基于直線型Sagnac的光纖周界安防系統(tǒng)設(shè)計

王 寧,朱宗玖

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,安徽 淮南,232001)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提高,社會對電力能源的需求日趨強(qiáng)烈.電力能源供應(yīng)是一項(xiàng)由發(fā)電、輸電、配電、變電等多個環(huán)節(jié)組成的龐大工程,變電站作為連接電力系統(tǒng)與用戶的重要樞紐,在整個電力系統(tǒng)中發(fā)揮著不可替代的作用.隨著變電站無人值守化的推進(jìn),電力盜竊案件時有發(fā)生,給國民經(jīng)濟(jì)和人民生活帶來了重大損失和影響[1-2].傳統(tǒng)的安防系統(tǒng)雖然達(dá)到了一定的防御效果,但存在著一些缺陷,如紅外圍欄誤報率高,脈沖式電子圍欄耗電量大,埋地電纜探測不適宜大面積敷設(shè),視頻監(jiān)控系統(tǒng)功耗大且容易產(chǎn)生監(jiān)控死角,且以上安防手段都易受電磁干擾,無法滿足變電站無人值守的需求[3].因此迫切需要開發(fā)出一套能夠有效防護(hù)無人值守變電站安全的安防系統(tǒng),對變電站周界進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控,以保證供電的可靠性.

分布式光纖傳感器集傳感和傳輸為一體,通過傳感光纖對外界被測量進(jìn)行采集[4-5],具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、監(jiān)測范圍大、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn),在航天航空、土木工程、周界安防、健康醫(yī)療等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[6-9],尤其在周界安防領(lǐng)域,光纖安防系統(tǒng)已成為發(fā)展的主流方向.

基于Sagnac結(jié)構(gòu)的分布式光纖傳感系統(tǒng)對光源相干性要求低,特別適合入侵信號監(jiān)測[10],但在實(shí)際使用時傳感光纖會以對稱的方式受到同樣的物理場,由于光的互易效應(yīng),將會導(dǎo)致傳感光纖中的光信號相互抵消,沒有干涉信號的輸出,所以需對一半光纖進(jìn)行聲場上的隔離,導(dǎo)致了施工成本的增加.為解決上述問題,本文設(shè)計了基于直線型Sagnac的光纖周界安防系統(tǒng),同時提高了光纖周界安防系統(tǒng)的監(jiān)測范圍,實(shí)現(xiàn)多防區(qū)監(jiān)測功能,遠(yuǎn)程對變電站進(jìn)行實(shí)時動態(tài)監(jiān)控,以滿足電力系統(tǒng)安全生產(chǎn)的需求.

1 直線型Sagnac干涉系統(tǒng)

1.1 直線型Sagnac干涉系統(tǒng)原理

Sagnac干涉效應(yīng)于1913年被法國科學(xué)家Sagnac提出,其原理為將激光器發(fā)出的光等比例分為兩束,使其在在干涉儀中相反方向傳輸一周后在耦合器匯聚并發(fā)生干涉[11-12].直線型Sagnac干涉系統(tǒng)也是基于Sagnac干涉效應(yīng)發(fā)展而來,在直線型Sagnac干涉系統(tǒng)中,傳感光纖只有一根,光路結(jié)構(gòu)相對簡單,其原理圖如圖1所示.

直線型Sagnac干涉系統(tǒng)包含有激光器、延遲光纖、傳感光纖、3*3耦合器、2*1耦合器、法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(Faraday rotator mirror,FRM)、光電探測器,通過在傳感光纖末端設(shè)置FRM使光沿單根光纖傳輸,具有比其他干涉式光纖安防系統(tǒng)更簡單的結(jié)構(gòu)和更強(qiáng)的抗環(huán)境干擾能力.從激光器發(fā)出的光通過3*3耦合器進(jìn)入非平衡馬赫-曾德爾干涉儀中,然后從2*1耦合器輸出后進(jìn)入傳感光纖,當(dāng)傳感光纖受到外界振動時,光纖中光信號的相位發(fā)生變化,隨后經(jīng)傳感光纖末端的FRM反射后沿原光路返回,然后被光電探測器接收,最終通過干涉轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)變化,通過分析系統(tǒng)輸出干涉光的強(qiáng)度即可判斷外界是否有入侵行為.到達(dá)光電探測器的光一共有四路:(Ⅰ)A—C—D—E—FRM—E—D—C—A;(Ⅱ)A—C—D—E—FRM—E—D—B—A;(Ⅲ)A—B—D—E—FRM—E—D—C—A;(Ⅳ)A—B—D—E—FRM—E—D—B—A.

由于延遲光纖的長度遠(yuǎn)長于光源的相干長度,因此只有光路Ⅱ和光路Ⅲ中傳輸?shù)男盘柟饽軌虬l(fā)生干涉.而光路Ⅰ和光路Ⅳ中傳輸?shù)男盘柟夤獬滩钕嗖钐?不滿足干涉條件,可以被認(rèn)為是直流信號,易于消除.

