光纖光柵周界入侵報警系統(tǒng)在多風(fēng)環(huán)境中的應(yīng)用

張 濤 中石油管道有限責(zé)任公司西部分公司高級工程師

田 銘 武漢理工光科股份有限公司工程師

1 引言

周界安防是指在重要區(qū)域為阻止非法的入侵破壞活動，沿區(qū)域周界形成安全防范，對作用于布防區(qū)域的入侵破壞行為進(jìn)行及時準(zhǔn)確的預(yù)警。光纖光柵周界入侵報警系統(tǒng)通過探測和分析作用于光纖布拉格光柵振動傳感器上的振動波來判斷布防區(qū)域是否發(fā)生入侵事件。與傳統(tǒng)的電類傳感技術(shù)相比，具有現(xiàn)場無源防爆、耐候防雷、布設(shè)靈活、使用壽命長、靈敏度高等優(yōu)勢，能夠靈敏地探測振動，因此非常適合應(yīng)用于周界安防領(lǐng)域。

光纖光柵周界入侵報警系統(tǒng)基于振動探測來實(shí)現(xiàn)對布防環(huán)境的感知，在各種外界因素的影響之下，如何正確地識別區(qū)分入侵破壞行為和環(huán)境干擾，提高周界安防系統(tǒng)報警準(zhǔn)確率及降低系統(tǒng)誤報率，是需要重點(diǎn)探索的問題。

2 信號分析

光纖光柵周界入侵報警系統(tǒng)是基于光纖光柵傳感原理研制。光纖光柵振動探測器串接成高靈敏度的振動探測光纜，可任意布防在周界區(qū)域，并對直接或間接傳遞的各種擾動信號進(jìn)行采集，后端信號處理器及系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)擾動信號的分析和識別，并對入侵地點(diǎn)進(jìn)行定位。

如圖1所示，常態(tài)環(huán)境下，通過拍打傳感光纜布設(shè)的圍欄，模擬入侵行為，可以看到在拍打的過程中，對應(yīng)區(qū)域內(nèi)的鄰近傳感器通道能夠產(chǎn)生明顯的信號，波形清晰且干凈，相鄰?fù)ǖ赖牟ㄐ尉哂幸恢滦?，而其他時間、其他位置的信號波形處于平靜的狀態(tài)。如圖2所示，大風(fēng)環(huán)境下，通過拍打傳感光纜布設(shè)的圍欄，模擬入侵行為，也可以看到在拍打的過程中，對應(yīng)區(qū)域內(nèi)的鄰近傳感器通道能夠產(chǎn)生明顯的信號，但波形相對于常態(tài)環(huán)境下，形態(tài)更加復(fù)雜，在其他時間、其他位置的信號波形也能觀察到由大風(fēng)引起的擾動，但相對于入侵信號，還是存在較為明顯的差別，并且拍打信號在相鄰?fù)ǖ赖牟ㄐ尉哂休^為明顯的一致性，而大風(fēng)擾動波形的一致性在相鄰?fù)ǖ乐胁⒉幻黠@。圖3所示為錄制的一段大風(fēng)環(huán)境下的干擾信號，大風(fēng)擾動可以影響鄰近的多個通道，并且各傳感器通道的波形較為隨機(jī)和雜亂。

3 算法描述

圖1 在常態(tài)環(huán)境下的模擬入侵信號

圖2 在大風(fēng)環(huán)境下的模擬入侵信號

根據(jù)上文，由于大風(fēng)環(huán)境下的入侵信號與常態(tài)入侵信號存在差異性，因此當(dāng)系統(tǒng)布防于多風(fēng)環(huán)境中，應(yīng)當(dāng)綜合考慮實(shí)時的環(huán)境因素，動態(tài)地調(diào)整報警策略。風(fēng)雨產(chǎn)生的擾動一般較為隨機(jī)，無規(guī)律，本文利用相似性度量方法，首先計算存在擾動的通道與其相鄰?fù)ǖ佬盘柕南嚓P(guān)系數(shù)，進(jìn)行大風(fēng)環(huán)境的預(yù)判，再動態(tài)配置與實(shí)時環(huán)境對應(yīng)的報警參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)高靈敏度、低誤報率的預(yù)警效果。

