CN105784099B - 一种高灵敏光纤周界安全防护方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高灵敏光纤周界安全防护方法及系统，方法包括：接收敏感光路发送的光信号，所述光信号携带了周界安防系统的振动信息；对所述光信号进行转换和处理，得到转换和处理后的数字信号数据；采用双阈值判断法计算每一帧所述数字信号数据的电平穿过率，当电平穿过率超过预先设置的穿过率阈值时发出警报；利用自适应的广义相关算法进行报警定位。通过采用双阈值判断法计算每一帧所述数字信号数据的电平穿过率，可以有效消除事件发生时的背景噪声带来的干扰，提高了系统的抗干扰能力；利用自适应的广义相关算法进行报警定位，能够提高入侵事件的响应速度和定位准确性。

Description

一种高灵敏光纤周界安全防护方法及系统

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是指一种高灵敏光纤周界安全防护方法及系统。

背景技术

近年来，目前周界安防技术越来越受到重视。特别在军事和重大安全防护需要的场所，如监狱、银行、机场等，高灵敏光纤周界安全防护系统几乎是必备的安全配置。传统的周界安防技术多采用电学传感器构成，其缺点在于抗电磁干扰能力差，不适合需要较长距离防护的场所，不适合应用在易燃、易爆、高温等恶劣的环境下。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高灵敏光纤周界安全防护方法及系统，能够提高系统的抗干扰能力。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种高灵敏光纤周界安全防护方法，所述高灵敏光纤周界安全防护方法包括：

接收敏感光路发送的光信号，所述光信号携带了高灵敏光纤周界安全防护系统的振动信息；

对所述光信号进行转换和处理，得到转换和处理后的数字信号数据；

采用双阈值判断法计算每一帧所述数字信号数据的电平穿过率，当电平穿过率超过预先设置的穿过率阈值时发出警报；

利用自适应的广义相关算法进行报警定位；

优选的，所述接收敏感光路发送的光信号，包括：

光从光源发出后，一部分经过第一耦合器和第二耦合器分光，分别从第三耦合器沿顺时针进入两根敏感光纤构成的双MZI干涉仪，然后再经过第四耦合器和第五耦合器，进入第一光电探测器；

另一部分经过第一耦合器和第五耦合器分光，分别从第四耦合器沿逆时针进入两根敏感光纤构成的MZI干涉仪，然后再经过第三耦合器和第二耦合器，进入第二光电探测器。

优选的，所述对所述光信号进行转换和处理，得到转换和处理后的数字信号数据，包括：

所述光信号通过第一光电探测器和第二光电探测器转变为电信号，所述电信号通过低通滤波器滤除高频信号，通过数模转换器转换为数字信号数据。

优选的，所述电平穿过率为帧长时间内，信号从低阈值到高阈值穿过电平过程的次数，所述采用双阈值判断法计算每一帧所述数字信号数据的电平穿过率，包括：

利用下式计算每一帧所述数字信号数据的电平穿过率：

其中，a为高阈值，b为低阈值，a＞b，x为信号的大小，n和m为数据编号，取值从0～N-1，N为一帧内数据的数量。Ψ为逻辑函数，变量为真，函数值为1，变量为假，函数值为0，n和m满足n＞m，且x(n)≥x(i)，m≤i≤n。

本发明还提供一种高灵敏光纤周界安全防护系统，其特征在于，所述高灵敏光纤周界安全防护系统包括：

光信号接收模块，用于接收敏感光路发送的光信号，所述光信号携带了高灵敏光纤周界安全防护系统的振动信息；

转换处理模块，用于对所述光信号进行转换和处理，得到转换和处理后的数字信号数据；

警报模块，用于采用双阈值判断法计算每一帧所述数字信号数据的电平穿过率，当电平穿过率超过预先设置的穿过率阈值时发出警报；

定位模块，用于利用自适应的广义相关算法进行报警定位。

优选的，所述系统还包括光信号发生模块，用于光从光源发出后，一部分经过第一耦合器和第二耦合器分光分别从第三耦合器沿顺时针进入两根敏感光纤构成的双MZI干涉仪，然后再经过第四耦合器和第五耦合器，进入第一光电探测器；

