FFT完成信号由时域到频域的转换，其频谱特征区别非常明显[11,12]。如图5(a)，攀爬模式下，频率分量主要分布在40～90Hz区间；如图5(b)，在外界风吹自然环境影响下，频率主要分布在10～20Hz范围，且幅值相对偏小。

图5 周界系统在不同激励下的频域特性

3.3 实验结果分析

通过对不同入侵行为进行模拟和数据分析，结果表明：采用单一的时域阈值判断法给系统带来的误报率高达10%左右，而采用时域、频域相结合的报警策略对入侵行为进行识别，可以大幅降低系统误报率，误报率可控制在1%左右。

4 结 论

与同类周界安防技术相比，光栅阵列传感智能周界安防系统克服了现有技术存在分辨率低、监测距离有限、价格昂贵等不足，采用全同阵列光栅技术大幅提高了系统复用能力以及感知外界入侵行为的灵敏度；采用时域和频域相结合的方法智能识别外界入侵行为，大幅降低了系统误报率。系统具有米(m)级空间分辨率、误报率极低、监测距离更长、性价比高等特点。

目前，该系统已经被广泛应用于军事、国防边界、机场、能源安全、金融、博物馆以及重要安保等领域，具有极为广阔的发展前景。

[1] 张 翠，王立新，林 斌，等.用于周界安防的光纤光栅振动传感器的研究[J].半导体光电，2012,33(4):566-569.

[2] 陈梦阳,田 杰，罗明玉.用于周界入侵报警的红外-超声波无限传感器网路节点设计[J].传感器与微系统,2014,33(7):56-59.

[3] 朱 燕,代志勇,张晓霞，等.分布式光纤振动传感技术及发展动态[J].激光与红外,2011,41(10):1072-1075.

[4] Mahmoud S S,Visagathilagar Y,Katsifolis J.Real-time distributed fiber-optic sensor for security systems:Performance,event classification and nuisance mitigation[J].Photonic Sensors,2012,2(3):225-236.

[5] 辛 建,刘志强，韩高彬.FBG传感器在PHC管桩竖向静载试验中的应用[J].传感器与微系统,2014,33(8):154-157.

[6] 杭利军，何存富，吴 斌，等.新型分布式光纤管道泄漏检测技术及定位方法研究[J]．光学学报，2008,28(1):123-127.

[7] 祁耀斌，吴敢锋，王汉熙.光纤布喇格光栅传感复用模式发展方向[J].中南大学学报：自然科学版，2012,43(8):3058-3072.

[8] 刘 琨，柴天娇，刘铁根，等.多防区光纤周界安防系统及入侵快速判定算法[J].光电子·激光,2015,26(2):288-294.

[9] 王玉宝，兰海军.基于光纤布拉格光栅波/时分复用传感网络研究[J].光学学报,2010,30(8):2196-2201.

[10] Lei X,Chen W,Zhang P,et al.One frequency component dependency based distributed vibration sensor applying a modified Sagnac interferometer with a delay fiber loop[J].Sensor Letters,2012,10(7):1368-1373.

[11] 胡俊文,周国荣.小波分析在振动信号去噪中的应用[J].机械工程与自动化,2010 (1):128-130.

[12] 王 渊,赵振刚，许俊飞.边坡光纤光栅监测与自适应卡尔曼滤波模型[J].传感器与微系统,2017,36(1):38-44.

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

陈兆鹏(1970-)，男，高级工程师，从事电力生产管理工作,E—mail:247818835@qq.com 。