光纖Sagnac干涉儀在智能預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)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(shù)進(jìn)行分析，并結(jié)合視頻監(jiān)控、聲光報警等多種安防系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，提出了基于光纖薩格納克干涉儀的周界安防智能預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)，該系統(tǒng)具備性能穩(wěn)定、敏感度高、反應(yīng)及時等重要特性，有效地解決了傳統(tǒng)預(yù)警系統(tǒng)存在的抗干擾能力差、誤報率高等問題，可實現(xiàn)電力系統(tǒng)周界全天候、無間歇的智能化集中管控，實現(xiàn)系統(tǒng)入侵、安全事故信號自動識別和辨識、遠(yuǎn)程自動報警、入侵行為恐嚇等功能。本文所構(gòu)建的周界安防智能預(yù)警系統(tǒng)豐富了光纖薩格納克干涉儀在智能預(yù)警系統(tǒng)中應(yīng)用，可有效提升我國電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程、無人監(jiān)控的智能化水平。

關(guān)鍵詞：光纖傳感、干涉儀、電力系統(tǒng)、智能預(yù)警、預(yù)警系統(tǒng)

0.引言

隨著社會發(fā)展，電纜憑借諸多優(yōu)勢得到了廣泛應(yīng)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(jīng)濟(jì)的巨大損失[1]。目前電力系統(tǒng)中存在變電站安防監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)落后，不能滿足集中管控和全天候防護(hù)的需求，且誤警率高，因此實現(xiàn)對各變電站的布防情況、報警信息、案發(fā)現(xiàn)場的動態(tài)監(jiān)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(yīng)，對電力系統(tǒng)安全生產(chǎn)尤為重要和急迫?；诖耍瑸楦脑祀娋W(wǎng)系統(tǒng)目前電力系統(tǒng)高危險性場景遠(yuǎn)程監(jiān)管及野外無人值守監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)所存在的問題，本文利用光纖Sagnac干涉儀的穩(wěn)定性及適合長距離分布式監(jiān)測特點[2]探討光纖Sagnac干涉儀在電網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。將Sagnac干涉儀應(yīng)用到變電站報警系統(tǒng)中，以達(dá)到遠(yuǎn)程對變電站實時動態(tài)監(jiān)控，并對周界侵?jǐn)_行為做出及時的報警的目的，以滿足電力系統(tǒng)安全生產(chǎn)的需求。

1.光纖Sagnac傳感技術(shù)研究現(xiàn)狀

1913年法國科學(xué)家Sagnac首次提出了Sagnac效應(yīng)，并通過實驗進(jìn)行了驗證。之后，光纖Sagnac干涉型傳感系統(tǒng)憑借其結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，適合于高頻信號的監(jiān)測，且抗干擾能力強，易構(gòu)成分布式檢測等優(yōu)點，在工程實際中得到了廣泛研究與應(yīng)用。基于光纖Sagnac傳感系統(tǒng)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(yōu)點，目前已成為航空、航天、航海及其他監(jiān)測領(lǐng)域中不可或缺的傳感器產(chǎn)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(shù)也是各高校和科研單位的研究熱點。南京航空航天大學(xué)程竹明等研究一種利用光纖Sagnac傳感技術(shù)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)沖擊定位的方法[3]。中國鐵路總公司熊杰與北京交通大學(xué)周洋構(gòu)建一種基于Sagnac的干涉型光纖聲音傳感技術(shù)方案[4]。馮素娟研究了一種結(jié)構(gòu)新穎、光譜特性可精確控制的Sagnac環(huán)濾波器[5]。Sagnac干涉儀技術(shù)逐漸成熟，為其應(yīng)用領(lǐng)域研究奠定了基礎(chǔ)，同時為Sagnac干涉儀的應(yīng)用提供了廣闊的前景。

2.基于Sagnac干涉儀智能預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1基于Sagnac干涉儀定位原理