另一部分经过第一耦合器和第五耦合器分光分别从第四耦合器沿逆时针进入两根敏感光纤构成的MZI干涉仪，然后再经过第三耦合器和第二耦合器，进入第二光电探测器。

优选的，所述转换处理模块包括：第一光电探测器、第二光电探测器、低通滤波器和数模转换器；

第一光电探测器和第二光电探测器，用于将所述光信号转变为电信号；

低通滤波器，用于将所述电信号滤除高频信号；

数模转换器，用于将滤除高频信号后的电信号转换为数字信号数据。

优选的，所述警报模块包括：

通过率计算单元，用于利用下式计算每一帧所述数字信号数据的电平穿过率：

其中，LCR为电平穿过率，a为高阈值，b为低阈值，a＞b，x为信号的大小，n和m为数据编号，取值从0～N-1，N为一帧内数据的数量，Ψ为逻辑函数，变量为真，函数值为1，变量为假，函数值为0，n和m满足n＞m，且 x(n)≥x(i)，m≤i≤n。

优选的，所述定位模块包括：

定位单元，用于当t_k内发生报警，那么分别将t_k和t_k-1的数据D_cw(k)、 D_ccw(k)、D_cw(k-1)、D_ccw(k-1)进行快速傅立叶变换计算，得到频域信息F_cw(k)、 F_ccw(k)、F_cw(k-1)和F_ccw(k-1)；

对F_cw(k-1)和F_ccw(k-1)进行幅值分析，找出中频段频率范围内最大幅值 MAX_cw和MAX_ccw，找出F_cw(k-1)中频段内所有幅值大于0.5×MAX_cw的频率点{A_i， f_i}_cw以及F_ccw(k-1)中频段内所有幅值大于0.5×MAX_ccw的频率点{A_i，f_i}_ccw，将 t_k的频域数据中频率f_i处的频率减去A_i，作为t_k新的频率数据，即 F_cw(k，f_i)＝F_cw(k，f_i)-F_cw(k-1，f_i)和F_ccw(k，f_i)＝F_ccw(k，f_i)-F_ccw(k-1，f_i)；

将上述新得到的F_cw(k)和F_ccw(k)在频域进行共轭相乘，再做反快速傅立叶变换得到时域数据，该时域数据即为广义相关的结果，从该结果中找出绝对值最大所对应的位置即为CW和CCW检测到的事件发生的时延。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，通过采用双阈值判断法计算每一帧所述数字信号数据的电平穿过率，可以有效消除事件发生时的背景噪声带来的干扰，提高了系统的抗干扰能力；利用自适应的广义相关算法进行报警定位，能够提高入侵事件的响应速度和定位准确性。

附图说明

图1为本发明实施例的高灵敏光纤周界安全防护方法流程图；

图2为本发明实施例的高灵敏光纤周界安全防护方法电平穿过率判断示意图；

图3为本发明实施例的高灵敏光纤周界安全防护方法电平穿过率判断示意图；

图4为本发明实施例的高灵敏光纤周界安全防护方法电平穿过率判断示意图；

图5为本发明实施例的高灵敏光纤周界安全防护系统连接框图；

图6为本发明实施例的高灵敏光纤周界安全防护系统光信号发生模块机构示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1所示，本发明实施例的一种高灵敏光纤周界安全防护方法，所述高灵敏光纤周界安全防护方法包括：

步骤101：接收敏感光路发送的光信号，所述光信号携带了高灵敏光纤周界安全防护系统的振动信息。

步骤102：对所述光信号进行转换和处理，得到转换和处理后的数字信号数据。

步骤103：采用双阈值判断法计算每一帧所述数字信号数据的电平穿过率，当电平穿过率超过预先设置的穿过率阈值时发出警报。

步骤104：利用自适应的广义相关算法进行报警定位。

本发明实施例的高灵敏光纤周界安全防护方法，通过采用双阈值判断法计算每一帧所述数字信号数据的电平穿过率，可以有效消除事件发生时的背景噪声带来的干扰，提高了系统的抗干扰能力；利用自适应的广义相关算法进行报警定位，能够提高入侵事件的响应速度和定位准确性。

