基于多模光纤振动感知技术的站场安防系统研究

孟佳，马云宾，蔡永军

（中国石油管道科技研究中心，河北 廊坊 065000）

随着光纤传感技术的日渐成熟，新型光纤站场安防系统不断朝着轻量化、低功耗、高灵敏度、抗电磁干扰等方向发展完善。基于多模光纤振动感知技术的站场安防系统，可以在无人值守条件下，对外界入侵进行全天候实时监测，在保证站场安全的前提下，大大节约了人力物力。同时，该系统还具有本质安全、结构简单、便于维护等特点。

1 技术背景

1.1 光纤传感技术

光纤传感技术，是光纤作为传感器，对外界信号的变化进行感知的技术。所谓感知，是指外界信号按照其变化规律作用于光纤，使光纤中传输的光波的物理特征参量，如强度(功率)、波长、频率、相位和偏振态等发生变化，测量光参量的变化即可感知外界信号的变化。

1.2 光纤传感技术的分类

光纤传感技术有多种分类方法。依照不同的调制类型，可以分为强度调制型、频率调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型。依照光纤传感技术感知对象的不同，可以分为振动传感技术、温度传感技术和应力传感技术等。依照传感器不同的布设方式，可以分为点式传感技术和分布式传感技术。

1.3 多模光纤振动感知技术

光在多模光纤中传播，存在多个传播模式，各个传播模式相互叠加产生干涉。多模光纤振动感知技术，利用多模光纤构成分布式振动传感器。当外部有振动信号作用于光纤时，多模光纤受到应力而发生形变，其中传播的光波模式，相位发生变化，导致各个模式之间的干涉散斑变亮或者变暗，见图1。通过解调并分析光波的相位变化，即可检测出外部振动信号的强度和频率。

图1 干涉散斑变化示意图

2 系统构成

基于多模光纤振动感知技术的站场安防系统（如图2），由振动传感光纤、引导光纤、系统主机、报警处理单元及计算机等部分组成。传感光纤为多模光纤，专为站场安防设计，灵敏度高，可以感知微弱的振动信号。引导光纤是普通的单模光纤，连接报警处理单元与传感光纤，用于传输振动信号。系统主机为报警处理单元提供供电，并负责处理单元与电脑之间的网络通信。报警处理单元是光信号发射、接收及振动信号处理装置。计算机则用来进行人机交互，便于使用者跟踪并处理报警信息。传感光纤和引导光纤根据防区划分，布设于站场周边的围栏上。入侵者攀爬围栏过程中，布设于围栏上的传感光纤感受到振动信号，振动信号通过引导光纤传输至报警处理单元进行分析识别。当振动信号被识别为入侵事件，该防区报警处理单元会通过网络交换机将报警信号传输至局域网内的计算机。软件系统收到报警信号，会发出声光报警，提醒监控人员采取相应措施，并将报警事件的发生时间、防区号记入数据库，以备查询。

图2 基于多模光纤振动感知技术的站场安防系统结构示意图

该系统主机包含7个报警处理单元，每个处理单元对应一个防区，由引导光纤与前端多模光纤相连接。用户可根据实际需要对防区数量进行扩展。这种方式实现了站场区域内全光纤布设，无须防雷、接地，整体上增强了系统的本质安全性。

3 系统性能指标

（1）入侵报警响应时间：＜2s。

（2）单防区误报率≤1次/月。

（3）系统主机工作环境温度范围：-30～55℃，湿度范围：0～ 90%。

（4）系统主机电源配置：120～240VAC，50～60Hz，主机功率：25W。

（5）单防区最佳防护距离：200m，引导光纤最长可达20km。

（6）振动信号监控频率范围：0～600Hz。

（7）风速补偿范围：0～70km/h。

（8）通讯方式：串口传输、TCP/IP、FSN等多种通讯模式。

4 信号处理方法

为了区分大风等外界干扰引起的振动信号与攀爬、剪切围栏等真正的入侵振动信号的区别，我们对报警处理单元中的信号处理算法进行了深入研究。通过对实验数据的系统性分析，发现入侵振动信号和干扰振动信号在频域分布和时域强度方面都有所不同，可采用小波变换的方法对信号进行处理。

小波变换具有多分辨率的特点，可以由粗到细地逐步观察信号，且小波变换在时域频域都有表征信号局部特征的能力，有利于检测信号的瞬态或奇异点。通过小波变换，可以得到大风引起的振动特征和攀爬导致的振动特征，如图3所示。从图3中可以清楚地看到，在不同小波变换层级下，大风等非人员入侵导致的振动与人员攀爬导致的振动在归一化能量特征值上有明显的区别。因此，利用小波变换算法，可以减少系统误报，稳定提升系统报警准确率。

图3

基于多模光纤振动感知技术的站场安防系统目前已经布设在中国东北地区的油气站场，经历了北方寒冷和多风气候的考验，目前，运行情况良好。通过模拟入侵测试，系统报警准确率达到100%，见表1。

表1 防区的测试结果

通过对表1数据的分析，可以发现，在较为复杂的条件下，系统能够在对应的测试点，实现对模拟入侵测试事件的感知，达到无漏报的标准。后续通过积累更多的入侵事件样本库，不断地改进和完善系统，可以确保系统能够在更恶劣的环境中，保持报警准确率，满足场站安全防护要求，为站场自动化安全运行奠定坚实的基础。

5 结语

本文在理论研究的基础上，提出了一种基于多模光纤振动感知技术的站场安防系统，能够将自然环境干扰因素与人员入侵正确区分出来。通过模拟入侵实验测试，系统在正常运行情况下，对人员入侵的监测准确率能够达到100%，其系统性能指标满足站场安防的实际需求，可以实现站场无人值守全天候监测，有效保障油气站场的整体运行安全。