CN104008621A - 防区型光纤扰动周界安防系统及入侵扰动快速判定方法 - Google Patents

Abstract

一种应用于防区型光纤扰动周界安防系统及其入侵扰动快速高效判定方法。该防区型光纤周界安防系统包括多个防区，每一个防区有独立的传感光路部分、中控识别模块和通讯、报警模块，以及各防区共同连接的计算机。判定方法是通过光纤干涉光路产生干涉信号，利用信号的频率能量分布快速高效地判断外界是否有入侵信号。在系统监测过程中，可以获得整条光缆上的信号数据，并且实时对数据进行分析处理，通过全相位滤波器组实现去噪和感兴趣频带内信号能量的计算，达到扰动帧的判别的目的。本发明能有效的克服现有周界安防系统的缺点，实现长距离大范围监控，功耗小，抗干扰性强，无漏报和误报。

Description

防区型光纤扰动周界安防系统及入侵扰动快速判定方法

技术领域

本发明属于光纤传感以及信号处理领域，特别涉及一种快速高效地判断防区型光纤扰动周界安防系统有无扰动的方法。

背景技术

随着全球经济和科学技术的不断创新与发展，人们的安全防范意识越来越强，一些重要区域比如军事重地、国家重要机关、银行、工业园区、学校等对安全性的要求更高。目前国内外，周界安防产品有很多不同的种类，比如视频监控周界安防系统、主动式红外周界安防系统、泄漏电缆式周界安防系统和电子脉冲式周界安防系统。视频监控周界安防系统是将摄像探头安装在周界处的关键位置，警卫人员通过监视器来观察周界情况，实现安全监控。这类系统若采用定点监控，摄像探头很难覆盖整个安防周界，所以监控的范围小；若采用连续扫描，会浪费大量的资源，而且也容易形成监控盲区。主动式红外周界安防系统是发射端发射红外光线，接收端接收红外光线，如果光线被遮挡住了，接收端会探测到信号的变化，然后将报警信号传送给报警主机。人眼是无法看到红外光线的，所以主动式红外周界安防系统是筑起了一道隐形的“围墙”。这类系统容易受到外部环境的干扰，比如雨雪天气会使其能见度下降造成误报。泄漏电缆式周界安防系统是发射电缆和接收电缆之间通过电磁场的辐射与接收来实现安全监测的功能。如果发生了入侵事件，磁场会发生变化，从而引发报警。这类系统非常容易被外加电磁场影响，引发误报，而且功耗比较大，成本较高。电子脉冲式周界安防系统是由主机和前端电子围栏构成。通过探测高压电子脉冲来检测是否有入侵行为发生。而且，入侵者触碰通有高压脉冲的电子围栏时会受到短暂的电击，进一步起到防范作用。这类系统需要借助于实体围栏，对于开放式的周界安防不适用，而且对人体可能造成伤害。因此，研制一种性价比较高、功耗小、性能稳定、效率高的周界安防产品是非常必要的。

防区型光纤扰动周界安防系统充分利用光纤传感技术灵敏度高、损耗低、抗电磁干扰的优点，基于光纤干涉机理，实现了分布式长距离大范围的实时监控，灵敏度高，抗电磁干扰，可用于易燃易爆场所，不怕雷击电闪，方便野外铺设，安装维护方便，满足人们对安全保卫的要求。

发明内容

本发明的目的是解决现有周界安防系统监控范围小、功耗大、易受外界电磁干扰、误报率高等问题，提供一种用于防区型光纤扰动周界安防系统以及入侵扰动快速判定方法。该方法利用信号的频域能量分布来快速高效地判断外界是否存在有入侵扰动信号，从而实现光纤扰动周界安防系统对外界的实时监控，有效降低系统的漏报率和误报率。

本发明首先提供了一种基于判断有无扰动算法的防区型光纤扰动周界安防系统，该系统包括多个防区，每一个防区有独立的传感光路部分、中控识别模块和通讯、报警模块，以及各防区共同连接的计算机，其中：