优选的，所述接收敏感光路发送的光信号，包括：

光从光源发出后，一部分经过第一耦合器和第二耦合器分光，分别从第三耦合器沿顺时针进入两根敏感光纤构成的双MZI干涉仪，然后再经过第四耦合器和第五耦合器，进入第一光电探测器；

另一部分经过第一耦合器和第五耦合器分光，分别从第四耦合器沿逆时针进入两根敏感光纤构成的MZI干涉仪，然后再经过第三耦合器和第二耦合器，进入第二光电探测器。

其中，所述光源具有较好的可靠性，能够提供足够大的光功率以抵消长距离传输的损耗对信噪比的影响；耦合器作为分光和和光的器件，其损耗应该尽可能的小，并且具有合适的分光比；敏感光纤可采用普通的通讯光缆，不需要使用特殊的传感光缆。在长距离测量时应该选用单模光纤，以及1550nm波长的光源，以降低传输损耗。

优选的，所述对所述光信号进行转换和处理，得到转换和处理后的数字信号数据，包括：

所述光信号通过第一光电探测器和第二光电探测器转变为电信号，所述电信号通过低通滤波器滤除高频信号，通过数模转换器转换为数字信号数据。

其中，所述第一光电探测器和第二光电探测器用来将光信号转换为电信号，第一光电探测器和第二光电探测器可以具有合适的跨阻以及电压输出，例如50kΩ的跨阻和0～+5V的电压输出。所述低通滤波器把第二光电探测器输出的信号进行低通滤波，消除高频部分的噪声。所述数模转换器将模拟信号转化为数字信号。数模转换器的采样速率S与系统的定位精度L设定有关，计算公式可以为，S＝1e8/L。如果预期的定位精度L＝10m，那么S＝10MHz。

优选的，所述对所述光信号进行转换和处理，得到转换和处理后的数字信号数据之后可以包括：

将采集到的CW信号和CCW信号同时送入FIFO_A或者FIFO_B。只有当一个FIFO存满一个周期的数据，才将数据存入另一个FIFO，如果FIFO_A存满，将FIFO_A的数据转存到RAM中保存。

优选的，所述电平穿过率为帧长时间内，信号从低阈值到高阈值穿过电平过程的次数，所述采用双阈值判断法计算每一帧所述数字信号数据的电平穿过率，包括：

利用下式计算每一帧所述数字信号数据的电平穿过率：

其中，a为高阈值，b为低阈值，a＞b，x为信号的大小，n和m为数据编号，取值从0～N-1，N为一帧内数据的数量。Ψ为逻辑函数，变量为真，函数值为1，变量为假，函数值为0，n和m满足n＞m，且x(n)≥x(i)，m≤i≤n。

如图2所示，图2中虚线椭圆所标示的曲线即为一次有效的穿越。

其中，高阈值与低阈值的差值应当大于系统的噪声方差，可以根据需要对信号分帧，帧的长度ΔT可根据需要进行设定，例如通常在100ms～10ms不等。帧长度一旦设定，系统将以固定帧的形式处理数据。

本实施例中，可以有效避免信号经过阈值过程中，由于高频噪声引起的电平波动引入的误穿越问题。在较为恶劣的环境下，可以有效减少过阈值在短时间内的波动数量，提高系统的抗干扰能力。

图3和图4分别是一帧振动信号时域图，图4是图3中椭圆区域的放大。采用单阈值计算图3中的LCR，取阈值为0，算出LCR＝39。再采用双阈值计算图3中的LCR，取阈值a＝500，b＝-500，算出LCR＝25。分析图4中振动信号，由于高频的扰动导致振动多次穿越0，导致LCR值虚高，极易引发误报警。而双阈值计算LCR可以有效屏蔽高频噪声引起的误扰动，提高系统抗干扰能力。

