CN202736205U - 一种光纤光栅周界防入侵系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种光纤光栅周界防入侵系统，该系统包括相连的现场光纤探测设备和控制设备，现场光纤探测设备包括复数路探测通道，每路探测通道包括级联的光纤震动探测器，控制设备包括相连的光纤光栅信号解调器和报警管理计算机，探测通道与光纤光栅信号解调器相连。本实用新型灵敏度高，报警性能好，并且误报率较低。

Description

一种光纤光栅周界防入侵系统

技术领域

本实用新型属于光纤周界安防技术领域，涉及用于光纤光栅周界防入侵系统的数据处理方法与报警信号输出流程。

背景技术

近年来，随着光纤光栅传感技术的飞速发展，基于光纤布拉格光栅振动传感技术的周界安防系统正在被越来越多的用户使用。光纤光栅周界安防系统采用光纤光栅振动传感器作为传感单元，同时集成了高速光纤光栅波长解调、高速光纤通信、实时视频信息显示、现代数字信号处理及大容量数据存储等多项先进技术；该光纤周界安防系统能够在大范围内实现对非法入侵行为的精确定址，更兼具现场无源防爆、耐候防雷、长使用寿命、高灵敏度、安全可靠等技术优势，在工程应用中收效良好，具有广阔的市场前景。但正是由于光纤光栅传感技术的高灵敏度优势，使得系统在现实中复杂的安装环境下运行时极易发生误报，例如：大风、降雨、车辆运行、轨道交通、小动物活动、海浪潮汐等因素都极易触发系统产生误报，进而降低了系统的实际使用效果。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种光纤光栅周界防入侵系统，本实用新型灵敏度高，报警性能好，并且误报率较低。

一种光纤光栅周界防入侵系统，包括相连的现场光纤探测设备和控制设备，现场光纤探测设备包括复数路探测通道，每路探测通道包括级联的光纤震动探测器，控制设备包括相连的光纤光栅信号解调器和报警管理计算机，探测通道与光纤光栅信号解调器相连。

所述的系统，该系统还包括可扩展设备，可扩展设备包括扩展光纤光栅信号解调器和网络交换机，扩展光纤光栅信号解调器与光纤光栅信号解调器相连，扩展光纤光栅信号解调器还外接扩展探测通道，网络交换机与报警管理计算机相连。

所述的系统，可扩展设备还包括硬盘录像机，硬盘录像机通过继电器输出板与报警管理计算机相连。

所述的系统，每路探测通道均与光纤接续盒相连，复数个光纤接续盒级联后接至传输光缆。

所述的系统，探测通道与光纤光栅信号解调器之间还设有光纤终端盒。探测通道可通过传输光缆接至光纤终端盒。

本实用新型的有益效果为：

1.在保证光纤光栅周界防入侵系统具有高灵敏度的同时降低了系统误报率。

2.实现了对环境干扰信号的辨别，提升了光纤光栅周界防入侵系统的性能，便于进行市场推广和工程应用。

附图说明

图1为光纤光栅周界防入侵系统结构图。图中包括光纤光栅振动传感器1，光缆终端盒2，尾纤3，光纤光栅信号解调器4，网线5，报警管理计算机6，通讯线7，继电器输出板8，可扩展防区9，可扩展光纤光栅信号解调器10，可扩展网络交换机11，硬盘录像机12，光纤接续盒13，传输光缆14。

图2为时域报警算法流程图。

图3为频域分辨算法流程图。

图4为光纤光栅周界防入侵系统的报警策略流程图。

具体实施方式

为了克服光纤光栅周界防入侵系统的高灵敏度与低误报率不能同时兼顾的难题，本实用新型通过对由光纤光栅解调仪测得的各传感单元内光纤光栅波长数据的时间序列进行时域和频域的双重数字信号处理，可以屏蔽非人为活动引发的误报输出，使得系统仅对非法入侵人员的攀爬翻越等恶意入侵行为敏感；既保证了光纤周界系统的高灵敏度特性，又极大地降低了系统的误报率。本实用新型为光纤周界安防监测系统的深入研究提供了一个全新的思路和方向，提升了光纤周界安防报警监测技术的准确性，使基于光纤光栅振动传感技术的周界安全得到有更有力的保障。

