基于Sagnac環的分布式光纖圍欄智能預警安防系統

摘要：為了解決電力行業中存在變電站安防檢測系統技術落后，不能實現集中管控、誤警率高，無法滿足全天候防護等問題，本文采用了基于薩格納克效應傳感技術的圍欄智能預警新方法，結合現代周界及電力行業對圍欄技術的總體要求，構建了基于圍欄智能預警安防系統的基本結構模型，按照物理層、采集層、算法層和應用層進行層次分級，對每層涉及的關鍵技術進行分析，并對模型實現智能定址、智能感知、分布式監測、抗干擾能力、響應時間等功能的可行性進行論證，最后根據結構模型分層提出了圍欄智能預警安防系統的初步設計方案。

關鍵詞：光纖傳感;薩格納克效應;分布式光纖;周界安防;智能預警

0.引言

光纖傳感器發展于20世紀70年代，因其具有較高靈敏度、高絕緣度、抗電磁干擾、耐腐蝕、電絕緣等優點，受到越來越多的關注，并取得迅猛的發展，同時得到廣泛的應用。尤其是在基于光纖傳感器的光纖圍欄技術，作為入侵探測的一種新型安防手段，具有抗電磁干擾、定位能力強、全程無源、靈敏度高、監測范圍大等優點，已被廣泛應用于眾多領域。

1.相關文獻回顧

1.1對Sagnac光纖干涉技術的研究

文獻[2]從Sagnac效應的基本原理出發，綜述了光纖Sagnac環現階段的主要應用和最新進展，認為Sagnac干涉型光纖傳感器在石油管道、擾動定位、化工檢測、電力、通信等領域應用前景誘人。文獻[3]提出了級聯Sagnac環組成梳狀濾波器的方案，從而有效提高了系統信道隔離度，得到了具有均勻通帶間隔、信道隔離度高、光譜半高寬度FWHM窄等特性的梳狀濾波器。

1.2對光纖圍欄傳感預警系統關鍵技術的研究

文獻[4]針對分布式光纖入侵監測系統在室外復雜環境下誤報率過高的問題，提出了一種基于時/頻域綜合特征提取的入侵事件識別方法。基于頻譜分析提出了一種稱為頻譜歐氏距離法（EDFS）的快速模式識別方法，該模式識別方法可以有效識別擾動信號，識別時間小于傳統的動態時域規劃模式識別方法耗時的1/10。

1.3對基于Sagnac環分布式光纖圍欄傳感預警系統的研究

設計了光纖圍欄系統的系統組成，并對系統的工作原理和圍欄主機的工作流程進行了重點分析。設計了圍欄主機中基于支持向量機（SVM）的模式識別模塊，介紹了在二類分類和多類分類情況下的相關算法。基于光纖干涉原理設計了一種適用于中低壓配電網電纜通道的防外侵預警系統，該系統能夠實現振動信號辨識，對入侵信號進行防區定位以及綜合評估。

2.基于Sagnac光纖圍欄傳感預警安防系統的基本結構模型構建及關鍵技術

2.1基于干涉儀原理的分布式光纖傳感技術

2.1.1 M-Z光纖干涉技術

M-Z光纖干涉技術基本原理如圖1所示，由激光器1發出的光經過耦合器被分成相等的兩束，分別進入上下兩根光纖，外界聲壓作用于其中的信號臂，然后在第二個耦合器把兩束光再耦合并發生干涉，干涉光再分成兩束光經光纖傳送到兩個光電探測器中;同理，由激光器2發出的光會在第一個耦合器中產生干涉。M-Z干涉技術與Michelson干涉技術的不同之處在于光路不需反射，避免了反饋光使激光器不穩定而產生噪聲，所以M-Z干涉儀的靈敏度比較高，其解調技術相比Michelson簡單，但是穩定性能較差，容易受到環境干擾。

2.1.2 Michelson光纖干涉技術

Michelson光纖干涉技術采用具有反射端面的光纖作為參考光纖和傳感光纖，利用分振幅法產生雙光束以實現干涉。原理如圖2所示，測量臂和參考臂中的反射光會在耦合器產生干涉，經光電探測器轉換為電信號，經過信號處理可以解調聲場的信號，當傳感光纖發生形變時，產生的干涉條紋就會移動，從而確定擾動點位置。由于Michelson是利用光纖反射光進行干涉測量，所以其信號比較微弱，同時還需要復雜的解調技術進行相位解調。