优选的，所述利用自适应的广义相关算法进行报警定位，包括：

当t_k内发生报警，那么分别将t_k和t_k-1的数据D_cw(k)、D_ccw(k)、D_cw(k-1)、 D_ccw(k-1)进行快速傅立叶变换计算，得到频域信息F_cw(k)、F_ccw(k)、F_cw(k-1)和 F_ccw(k-1)；

对F_cw(k-1)和F_ccw(k-1)进行幅值分析，找出中频段频率范围内最大幅值 MAX_cw和MAX_ccw，找出F_cw(k-1)中频段内所有幅值大于0.5×MAX_cw的频率点{A_i， f_i}_cw以及F_ccw(k-1)中频段内所有幅值大于0.5×MAX_ccw的频率点{A_i，f_i}_ccw，将t_k的频域数据中频率f_i处的频率减去A_i，作为t_k新的频率数据，即 F_cw(k，f_i)＝F_cw(k，f_i)-F_cw(k-1，f_i)和F_ccw(k，f_i)＝F_ccw(k，f_i)-F_ccw(k-1，f_i)；

将上述新得到的F_cw(k)和F_ccw(k)在频域进行共轭相乘，再做反快速傅立叶变换得到时域数据，该时域数据即为广义相关的结果，从该结果中找出绝对值最大所对应的位置即为CW和CCW检测到的事件发生的时延。

本实施例中，事件报警和定位的总时间通常不会超过100ms，自适应的广义相关算法可以实现对背景噪声自适应滤除，而不需要背景噪声的知识。因此，可以提高系统对环境的适应能力和抗干扰能力。

表1为对比计算在大风环境下普通相关算法的事件定位和采用自适应广义相关算法的事件定位的统计。实际的定位位置在900m处，表中单位m。

表1

从表中可以看出，采用自适应广义相关算法后，定位误差从最大800m，减少到240m，标准差从483.41m减少到127.83m。因此可见采取自适应广义相关算法显著的提高了系统抵抗环境干扰的能力。

本发明还提供一种高灵敏光纤周界安全防护系统，所述高灵敏光纤周界安全防护系统包括：

光信号接收模块501，用于接收敏感光路发送的光信号，所述光信号携带了高灵敏光纤周界安全防护系统的振动信息；

转换处理模块502，用于对所述光信号进行转换和处理，得到转换和处理后的数字信号数据；

警报模块503，用于采用双阈值判断法计算每一帧所述数字信号数据的电平穿过率，当电平穿过率超过预先设置的穿过率阈值时发出警报；

定位模块504，用于利用自适应的广义相关算法进行报警定位；

优选的，如图6所示，所述系统还包括光信号发生模块，用于光从光源发出后，一部分经过第一耦合器C3和第二耦合器C5分光，分别从第三耦合器C1沿顺时针进入两根敏感光纤构成的双MZI干涉仪，然后再经过第四耦合器 C2和第五耦合器C4，进入第一光电探测器；

另一部分经过第一耦合器C3和第五耦合器C4分光，分别从第四耦合器 C2沿逆时针进入两根敏感光纤构成的MZI干涉仪，然后再经过第三耦合器C1 和第二耦合器C5，进入第二 光电探测器。

优选的，所述转换处理模块包括：第一光电探测器、第二光电探测器、低通滤波器和数模转换器；

第一光电探测器和第二光电探测器，用于将所述光信号转变为电信号；

低通滤波器，用于将所述电信号滤除高频信号；

数模转换器，用于将滤除高频信号后的电信号转换为数字信号数据。

优选的，所述警报模块包括：

通过率计算单元，用于利用下式计算每一帧所述数字信号数据的电平穿过率：

其中，LCR为电平穿过率，a为高阈值，b为低阈值，a＞b，x为信号的大小，n和m为数据编号，取值从0～N-1，N为一帧内数据的数量，Ψ为逻辑函数，变量为真，函数值为1，变量为假，函数值为0，n和m满足n＞m，且 x(n)≥x(i)，m≤i≤n。

优选的，所述定位模块包括：

定位单元，用于当t_k内发生报警，那么分别将t_k和t_k-1的数据D_cw(k)、 D_ccw(k)、D_cw(k-1)、D_ccw(k-1)进行快速傅立叶变换计算，得到频域信息F_cw(k)、 F_ccw(k)、F_cw(k-1)和F_ccw(k-1)；

