CN111489514A - 一种长距离周界安防定位与监控装置及其方法 - Google Patents

一种长距离周界安防定位与监控装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种长距离周界安防定位与监控的装置和方法，所述装置包括光源模块、传感模块、探测模块、数据采集与处理模块以及无人机视频信息采集模块。同时还公开了一种应用于该装置的定位与监控方法，包括如下步骤：探测并采集信号，判断光信号的偏振状态，执行偏振控制算法，执行入侵行为判定，获取入侵信息，使用无人机采集入侵点视频。本发明将分布式光纤扰动传感技术与无人机视频监控技术进行合理的结合，同时使用偏振控制算法，入侵点定位算法和模式识别算法，适用于长距离野外环境的周界安防；同时充分利用无人机视频监控系统的优点，实现了入侵点及其周边区域的实时全方位视频监控。

Description

一种长距离周界安防定位与监控装置及其方法
技术领域
本发明属于周界安防领域，特别涉及一种基于分布式光纤扰动传感与无人机联动的长距离周界安防定位与监控装置及其方法。
背景技术
周界安防又称入侵监测、围栏监测。传统周界安防主要是指物理防范如围墙、栅栏、铁丝网等，现代周界安防主要是指利用入侵探测器替代人为巡逻的高技术含量的系统，常见的有电子脉冲/张力围栏、激光器/红外线对射系统、高墙上的电网以及微波雷达等等。但是这几种现代周界安防技术普遍存在防范距离有限、抗电磁干扰能力差、灵敏度较低、电力依赖性较高等特点，而国境线、石油输油管线和通信主干光缆等长距离周界安防场合，需要防范的距离长，并处于野外环境，由于难以供电或者因其输送物资的特殊性不能进行供电，因此不适用上述的这几种周界安全防范技术。
分布式光纤扰动传感系统采用无源光波干涉技术实现对传感光缆上的扰动点进行探测，系统具有电力依赖性比较低、抗电磁干扰能力比较强以及环境耐受性和抗腐蚀性比较好等优良特性，可以在缺少有源器件、电磁环境复杂的野外环境下实现长距离周界安全防范，但是也存在影响光纤扰动传感系统的定位精度的因素，如光源线宽的展宽、单模光纤的双折射效应以及周围环境的相位噪声等。
刘琨等人的《多防区光纤周界安防系统及入侵快速判定算法》(光电子·激光,2015,26(02):288-294)公开了一种基于每帧信号的过门限率、一组信号的报警帧个数和一组信号最大值和最小值的比值差异系数3个特征参量的入侵快速判定算法，降低了系统由于外界轻微扰动、风、雨等环境因素导致的误报，提高了系统的准确性和实时性。
李鹏程等人的《基于FPGA的分布式光纤传感系统偏振控制研究》(中国激光,2018,45(05):229-235.)公开了一种基于改进的和声搜索(IHS)算法的偏振控制算法，该算法能够在短时间内调整系统偏振态，有效地改善了系统中的偏振退化和偏振相位漂移现象。
CN208459615A公开了一种基于分布式光纤传感器的周界安防系统，以传感光纤作为传感介质，将各传感模块与监控中心连接，但该安防系统适于短距离安防监控，无法克服长距离带来的定位误差对系统效能的影响。
CN109326070A公开了一种周界安防系统及其监测方法，其利用应力与振动效应的转换以及光纤对振动感应的探测提供了一种无源监测系统。但其仍适用于短距离安防。
CN107277443A公开了一种大范围周边安全监控方法和系统，其通过建立入侵特征库，采集数据并进行入侵数据对比进行分析判断。
虽然可以采取偏振控制和改进定位算法等一系列措施来提高系统的定位精度但仍然没办法完美解决长距离监控场景下定位误差所带来的问题，同时分布式光纤扰动传感系统只能对入侵行为进行入侵点定位和模式识别，无法实现对入侵点周围区域进行实时全方位的视频监控。