1.2 直線型Sagnac干涉系統(tǒng)定位原理

由光纖振動感知原理可知,在傳感光纖上某點(diǎn)施加一個振動信號時,光纖中傳輸?shù)墓庑盘柕南辔灰蚬鈴椥?yīng)而發(fā)生變化[13].由傅里葉變換理論可知,信號光的相位變化都可以劃分為多個具有不同幅值、不同頻率和不同相位的正弦波的集合,該集合表示為:

(1)

其中:Ai,ωi,φi分別為各正弦分量的幅值、頻率和初相位,N為正整數(shù),表示構(gòu)成振動信號所需要的正弦波的數(shù)目.則由振動引起的光路Ⅱ和光路Ⅲ之間的相位差可以表示為:

(2)

其中:τ1為光從激光器發(fā)出經(jīng)A、C、D點(diǎn)后到達(dá)E點(diǎn)的時間,τ2為光從激光器發(fā)出經(jīng)A、C、D、E點(diǎn)后傳播到FRM,又經(jīng)FRM反射傳播到E點(diǎn)的時間,τ3為光從激光器發(fā)出經(jīng)A、B、D點(diǎn)后到達(dá)E點(diǎn)的時間,τ4為光從激光器發(fā)出經(jīng)A、B、D、E點(diǎn)后傳播到FRM,又經(jīng)FRM反射傳播到E點(diǎn)的時間.Ld為延遲光纖長度,L為傳感光纖的長度,L1為振動位置B與FRM的距離,L2分別為振動位置B與2*1耦合器的距離,c為真空中傳播的光速,n為光纖的折射率.

(3)

其中:k取正整數(shù).通過傅里葉變換得到振動信號的頻譜,確定相應(yīng)零頻點(diǎn)的頻率,即可解調(diào)出振動位置,實(shí)現(xiàn)對振動信號的定位.

2 入侵信號判定算法

光纖周界安防系統(tǒng)依靠傳感光纖采集外界振動信號,由于采集數(shù)據(jù)量大,必須綜合考慮系統(tǒng)報警的誤報率和實(shí)時性,這就要求信號處理算法既要有效,又不能過于復(fù)雜.現(xiàn)有的光纖振動信號檢測方法通常從單一的信號處理角度進(jìn)行判定,如基于時域特征閾值的端點(diǎn)檢測算法,這樣會使系統(tǒng)具有片面性,影響識別精度,誤報率較高.在此基礎(chǔ)上,為了提高事件分類的準(zhǔn)確率,增強(qiáng)在復(fù)雜環(huán)境下的魯棒性,本文提出一種基于多域特征的動態(tài)閾值端點(diǎn)檢測算法,從時域、頻域和小波域提取振動信號的特征進(jìn)行判斷,實(shí)時更新特征閾值,通過三級判定算法提高系統(tǒng)對入侵事件的檢測效果.

2.1 時域特征分析

在時域中選取短時過零率來判斷系統(tǒng)是否處于振動狀態(tài).短時過零率是表示信號的波形在零電平附近上下波動的頻率的特征量,對于光纖振動信號來說,當(dāng)相鄰兩點(diǎn)幅值符合變化即可記為一次過零[14].設(shè)光纖時域振動信號為x(t),加窗分后幀得到的第i幀信號記為xi(n),則光纖幀信號x(n)的短時過零率Z(i)為:

(4)

其中:N為每幀信號中采樣點(diǎn)的個數(shù),sgn是符號函數(shù),即:

(5)

2.2 頻域特征分析

在光纖傳感信號中,振動信號和噪聲信號之間的頻譜分布具有很大差異,因此可以通過分析信號的頻帶分布特性對信號進(jìn)行檢測和識別.將第一級判定識別出的振動信號進(jìn)行離散傅里葉變換得到第i幀信號的頻譜為:

(6)

第i幀信號幅值的均值為:

(7)

第i幀信號的頻帶方差表示為:

(8)

2.3 小波域特征分析

(9)

(10)

(11)

3 光纖周界安防系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計了一種基于直線型Sagnac的光纖周界安防系統(tǒng),主要由光路系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、微信推送系統(tǒng)、聲光報警系統(tǒng)四部分組成.通過埋地敷設(shè)、圍欄敷設(shè)等形式將傳感光纖布設(shè)到預(yù)先劃分好的防區(qū)內(nèi),并在每個防區(qū)架設(shè)有攝像頭.當(dāng)其中某一防區(qū)發(fā)生入侵事件時,布設(shè)的傳感光纖會檢測到振動信號,此時系統(tǒng)會及時對入侵事件做出判定,并調(diào)用對應(yīng)防區(qū)的攝像頭進(jìn)行拍照或錄像記錄入侵影像,將實(shí)時監(jiān)測內(nèi)容顯示到控制中心,同時通過企業(yè)微信將報警結(jié)果通知給管理人員.系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)總體方案圖Figure 2 System overall scheme diagram

3.1 光路系統(tǒng)

光路系統(tǒng)中采用直線型Sagnac結(jié)構(gòu),主要由位于控制中心的工控主機(jī)、信號處理模塊、光開關(guān)模塊和戶外防區(qū)的傳感光路部分構(gòu)成,用于實(shí)現(xiàn)入侵事件的分析和定位功能.本文對傳感光路部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn),將單一傳感支路擴(kuò)展為雙傳感支路,每條傳感支路分別由傳感光纖和法拉第旋轉(zhuǎn)鏡構(gòu)成,可分別布設(shè)兩個防區(qū),實(shí)現(xiàn)對兩個防區(qū)入侵信號的實(shí)時檢測.