传感光路部分：基于光纤干涉原理，采用Michelson或M-Z光纤干涉原理产生干涉信号，实时监测外界信号；光路的具体结构是：激光器发出的光信号经隔离器输入2╳2耦合器的一个输入端口，2╳2耦合器的两个输出端口分别连接第一传感光纤F1和第二传感光纤F2，第一传感光纤F1和第二传感光纤F2的末端分别连接第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜，两路反射光在2╳2耦合器输入端的另一端口干涉出射并输入光电探测器；

光电探测器：用于接收由2╳2耦合器输入端口出射的干涉光信号并转换成电压信号；

中控识别模块：与光电探测器连接，采用可编程逻辑器件FPGA实现信号处理功能，采集光电探测器的电压信号，由FPGA采用入侵扰动快速判定方法进行数据处理，进而判断外界是否存在有入侵扰动信号；

通讯、报警模块：该模块分别连接中控识别模块和公共计算机，一是通过与中控识别模块进行通信，调整中控识别模块中进行数据处理的相关参数，同时接收中控识别模块判断出来的外界是否存在有入侵扰动信号的报警信息，二是与计算机进行通信，将中控识别模块判断出来的报警信息上传至计算机，控制软件界面记录报警信息，发出报警蜂鸣声，此模块可采用单片机实现。

计算机：与各防区内的通讯、报警模块连接，用于接收各防区内通讯、报警模块上传的存在有入侵扰动信号的报警信息；同时计算机能够构建防区型光纤扰动周界安防系统的用户使用界面，用户根据不同的需要自行绘制防区地图，当外界有入侵信号时，能够定位到是哪个防区产生报警，记录报警信息，点亮该防区的报警指示灯并发出报警蜂鸣声。

该防区型周界安防系统如图2所示。

本发明同时提供了一种应用以上所述防区型光纤扰动周界安防系统的入侵扰动快速判定方法，该方法在中控识别模块中实现，具体步骤包括：

第1、光源发出的光经过各防区内的2╳2耦合器后分成两路相同的光，分别进入第一传感光纤F1和第二传感光纤F2，两路反射光再经2╳2耦合器输入端的另一端口出射并输入光电探测器，当外界有扰动时，两束光会发生不同的相移，再次相遇时干涉产生变化；

第2、光电探测器将接收到的干涉信号转变为电信号后送入中控识别模块，在中控识别模块中采用入侵扰动快速判定方法进行数据处理，即通过计算信号的频率能量分布进而快速高效地判断是否有入侵扰动；

第3、各防区内的通讯、报警模块一方面与中控识别模块进行通信，调整中控识别模块中进行数据处理的参数，同时接收中控识别模块判断出来的外界是否存在有入侵扰动信号的报警信息；另一方面与公共计算机进行通信，将各防区内的中控识别模块判断出来的报警信息上传至计算机，由计算机定位是哪个防区产生报警，一旦判断为有入侵信号，立刻通过计算机相应的软件界面发出报警信息，点亮有入侵信号的防区的报警指示灯并发出报警蜂鸣声。

第2步所述的入侵扰动快速判定方法，该方法是通过全相位滤波器计算目标频带内的信号能量分布，来实现快速高效地判断有无扰动信号，具体判定过程如下：

第2.1、根据扰动信号频率范围以及环境噪声在中控识别模块中构造全相位滤波器，设置频率向量矩阵M的阶数N和通道数P，选择汉宁窗生成卷积窗，构造全相位滤波器。频率向量 满足对称性，形成的频率向量矩阵可表示为。这里将的行数称为通道数，列数则为全相位滤波器的阶数；

第2.2、将光电探测器输出的电信号数据等分成K段，记作。将用全相位滤波器进行滤波，每个滤波通道都会产生一个能量值，能量值是信号幅度的模的平方。个能量值之和为该段数据的信号能量，记为；

