光纖光柵周界安防系統(tǒng)在海風(fēng)環(huán)境中的應(yīng)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(tǒng)利用光柵傳感器來感知布防區(qū)域的振動信號，再經(jīng)過分析判斷對入侵行為進(jìn)行及時預(yù)警。當(dāng)系統(tǒng)安裝于起風(fēng)頻繁、風(fēng)力較大的海邊環(huán)境時，需要在準(zhǔn)確預(yù)警入侵行為的同時，減少大風(fēng)干擾引起的錯誤報警情況。該文以某一海風(fēng)環(huán)境的網(wǎng)片安裝方式周界系統(tǒng)為研究對象，比較了入侵信號和海風(fēng)信號的異同，由于大風(fēng)產(chǎn)生的擾動，影響范圍較大，該文結(jié)合區(qū)域信息，先對大風(fēng)環(huán)境進(jìn)行判斷，再為發(fā)生擾動的監(jiān)測單元分配對應(yīng)的報警策略，能夠有效提升系統(tǒng)的預(yù)警效果。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)志碼：A

光纖光柵周界安防系統(tǒng)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(qū)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(qū)域是否發(fā)生入侵事件。

當(dāng)周界系統(tǒng)安裝于起風(fēng)頻繁而且風(fēng)力較大的海邊環(huán)境時，在各種外界因素的影響下，如何正確地識別、區(qū)分入侵破壞行為和環(huán)境干擾，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，同時降低系統(tǒng)誤報率，是需要重點討論的問題。

1 信號分析

某監(jiān)測周界安裝于臨海環(huán)境，安裝方式為網(wǎng)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(shè)位置連續(xù)）的監(jiān)測單元，分別于白天測試時段（上午10：00～11：00）和夜晚起風(fēng)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(shè)的網(wǎng)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(jiān)測單元，其信號波形出現(xiàn)明顯的起伏變化，相鄰的1～2個監(jiān)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(tài)。如圖1（b）所示，為錄制的一段大風(fēng)環(huán)境下的振動信號，大風(fēng)擾動可以影響鄰近的多個監(jiān)測單元，各監(jiān)測單元的波形較為雜亂，并且海風(fēng)的影響時間較長，整個時段內(nèi)，在多個通道均可觀察到海風(fēng)引起的擾動。

應(yīng)當(dāng)根據(jù)監(jiān)測單元所處的環(huán)境狀態(tài)（常態(tài)或風(fēng)雨），采取不同的入侵事件判別方式，以提高報警的準(zhǔn)確性。

2 算法描述

當(dāng)系統(tǒng)布防于多風(fēng)的海邊環(huán)境中，應(yīng)當(dāng)綜合考慮實時的環(huán)境因素，動態(tài)地調(diào)整報警策略。風(fēng)雨產(chǎn)生的擾動，一般影響范圍較大，可以將區(qū)域信息作為區(qū)別入侵事件和風(fēng)雨擾動的有效依據(jù)。通過判斷受到擾動的探測單元是否處于風(fēng)雨區(qū)域中，為其配置對應(yīng)的報警策略。

2.1 風(fēng)雨區(qū)域判斷步驟

（1）記錄整個周界監(jiān)測區(qū)域各傳感單元n秒內(nèi)出現(xiàn)的擾動點。

（2）將各傳感單元n秒內(nèi)出現(xiàn)的擾動點整合為一行。

（3）按照劃分閾值，對該區(qū)內(nèi)的擾動點進(jìn)行區(qū)域劃分，間隔小于劃分閾值的傳感單元劃分為同一區(qū)域。

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

2.2 報警判斷步驟

（1）對于各個被觸發(fā)的探測單元，讀取這個探測單元所處區(qū)域當(dāng)前的環(huán)境狀態(tài)（常態(tài)或風(fēng)雨）。

（2）當(dāng)探測單元所處區(qū)域的狀態(tài)為“常態(tài)”，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(yīng)的報警閾值，則該傳感單元發(fā)出報警信息。

信噪比計算：第一個超過擾動閾值的數(shù)據(jù)點之后一段數(shù)據(jù)與之前一段數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)點與最后一個超過閾值的數(shù)據(jù)點之間的間隔時長。

（3）當(dāng)探測單元所處區(qū)域的狀態(tài)為“風(fēng)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(yīng)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(tǒng)計超過閾值的數(shù)據(jù)點個數(shù)，擾動比例是超過閾值數(shù)據(jù)點數(shù)和擾動時長范圍內(nèi)數(shù)據(jù)點數(shù)的比值。

3 應(yīng)用效果與結(jié)論

監(jiān)測周界安裝于臨海環(huán)境，安裝方式為網(wǎng)片安裝，傳感單元數(shù)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(shè)置擾動閾值為50，區(qū)域劃分閾值為3，風(fēng)雨范圍閾值為10。

報警閾值設(shè)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(jīng)過連續(xù)3個月的測試與觀察，運行結(jié)果統(tǒng)計見表1、表2。

綜合以上測試結(jié)果，該系統(tǒng)利用區(qū)域信息判斷是否存在風(fēng)雨干擾，對監(jiān)測單元信號分析方式進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，提供一種高靈敏度、低誤報，適用于海風(fēng)環(huán)境的周界安防系統(tǒng)報警方法。系統(tǒng)能夠?qū)θ肭中袨檫M(jìn)行有效地報警，并且在風(fēng)雨天氣下減少誤報的情況，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。

參考文獻(xiàn)

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

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

[3]金紅衛(wèi)，朱權(quán)，張秋芬.基于光纖光柵周界報警系統(tǒng)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(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)， 2013.

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