现有的分布式光纤扰动与视频联动的周界安全监控系统，虽然可以在一定程度上弥补分布式光纤扰动传感系统长距离情况下定位误差对系统效能的影响，并且可以实现对入侵点的视频监控，但是该系统需要一整套的视频监控系统与其配套，成本较高，并且维护起来非常不便，还容易受到人为破坏，另外视频监控系统的灵活度不高，摄像机只能按照预先设置好的旋转角度进行旋转，无法实现对入侵点及其周边区域的全方位视频监控，存在监控盲区。
发明内容
本发明的目的在于克服上述背景技术存在的缺陷，提供一种分布式光纤扰动传感系统与无人机视频监控系统结合起来的长距离周界安防定位与监控的装置及方法，本发明将分布式光纤扰动传感技术与无人机视频监控技术进行合理的结合，并融合偏振控制算法、入侵点定位算法、模式识别算法，适用于长距离野外环境的周界安防。本发明通过偏振控制算法解决长距离周界安防存在的偏振退化和相位漂移问题，通过入侵点定位算法和模式识别算法能够实现对非法入侵行为进行入侵位置定位、入侵模式识别，通过与无人机视频监控系统进行联动实现了入侵点及其周边区域的实时全方位视频监控。
一种长距离周界安防定位与监控装置，包括光源模块、传感模块、探测模块、数据采集与处理模块以及无人机视频信息采集模块。其中：
光源模块：包括窄线宽激光器和可调节衰减器，其中所述窄线宽激光器用于为所述传感模块提供稳定的窄线宽光信号，所述可调节衰减器用于衰减所述光源模块输出的光功率从而实现所述光源模块和所述传感模块之间的光功率匹配。
传感模块：包括扰动信号传感光路和偏振控制组件；所述扰动信号传感光路包括耦合器构建的光纤双马赫-曾德干涉仪，用于探测传感链路上的扰动信号；所谓偏振控制组件包括设置在所述光纤双马赫-曾德干涉仪两臂上的偏振控制器和相位调制器，用于对光信号进行偏振控制。
探测模块：用于探测传感模块输出的两路干涉光信号并将其转换成电压信号。
数据采集与处理模块：用于采集探测模块输出的连续电压模拟信号将其离散量化为数字信号，判断信号的偏振状态，如果计算得到的信号反馈值大于预设值，使用传感模块对该光信号进行偏振控制，直至信号反馈值不大于预设值时，执行入侵行为判定，使用入侵点定位算法和入侵模式识别算法对采集的数字信号进行处理，得到入侵点的入侵信息，然后发送入侵信息至客户端。
无人机视频信息采集模块：包括无人机，视频信息采集模块，电传模块和图传模块。接收到客户端的指令后，指示无人机飞向出现入侵行为的目标区域。无人机抵达发生入侵行为的目标区域后利用其搭载的视频信息采集模块对入侵点及其周围区域进行实时全方位的视频采集，并通过所述无人机视频信息采集模块的图传模块将视频信号实时传送至客户端。
进一步的，所述入侵点的入侵信息包括侵点的位置坐标和入侵行为模式。
本发明还提供一种应用于上述定位与监控装置的一种长距离周界安防定位与监控方法，包括：
S1：探测并采集信号：持续探测传感模块输出的光信号并将其转换成电压信号，利用数据采集与处理模块从探测模块中采集一帧信号并离散量化为数字信号；
S2：判断光信号的偏振状态：判断计算得到的信号反馈值是否大于预设值，如果信号反馈值大于预设值，执行步骤S3，否则执行步骤S4；
S3：执行偏振控制算法，使用所述偏振控制器和所述相位调制器对光信号进行偏振控制，直至得到的信号反馈值不大于预设值，返回步骤S1；
S4：执行入侵行为判定：使用入侵快速判定算法对采集到的信号进行分析，判断是否有入侵行为；如果判定所述信号不是入侵信号，返回步骤S1；如果判定为入侵信号，对采集到的信号执行入侵点定位算法和入侵模式识别算法；
