光纖Sagnac干涉儀在智能預警系統的應用研究

摘要：本文基于光纖干涉原理對光纖擾動信號識別、入侵快速判定算法、干擾位置定位等技術進行分析，并結合視頻監控、聲光報警等多種安防系統關鍵技術，提出了基于光纖薩格納克干涉儀的周界安防智能預警系統架構，該系統具備性能穩定、敏感度高、反應及時等重要特性，有效地解決了傳統預警系統存在的抗干擾能力差、誤報率高等問題，可實現電力系統周界全天候、無間歇的智能化集中管控，實現系統入侵、安全事故信號自動識別和辨識、遠程自動報警、入侵行為恐嚇等功能。本文所構建的周界安防智能預警系統豐富了光纖薩格納克干涉儀在智能預警系統中應用，可有效提升我國電力系統遠程、無人監控的智能化水平。

關鍵詞：光纖傳感、干涉儀、電力系統、智能預警、預警系統

0.引言

隨著社會發展，電纜憑借諸多優勢得到了廣泛應用。但各類違章行為造成的電纜受外力破壞事故層出不窮，帶來社會經濟的巨大損失[1]。目前電力系統中存在變電站安防監測系統技術落后，不能滿足集中管控和全天候防護的需求，且誤警率高，因此實現對各變電站的布防情況、報警信息、案發現場的動態監控和檢測，實時、直接地了解各個變電站的情況，并及時做出有效反應，對電力系統安全生產尤為重要和急迫。基于此，為改造電網系統目前電力系統高危險性場景遠程監管及野外無人值守監控預警系統所存在的問題，本文利用光纖Sagnac干涉儀的穩定性及適合長距離分布式監測特點[2]探討光纖Sagnac干涉儀在電網系統中的應用。將Sagnac干涉儀應用到變電站報警系統中，以達到遠程對變電站實時動態監控，并對周界侵擾行為做出及時的報警的目的，以滿足電力系統安全生產的需求。

1.光纖Sagnac傳感技術研究現狀

1913年法國科學家Sagnac首次提出了Sagnac效應，并通過實驗進行了驗證。之后，光纖Sagnac干涉型傳感系統憑借其結構簡單，性能穩定，適合于高頻信號的監測，且抗干擾能力強，易構成分布式檢測等優點，在工程實際中得到了廣泛研究與應用。基于光纖Sagnac傳感系統制造的光纖陀螺、光纖Sagnac水聽器，因其抗電磁干擾、耐高溫高壓、耐腐蝕等優點，目前已成為航空、航天、航海及其他監測領域中不可或缺的傳感器產品。

Sagnac具備良好的性能，具有較強的實用價值，基于Sagnac的光纖傳感技術也是各高校和科研單位的研究熱點。南京航空航天大學程竹明等研究一種利用光纖Sagnac傳感技術實現結構沖擊定位的方法[3]。中國鐵路總公司熊杰與北京交通大學周洋構建一種基于Sagnac的干涉型光纖聲音傳感技術方案[4]。馮素娟研究了一種結構新穎、光譜特性可精確控制的Sagnac環濾波器[5]。Sagnac干涉儀技術逐漸成熟，為其應用領域研究奠定了基礎，同時為Sagnac干涉儀的應用提供了廣闊的前景。

2.基于Sagnac干涉儀智能預警系統的關鍵技術

2.1基于Sagnac干涉儀定位原理

當系統存在入侵時，會對光纖傳感器產生震動、變形或破壞等，對光信號的傳輸產生影響，基于Sagnac干涉儀所產生的兩個方向的光信號中的一個信號將發生改變，兩束光信號在光纖耦合器的另一端發生干涉產生干涉光路，根據干涉光路的移頻量和干涉條紋數可計算出破壞點到零點頻率值的距離[6]，進而測算出光纖被破壞的距離，從而實現破壞點定位的效果。我們假設L為光纖總長度，N為自然常數，c為光纖折射率，為零頻點的零點頻率值，則在環形Sagnac傳感光纖中間部位距離振動源的長度S：

當光纖耦合器監測到干擾信號后，可通過對干涉信號進行傅里葉變換放大干擾信息的頻率、振幅和相位，然后在其頻譜中尋找零頻點及其對應頻率值，經過調解便可定位出振動源的位置。