系統(tǒng)采用光開關(guān)模塊來實(shí)現(xiàn)不同防區(qū)之間的切換監(jiān)測,防區(qū)的切換由STM32F407構(gòu)成的微控單元控制.上位機(jī)通過控制微控單元向光開關(guān)發(fā)送指令,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同防區(qū)的監(jiān)測切換,防區(qū)切換速率非?？?一般為毫秒級.利用STM32F407控制在兩個輸出端之間切換,通過上位機(jī)軟件編寫,可實(shí)現(xiàn)兩通道之間自動切換或指定切換,相較于單通道檢測并沒有增加系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度,但擴(kuò)大了系統(tǒng)整體的監(jiān)測范圍,實(shí)現(xiàn)了多防區(qū)的在線監(jiān)測.

3.2 視屏監(jiān)控系統(tǒng)

光纖周界安防系統(tǒng)通過傳感光纖實(shí)時監(jiān)測布設(shè)防區(qū)的每一個點(diǎn),只要有入侵事件發(fā)生,系統(tǒng)會第一時間檢測出,但不能將入侵信息可視化.視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以將入侵信息在控制中心實(shí)時顯示,但需要人員進(jìn)行不間斷的監(jiān)控,且在長距離安防中容易產(chǎn)生監(jiān)控死角,不能及時獲取到入侵信息.為此在系統(tǒng)中加入視頻聯(lián)動功能,實(shí)時動態(tài)的監(jiān)測布設(shè)防區(qū)的安全狀況.在視屏監(jiān)控系統(tǒng)與光纖周界安防系統(tǒng)應(yīng)用組網(wǎng)中,根據(jù)傳感光纖的長度和定位誤差以及攝像頭最大視角等因素綜合考慮使用攝像頭的數(shù)量,并傳感光纖分段和攝像頭之間進(jìn)行編號,當(dāng)入侵事件發(fā)生時,通過定位信息將對應(yīng)編號的攝像頭轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置,然后拍攝到的畫面發(fā)送給控制中心,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光纖周界安防系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動.

3.3 微信推送系統(tǒng)

為了能更好地應(yīng)對入侵行為,需要將報警信息第一時間通知到管理人員,在系統(tǒng)中編寫企業(yè)微信連接程序,通過企業(yè)微信將報警信息通知給管理人員.企業(yè)微信平臺可以為企業(yè)、媒體和個人創(chuàng)建信息推送渠道,通過訂閱號經(jīng)平臺可以將信息推送至手機(jī)終端,信息閱讀簡單且易操作,高效聯(lián)通,可實(shí)現(xiàn)報警信息的精準(zhǔn)推送.利用光纖安防系統(tǒng)對采集到的振動信號進(jìn)行分析,當(dāng)振動信號判定為入侵行為時,系統(tǒng)將報警信息打包后調(diào)用企業(yè)微信API接口推送信息,企業(yè)微信后臺根據(jù)信息要求向指定管理人員發(fā)送信息.將企業(yè)微信與光纖安防系統(tǒng)聯(lián)動,能有效提升入侵監(jiān)測手段的多樣性和報警的實(shí)時性.

3.4 聲光報警系統(tǒng)

當(dāng)非法人員闖入防區(qū)時,位于控制中心的光纖周界安防系統(tǒng)報警主機(jī)自動報警,但不能對其起到實(shí)質(zhì)性的威懾作用,及時制止入侵行為.為此,將系統(tǒng)與報警器、照明燈等現(xiàn)場設(shè)備聯(lián)動,當(dāng)系統(tǒng)判定某一防區(qū)發(fā)生入侵事件時,通過定位信息啟動對應(yīng)編號的報警器和照明燈,威懾不法分子,制止其入侵行為,保證防區(qū)安全.

4 結(jié) 語

本文針對直線型Sagnac干涉系統(tǒng)的定位算法、光纖振動信號識別算法進(jìn)行了詳細(xì)的論證,提出了基于直線型Sagnac的光纖周界安防系統(tǒng)設(shè)計方案,結(jié)合聲光報警系統(tǒng)、視屏監(jiān)控系統(tǒng)和微信報警系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了多防區(qū)監(jiān)測、智能定址、主動警告、遠(yuǎn)程報警等功能.為光纖周界安防系統(tǒng)在變電站安防系統(tǒng)中的實(shí)施提供了方向,更好地滿足安防應(yīng)用需求.