第2.3、设定有无扰动的判定方法，按照最大值判定法或者超过阈值个数判定法将第2.2步得到的K个能量值进行比对，得到最终的结果；

方法一：最大值判定法，即经过处理后的能量最大值超过阈值，则判定为有扰动；

方法二：超过阈值个数判定法，即经过处理后的能量值超过阈值的个数大于设定个数时判定为有扰动；

具体采用哪种判定条件根据现场环境综合设定。

判定过程的流程图如图5所示。

发明原理

光相位随时间变化率与外界应力随时间的变化率可看作呈线性关系。为对应的相位调制频率，可表示为

由于外界压力信号是一个从无到有的变化的量，由式可知，传感光缆在受到扰动前后，信号会有频率上的突变，而且越大，就越大，产生的干涉信号的调制频率就越大。

外界的扰动会使信号的频率产生巨大的变化，利用信号的频域能量分布可以有效地判断有无扰动信号。信号的频率产生巨大的变化使得信号不同频段的能量分布产生巨大的变化。我们判断有无扰动的依据是信号能量在某个频带内发生的变化。这个频带高于系统噪声比较集中的低频频段，频段噪声一般为高斯噪声，噪声的功率谱是稳定的，也就是说，此频带内的信号能量的变化完全可以反映出真实信号的变化。我们应用全相位滤波器组，同时实现去噪和感兴趣频带内信号能量的计算，来实现扰动帧的判别。将系统一次采集的数据分成适当的块数N后分别进入程序运行，每组数据进行一系列滤波后得到对应的能量值。

判断有无扰动的两个判定方法：最大值判断法和超过阈值个数判断法。最大值判断是指若N个能量值的最大值超过扰动阈值时，判定为这组数据存在扰动；超过阈值个数判断是指设定扰动阈值，计算N个能量值中超过扰动阈值的个数，计为扰动块数，当扰动块数超过一定值时，判定为这组数据存在扰动。根据不同的环境和条件可以选择用何种方式判定有无扰动。扰动阈值和扰动块数都能根据系统所处的环境进行选择。

如图3所示为无扰动时采集到的信号的原始波形图和能量分布图，可以看出无扰动情况下频域能量分布情况大致一样，能量幅值很低。如图4所示为有扰动时采集到的信号的原始波形图和能量分布图，可以看出信号的频域能量值较高。通过设定合适的扰动阈值，可以快速准确的判断有无扰动。

防区型光纤扰动周界安防系统的基本原理

防区型光纤扰动周界安防系统传感光路部分如图1所示，该系统采用Michelson干涉仪原理，DFB激光器发出的相干光经过隔离器后，经过一个3dB耦合器分成两路频率相同、强度相同的光，一路作为参考臂，一路作为传感臂，每一路的终端都各有一个反射镜将光反射回耦合器的另一端干涉输出，输出的干涉光信号由光电探测器接收。

简化来看，光电探测器接收到的干涉光强度为

式中，I₀为入射光强度，α为参考臂和传感臂的光衰减系数，∆ϕ为相位差。

当外界存在扰动信号时，会引起光纤中传播的光波相位产生变化，进而导致干涉光强度的变化，在接收端检测干涉光强度的变化，通过判断有无扰动的算法判断是否为有扰信号，这样就可以监测外界是否存在入侵扰动信号。信号处理的终端安装在监控室，一旦检测到入侵扰动信号，就会立刻发出报警信息。

本发明的优点和有益效果：

本发明提出了一种可以快速准确地判断有无扰动的方法及防区型光纤扰动周界安防系统，目前，大部分的周界安防系统功耗较大、易受外界干扰、监控范围有限、误报率和漏报率很高。本发明提出的判断有无扰动方法可以快速准确地判断外界是否有扰动信号，与现有的周界安防系统相比有了质的飞跃，提高了周界安防系统的稳定性和可靠性，有效地降低了误报率和漏报率，提高了其实用性，完全克服了现有周界安防系统的缺陷。可以实现无死角的全方位监控；实现长距离监控；对电源依赖小、耐腐蚀，方便在野外铺设；抗电磁干扰，可用于易燃易爆等环境；本身无电磁干扰，可用于雷达站、机场等场合；对于大范围的周界安防需求，性价比较高；工程施工相对简单，维护较少。

附图说明

图1是防区型光纤扰动周界安防系统光路原理图；

图2是本发明的防区型光纤扰动周界安防系统；

图3是无扰动时采集到的信号的原始波形图和能量分布图；

图4是有扰动时采集到的信号的原始波形图和能量分布图；

图5 是判定方法的流程图；

图中，1是激光器，2是隔离器，3是耦合器，4是光电探测器，5a是第一法拉第旋转镜，5b是第二法拉第旋转镜，6a是光缆中第一传感光纤F1，6b是光缆中第二传感光纤F2，7中控识别模块，8通讯、报警模块，9计算机。

