基于直线型Sagnac的光纤周界安防系统设计

王 宁,朱宗玖

(安徽理工大学 电气与信息工程学院,安徽 淮南,232001)

随着经济发展水平的不断提高,社会对电力能源的需求日趋强烈.电力能源供应是一项由发电、输电、配电、变电等多个环节组成的庞大工程,变电站作为连接电力系统与用户的重要枢纽,在整个电力系统中发挥着不可替代的作用.随着变电站无人值守化的推进,电力盗窃案件时有发生,给国民经济和人民生活带来了重大损失和影响[1-2].传统的安防系统虽然达到了一定的防御效果,但存在着一些缺陷,如红外围栏误报率高,脉冲式电子围栏耗电量大,埋地电缆探测不适宜大面积敷设,视频监控系统功耗大且容易产生监控死角,且以上安防手段都易受电磁干扰,无法满足变电站无人值守的需求[3].因此迫切需要开发出一套能够有效防护无人值守变电站安全的安防系统,对变电站周界进行实时的监控,以保证供电的可靠性.

分布式光纤传感器集传感和传输为一体,通过传感光纤对外界被测量进行采集[4-5],具有抗电磁干扰能力强、监测范围大、灵敏度高等优点,在航天航空、土木工程、周界安防、健康医疗等领域有广泛的应用[6-9],尤其在周界安防领域,光纤安防系统已成为发展的主流方向.

基于Sagnac结构的分布式光纤传感系统对光源相干性要求低,特别适合入侵信号监测[10],但在实际使用时传感光纤会以对称的方式受到同样的物理场,由于光的互易效应,将会导致传感光纤中的光信号相互抵消,没有干涉信号的输出,所以需对一半光纤进行声场上的隔离,导致了施工成本的增加.为解决上述问题,本文设计了基于直线型Sagnac的光纤周界安防系统,同时提高了光纤周界安防系统的监测范围,实现多防区监测功能,远程对变电站进行实时动态监控,以满足电力系统安全生产的需求.

1 直线型Sagnac干涉系统

1.1 直线型Sagnac干涉系统原理

Sagnac干涉效应于1913年被法国科学家Sagnac提出,其原理为将激光器发出的光等比例分为两束,使其在在干涉仪中相反方向传输一周后在耦合器汇聚并发生干涉[11-12].直线型Sagnac干涉系统也是基于Sagnac干涉效应发展而来,在直线型Sagnac干涉系统中,传感光纤只有一根,光路结构相对简单,其原理图如图1所示.

直线型Sagnac干涉系统包含有激光器、延迟光纤、传感光纤、3*3耦合器、2*1耦合器、法拉第旋转镜(Faraday rotator mirror,FRM)、光电探测器,通过在传感光纤末端设置FRM使光沿单根光纤传输,具有比其他干涉式光纤安防系统更简单的结构和更强的抗环境干扰能力.从激光器发出的光通过3*3耦合器进入非平衡马赫-曾德尔干涉仪中,然后从2*1耦合器输出后进入传感光纤,当传感光纤受到外界振动时,光纤中光信号的相位发生变化,随后经传感光纤末端的FRM反射后沿原光路返回,然后被光电探测器接收,最终通过干涉转变为光强变化,通过分析系统输出干涉光的强度即可判断外界是否有入侵行为.到达光电探测器的光一共有四路:(Ⅰ)A—C—D—E—FRM—E—D—C—A;(Ⅱ)A—C—D—E—FRM—E—D—B—A;(Ⅲ)A—B—D—E—FRM—E—D—C—A;(Ⅳ)A—B—D—E—FRM—E—D—B—A.

由于延迟光纤的长度远长于光源的相干长度,因此只有光路Ⅱ和光路Ⅲ中传输的信号光能够发生干涉.而光路Ⅰ和光路Ⅳ中传输的信号光光程差相差太大,不满足干涉条件,可以被认为是直流信号,易于消除.

1.2 直线型Sagnac干涉系统定位原理

由光纤振动感知原理可知,在传感光纤上某点施加一个振动信号时,光纤中传输的光信号的相位因光弹效应而发生变化[13].由傅里叶变换理论可知,信号光的相位变化都可以划分为多个具有不同幅值、不同频率和不同相位的正弦波的集合,该集合表示为:

(1)

其中:Ai,ωi,φi分别为各正弦分量的幅值、频率和初相位,N为正整数,表示构成振动信号所需要的正弦波的数目.则由振动引起的光路Ⅱ和光路Ⅲ之间的相位差可以表示为:

(2)

其中:τ1为光从激光器发出经A、C、D点后到达E点的时间,τ2为光从激光器发出经A、C、D、E点后传播到FRM,又经FRM反射传播到E点的时间,τ3为光从激光器发出经A、B、D点后到达E点的时间,τ4为光从激光器发出经A、B、D、E点后传播到FRM,又经FRM反射传播到E点的时间.Ld为延迟光纤长度,L为传感光纤的长度,L1为振动位置B与FRM的距离,L2分别为振动位置B与2*1耦合器的距离,c为真空中传播的光速,n为光纤的折射率.

(3)

其中:k取正整数.通过傅里叶变换得到振动信号的频谱,确定相应零频点的频率,即可解调出振动位置,实现对振动信号的定位.