S5：计算入侵点的位置坐标和入侵行为模式信息，并传送至客户端；
S6：接收客户端的指令，指示所述无人机飞向所述入侵点的位置坐标，在所述无人机抵达所述入侵点的位置坐标后，利用其搭载的视频信息采集模块对入侵点及其周围区域进行实时全方位的视频采集，并通过所述无人机视频信息采集模块的图传模块将视频信号实时传送至客户端。
进一步的，步骤S2中的所述预设值为0.02。
进一步的，在步骤S2“判断计算得到的信号反馈值是否大于预设值”中，所述信号反馈值的计算采用的公式如下：
Figure BDA0002417742260000041
式中，r为信号反馈值，表示装置受到偏振效应的影响程度。
本发明的有益效果：
1.将分布式光纤扰动传感技术与无人机视频监控技术进行合理的结合，适用于长距离野外环境的周界安防；
2.通过偏振控制算法解决长距离周界安防存在的偏振退化和相位漂移问题，通过入侵点定位算法和模式识别算法能够实现对非法入侵行为进行入侵位置定位、入侵模式识别。
3.充分利用无人机视频监控系统操作方便简单、飞行灵活快速、可以实现高危险情景探测等优点，对分布式光纤扰动传感系统的不足之处提供有力的补充，实现了入侵点及其周边区域的实时全方位视频监控。
附图说明
图1是本发明所述的长距离周界安防定位与监控装置示意图；
图2是本发明所述的长距离周界安防定位与监控方法的流程图；
图3是偏振控制前后的干涉信号图；其中，图3(a)是偏振控制前的传感信号波形图，图3(b)是偏振控制后的传感信号波形图；以及
图4是分布式光纤传感系统定位原理图。
其中，
2：光源模块 3：传感模块 4：探测模块 5：数据采集与处理模块
6：无人机视频信息采集模块 7：窄线宽激光器 8：可调节衰减器
C1，C4，C5：耦合器 C2，C3：环形器 PD1，PD2：光电探测器
PC：偏振控制器 PM：相位调节器 DC：驱动电路 DAQ：数据采集卡
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述，所描述的具体的实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
如图1所示，一种长距离周界安防定位与监控装置，包括光源模块2、传感模块3、探测模块4、数据采集与处理模块5以及无人机视频信息采集模块6。
其中：
电源模块(图中未示出)：将输入的220V交流电压转换为+5V和±12V直流电压，其中+5V提供给所述窄线宽激光器及所述探测模块4，±12V提供给偏振控制器PC。
光源模块2：包括所述窄线宽激光器7和所述可调节衰减器8，其中所述窄线宽激光器7选用Dense Light公司商售的超窄线宽DFB激光器(DL-BF9-CLS101B-S1550)，该激光器的中心波长为1550nm(实测1549.800nm)，输出频率稳定性优于34.6kHz/s，典型线宽小于10kHz～50kHz，并通过所述可调节衰减器8实现光源模块2和传感模块3之间的光功率匹配。
传感模块3：包括由两根单模光纤，并通过耦合器构建的光纤双马赫-曾德干涉仪和偏振控制组件，其中光纤双马赫-曾德干涉仪用于探测传感链路上的扰动信号，所谓偏振控制组件包括设置在光纤双马赫-曾德干涉仪两臂上的偏振控制器PC和相位调制器PM，用于对光信号进行偏振控制。
探测模块4：选用PIN光电探测器，工作模式选择为光伏工作模式，采用5V单端供电，用于探测传感模块输出的两路光学干涉信号并将其转换成电压信号。