具体实施方式

实施例 1 ： 基于 Michelson 光纤干涉原理的防区型光纤扰动周界安防系统

如图2所示，该系统包括多个防区，每一个防区有独立的传感光路部分、中控识别模块和通讯、报警模块，以及各防区共同连接的计算机，其中：

基于光纤干涉原理的传感光路部分：采用Michelson或M-Z光纤干涉原理产生干涉信号，实时监测外界信号；光路的具体结构是：激光器1发出的光信号经隔离器2输入2╳2耦合器3的一个输入端口，2╳2耦合器的两个输出端口分别连接第一传感光纤F1——6a和第二传感光纤F2——6b，第一传感光纤F1和第二传感光纤F2的末端分别连接第一法拉第旋转镜5a和第二法拉第旋转镜5b，两路反射光在2╳2耦合器输入端的另一端口干涉出射并输入光电探测器4；

光电探测器4：用于接收由2╳2耦合器输入端口出射的干涉光信号并转换成电压信号；

中控识别模块 7：与光电探测器连接，采用可编程逻辑器件FPGA集成光电探测器和信号处理功能，光电探测器将接收到的干涉光信号转换成电信号，送入FPGA中采用入侵扰动快速判定方法进行数据处理，进而判断外界有无入侵扰动信号；

通讯、报警模块 8：该模块分别连接中控识别模块和公共计算机，一是通过与中控识别模块进行通信，调整中控识别模块中进行数据处理的相关参数，同时接收中控识别模块判断出来的外界是否存在有入侵扰动信号的报警信息，二是与计算机进行通信，将中控识别模块判断出来的报警信息上传至计算机，控制软件界面记录报警信息，发出报警蜂鸣声，此模块可采用单片机实现。

计算机 9：与各防区内的通讯、报警模块连接，用于接收各防区内通讯、报警模块上传的存在有入侵扰动信号的报警信息。同时计算机能够构建防区型光纤扰动周界安防系统的用户使用界面，用户根据不同的需要自行绘制防区地图，当外界有入侵信号时，能够定位到是哪个防区产生报警，记录报警信息，点亮该防区的报警指示灯并发出报警蜂鸣声。

实施例 2 、快速高效地判断有无入侵扰动的方法

如图2所示，光源发出的光经过各防区内的2╳2耦合器后分成两路相同的光，当外界有扰动时，两束光会发生不同的相移，再次相遇时干涉产生变化，通过光电探测器转变为电信号后送入中控识别模块中进行数据处理，通过通讯、报警模块调整中控识别模块里数据处理的参数，一旦判断有入侵信号，立刻发出报警信息。

以下对图2所示的系统，结合图5的判定方法的流程，用某次实例来说明判断过程：

1、 全相位滤波器的阶数设为64，通道数设为16。考虑到环境噪声的影响，频率向量矩阵的第一行选为：，则第二行为，以此类推，形成频率向量矩阵M；

2、 系统一次采集到的数据是30000个，将这部分数据分块后分别进入程序运行。块数分太多降低总体判断效率，块数太少，每组数据过多，会增加扰动的误判率，在这里我们选取一个适中值，将程序分为40块，每组数据进行一系列滤波后得到对应的能量值，40个能量值进入最终判断；

3、 信号的波形图和得到的40块能量值的分布如图3、4所示。如图3所示为无扰动时采集到的信号的原始波形图和能量分布图，可以看出无扰动情况下频域能量分布情况大致一样，能量幅值很低。如图4所示为有扰动时采集到的信号的原始波形图和能量分布图，可以看出信号的频域能量值较高；

4、采用最大值判断法，设定扰动阈值为15，并计算出40块能量值的最大值与之比较，如果最大值超过阈值，则判定该信号为扰动信号，否则可看作是噪声信号或者由外界环境造成的弱扰动信号。如图3所示，40块能量值的最大值没有超过15，所以该信号不是扰动信号。如图4所示，40块能量值的最大值为32，超过扰动阈值15，所以该信号是扰动信号。

Claims (3)

1.一种基于判断有无扰动算法的防区型光纤扰动周界安防系统，其特征在于该系统包括多个防区，每一个防区有独立的传感光路部分、中控识别模块和通讯、报警模块，以及各防区共同连接的计算机，其中：