2.2光纖擾動信號的識別

光纖周界安防系統中的傳感光纜一般敷設在室外，不可避免地會有環境噪聲，比如小動物造成的輕微擾動、刮風、下雨等，這些環境噪聲直接或間接作用在光纜上，也會造成光纖擾動，對系統的入侵判定產生一定的干擾。干涉型光纖傳感是相位調制，靈敏度極高，對非常微小的擾動也敏感，容易收到外界環境的干擾[7]。此外，即便排除外界環境的影響，檢測系統采集到的信號本身也含有系統中的元件產生的隨機噪聲。如何能最大程度地排除噪聲的干擾，降低系統的誤報率也是研究的重點。

在信號處理部分中，其核心的技術是入侵判定技術，即如何判斷該信號是由入侵事件引起的還是由外界干擾引起的。自然環境中的噪聲干擾很多，光纖受到這些噪聲干擾產生的信號與受到入侵行為產生的信號有一點類似，而這些噪聲干擾不能被判為報警，我們必須通過算法排除這些噪聲。

2.3入侵快速判定算法

（1）第一級：短時能量和短時平均過零率的條件判斷識別

通過比較任意時刻與正常狀態下最小分幀信號的短時能量及短時平均過零率，通過大小關系來判斷信號是否屬于正常狀態。

為每一幀信號的短時能量，為每一幀信號的短時平均過零率。其中，為光纖周界安防系統采集信號時間序列，表示第幀的第個值;為截取每幀信號的長度。

若滿足且，則系統處于未被振動的正常狀態;否則，系統處于振動狀態。其中，與為系統正常情況下采集信號的短時能量和短時過零率，為調整系數，其設置目的是為了調整系統的敏感度，降低系統的漏報率。

（2）第二級：小波域分解的各層系數能量分布比較判定識別

將第一級判定識別出的振動信號分解到小波域，并采用不同尺度能量分布進一步細化入侵信號的判定識別。

其中，為第層小波系數長度;為尺度系數長度，為第個尺度系數。

根據Parseval定理可知，小波系數能量分布與原始信號特征之間存在對應關系。通過各層小波尺度能量分布特征與先驗的入侵信號能量分布特征比較，區分并識別入侵信號。

各類入侵信號的尺度能量特征偏差.其中，為入侵振動信號第層小波系數尺度能量分布;為先驗的各類入侵信號小波系數尺度分布特征。

若滿足（為先驗的特征偏差閾值），則認為該信號為入侵振動信號;否則，為環境因素引起的振動信號。

3.基于Sagnac干涉儀的周界安防智能預警系統的設計

3.1系統傳感原理

當外界的擾動信號產生的應力作用于光纖，使光纖中光信號的相位發生變化，通過干涉轉換為光強變化，系統接收到從戶外返回的光信號是攜帶外界擾動信息的，經過信號的處理分析光的特性，確定外界有無違法入侵行為。

Sagnac光纖環結構如圖1所示。由光源發出的光信號經耦合器分成兩束光強相同，依次耦合進入傳感光纖，從而在光纖中形成沿不同方向傳播的兩束光。因為兩束光的振動方向以及頻率都相同，兩束光滿足相干疊加條件，兩束光再次經過耦合器時便會發生干擾現象。當傳感區沒有干擾現象，兩束光沒有光程差，相位差不會發生改變，光強變化了為零;當有外界因素干擾時，這兩束光由于經過干擾點的時間不同，在干擾點處兩束光改變的相位不同，因此兩束光具有不同的相位，存在相位差，從而在耦合器處發生干涉現象。探測器接收的干涉信號能反映兩束光的相位差，即含有干擾點的位置信息。

3.2基于光纖Sagnac干涉儀智能預警系統設計

本文設計基于光纖Sagnac干涉儀智能預警系統主要由邊界安防系統、視頻聯動系統、遠程報警系統、聲光報警系統四部分組成，具體系統架構詳見圖2。關于視頻聯動、遠程報警、聲光報警系統目前技術已較為成熟，本文主要研究基于光纖Sagnac干涉儀的邊界安防系統部分的設計。

（1）系統功能

系統通過Sagnac干涉儀傳感器感知周邊環境的波動，通過相應的干擾信號分析判斷入侵事件類型、入侵事件地點實現對入侵、環境等波動的監測，并在地理信息服務基礎上定位事件具體發生地點，同時系統自動調取該區域監控攝像頭實時監測內容并在中央控制中心顯示，在發送相應警告給最近管理人員的同時觸發聲光警告，進而實現智能定址、智能感知、遠程預警和主動警告等功能。構建智能預警系統軟硬件分別承載不同功能，以滿足系統功能實現。