数据采集与处理模块5：选用NI公司的市售采集卡PCI-5122作为系统数据采集单元，该采集卡最高采样率能够达到l00MHz，采集数据的精度为14bit，能够充分满足数据处理精度的要求，本发明所述的装置信号是分帧进行处理的，一帧的长度设定为0.3s。所述数据采集与处理模块5用于采集探测模块4输出的连续电压模拟信号将其离散量化为数字信号，判断信号的偏振状态，如果计算得到的信号反馈值大于预设值0.02，使用传感模块对该光信号进行偏振控制，直至信号反馈值不大于0.02时，执行入侵行为判定，使用入侵点定位算法和入侵模式识别算法对采集的数字信号进行处理，得到入侵点的位置坐标和入侵行为模式等入侵信息，然后发送入侵信息至客户端。
无人机视频信息采集模块7：包括无人机，电传模块和图传模块。接收到客户端的指令后，无人机迅速向出现入侵行为的目标区域飞行，无人机抵达发生入侵行为的目标区域后利用其搭载的视频信息采集模块对入侵点及其周围区域进行实时全方位的视频采集，并通过其搭载的图传模块将视频信号实时传送至客户端。
如图2所示，利用偏振控制算法、入侵点定位算法、入侵模式识别算法，本发明涉及一种应用所述定位与监控装置的长距离周界安防定位与监控方法，包括如下步骤：
探测并采集信号：持续探测传感模块3输出的光信号并将其转换成电压信号，利用数据采集与处理模块5从探测模块4中采集一帧信号并离散量化为数字信号，每一帧信号对应的采样时间为0.3s；
判断光信号的偏振状态：
将上一步中获取的数字信号代入公式(1)获得信号反馈值：
Figure BDA0002417742260000061
式中，r为信号反馈值，表示装置受到偏振效应的影响程度；
理想情况下kCW＝kCCW＝1,γCW＝γCCW，两路信号存在固定时延τ0，此时r＝0，但是当偏振效应影响增大时，两路信号一致性变差，r变大。
如果r＞0.02，表示系统传感光路中光信号存在严重的偏振相位漂移和偏振退化的现象，则执行步骤S3，执行偏振控制算法，对传感光路中的光信号进行偏振控制，直至满足r≤0.02；
如果r≤0.02时，则跳过偏振控制算法，执行“入侵行为判定”步骤。
执行入侵行为判定：使用入侵快速判定算法对采集到的信号进行分析，判断是否有入侵行为；如果判定所述信号不是入侵信号，返回初始步骤“探测并采集信号”，继续探测并采集信号；如果判定为入侵信号，对采集到的信号执行入侵点定位算法和入侵模式识别算法；
计算入侵点的位置坐标和入侵行为模式信息，并传送至客户端；
接收客户端的指令，指示所述无人机飞向所述入侵点的位置坐标，在所述无人机抵达所述入侵点的位置坐标后，利用其搭载的视频信息采集模块对入侵点及其周围区域进行实时全方位的视频采集，并通过所述无人机视频信息采集模块的图传模块将视频信号实时传送至客户端。
如图3所示，使用偏振控制算法对传感光纤中的光信号进行偏振控制，以克服传感光纤中的偏振退化和偏振相位漂移问题，图3(a)是偏振控制前的传感信号的波形图，图3(b)是偏振控制后的传感信号的波形图，可见偏振控制能够有效抑制偏振退化和偏振相位漂移的影响，从而最大化两路信号的可见度并使两路信号具有很好的一致性。
本发明涉及的分布式光纤传感系统定位原理图如图4所示，光源发出的光在传感环路中分别沿顺时针和逆时针方向传播，并在对端的耦合器发生干涉。当传感光纤上Z＝x处，发生入侵行为时，传感光纤中顺时针和逆时针方向的两路传感信号会受到相位调制，由于两路传感信号中的调制信号到达探测器的时间不一致，存在时间差Δτ。通过入侵点定位算法可以计算出入侵点的位置为
Figure BDA0002417742260000071
