基于FBG传感的周界围栏报警系统的设计

　　FBG传感周界围栏报警系统的设计

　　FBG传感周界围栏报警系统是利用激光、光纤传感和光通信等高科技技术构建的安全报警系统，是一种对威胁公众安全的突发事件进行监控和报警的现代防御体系。它是基于FBG分布式光纤传感技术应用于周界监控防护的新系统。

　　所设计的FBG传感周界围栏报警系统由宽带光源、耦合器、带所需个数FBG传感器(根据周界长度而设)的传感光纤与传输光纤、波长移动解调装置、信号处理系统等组成(如如图3所示)。

图3 FBG传感周界围栏报警系统的组成及原理

　　由图3可见，这种系统是利用单根光纤 (在光敏性光纤上用紫外光写入所需个数的Bragg光栅)作为传感传输二合一的器件，通过对直接接触光纤或通过承载物，如覆土、铁丝网、围栏、管道等，传递给光纤(缆)的各种扰动，以进行全程任意点全天候不间断地持续和实时地监控。

　　FBG传感周界围栏报警系统的工作原理是：由宽带光源发出的光，经耦合器传输到布设有所需个数的FBG周界传感光纤中，当其中的某点FBG传感器的光纤受到外界入侵的扰动后，即使该FBG的波长发生变化，其反射光波长调制数据经耦合器通过传输光纤送入监控室内，其输入的光到达波长移动解调装置，先由光电探测器接收放大，再送入波长移动解调电路解调，最后经信号处理系统分析处理和智能识别，以判断出外部有否危害入侵。对非危害性环境干扰如雷鸣、鞭炮等，也能进行识别，而可做出无害判断;当识别有攀爬铁丝网、按压围墙、禁行区域的奔跑或行走，以及可能威胁周界建筑物的机械施工等后，为提高可靠性，必须再经过周界监控摄像机所摄的监控图像的判断复核确定，才可实现系统预警或实时告警，以达到对侵入设防区域周界的威胁行为进行实时监测的目的。

　　对于局部高危区域，系统还可实现语音监听和记录。该功能完全无需采用电或金属的传感器，仅用光纤即可实现，从而丰富了用单一光纤实现监控系统的功能和防护等级。

　波长移动解调

　　实际上，研究FBG传感器的关键问题是如何精确测量FBG反射波长的移动量。传统上一般应用光谱仪解调系统，虽然近年出现的微型光谱仪体积小、价格便宜，但其光谱分辨力只在0.1 nm数量级，远远达不到FBG解调需要的pm级的分辨力。为了提高Bragg波长漂移量的测量精度，各国学者研究了很多解调方法，如边缘滤波器法，可调谐滤波器法，干涉仪扫描法与双腔干涉仪扫描法等。2007年天津大学精仪学院光电信息技术科学教育部重点实验室，针对大型建筑结构监测应用领域研制了一种便携式FBG波长解调仪，它基于无源比例解调原理，以熔融拉锥器件作为线性滤波器，采用锁相放大技术提取微弱信号，并利用单片机控制FBG波长信息的采集、显示以及存储。该解调仪结构简单、成本低，可实现大量程波长测量。实验表明，该光纤光栅解调仪解调范围达15 nm，波长测量精度为12.4 pm。

　　采用一种基于F-P可调谐滤波器和波长基准器，并用插值-相关谱法进行处理。首先在原始光谱中每相邻两点间线性插入一些点，再利用相关谱法得到Bragg波长移动量。该方法不但可以有效抑制噪声，而且能精确地测量Bragg波长移动量，从而实现高精度地测量温度、应变等外界参量。理论分析和实验表明：采用相关谱法测量Bragg波长移动量是可行的，且可以提高信噪比，进而提高解调精度。在此基础上，结合线性插值的方法，在原始光谱中每相邻两点间插入一定数量的点，可以进一步提高解调精度。采用这种解调方法可使Bragg光栅波长分辨力达到1 pm，温度测量精度达到±0.2℃。

多处侵入定位及入侵模式特征

　　一般，光纤Bragg光栅周界围栏报警系统存在多处同时受扰判断问题。因此，在判断有威胁侵入行为发生时，系统需能根据光信号调制的分析，对侵入行为发生点实时进行定位，从而便于安保人员对目标明确地及时采取有效措施，以制止侵入行为后续事件发生。

　　为解决光纤围栏报警系统中多个FBG传感器在同时受扰时，定位报警信号难，而无法实现对报警信号的有效识别和判断的问题，可以利用一种基于经验模态分解(EMD)和小波包特征熵算法的分析方法来解决。我们首先对报警信号进行经验模态分解，再结合小波包分解，得到小波包系数提取其信号的能量分布;其次做归一化得到信号的能量分布特征向量;最后运用相关性分析，以实现对报警信号的识别和判断。

　　实验证明，结合经验模态分解和小波包特征熵算法能够有效解决FBG传感器的光纤围栏报警系统中同时受扰判断的定位报警问题。因此充分证明了，利用这种方法对于解决光纤围栏报警系统中FBG传感器的级联判断报警信号是有效的。

　　从一般对光纤周界围栏的侵入与实验数据中，我们得出了六种不同的入侵报警模式，其典型的特征图如图4所示。图4中：(a)为行走入侵模式;(b)为跑动入侵模式;(c)为车辆入侵模式;(d)为翻越入侵模式;(e)为剪切入侵模式;(f)摇动入侵模式。显然，前三种为地面入侵模式;后三种为围栏入侵模式。本系统首先从报警信号中提取其长度、极值、幅度、周期、均值、小波系数均值、信号波动、应变特征、峄值特征、冲击特征、振动特征等各种特征数据;其次，根据阈值单元判断信号含有哪些特征;最后，根据经验确定的隶属函数来分析判别这些特征，并用特征组合的方法判断其为何种入侵模式的信号。

图4 六种入侵模式

　　经实验证明，设计方案可行，系统可靠，完全达到了预期的目的。

　结语

　　由上述介绍可知，基于长距离准分布式FBG传感器的光纤围栏作为一种新型的安防监测系统，不仅具有抗电磁干扰、抗腐蚀、易复用的特点，而且具有技术成熟、成本较低、报警定位精确、可靠性高等优势，是目前智能安防监控的一种主流发展方向，在安防领域势必拥有广阔的应用前景。

　　值得指出的是，为提高可靠性，本方案最后均经视频监控系统集成联动复核后，再驱动声光报警。本方案的特点是：简单高效、安装便捷、方便用户、维护简单，且灵敏度还可以根据实际的安装环境变化而调整，稳定可靠。因此，在它转化定型生产后，将非常适合于大中小型的周界围栏布防用户的使用，相信在民用市场上定会得到迅速普及推广。