对F_cw(k-1)和F_ccw(k-1)进行幅值分析，找出中频段频率范围内最大幅值 MAX_cw和MAX_ccw，找出F_cw(k-1)中频段内所有幅值大于0.5×MAX_cw的频率点{A_i， f_i}_cw以及F_ccw(k-1)中频段内所有幅值大于0.5×MAX_ccw的频率点{A_i，f_i}_ccw，将 t_k的频域数据中频率f_i处的频率减去A_i，作为t_k新的频率数据，即 F_cw(k，f_i)＝F_cw(k，f_i)-F_cw(k-1，f_i)和F_ccw(k，f_i)＝F_ccw(k，f_i)-F_ccw(k-1，f_i)；

将上述新得到的F_cw(k)和F_ccw(k)在频域进行共轭相乘，再做反快速傅立叶变换得到时域数据，该时域数据即为广义相关的结果，从该结果中找出绝对值最大所对应的位置即为CW和CCW检测到的事件发生的时延。

本发明实施例的高灵敏光纤周界安全防护系统，采用的方法为高灵敏光纤周界安全防护方法，因此高灵敏光纤周界安全防护系统的特征与高灵敏光纤周界安全防护方法相同，在此不再赘述。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高灵敏光纤周界安全防护方法，其特征在于，所述高灵敏光纤周界安全防护方法包括：

接收敏感光路发送的光信号，所述光信号携带了高灵敏光纤周界安全防护系统的振动信息；

对所述光信号进行转换和处理，得到转换和处理后的数字信号数据；

采用双阈值判断法计算每一帧所述数字信号数据的电平穿过率，当电平穿过率超过预先设置的穿过率阈值时发出警报；

利用自适应的广义相关算法进行报警定位；

所述电平穿过率为帧长时间内，信号从低阈值到高阈值穿过电平过程的次数，所述采用双阈值判断法计算每一帧所述数字信号数据的电平穿过率，包括：

利用下式计算每一帧所述数字信号数据的电平穿过率：

其中，a为高阈值，b为低阈值，a＞b，x为信号的大小，n和m为数据编号，取值从0～N-1，N为一帧内数据的数量，Ψ为逻辑函数，变量为真，函数值为1，变量为假，函数值为0，n和m满足n＞m，且x(n)≥x(i)，m≤i≤n；

所述利用自适应的广义相关算法进行报警定位，包括：

当t_k内发生报警，那么分别将t_k和t_k-1的数据D_cw(k)、D_ccw(k)、D_cw(k-1)、D_ccw(k-1)进行快速傅立叶变换计算，得到频域信息F_cw(k)、F_ccw(k)、F_cw(k-1)和F_ccw(k-1)；

对F_cw(k-1)和F_ccw(k-1)进行幅值分析，找出中频段频率范围内最大幅值MAX_cw和MAX_ccw，找出F_cw(k-1)中频段内所有幅值大于0.5×MAX_cw的频率点{A_i，f_i}_cw以及F_ccw(k-1)中频段内所有幅值大于0.5×MAX_ccw的频率点{A_i，f_i}_ccw，将t_k的频域数据中频率f_i处的频率减去A_i，作为t_k新的频率数据，即F_cw(k，f_i)＝F_cw(k，f_i)-F_cw(k-1，f_i)和F_ccw(k，f_i)＝F_ccw(k，f_i)-F_ccw(k-1，f_i)；

将上述新得到的F_cw(k)和F_ccw(k)在频域进行共轭相乘，再做反快速傅立叶变换得到时域数据，该时域数据即为广义相关的结果，从该结果中找出绝对值最大所对应的位置即为CW和CCW检测到的事件发生的时延。

2.根据权利要求1所述的高灵敏光纤周界安全防护方法，其特征在于，所述接收敏感光路发送的光信号，包括：

光从光源发出后，一部分经过第一耦合器和第二耦合器分光，分别从第三耦合器沿顺时针进入两根敏感光纤构成的双MZI干涉仪，然后再经过第四耦合器和第五耦合器，进入第一光电探测器；