一种光纤光栅周界防入侵系统，包括相连的现场光纤探测设备和控制设备，现场光纤探测设备包括复数路探测通道，每路探测通道包括级联的光纤震动探测器1，控制设备包括相连的光纤光栅信号解调器4和报警管理计算机6，探测通道与光纤光栅信号解调器4相连。

所述的系统，该系统还包括可扩展设备，可扩展设备包括扩展光纤光栅信号解调器10和网络交换机11，扩展光纤光栅信号解调器10与光纤光栅信号解调器4相连，扩展光纤光栅信号解调器10还外接扩展探测通道，网络交换机11与报警管理计算机6相连。

所述的系统，可扩展设备还包括硬盘录像机12，硬盘录像机12通过继电器输出板8与报警管理计算机6相连。

所述的系统，每路探测通道均与光纤接续盒13相连。复数个光纤接续盒13级联后接至传输光缆14。

所述的系统，探测通道与光纤光栅信号解调器4之间还设有光纤终端盒2。探测通道可通过传输光缆14接至光纤终端盒2。

本实用新型在使用时，包括光纤光栅波长基准值更新算法、光纤光栅波长时间序列的时域信息处理算法和光纤光栅波长信息的频域分辨算法。光纤光栅波长基准值更新算法可以避免外界温度效应对光纤光栅振动传感单元信号处理的影响。光纤光栅波长时间序列的时域信息处理算法可以分辨光纤光栅振动传感单元的运行状态，即是平稳运行状态还是受到外界扰动产生一定量的波长变化状态，可以排除一些典型的误报波形。光纤光栅波长信息的频域分辨算法，该算法利用各种激励源的频谱特征，能够分辨出由环境因素造成的误报信息，保留有效的非法入侵行为信息，使系统能够同时保证较高的灵敏度和较低的误报率。

一种光纤光栅波长基准值更新算法，该算法包括以下几个步骤：

步骤(1)解调仪表异常数据处理：通过软件进行数据过滤，主要解决因各种原因造成的光纤光栅解调仪输出数据中异常情况，如波长数据的短时间内的极大偏移和波长跳变等。上位机软件会自动过滤掉这些异常数据并向仪表发送代表“错误”的指令，仪表收到指令后会根据指令所表达的错误类型进行解调仪表自检。

步骤(2)光纤光栅基准波长实时校准：由于光纤光栅振动传感器对应力和温度都较为敏感，在实际应用中当外界环境温度变化时会造成波长偏移。软件通过采集平稳状态下的N秒内波长数据进行取均值运算(前提是这N秒内无报警，若有报警暂不更新基准波长)，实现光纤光栅波长基准值的实时更新。

步骤(3)光纤光栅中心波长强制校准：当外界一直存在扰动信息的时候，基准值波长有可能很长时间都不进行更新(风雨等恶劣天气时)，这时需要指定一个固定的时间间隔T，超过该时间间隔后，系统将选取临近时间段内的数据进行取均值运算，强制性更新波长基准值，以克服温度效应引起的波长漂移。

一种波长时间序列的时域信息处理算法，该算法包括以下几个步骤：

步骤(4)创建先进先出型光纤光栅实时波长数据队列：便于被程序任意调用与保存。

步骤(5)创建先进先出型时间片队列：获取光纤光栅特征波长的变化信息。

步骤(6)标记时间片队列中的异常事件：构建结构体型变量，统计时域内各个时间片内的最大值并与预先设定的阈值参数进行比较，满足条件后保存当前时间片队列，输出给频域分析算法单元处理，系统进入预报警状态，实时波长数据队列开启数据保存功能。