2.1.3Sagnac光纖干涉技術

Sagnac光纖干涉結構也可用于外界時變信號的測量包括聲音信號的測量。Sagnac分布式光纖傳感器是在Sagnac光纖陀螺的基礎上發展起來的用于管線泄漏探測和定位的一種新技術，Sagnac光纖干涉技術原理如圖3所示。圖3中，左端的激光器發出的激光經過耦合器之后一分為二，在同一根閉合的光纖中一束光順時針方向前行，另一束逆時針方向干前行。在無外界干擾的情況下，兩束光的光程一樣;當有外力作用于傳感光纖時，兩束光相位發生改變，返回到耦合器時發生干涉，通過解調干涉信號得到聲信號。由于擾動點的位置與兩束光的相位差及相位的變化速率相關，所以可以對擾動點進行定位。

2.2基于Sagnac圍欄預警系統的基本結構模型構建及關鍵技術

根據系統具體功能性和特征的要求，同時結合光、電、機械、信息、計算機、安防、經濟等各領域的綜合考慮，將整個系統分解為四層，每一層次對其上一層次負責且未上一層次功能實現的基礎，然后對各個層次的任務進一步細分，從而明確的任務分工以及系統的整體把控，進而實現系統對應的功能和特性。

（1）物理層：此層為整個系統的最低層，但卻是整個系統的基礎，是系統功能實現的基石。此層的元素基本固定，遵從元素本身的客觀性，其是實現系統網絡的基本環節。

（2）采集層：這一部分的關鍵技術包括Sagnac振動傳感器的研制、Sagnac信號解調和系統的聯動報警以及系統可擴展性的研究，在這里將室外光無源系統與室內有源系統以及聯動擴展集成起來。

①Sagnac傳感器振動光纜是系統的傳感部分，它將多個振動傳感器通過一定的方式連接在一起，是光無源傳感網絡的核心，而光纜的核心就是振動傳感器。Sagnac振動傳感器的研制首先要根據周界安防的特點與需求，以探測人為入侵為激勵輸入方式，并結合其它專業知識以及相關安防規范，確定振動傳感器的結構模型，其次，根據模型計算，得到傳感器靈敏度、頻率與結構參數的具體關系，設計實驗方案，通過反復實驗確定傳感器的具體結構參數，再次，通過實際工程應用實現對傳感單元的檢驗。

②信號解調主要用來多通道同時解調波長并與上位計算機進行通信。聯動以及可擴展接口的設計需要滿足系統升級，入侵報警與視頻監控的聯動，入侵圖像信息上傳上一級系統，與其它安防網絡聯網，系統擴展（增加防區等）以及視頻聯動和遠程信息管理的需求。

③在此層涉及到室外無源光網絡的構建，它是實現周界安防的重要傳感網絡，同時也是實現分布式監測的重要環節，同時采用多種傳感光纜鋪設方式，設計合理的光纜布線方式，最大限度的避免光纜誤報。

（3）算法層：此層為系統的的核心內容。算法分為時域、頻域和時頻聯合分析三類。本系統應用時域與頻域相結合的方法得到了在同一時間段內，一定的頻率范圍內信號的能量信息，也就是將入侵信號的時域峰值時刻與人的入侵動作的頻率結合起來，通過能量積分的方法判斷入侵事件。

（4）應用層：主要針對用戶需求的功能，同時考慮的主要內容就是如何使得人機互動更方便順暢，信息管理更科學有序，實現如自動觸發聲光告警裝置，后臺存儲相應告警事件圖像信息并歸檔，用戶定制分級告警等功能。

2.4系統可行性研究分析

根據以上系統層級拆分和功能要求的確定，對其進行可行性分析。

（1）智能定址：Sagnac傳感器的波長選擇功能對入侵定址是一個非常好的選擇，可利用波長信息與傳感器的物理信息的對應關系即可以實現入侵的準確定址。

（2）智能感知：預先采集大量的不同的擾動信號，包括真實的環境、惡劣天氣、小動物等的入侵干擾模擬數據，再把這些數據分類進行處理與分析，提取特征向量，建立數據庫，應用模式識別等方法得到具體的入侵方式，從而在實際的判斷中將干擾信號排除，提升報警的準確率，降低其誤報率。