其中v为光信号在传感光纤中的传播速度，单位m/s，l是传感光缆的长度。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种长距离周界安防定位与监控的装置，包括光源模块、传感模块、探测模块、数据采集与处理模块以及无人机视频信息采集模块，其特征在于：
光源模块：包括窄线宽激光器和可调节衰减器，其中所述窄线宽激光器用于为所述传感模块提供稳定的窄线宽光信号，所述可调节衰减器用于衰减所述光源模块输出的光功率从而实现所述光源模块和所述传感模块之间的光功率匹配；
传感模块：包括扰动信号传感光路和偏振控制组件；所述扰动信号传感光路包括耦合器构建的光纤双马赫-曾德干涉仪，用于探测传感链路上的扰动信号；所谓偏振控制组件包括设置在所述光纤双马赫-曾德干涉仪两臂上的偏振控制器和相位调制器，用于对光信号进行偏振控制；
探测模块：用于探测传感模块输出的两路干涉光信号并将其转换成电压信号；
数据采集与处理模块：用于采集探测模块输出的连续电压模拟信号将其离散量化为数字信号，判断信号的偏振状态，如果计算得到的信号反馈值大于预设值，使用传感模块对该光信号进行偏振控制，直至信号反馈值不大于预设值时，执行入侵行为判定，使用入侵点定位算法和入侵模式识别算法对采集的数字信号进行处理，得到入侵点的入侵信息，然后发送入侵信息至客户端；
无人机视频信息采集模块：包括无人机，视频信息采集模块，电传模块和图传模块；
接收到客户端的指令后，指示无人机飞向出现入侵行为的目标区域，无人机抵达发生入侵行为的目标区域后利用其搭载的视频信息采集模块对入侵点及其周围区域进行实时全方位的视频采集，并通过所述无人机视频信息采集模块的图传模块将视频信号实时传送至客户端。
2.根据权项1所述的长距离周界安防定位与监控的装置，其特征在于，所述入侵点的入侵信息包括侵点的位置坐标和入侵行为模式。
3.一种应用于如权项1所述的定位与监控装置的一种长距离周界安防定位与监控方法，包括：
S1：探测并采集信号：持续探测传感模块输出的光信号并将其转换成电压信号，利用数据采集与处理模块从探测模块中采集一帧信号并离散量化为数字信号；
S2：判断光信号的偏振状态：判断计算得到的信号反馈值是否大于预设值，如果信号反馈值大于预设值，执行步骤S3，否则执行步骤S4；
S3：执行偏振控制算法，使用所述偏振控制器和所述相位调制器对光信号进行偏振控制，直至得到的信号反馈值不大于预设值，返回步骤S1；
S4：执行入侵行为判定：使用入侵快速判定算法对采集到的信号进行分析，判断是否有入侵行为；如果判定所述信号不是入侵信号，返回步骤S1；如果判定为入侵信号，对采集到的信号执行入侵点定位算法和入侵模式识别算法；
S5：获取入侵信息：计算入侵点的位置坐标和入侵行为模式信息，并传送至客户端；
S6：使用无人机采集入侵点视频：接收客户端的指令，指示所述无人机飞向所述入侵点的位置坐标，在所述无人机抵达所述入侵点的位置坐标后，利用其搭载的视频信息采集模块对入侵点及其周围区域进行实时全方位的视频采集，并通过所述无人机视频信息采集模块的图传模块将视频信号实时传送至客户端。
4.根据权项3所述的长距离周界安防定位与监控方法，其特征在于，所述步骤S2中的所述预设值为0.02。
5.根据权项3或4所述的长距离周界安防定位与监控方法，其特征在于，在步骤S2“判断计算得到的信号反馈值是否大于预设值”中，所述信号反馈值的计算采用的公式如下：
Figure FDA0002417742250000021
式中，r为信号反馈值，表示装置受到偏振效应的影响程度。
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