一种波长信息的频域分辨算法，该算法包括以下几个步骤：

步骤(7)设定非法入侵行为的频谱特征量：该特征量由入侵模拟实验生成，由于不同激励信号的特征频率和信号幅度均存在差距，可以利用这些特征参数作为识别入侵模式的经验判据输入。

步骤(8)计算光纤光栅波长时间序列的幅度谱：可运用快速傅里叶变换算法求得。

步骤(9)报警信息输出：经过频域特征信息比对后，可以抑制由环境因素引起已经预警的记录，保留真实的非法入侵报警信息，并将该报警信息输出到人机交互界面，并触发声光报警和视频联动功能，由保安执勤人员进行处警。

下面结合具体实施方式进一步详述本实用新型。

本实用新型的光纤光栅周界防入侵系统的报警方法包括：首先对光纤光栅波长基准值进行更新；然后针对光纤光栅信号解调器接收到的波长序列进行时域处理，分辨光纤震动探测器的运行状态，若所述探测器运行状态正常且捕捉到异常信号，则进入预报警状态；对预报警状态下的异常信号的波长信息进行频域分辨，保留有效的非法入侵行为信息，完成报警过程。

所述的方法，对光纤光栅波长基准值进行更新的方法为：

S11)解调仪表异常数据处理：检查光纤光栅信号解调器的仪表数据是否异常(当波长变化量超过400pm时称为异常仪表数据)，若有异常则通过报警管理计算机上的上位机软件过滤掉这些异常数据并向仪表发送代表错误的指令，仪表收到指令后根据指令所表达的错误类型进行解调仪表自检；

S12)光纤光栅基准波长实时校准：若所述防入侵系统处于平稳状态下时，上位机软件从光纤光栅信号解调器采集平稳状态下的N秒内波长数据并进行取均值运算，运算结果作为校准后的基准波长；若所述防入侵系统处于报警状态时，停止实时校准过程；若超过固定的时间间隔T(图4中的20s)，基准波长仍未得到校准，则进入下一步；

S13)光纤光栅中心波长强制校准：上位机软件选取临近时间段内(临近时间段的取值范围为100秒)的波长数据进行取均值运算，强制性更新波长基准值。

所述的方法，对波长序列进行时域处理，分辨光纤震动探测器的运行状态的方法包括：

S21)创建先进先出型光纤光栅实时波长数据队列；

S22)创建先进先出型时间片队列，获取一个时间片内的光纤光栅特征波长的变化信息，并写入实时波长数据队列；

S23)计算出波长偏移值，如果波长偏移值大于阈值(典型阈值为70pm)且小于最大偏移量(典型值为400pm)，进入下一步；若波长偏移值大于最大偏移量，则返回步骤S22，获取一个新时间片内的光纤光栅特征波长的变化信息；

S24)若这个异常波长偏移值所处的时间点是该时间片中第一个异常值，则将此时间片做上异常的标记；

S25)检测时间片队列是否已排满，若已排满则进入下一步，否则返回步骤S22获取一个新时间片内的光纤光栅特征波长的变化信息；

S26)统计时间片队列打上异常标记的时间片数量，若满足策略条件则保存当前时间片队列，保存实时波长数据队列的数据，系统进入预报警状态；否则返回步骤S21。

所述的方法，对异常信号的波长信息进行频域分辨完成报警过程的方法包括：

S31)输入时域预报警时的光纤光栅实时波长数据队列；

S32)获取由步骤S12)计算得到的每个光纤光栅的基准波长数据；

S33)计算实时波长与纤光栅波长基准值之间的偏移量；

S34)利用快速傅立叶变换算法计算波长偏移量的频域幅度值，得到频域的频段；

S35)计算整个频段内的波长偏移量频域幅度值的平均值P₀；

S36)将频段分成复数等份，计算每个等份内的波长偏移量频域幅度值的平均值F_i，i取值范围不超过等份数；

S37)判断每等份内的F_i与P₀的大小关系，并将比较结果保存；

S38)根据步骤S37得到的比较结果，判断入侵种类，若为无害入侵则屏蔽报警，否则进行完成报警过程。

所述的方法，步骤S21的实时波长数据队列的长度为2000；步骤S22的时间片队列的长度为10，每个时间片记录300ms数据的异常状况；步骤S26的策略条件为大于等于6个时间片队列被标记为异常，并且距上次报警时间间隔大于策略值(典型值为30秒)。