（3）分布式監測：通過將傳感器制成振動光纜，傳感器距離的定制以及采用合理的安裝方式實現。如通過采用多種傳感光纜鋪設方式，設計合理的光纜布線方式。

（4）耐候性能高、抗干擾能力強：可通過組建室外全無源光網絡有助于提高系統的抗干擾能力，其次，還需要借助軟件算法進一步濾除環境等的干擾，通過時頻分析算法，將環境干擾信號與實際入侵信號區別開。

（5）室外無源：Sagnac傳感器是無源的，并且各個傳感器共享光纖鏈路作為光波信號傳輸的介質，避免了外部的電磁干擾以及雷擊閃電的破壞，增強了網絡的可靠性。

（6）響應時間短：Sagnac傳感器本身的響應速度很快，關鍵在于解調系統和后續的數據處理與分析，采用較高的釆集頻率和高配置的服務器可以達到要求。

3.基于Sagnac環的光纖圍欄傳感預警系統初步設計

根據Sagnac圍欄預警系統的基本結構模型構建以及對涉及的傳感技術、信號處理技術和模式識別技術等關鍵技術，對系統進行初步設計，組成框圖如圖5所示。

（1）由傳感光纖組成的防護系統可固定安裝于如無人值守的變電站的物理圍欄（如圍墻、柵欄、鐵絲網等）表面，當有入侵行為發生時，如入侵者的強力觸碰、攀爬、搖晃等行為，使傳感光纖發生形變，從而引發警報。警報是由外接在圍欄上的一些聯動設備如警報器、公安聲光警燈發出，起到警訊、恐嚇的作用;同時在圍欄上還可安裝攝像頭及照明燈，實現全天候的視頻監控。同時拍攝的告警事件的圖像信息等傳送至上一級系統。

（2）圍欄主機包括信號采集系統和中央控制計算機兩部分。圍欄主機系統是整個系統的核心，如同人體大腦，起著至關重要的作用。圍欄主機處理流程一般分為：采集信號形成信息（包括正常和擾動信息）數據;然后判斷是否為入侵事件;對事件涉及數據和信息進行存儲;當判斷為入侵事件時，啟動報警裝置;展示入侵事件的多方面信息（入侵位置、時間等）。

4.結論與啟示

本文借基于Sagnac環的分布式光纖傳感技術，對圍欄智能預警安防系統的結構的結構模型、關鍵技術以及系統初步設計進行研究，得到以下研究結論：給出了周界安防方

1提出了基于圍欄智能預警安防系統的基本結構模型及關鍵技術。根據功能需求和Sagnac分布式傳感技術特性，設計了Sagnac環的分布式光纖圍欄智能預警安防系統的基本結構模型，將其劃分為物理層、實現層、算法層及應用層四個層次，詳細解讀了每個層次的功能及涉及的傳感技術、信號處理技術和模式識別技術等關鍵技術。

2提出了基于Sagnac環的分布式光纖圍欄安防系統的設計方案。根據構建的系統基本結構模型對系統進行初步設計，對物理層涉及的傳感光纖和圍欄主機進行一個初步的設計和構想。

參考文獻

[1]RUNMING LI，HAOSEN SHI，HAOCHEN TIAN，et al.All-polarization-maintaining dual-wavelength mode-locked fiber laser based on Sagnac loop filter[J].Optics express，2018，26（22）：28302-28311.

[2]徐鵬，魏國華，劉占戈，等.基于云智能井蓋系統的高壓電纜防外破系統研究[J].電力大數據，2017，20（9）：33-36.

[3]劉超，張雯，董明利，等.CO2激光刻寫長周期光纖光柵與光纖MZ結構的雙參數傳感特性[J].紅外與激光工程，2017，46（9）：142-148.

[4]彭寬，馮誠，王森懋，等.基于時/頻域綜合特征提取的分布式光纖入侵監測系統事件識別方法[J].光學學報，2019，39（06），338-348.

作者簡介：

姓名：彭期剛，出生年：1974年，性別：男，學歷：本科，職稱：助理政工師，主要從事工作：黨務工作