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

當(dāng)光纖耦合器監(jiān)測到干擾信號后，可通過對干涉信號進(jìn)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(yīng)頻率值，經(jīng)過調(diào)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(tǒng)中的傳感光纜一般敷設(shè)在室外，不可避免地會有環(huán)境噪聲，比如小動物造成的輕微擾動、刮風(fēng)、下雨等，這些環(huán)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(tǒng)的入侵判定產(chǎn)生一定的干擾。干涉型光纖傳感是相位調(diào)制，靈敏度極高，對非常微小的擾動也敏感，容易收到外界環(huán)境的干擾[7]。此外，即便排除外界環(huán)境的影響，檢測系統(tǒng)采集到的信號本身也含有系統(tǒng)中的元件產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲。如何能最大程度地排除噪聲的干擾，降低系統(tǒng)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(shù)是入侵判定技術(shù)，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(huán)境中的噪聲干擾很多，光纖受到這些噪聲干擾產(chǎn)生的信號與受到入侵行為產(chǎn)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(tài)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(guān)系來判斷信號是否屬于正常狀態(tài)。

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(tǒng)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(tǒng)處于未被振動的正常狀態(tài);否則，系統(tǒng)處于振動狀態(tài)。其中，與為系統(tǒng)正常情況下采集信號的短時能量和短時過零率，為調(diào)整系數(shù)，其設(shè)置目的是為了調(diào)整系統(tǒng)的敏感度，降低系統(tǒng)的漏報率。

（2）第二級：小波域分解的各層系數(shù)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(jìn)一步細(xì)化入侵信號的判定識別。

其中，為第層小波系數(shù)長度;為尺度系數(shù)長度，為第個尺度系數(shù)。

根據(jù)Parseval定理可知，小波系數(shù)能量分布與原始信號特征之間存在對應(yīng)關(guān)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(qū)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(shù)尺度能量分布;為先驗的各類入侵信號小波系數(shù)尺度分布特征。

若滿足（為先驗的特征偏差閾值），則認(rèn)為該信號為入侵振動信號;否則，為環(huán)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(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計

3.1系統(tǒng)傳感原理

當(dāng)外界的擾動信號產(chǎn)生的應(yīng)力作用于光纖，使光纖中光信號的相位發(fā)生變化，通過干涉轉(zhuǎn)換為光強變化，系統(tǒng)接收到從戶外返回的光信號是攜帶外界擾動信息的，經(jīng)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(huán)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由光源發(fā)出的光信號經(jīng)耦合器分成兩束光強相同，依次耦合進(jìn)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(jīng)過耦合器時便會發(fā)生干擾現(xiàn)象。當(dāng)傳感區(qū)沒有干擾現(xiàn)象，兩束光沒有光程差，相位差不會發(fā)生改變，光強變化了為零;當(dāng)有外界因素干擾時，這兩束光由于經(jīng)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(fā)生干涉現(xiàn)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(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計基于光纖Sagnac干涉儀智能預(yù)警系統(tǒng)主要由邊界安防系統(tǒng)、視頻聯(lián)動系統(tǒng)、遠(yuǎn)程報警系統(tǒng)、聲光報警系統(tǒng)四部分組成，具體系統(tǒng)架構(gòu)詳見圖2。關(guān)于視頻聯(lián)動、遠(yuǎn)程報警、聲光報警系統(tǒng)目前技術(shù)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(tǒng)部分的設(shè)計。

（1）系統(tǒng)功能

系統(tǒng)通過Sagnac干涉儀傳感器感知周邊環(huán)境的波動，通過相應(yīng)的干擾信號分析判斷入侵事件類型、入侵事件地點實現(xiàn)對入侵、環(huán)境等波動的監(jiān)測，并在地理信息服務(wù)基礎(chǔ)上定位事件具體發(fā)生地點，同時系統(tǒng)自動調(diào)取該區(qū)域監(jiān)控攝像頭實時監(jiān)測內(nèi)容并在中央控制中心顯示，在發(fā)送相應(yīng)警告給最近管理人員的同時觸發(fā)聲光警告，進(jìn)而實現(xiàn)智能定址、智能感知、遠(yuǎn)程預(yù)警和主動警告等功能。構(gòu)建智能預(yù)警系統(tǒng)軟硬件分別承載不同功能，以滿足系統(tǒng)功能實現(xiàn)。

（2）邊界安防系統(tǒng)