所述的方法，步骤S34的频域频段的范围为100Hz，步骤S36将频段分成20等份；在步骤S37中，若F_i≥P₀，则将该等份的频段能量标记为1，否则标记为0，然后将标记结果存入数组Q(i)中；步骤S38判断入侵种类的方法见下表1：

表1波长信号的模式识别判别标准

本实用新型的工作原理为：

本实用新型通过联合运用光纤光栅波长基准值更新算法、光纤光栅波长时间序列的时域信息处理算法以及光纤光栅波长信息的频域分辨算法，抑制了温度效应对光纤光栅振动传感单元信息提取的影响，依据波长时间序列的时域及频域特征信息对环境干扰信号进行剔除，使得光纤光栅周界防入侵系统进行准确可靠的报警输出。

基于本实用新型的实施例如下所述：

设时间片队列的长度为10，每个时间片记录300ms数据的异常状况。当程序收到300ms的数据就新开一个时间片，并将最开始的一个时间片删除。这样10个时间片中存放着最新3s内数据的异常情况。另一个实时波长数据队列的长度为2000，里面存放最近2000个实时波长数据值。服务端接收仪表发来的TCP数据包，根据数据包的组包格式取出某点传感器的实时波长值。首先将实时波长值写入实时波长数据队列，然后计算出波长偏移值，其中波长偏移等于实时波长值减去此点基准波长值的绝对值。如果波长偏移值大于阈值且这个异常点是最近时间片中第一个异常值则在此时间片中做上异常的标记，当10个时间片中的异常标记超过设定的异常事件标准(一般设置为6)则判定报警。

经过实验及报警数据统计分析发现风雨状况下的波长数据的频域特征主要集中在低频部分(10～20)Hz，晃动时信号的频域特征在20Hz以上且会出现一个或若干个小的集中分布，攀爬动作由于比较复杂相当于多次晃动过程的叠加，其频谱分布比较宽，主要集中在50～90Hz，根据这几种模式的频谱分布特点，本实用新型采取将全频谱进行分块的幅值统计法。具体来说，首先计算0～100Hz内所有幅度值的平均值P0，然后将0～100Hz全频段平均分配为20份，每个小频道占5Hz，并求出每个频道内幅度值的平均值，分别计为F(1)，F(2)，F(3)…F(20)。接着比较F(i)与P0大小，并下式运算规则将比较结果存入数组Q(i)内。

$\left\{\begin{array}{c}Q\left(i\right)=1(F\left(i\right)\&GreaterEqual;P0)\\ Q\left(i\right)=0(F\left(i\right)<P0)\end{array}\right.$

通过实验发现在风雨状况下F(4)频段内幅度较大而且其他频率段幅度都小；晃动状况下根据摇晃的方式的不同数据在频域上表现为在一个或多个频段出现较大幅值，但与攀爬信号的频域特点不同，晃动超阈值持续的频谱都较短，而攀爬行为产生的超阈值的数据范围大。根据这一特点，可以通过统计Q(i)值可以达到模式判断的目的，具体判断标准如下表：

