基于FBG傳感的周界圍欄報警系統(tǒng)的設(shè)計

　　FBG傳感周界圍欄報警系統(tǒng)的設(shè)計

　　FBG傳感周界圍欄報警系統(tǒng)是利用激光、光纖傳感和光通信等高科技技術(shù)構(gòu)建的安全報警系統(tǒng)，是一種對威脅公眾安全的突發(fā)事件進(jìn)行監(jiān)控和報警的現(xiàn)代防御體系。它是基于FBG分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于周界監(jiān)控防護(hù)的新系統(tǒng)。

　　所設(shè)計的FBG傳感周界圍欄報警系統(tǒng)由寬帶光源、耦合器、帶所需個數(shù)FBG傳感器(根據(jù)周界長度而設(shè))的傳感光纖與傳輸光纖、波長移動解調(diào)裝置、信號處理系統(tǒng)等組成(如如圖3所示)。

圖3 FBG傳感周界圍欄報警系統(tǒng)的組成及原理

　　由圖3可見，這種系統(tǒng)是利用單根光纖 (在光敏性光纖上用紫外光寫入所需個數(shù)的Bragg光柵)作為傳感傳輸二合一的器件，通過對直接接觸光纖或通過承載物，如覆土、鐵絲網(wǎng)、圍欄、管道等，傳遞給光纖(纜)的各種擾動，以進(jìn)行全程任意點全天候不間斷地持續(xù)和實時地監(jiān)控。

　　FBG傳感周界圍欄報警系統(tǒng)的工作原理是：由寬帶光源發(fā)出的光，經(jīng)耦合器傳輸?shù)讲荚O(shè)有所需個數(shù)的FBG周界傳感光纖中，當(dāng)其中的某點FBG傳感器的光纖受到外界入侵的擾動后，即使該FBG的波長發(fā)生變化，其反射光波長調(diào)制數(shù)據(jù)經(jīng)耦合器通過傳輸光纖送入監(jiān)控室內(nèi)，其輸入的光到達(dá)波長移動解調(diào)裝置，先由光電探測器接收放大，再送入波長移動解調(diào)電路解調(diào)，最后經(jīng)信號處理系統(tǒng)分析處理和智能識別，以判斷出外部有否危害入侵。對非危害性環(huán)境干擾如雷鳴、鞭炮等，也能進(jìn)行識別，而可做出無害判斷;當(dāng)識別有攀爬鐵絲網(wǎng)、按壓圍墻、禁行區(qū)域的奔跑或行走，以及可能威脅周界建筑物的機(jī)械施工等后，為提高可靠性，必須再經(jīng)過周界監(jiān)控攝像機(jī)所攝的監(jiān)控圖像的判斷復(fù)核確定，才可實現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)警或?qū)崟r告警，以達(dá)到對侵入設(shè)防區(qū)域周界的威脅行為進(jìn)行實時監(jiān)測的目的。

　　對于局部高危區(qū)域，系統(tǒng)還可實現(xiàn)語音監(jiān)聽和記錄。該功能完全無需采用電或金屬的傳感器，僅用光纖即可實現(xiàn)，從而豐富了用單一光纖實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的功能和防護(hù)等級。

　　波長移動解調(diào)

　　實際上，研究FBG傳感器的關(guān)鍵問題是如何精確測量FBG反射波長的移動量。傳統(tǒng)上一般應(yīng)用光譜儀解調(diào)系統(tǒng)，雖然近年出現(xiàn)的微型光譜儀體積小、價格便宜，但其光譜分辨力只在0.1 nm數(shù)量級，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到FBG解調(diào)需要的pm級的分辨力。為了提高Bragg波長漂移量的測量精度，各國學(xué)者研究了很多解調(diào)方法，如邊緣濾波器法，可調(diào)諧濾波器法，干涉儀掃描法與雙腔干涉儀掃描法等。2007年天津大學(xué)精儀學(xué)院光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點實驗室，針對大型建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測應(yīng)用領(lǐng)域研制了一種便攜式FBG波長解調(diào)儀，它基于無源比例解調(diào)原理，以熔融拉錐器件作為線性濾波器，采用鎖相放大技術(shù)提取微弱信號，并利用單片機(jī)控制FBG波長信息的采集、顯示以及存儲。該解調(diào)儀結(jié)構(gòu)簡單、成本低，可實現(xiàn)大量程波長測量。實驗表明，該光纖光柵解調(diào)儀解調(diào)范圍達(dá)15 nm，波長測量精度為12.4 pm。