2 入侵信号判定算法

光纤周界安防系统依靠传感光纤采集外界振动信号,由于采集数据量大,必须综合考虑系统报警的误报率和实时性,这就要求信号处理算法既要有效,又不能过于复杂.现有的光纤振动信号检测方法通常从单一的信号处理角度进行判定,如基于时域特征阈值的端点检测算法,这样会使系统具有片面性,影响识别精度,误报率较高.在此基础上,为了提高事件分类的准确率,增强在复杂环境下的鲁棒性,本文提出一种基于多域特征的动态阈值端点检测算法,从时域、频域和小波域提取振动信号的特征进行判断,实时更新特征阈值,通过三级判定算法提高系统对入侵事件的检测效果.

2.1 时域特征分析

在时域中选取短时过零率来判断系统是否处于振动状态.短时过零率是表示信号的波形在零电平附近上下波动的频率的特征量,对于光纤振动信号来说,当相邻两点幅值符合变化即可记为一次过零[14].设光纤时域振动信号为x(t),加窗分后帧得到的第i帧信号记为xi(n),则光纤帧信号x(n)的短时过零率Z(i)为:

(4)

其中:N为每帧信号中采样点的个数,sgn是符号函数,即:

(5)

2.2 频域特征分析

在光纤传感信号中,振动信号和噪声信号之间的频谱分布具有很大差异,因此可以通过分析信号的频带分布特性对信号进行检测和识别.将第一级判定识别出的振动信号进行离散傅里叶变换得到第i帧信号的频谱为:

(6)

第i帧信号幅值的均值为:

(7)

第i帧信号的频带方差表示为:

(8)

2.3 小波域特征分析

(9)

(10)

(11)

3 光纤周界安防系统设计

本文设计了一种基于直线型Sagnac的光纤周界安防系统,主要由光路系统、视频监控系统、微信推送系统、声光报警系统四部分组成.通过埋地敷设、围栏敷设等形式将传感光纤布设到预先划分好的防区内,并在每个防区架设有摄像头.当其中某一防区发生入侵事件时,布设的传感光纤会检测到振动信号,此时系统会及时对入侵事件做出判定,并调用对应防区的摄像头进行拍照或录像记录入侵影像,将实时监测内容显示到控制中心,同时通过企业微信将报警结果通知给管理人员.系统总体设计方案如图2所示.

图2 系统总体方案图Figure 2 System overall scheme diagram

3.1 光路系统

光路系统中采用直线型Sagnac结构,主要由位于控制中心的工控主机、信号处理模块、光开关模块和户外防区的传感光路部分构成,用于实现入侵事件的分析和定位功能.本文对传感光路部分进行结构改进,将单一传感支路扩展为双传感支路,每条传感支路分别由传感光纤和法拉第旋转镜构成,可分别布设两个防区,实现对两个防区入侵信号的实时检测.

系统采用光开关模块来实现不同防区之间的切换监测,防区的切换由STM32F407构成的微控单元控制.上位机通过控制微控单元向光开关发送指令,进而实现不同防区的监测切换,防区切换速率非常快,一般为毫秒级.利用STM32F407控制在两个输出端之间切换,通过上位机软件编写,可实现两通道之间自动切换或指定切换,相较于单通道检测并没有增加系统整体结构的复杂度,但扩大了系统整体的监测范围,实现了多防区的在线监测.

3.2 视屏监控系统

光纤周界安防系统通过传感光纤实时监测布设防区的每一个点,只要有入侵事件发生,系统会第一时间检测出,但不能将入侵信息可视化.视频监控系统可以将入侵信息在控制中心实时显示,但需要人员进行不间断的监控,且在长距离安防中容易产生监控死角,不能及时获取到入侵信息.为此在系统中加入视频联动功能,实时动态的监测布设防区的安全状况.在视屏监控系统与光纤周界安防系统应用组网中,根据传感光纤的长度和定位误差以及摄像头最大视角等因素综合考虑使用摄像头的数量,并传感光纤分段和摄像头之间进行编号,当入侵事件发生时,通过定位信息将对应编号的摄像头转到相应位置,然后拍摄到的画面发送给控制中心,进而实现光纤周界安防系统与视频监控系统的联动.

3.3 微信推送系统

为了能更好地应对入侵行为,需要将报警信息第一时间通知到管理人员,在系统中编写企业微信连接程序,通过企业微信将报警信息通知给管理人员.企业微信平台可以为企业、媒体和个人创建信息推送渠道,通过订阅号经平台可以将信息推送至手机终端,信息阅读简单且易操作,高效联通,可实现报警信息的精准推送.利用光纤安防系统对采集到的振动信号进行分析,当振动信号判定为入侵行为时,系统将报警信息打包后调用企业微信API接口推送信息,企业微信后台根据信息要求向指定管理人员发送信息.将企业微信与光纤安防系统联动,能有效提升入侵监测手段的多样性和报警的实时性.

3.4 声光报警系统

当非法人员闯入防区时,位于控制中心的光纤周界安防系统报警主机自动报警,但不能对其起到实质性的威慑作用,及时制止入侵行为.为此,将系统与报警器、照明灯等现场设备联动,当系统判定某一防区发生入侵事件时,通过定位信息启动对应编号的报警器和照明灯,威慑不法分子,制止其入侵行为,保证防区安全.

4 结 语

本文针对直线型Sagnac干涉系统的定位算法、光纤振动信号识别算法进行了详细的论证,提出了基于直线型Sagnac的光纤周界安防系统设计方案,结合声光报警系统、视屏监控系统和微信报警系统,实现了多防区监测、智能定址、主动警告、远程报警等功能.为光纤周界安防系统在变电站安防系统中的实施提供了方向,更好地满足安防应用需求.