光纤光栅周界安防系统在海风环境中的应用

肖巍巍 孙恒斌 艾德文 陆海荣

摘 要：光纤光栅周界安防系统利用光栅传感器来感知布防区域的振动信号，再经过分析判断对入侵行为进行及时预警。当系统安装于起风频繁、风力较大的海边环境时，需要在准确预警入侵行为的同时，减少大风干扰引起的错误报警情况。该文以某一海风环境的网片安装方式周界系统为研究对象，比较了入侵信号和海风信号的异同，由于大风产生的扰动，影响范围较大，该文结合区域信息，先对大风环境进行判断，再为发生扰动的监测单元分配对应的报警策略，能够有效提升系统的预警效果。

關键词：光纤光栅测振；周界安防；光栅传感器

中图分类号：TP212 文献标志码：A

光纤光栅周界安防系统基于光纤光栅传感原理研制，光纤光栅振动探测器被串接成高灵敏度的振动探测光缆，可任意布防在周界区域，通过探测分析作用于探测光缆上的振动波来判断布防区域是否发生入侵事件。

当周界系统安装于起风频繁而且风力较大的海边环境时，在各种外界因素的影响下，如何正确地识别、区分入侵破坏行为和环境干扰，对作用于布防区域的入侵破坏行为进行及时准确的预警，同时降低系统误报率，是需要重点讨论的问题。

1 信号分析

某监测周界安装于临海环境，安装方式为网片安装，各个传感单元之间的间距为5 m，信号采样率100 Hz。图1中展示了序号15～20（布设位置连续）的监测单元，分别于白天测试时段（上午10：00～11：00）和夜晚起风时段（凌晨0：00～1：00）各自录制的时长为1 h的信号波形。如图1（a）所示，通过拍打传感光缆布设的网片围栏，模拟入侵行为，可以看到在拍打的过程中，受到作用力位置的监测单元，其信号波形出现明显的起伏变化，相邻的1～2个监测单元也可以观察到波形的改变，而其他时间、其他位置的信号波形处于平静的状态。如图1（b）所示，为录制的一段大风环境下的振动信号，大风扰动可以影响邻近的多个监测单元，各监测单元的波形较为杂乱，并且海风的影响时间较长，整个时段内，在多个通道均可观察到海风引起的扰动。

应当根据监测单元所处的环境状态（常态或风雨），采取不同的入侵事件判别方式，以提高报警的准确性。

2 算法描述

当系统布防于多风的海边环境中，应当综合考虑实时的环境因素，动态地调整报警策略。风雨产生的扰动，一般影响范围较大，可以将区域信息作为区别入侵事件和风雨扰动的有效依据。通过判断受到扰动的探测单元是否处于风雨区域中，为其配置对应的报警策略。

2.1 风雨区域判断步骤

（1）记录整个周界监测区域各传感单元n秒内出现的扰动点。

（2）将各传感单元n秒内出现的扰动点整合为一行。

（3）按照划分阈值，对该区内的扰动点进行区域划分，间隔小于划分阈值的传感单元划分为同一区域。

（4）如果某个区域影响范围超过阈值是由于风雨的原因，则判断这个区域为风雨区域。

2.2 报警判断步骤

（1）对于各个被触发的探测单元，读取这个探测单元所处区域当前的环境状态（常态或风雨）。

（2）当探测单元所处区域的状态为“常态”，计算信噪比和扰动时长，如果信噪比和扰动时长均超过各自对应的报警阈值，则该传感单元发出报警信息。

信噪比计算：第一个超过扰动阈值的数据点之后一段数据与之前一段数据各自绝对值均值的比值。

扰动时长计算：取绝对值后计算第一个超过阈值的数据点与最后一个超过阈值的数据点之间的间隔时长。

（3）当探测单元所处区域的状态为“风雨”，计算扰动比例和峰度。如果扰动比例和峰度均超过各自对应的报警阈值，则该传感单元输出报警信息。

扰动比例计算：计算扰动时长的同时，统计超过阈值的数据点个数，扰动比例是超过阈值数据点数和扰动时长范围内数据点数的比值。

3 应用效果与结论

监测周界安装于临海环境，安装方式为网片安装，传感单元数量为80个，各传感单元之间的间距为5 m，信号采样率100 Hz。

设置扰动阈值为50，区域划分阈值为3，风雨范围阈值为10。

报警阈值设置：信噪比阈值3、扰动时长阈值5；扰动比例阈值0.7、峰度阈值5。

经过连续3个月的测试与观察，运行结果统计见表1、表2。

综合以上测试结果，该系统利用区域信息判断是否存在风雨干扰，对监测单元信号分析方式进行自动调节，提供一种高灵敏度、低误报，适用于海风环境的周界安防系统报警方法。系统能够对入侵行为进行有效地报警，并且在风雨天气下减少误报的情况，具有良好的环境适应性。

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