3.1 信號分析步驟

（1）接收經(jīng)光纖光柵解調(diào)儀解調(diào)的外界振動信號，采樣率100Hz。

（2）若某傳感器通道的波動范圍超過閾值，計算此通道與其相鄰的兩個通道之間的Pearson相關(guān)系數(shù)。Pearson相關(guān)系數(shù)是用來衡量兩個數(shù)據(jù)集合是否在一條線上面，衡量定距變量間的線性關(guān)系。兩個連續(xù)變量（X,Y）的 Pearson相關(guān)性系數(shù)ρX,Y等于它們之間的協(xié)方差除以它們各自標(biāo)準(zhǔn)差的乘積。Pearson相關(guān)系數(shù)的取值在-1到1之間，越接近0表示兩個變量的相關(guān)性越小，越接近1或-1則表示兩個變量的相關(guān)性越大。Pearson相關(guān)系數(shù)的計算公式為：

（3）通過比較相關(guān)系數(shù)閾值，判斷是否為風(fēng)雨狀態(tài)。

圖3 大風(fēng)信號

（4）若某個發(fā)生擾動的傳感單元不處于風(fēng)雨狀態(tài)中，其報警判斷按照常規(guī)模式；若某個發(fā)生擾動的傳感單元處于風(fēng)雨狀態(tài)中，其報警判斷按照風(fēng)雨模式。

（5）若符合對應(yīng)的報警條件，則輸出報警事件。

3.2 報警判斷常規(guī)模式

（1）截取固定時間長度的信號。

（2）常規(guī)模式特征計算，包括：

●全段信號取絕對值，計算第一個超過閾值的數(shù)據(jù)點(diǎn)與最后一個超過閾值的數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的間隔時長，記為“擾動長度”。

●計算第一個超過閾值的數(shù)據(jù)點(diǎn)之后一段數(shù)據(jù)與之前一段數(shù)據(jù)各自均值的比值，記為“SNR”。

（3）若常規(guī)模式各個特征（“擾動長度”、“SNR”）的計算數(shù)值滿足各自的報警閾值，則該傳感單元輸出報警信息。

3.3 報警判斷風(fēng)雨模式

（1）截取固定時間長度的信號。

（2）風(fēng)雨模式特征計算，包括：

●全段信號取絕對值，計算第一個超過閾值的數(shù)據(jù)點(diǎn)與最后一個超過閾值的數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的間隔時長，記為“擾動長度”。

●同時統(tǒng)計超過閾值的數(shù)據(jù)點(diǎn)個數(shù)，除以“擾動長度”，記為“擾動比例”。

●計算第一個超過閾值的數(shù)據(jù)點(diǎn)之后一段數(shù)據(jù)與之前一段數(shù)據(jù)各自均值的比值，記為“SNR”。

●計算這段信號的頻譜，去除零頻率后，除以余下頻譜的最大值與最小值之差，即進(jìn)行歸一化。將歸一化后的頻譜數(shù)值進(jìn)行累加，記為“FFT”。

（3）若風(fēng)雨模式各個特征（“擾動長度”、“擾動比例”、“SNR”、“FFT”）的計算數(shù)值滿足各自的報警閾值，則該傳感單元輸出報警信息。

4 應(yīng)用效果

某監(jiān)測周界總長度約為2km，使用一臺24通道儀表，每通道包含20個傳感單元，各個傳感單元之間的間距為5m，信號采樣率100Hz。實(shí)際安裝20條探測光纜，即儀表有20個通道接入探測光纜，共配置了400個傳感單元，監(jiān)測距離2000m。

設(shè)置擾動閾值為50，相關(guān)系數(shù)閾值為±0.7。設(shè)置常規(guī)模式特征閾值和風(fēng)雨模式特征閾值，具體如表1所示。分別在晴朗天氣和大風(fēng)天氣下進(jìn)行靜態(tài)觀察和模擬入侵測試，結(jié)果統(tǒng)計如表2、3所示。

表1 常規(guī)模式和風(fēng)雨模式報警閥值配置

表2 靜態(tài)觀察統(tǒng)計結(jié)果

綜合以上測試結(jié)果，本系統(tǒng)利用相鄰傳感單元信號之間的相似度信息，判斷風(fēng)雨干擾是否存在，對系統(tǒng)的信號分析方式進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，提供一種高靈敏度、低誤報，適用于多風(fēng)環(huán)境的周界安防系統(tǒng)報警方法。系統(tǒng)在常規(guī)天氣和風(fēng)雨天氣下均能對入侵行為進(jìn)行有效報警，并且在風(fēng)雨天氣下低誤報，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。

表3 模擬入侵測試統(tǒng)計結(jié)果