（2）邊界安防系統

邊界安防系統是Sagnac干涉儀應用的主要場景，該系統主要實現入侵事件分析和判斷、智能感知和智能定址的功能。系統主要由戶外防區的傳感光路部分以及控制室中的報警主機和主機服務器構成。對于光纖周界安防系統來講，如何確定入侵行為發生的位置是一個難點，目前研制出的可以定位的光纖周界安防系統成本將高，光路結構復雜，且存在一定的定位誤差。基于此，本文提出的安防邊界系統采取的是以防區為單元進行監控報警，構建多通道光纖周界安防系統，將防范區域劃分為多個區域，每個通道負責一個區域，系統能準確判定是哪個防區有入侵，每個通道互不影響，實現多個防區大范圍同時實時檢測轄區狀況。

（3）視頻聯動系統

在每個防區布設一個或者多個攝像機，當系統判斷出某個防區有警報時，將帶有防區號的警報信息發送到視頻監控系統，視頻監控系統接收到后，首先進行解碼，根據預先設置好的防區與攝像機的對應關系，打開該防區相應的攝像頭進行拍照或者錄像，留存證據，如果是幾個防區共用一個攝像頭，則將攝像頭旋轉至報警防區。系統可以布設在防范區域的周界，也可以布設在重要的出入口，兩種系統融合在一起，形成更加周密的監控網。

兩個系統融合有很多優點，一是避免了視頻監控系統長時間錄像或者拍照;二是不需要有人專門監視著攝像機傳回的畫面，節省大量人力成本;三是為入侵人員非法行徑留下不可否認的證據。

（4）遠程報警

將防區監控與GSM裝置通過串口連接，當發生報警時，將發生報警的防區編號以及短信內容轉換成GSM可以識別的編碼傳輸到GSM，GSM接收解析后發送短信到提前設置好的手機上，這樣即便不在監控現場，也可以獲知所有區域的最新動態，以實現遠程報警功能。這樣，遠程報警的功能使得監控中心可以減少工作者，從而節省掉一大部分人力成本。

（5）聲光報警

全光纖防區型周界監控可以與報警擴音器、照明等裝置融合。因為防區型光纖周界安防系統的報警主機及軟件界面都位于監控中心，如果有非法人員闖入防區，不能對其起到實質性的威懾作用。如果與報警擴音器或者照明系統聯動，當防區型光纖周界安防系統判定某個防區存在入侵時，將防區號和報警信號發送到控制中心，控制中心接收后啟動對相應防區的擴音器和照明燈光，尤其是在夜晚，打開照明燈可以強有力地威懾非法分子。

4.結束語

本文借助光纖Sagnac傳感技術，結合視頻聯動、遠程報警和聲光報警構建了基于Sagnac智能預警系統，并實現智能定址、智能感知、分布式監測、抗干擾能力、響應時間等功能。此外，針對邊界安防系統的定位方法、光纖擾動信號識別和入侵行為判定方法進行了詳細的論證，為該智能預警系統在電力系統中的實施提供了方向。

參考文獻

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[3] 程竹明， 曾捷， 常晨， 等. 基于光纖Sagnac傳感技術的結構沖擊定位[J]. 光學學報， 2018， 38（10）： 87-93.

[4] 熊杰， 周洋. 一種高靈敏度的光纖Sagnac干涉型聲音傳感技術研究[J]. 鐵道學報， 2018.9（40）： 77-81.

[5]馮素娟，李文彩，劉昊煒，等.光譜精確可控Sagnac環濾波器及其在ASE光源中的應用[J].量子電子學報，2016，33（02）：170-176.

[6]鄭祥亮，孫權社，韓忠，等.基于Sagnac干涉儀的光纖長度測量方法[J].光學學報，2017，37（01）：76-81.

[7] CHANGEDE R， CAI H， WIND S J， et al. Integrin nanoclusters can bridge thin matrix fibres to form cell–matrix adhesions [J]. Nature Materials， 2019， 18（9）： 1366–1375.

項目名稱：基于Sagnac環的分布式光纖圍欄智能預警安防系統

項目編號：GZ2015-2-0051

作者簡介：

姓名：劉昌宏（1985—），男，漢族，本科，工程師。主要從事電力系統安全管理方面的研究工作。