表1波长信号的模式识别判别标准

下面以非法翻越入侵周界行为做为例子，阐述系统报警策略算法的工作流程：

首先将仪表上电开机后，电脑主机显示仪表连接正常，报警系统的服务端和客户端自动运行；上位机软件获取解调仪表输出的实时波长数据，当实时获取的同一个光纤光栅的两个临近波长值的差值未超过异常仪表数据值(波长变化量未超过400pm)，表示仪表发送数据正常，系统进入光纤光栅基准波长实时校准步骤，当光纤光栅振动传感器处于平稳状态时，即非法翻越入侵周界行为发生之前时，上位机软件从光纤光栅信号解调器采集平稳状态下的N秒(例如15秒)内波长数据并进行取均值运算，运算结果作为校准后的基准波长(例如取周界系统中的某一个光纤光栅振动传感器的特征波长为30641pm)；当发生非法翻越入侵周界行为时，光纤光栅振动传感器响应该入侵行为，上位机软件获得入侵位置处的光纤光栅振动传感器3秒内的实时波长值数据队列为(30667、30630、30630、30663、30607、30700、30628、30685、30604、30687、30618、30759、30608、30739、30642、30796、30725、30735、30618、30696、30595、30730、30631、30739、30581、30578、30856、30612、30720、30594、30704、30595、30706、30597、30685、30613、30705、30639、30686、30599、30623、30712、30649、30648、30614、30665、30615、30760)，计算获得的波长偏移值为实时波长值减去基准波长值，获得波长偏移值的数据队列(26、-11、-11、22、-34、59、-13、44、-37、46、-23、118、-33、98、1、155、84、94、-23、55、-46、89、-10、98、-60、-63、215、-29、79、-47、63、-46、65、-44、44、-28、64、-2、45、-42、-18、71、8、7、-27、24、-26、119)，根据上述波长偏移值数据队列，例如若将3秒内的数据划分为10个时间片队列，则将每个时间片队列内的波长偏移值与阈值(70pm)比较后，获得的排满后的时间片队列的异常标记值为(0、0、1、1、1、0、0、1、1、1)，统计上述异常标记值得次数有6个1，表示当前时间片队列中打上异常标记的时间片数量为6个，已经达到了时域预警条件，系统进入预警状态，当前实时波长值数据队列被保存，程序流程图如图2所示；数据处理进入频域分辨单元，该单元首先获取预警状态下获得的波长数据队列，在利用快速傅立叶变换算法计算波长偏移量的频域幅度值，获取预警信息的频域特征谱(17.8、9.8、12.9、12.5、10.3、4.9、10.2、10.8、25.8、13.1、1.4、10.9、14.4、12.8、10.9、19.9、1.6、15.4、16.9、19.1、7.6、28.8、51.6、9.5)，数据处理算法流程如图3所示；计算整个频段内的波长偏移量频域幅度值的平均值P₀为14.6，将全频域分成12个频段，则可以计算得到每个等份内的波长偏移量频域幅度值的平均值F_i为(14、13、15、11、20、6、14、15、9、18、19、31)；判断每等份内的F_i与P₀的大小关系，若F_i≥P₀，则将该等份的频段能量标记为1，否则标记为0，然后将标记结果存入数组Q(i)中，非法翻越入侵周界行为实例中的Q(i)取值为(0、0、1、0、1、0、0、1、0、1、1、1)，可以根据波长信号的模式识别判别标准表中的判据将该预警行为判定为非法攀爬翻越入侵模式。

Claims (5)

1.一种光纤光栅周界防入侵系统，其特征在于：包括相连的现场光纤探测设备和控制设备，现场光纤探测设备包括复数路探测通道，每路探测通道包括级联的光纤震动探测器，控制设备包括相连的光纤光栅信号解调器和报警管理计算机，探测通道与光纤光栅信号解调器相连。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：该系统还包括可扩展设备，可扩展设备包括扩展光纤光栅信号解调器和网络交换机，扩展光纤光栅信号解调器与光纤光栅信号解调器相连，扩展光纤光栅信号解调器还外接扩展探测通道，网络交换机与报警管理计算机相连。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：可扩展设备还包括硬盘录像机，硬盘录像机通过继电器输出板与报警管理计算机相连。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的系统，其特征在于：每路探测通道均与光纤接续盒相连，复数个光纤接续盒级联后接至传输光缆。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的系统，其特征在于：探测通道与光纤光栅信号解调器之间还设有光纤终端盒。

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