　　采用一種基于F-P可調(diào)諧濾波器和波長基準(zhǔn)器，并用插值-相關(guān)譜法進(jìn)行處理。首先在原始光譜中每相鄰兩點間線性插入一些點，再利用相關(guān)譜法得到Bragg波長移動量。該方法不但可以有效抑制噪聲，而且能精確地測量Bragg波長移動量，從而實現(xiàn)高精度地測量溫度、應(yīng)變等外界參量。理論分析和實驗表明：采用相關(guān)譜法測量Bragg波長移動量是可行的，且可以提高信噪比，進(jìn)而提高解調(diào)精度。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合線性插值的方法，在原始光譜中每相鄰兩點間插入一定數(shù)量的點，可以進(jìn)一步提高解調(diào)精度。采用這種解調(diào)方法可使Bragg光柵波長分辨力達(dá)到1 pm，溫度測量精度達(dá)到±0.2℃。

　　多處侵入定位及入侵模式特征

　　一般，光纖Bragg光柵周界圍欄報警系統(tǒng)存在多處同時受擾判斷問題。因此，在判斷有威脅侵入行為發(fā)生時，系統(tǒng)需能根據(jù)光信號調(diào)制的分析，對侵入行為發(fā)生點實時進(jìn)行定位，從而便于安保人員對目標(biāo)明確地及時采取有效措施，以制止侵入行為后續(xù)事件發(fā)生。

　　為解決光纖圍欄報警系統(tǒng)中多個FBG傳感器在同時受擾時，定位報警信號難，而無法實現(xiàn)對報警信號的有效識別和判斷的問題，可以利用一種基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EMD)和小波包特征熵算法的分析方法來解決。我們首先對報警信號進(jìn)行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解，再結(jié)合小波包分解，得到小波包系數(shù)提取其信號的能量分布;其次做歸一化得到信號的能量分布特征向量;最后運(yùn)用相關(guān)性分析，以實現(xiàn)對報警信號的識別和判斷。

　　實驗證明，結(jié)合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解和小波包特征熵算法能夠有效解決FBG傳感器的光纖圍欄報警系統(tǒng)中同時受擾判斷的定位報警問題。因此充分證明了，利用這種方法對于解決光纖圍欄報警系統(tǒng)中FBG傳感器的級聯(lián)判斷報警信號是有效的。

　　從一般對光纖周界圍欄的侵入與實驗數(shù)據(jù)中，我們得出了六種不同的入侵報警模式，其典型的特征圖如圖4所示。圖4中：(a)為行走入侵模式;(b)為跑動入侵模式;(c)為車輛入侵模式;(d)為翻越入侵模式;(e)為剪切入侵模式;(f)搖動入侵模式。顯然，前三種為地面入侵模式;后三種為圍欄入侵模式。本系統(tǒng)首先從報警信號中提取其長度、極值、幅度、周期、均值、小波系數(shù)均值、信號波動、應(yīng)變特征、嶧值特征、沖擊特征、振動特征等各種特征數(shù)據(jù);其次，根據(jù)閾值單元判斷信號含有哪些特征;最后，根據(jù)經(jīng)驗確定的隸屬函數(shù)來分析判別這些特征，并用特征組合的方法判斷其為何種入侵模式的信號。

圖4 六種入侵模式

　　經(jīng)實驗證明，設(shè)計方案可行，系統(tǒng)可靠，完全達(dá)到了預(yù)期的目的。

　　結(jié)語

　　由上述介紹可知，基于長距離準(zhǔn)分布式FBG傳感器的光纖圍欄作為一種新型的安防監(jiān)測系統(tǒng)，不僅具有抗電磁干擾、抗腐蝕、易復(fù)用的特點，而且具有技術(shù)成熟、成本較低、報警定位精確、可靠性高等優(yōu)勢，是目前智能安防監(jiān)控的一種主流發(fā)展方向，在安防領(lǐng)域勢必?fù)碛袕V闊的應(yīng)用前景。

　　值得指出的是，為提高可靠性，本方案最后均經(jīng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)集成聯(lián)動復(fù)核后，再驅(qū)動聲光報警。本方案的特點是：簡單高效、安裝便捷、方便用戶、維護(hù)簡單，且靈敏度還可以根據(jù)實際的安裝環(huán)境變化而調(diào)整，穩(wěn)定可靠。因此，在它轉(zhuǎn)化定型生產(chǎn)后，將非常適合于大中小型的周界圍欄布防用戶的使用，相信在民用市場上定會得到迅速普及推廣。