邊界安防系統(tǒng)是Sagnac干涉儀應(yīng)用的主要場景，該系統(tǒng)主要實現(xiàn)入侵事件分析和判斷、智能感知和智能定址的功能。系統(tǒng)主要由戶外防區(qū)的傳感光路部分以及控制室中的報警主機(jī)和主機(jī)服務(wù)器構(gòu)成。對于光纖周界安防系統(tǒng)來講，如何確定入侵行為發(fā)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(tǒng)成本將高，光路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且存在一定的定位誤差?；诖耍疚奶岢龅陌卜肋吔缦到y(tǒng)采取的是以防區(qū)為單元進(jìn)行監(jiān)控報警，構(gòu)建多通道光纖周界安防系統(tǒng)，將防范區(qū)域劃分為多個區(qū)域，每個通道負(fù)責(zé)一個區(qū)域，系統(tǒng)能準(zhǔn)確判定是哪個防區(qū)有入侵，每個通道互不影響，實現(xiàn)多個防區(qū)大范圍同時實時檢測轄區(qū)狀況。

（3）視頻聯(lián)動系統(tǒng)

在每個防區(qū)布設(shè)一個或者多個攝像機(jī)，當(dāng)系統(tǒng)判斷出某個防區(qū)有警報時，將帶有防區(qū)號的警報信息發(fā)送到視頻監(jiān)控系統(tǒng)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)接收到后，首先進(jìn)行解碼，根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的防區(qū)與攝像機(jī)的對應(yīng)關(guān)系，打開該防區(qū)相應(yīng)的攝像頭進(jìn)行拍照或者錄像，留存證據(jù)，如果是幾個防區(qū)共用一個攝像頭，則將攝像頭旋轉(zhuǎn)至報警防區(qū)。系統(tǒng)可以布設(shè)在防范區(qū)域的周界，也可以布設(shè)在重要的出入口，兩種系統(tǒng)融合在一起，形成更加周密的監(jiān)控網(wǎng)。

兩個系統(tǒng)融合有很多優(yōu)點，一是避免了視頻監(jiān)控系統(tǒng)長時間錄像或者拍照;二是不需要有人專門監(jiān)視著攝像機(jī)傳回的畫面，節(jié)省大量人力成本;三是為入侵人員非法行徑留下不可否認(rèn)的證據(jù)。

（4）遠(yuǎn)程報警

將防區(qū)監(jiān)控與GSM裝置通過串口連接，當(dāng)發(fā)生報警時，將發(fā)生報警的防區(qū)編號以及短信內(nèi)容轉(zhuǎn)換成GSM可以識別的編碼傳輸?shù)紾SM，GSM接收解析后發(fā)送短信到提前設(shè)置好的手機(jī)上，這樣即便不在監(jiān)控現(xiàn)場，也可以獲知所有區(qū)域的最新動態(tài)，以實現(xiàn)遠(yuǎn)程報警功能。這樣，遠(yuǎn)程報警的功能使得監(jiān)控中心可以減少工作者，從而節(jié)省掉一大部分人力成本。

（5）聲光報警

全光纖防區(qū)型周界監(jiān)控可以與報警擴(kuò)音器、照明等裝置融合。因為防區(qū)型光纖周界安防系統(tǒng)的報警主機(jī)及軟件界面都位于監(jiān)控中心，如果有非法人員闖入防區(qū)，不能對其起到實質(zhì)性的威懾作用。如果與報警擴(kuò)音器或者照明系統(tǒng)聯(lián)動，當(dāng)防區(qū)型光纖周界安防系統(tǒng)判定某個防區(qū)存在入侵時，將防區(qū)號和報警信號發(fā)送到控制中心，控制中心接收后啟動對相應(yīng)防區(qū)的擴(kuò)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(jié)束語

本文借助光纖Sagnac傳感技術(shù)，結(jié)合視頻聯(lián)動、遠(yuǎn)程報警和聲光報警構(gòu)建了基于Sagnac智能預(yù)警系統(tǒng)，并實現(xiàn)智能定址、智能感知、分布式監(jiān)測、抗干擾能力、響應(yīng)時間等功能。此外，針對邊界安防系統(tǒng)的定位方法、光纖擾動信號識別和入侵行為判定方法進(jìn)行了詳細(xì)的論證，為該智能預(yù)警系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的實施提供了方向。

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項目名稱：基于Sagnac環(huán)的分布式光纖圍欄智能預(yù)警安防系統(tǒng)

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(tǒng)安全管理方面的研究工作。