传感光路部分：基于光纤干涉原理，采用Michelson或M-Z光纤干涉原理产生干涉信号，实时监测外界信号；光路的具体结构是：激光器发出的光信号经隔离器输入2╳2耦合器的一个输入端口，2╳2耦合器的两个输出端口分别连接第一传感光纤F1和第二传感光纤F2，第一传感光纤F1和第二传感光纤F2的末端分别连接第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜，两路反射光在2╳2耦合器输入端的另一端口干涉出射并输入光电探测器；

光电探测器：用于接收由2╳2耦合器输入端口出射的干涉光信号并转换成电压信号；

中控识别模块：与光电探测器连接，采用FPGA实现信号处理功能，采集光电探测器的电压信号，进行数据处理，进而判断外界有无入侵扰动信号；

通讯、报警模块：该模块分别连接中控识别模块和公共计算机，一是通过与中控识别模块进行通信，调整中控识别模块中进行数据处理的相关参数，同时接收中控识别模块判断出来的外界是否存在有入侵扰动信号的报警信息，二是与计算机进行通信，将中控识别模块判断出来的报警信息上传至计算机，控制软件界面记录报警信息，发出报警蜂鸣声；

计算机：与各防区内的通讯、报警模块连接，用于接收各防区内通讯、报警模块上传的存在有入侵扰动信号的报警信息；同时构建防区型光纤扰动周界安防系统的用户使用界面，用户根据不同的需要自行绘制防区地图，当外界有入侵扰动信号时，能够定位到是哪个防区产生报警，记录报警信息，点亮该防区的报警指示灯并发出报警蜂鸣声。

2.一种采用权利要求1所述的防区型光纤扰动周界安防系统的入侵扰动快速判定方法，其特征在于该方法包括：

第1、光源发出的光经过各防区内的2╳2耦合器后分成两路相同的光，分别进入第一传感光纤F1和第二传感光纤F2，两路反射光再经2╳2耦合器输入端的另一端口出射并输入光电探测器，当外界有扰动时，两束光会发生不同的相移，再次相遇时干涉产生变化；

第2、光电探测器将接收到的干涉信号转变为电信号后送入中控识别模块，在中控识别模块中采用入侵扰动快速判定方法进行数据处理，即通过计算信号的频率能量分布进而快速高效地判断是否有入侵扰动；

第3、各防区内的通讯、报警模块一方面与中控识别模块进行通信，调整中控识别模块中进行数据处理的参数，同时接收中控识别模块判断出来的外界是否存在有入侵扰动信号的报警信息；另一方面与公共计算机进行通信，将各防区内的中控识别模块判断出来的报警信息上传至计算机，由计算机定位是哪个防区产生报警，一旦判断为有入侵信号，立刻通过计算机相应的软件界面发出报警信息，点亮有入侵信号的防区的报警指示灯并发出报警蜂鸣声。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于第2步所述的入侵扰动快速判定方法，该方法是通过全相位滤波器计算目标频带内的信号能量分布，来实现快速高效地判断有无扰动信号，具体判定过程如下：

第2.1、根据扰动信号频率范围以及环境噪声在中控识别模块中构造全相位滤波器，设置频率向量矩阵M的阶数N和通道数P，选择汉宁窗生成卷积窗，构造全相位滤波器；频率向量 满足对称性，形成的频率向量矩阵可表示为，

这里将的行数称为通道数，列数则为全相位滤波器的阶数；

第2.2、将光电探测器输出的电信号数据等分成K段，记作；将用第2.1步构建的全相位滤波器进行滤波，每个滤波通道都会产生一个能量值，能量值是信号幅度的模的平方；个能量值之和为该段数据的信号能量，记为；

第2.3、设定有无扰动的判定方法，按照最大值判定法或者超过阈值个数判定法将第2.2步得到的K个能量值进行比对，得到最终的结果；

方法一：最大值判定法，即经过处理后的能量最大值超过阈值，则判定为有扰动；

方法二：超过阈值个数判定法，即经过处理后的能量值超过阈值的个数大于设定个数时判定为有扰动；

具体采用哪种判定条件根据现场环境综合设定。