另一部分经过第一耦合器和第五耦合器分光，分别从第四耦合器沿逆时针进入两根敏感光纤构成的MZI干涉仪，然后再经过第三耦合器和第二耦合器，进入第二光电探测器。

3.根据权利要求1所述的高灵敏光纤周界安全防护方法，其特征在于，所述对所述光信号进行转换和处理，得到转换和处理后的数字信号数据，包括：

所述光信号通过第一光电探测器和第二光电探测器转变为电信号，所述电信号通过低通滤波器滤除高频信号，通过数模转换器转换为数字信号数据。

4.一种高灵敏光纤周界安全防护系统，其特征在于，所述高灵敏光纤周界安全防护系统包括：

光信号接收模块，用于接收敏感光路发送的光信号，所述光信号携带了高灵敏光纤周界安全防护系统的振动信息；

转换处理模块，用于对所述光信号进行转换和处理，得到转换和处理后的数字信号数据；

警报模块，用于采用双阈值判断法计算每一帧所述数字信号数据的电平穿过率，当电平穿过率超过预先设置的穿过率阈值时发出警报；

定位模块，用于利用自适应的广义相关算法进行报警定位；

所述定位模块包括：

定位单元，用于当t_k内发生报警，那么分别将t_k和t_k-1的数据D_cw(k)、D_ccw(k)、D_cw(k-1)、D_ccw(k-1)进行快速傅立叶变换计算，得到频域信息F_cw(k)、F_ccw(k)、F_cw(k-1)和F_ccw(k-1)；

对F_cw(k-1)和F_ccw(k-1)进行幅值分析，找出中频段频率范围内最大幅值MAX_cw和MAX_ccw，找出F_cw(k-1)中频段内所有幅值大于0.5×MAX_cw的频率点{A_i，f_i}_cw以及F_ccw(k-1)中频段内所有幅值大于0.5×MAX_ccw的频率点{A_i，f_i}_ccw，将t_k的频域数据中频率f_i处的频率减去A_i，作为t_k新的频率数据，即F_cw(k，f_i)＝F_cw(k，f_i)-F_cw(k-1，f_i)和F_ccw(k，f_i)＝F_ccw(k，f_i)-F_ccw(k-1，f_i)；

将上述新得到的F_cw(k)和F_ccw(k)在频域进行共轭相乘，再做反快速傅立叶变换得到时域数据，该时域数据即为广义相关的结果，从该结果中找出绝对值最大所对应的位置即为CW和CCW检测到的事件发生的时延；

所述警报模块包括：

通过率计算单元，用于利用下式计算每一帧所述数字信号数据的电平穿过率：

其中，LCR为电平穿过率，a为高阈值，b为低阈值，a＞b，x为信号的大小，n和m为数据编号，取值从0～N-1，N为一帧内数据的数量，Ψ为逻辑函数，变量为真，函数值为1，变量为假，函数值为0，n和m满足n＞m，且x(n)≥x(i)，m≤i≤n。

5.根据权利要求4所述的高灵敏光纤周界安全防护系统，其特征在于，所述系统还包括光信号发生模块，用于光从光源发出后，一部分经过第一耦合器和第二耦合器分光分别从第三耦合器沿顺时针进入两根敏感光纤构成的双MZI干涉仪，然后再经过第四耦合器和第五耦合器，进入第一光电探测器；

另一部分经过第一耦合器和第五耦合器分光分别从第四耦合器沿逆时针进入两根敏感光纤构成的MZI干涉仪，然后再经过第三耦合器和第二耦合器，进入第二光电探测器。

6.根据要求根据权利要求4所述的高灵敏光纤周界安全防护系统，其特征在于，所述转换处理模块包括：第一光电探测器、第二光电探测器、低通滤波器和数模转换器；

第一光电探测器和第二光电探测器，用于将所述光信号转变为电信号；

低通滤波器，用于将所述电信号滤除高频信号；

数模转换器，用于将滤除高频信号后的电信号转换为数字信号数据。