光纖光柵周界安防系統在海風環境中的應用

肖巍巍 孫恒斌 艾德文 陸海榮

摘 要：光纖光柵周界安防系統利用光柵傳感器來感知布防區域的振動信號，再經過分析判斷對入侵行為進行及時預警。當系統安裝于起風頻繁、風力較大的海邊環境時，需要在準確預警入侵行為的同時，減少大風干擾引起的錯誤報警情況。該文以某一海風環境的網片安裝方式周界系統為研究對象，比較了入侵信號和海風信號的異同，由于大風產生的擾動，影響范圍較大，該文結合區域信息，先對大風環境進行判斷，再為發生擾動的監測單元分配對應的報警策略，能夠有效提升系統的預警效果。

關鍵詞：光纖光柵測振；周界安防；光柵傳感器

中圖分類號：TP212 文獻標志碼：A

光纖光柵周界安防系統基于光纖光柵傳感原理研制，光纖光柵振動探測器被串接成高靈敏度的振動探測光纜，可任意布防在周界區域，通過探測分析作用于探測光纜上的振動波來判斷布防區域是否發生入侵事件。

當周界系統安裝于起風頻繁而且風力較大的海邊環境時，在各種外界因素的影響下，如何正確地識別、區分入侵破壞行為和環境干擾，對作用于布防區域的入侵破壞行為進行及時準確的預警，同時降低系統誤報率，是需要重點討論的問題。

1 信號分析

某監測周界安裝于臨海環境，安裝方式為網片安裝，各個傳感單元之間的間距為5 m，信號采樣率100 Hz。圖1中展示了序號15～20（布設位置連續）的監測單元，分別于白天測試時段（上午10：00～11：00）和夜晚起風時段（凌晨0：00～1：00）各自錄制的時長為1 h的信號波形。如圖1（a）所示，通過拍打傳感光纜布設的網片圍欄，模擬入侵行為，可以看到在拍打的過程中，受到作用力位置的監測單元，其信號波形出現明顯的起伏變化，相鄰的1～2個監測單元也可以觀察到波形的改變，而其他時間、其他位置的信號波形處于平靜的狀態。如圖1（b）所示，為錄制的一段大風環境下的振動信號，大風擾動可以影響鄰近的多個監測單元，各監測單元的波形較為雜亂，并且海風的影響時間較長，整個時段內，在多個通道均可觀察到海風引起的擾動。

應當根據監測單元所處的環境狀態（常態或風雨），采取不同的入侵事件判別方式，以提高報警的準確性。

2 算法描述

當系統布防于多風的海邊環境中，應當綜合考慮實時的環境因素，動態地調整報警策略。風雨產生的擾動，一般影響范圍較大，可以將區域信息作為區別入侵事件和風雨擾動的有效依據。通過判斷受到擾動的探測單元是否處于風雨區域中，為其配置對應的報警策略。

2.1 風雨區域判斷步驟

（1）記錄整個周界監測區域各傳感單元n秒內出現的擾動點。

（2）將各傳感單元n秒內出現的擾動點整合為一行。

（3）按照劃分閾值，對該區內的擾動點進行區域劃分，間隔小于劃分閾值的傳感單元劃分為同一區域。

（4）如果某個區域影響范圍超過閾值是由于風雨的原因，則判斷這個區域為風雨區域。

2.2 報警判斷步驟

（1）對于各個被觸發的探測單元，讀取這個探測單元所處區域當前的環境狀態（常態或風雨）。

（2）當探測單元所處區域的狀態為“常態”，計算信噪比和擾動時長，如果信噪比和擾動時長均超過各自對應的報警閾值，則該傳感單元發出報警信息。

信噪比計算：第一個超過擾動閾值的數據點之后一段數據與之前一段數據各自絕對值均值的比值。

擾動時長計算：取絕對值后計算第一個超過閾值的數據點與最后一個超過閾值的數據點之間的間隔時長。

（3）當探測單元所處區域的狀態為“風雨”，計算擾動比例和峰度。如果擾動比例和峰度均超過各自對應的報警閾值，則該傳感單元輸出報警信息。

擾動比例計算：計算擾動時長的同時，統計超過閾值的數據點個數，擾動比例是超過閾值數據點數和擾動時長范圍內數據點數的比值。

3 應用效果與結論

監測周界安裝于臨海環境，安裝方式為網片安裝，傳感單元數量為80個，各傳感單元之間的間距為5 m，信號采樣率100 Hz。

設置擾動閾值為50，區域劃分閾值為3，風雨范圍閾值為10。

報警閾值設置：信噪比閾值3、擾動時長閾值5；擾動比例閾值0.7、峰度閾值5。

經過連續3個月的測試與觀察，運行結果統計見表1、表2。

綜合以上測試結果，該系統利用區域信息判斷是否存在風雨干擾，對監測單元信號分析方式進行自動調節，提供一種高靈敏度、低誤報，適用于海風環境的周界安防系統報警方法。系統能夠對入侵行為進行有效地報警，并且在風雨天氣下減少誤報的情況，具有良好的環境適應性。

參考文獻

[1]閆奇眾， 印新達， 江山.基于光纖光柵振動傳感技術的智能化周界防范系統[J].智能建筑，2014（3）：47-48.

[2]孟堅.基于光纖光柵傳感技術的周界入侵報警系統[J].交通科技， 2011（6）：78-81.

[3]金紅衛，朱權，張秋芬.基于光纖光柵周界報警系統的模式識別方法[J].電子測試，2014（2）：93-95

[4]張翠.基于光纖布喇格光柵智能周界安防方法及關鍵技術研究[D]. 武漢：武漢理工大學， 2013.

[5]李亞強.基于MET地震檢波器的周界入侵防御系統[D].吉林大學， 2015.