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.pdf

1、周界安防是保護重要設(shè)施和資產(chǎn)的第一道防線，高效的周邊安全技術(shù)和方法可以更好的消除或減少來自外界的威脅。隨著社會的不斷發(fā)展，人們對于高效的安防需求越來越強烈，應(yīng)用最廣泛、歷史最久的傳統(tǒng)的電類安防產(chǎn)品主要有紅外對射、泄露電纜、電子脈沖圍欄等，它們都是室外有源的，易受電磁干擾，容易受氣象、環(huán)境的影響，誤報率高，定址不準確，新興的光纖周界安防技術(shù)主要包括利用后向散射的光時域反射定位技術(shù)(ODTR)和基于干涉技術(shù)的光纖周界定位系統(tǒng)。ODTR對多點

2、入侵的定位分析復(fù)雜，很難準確定位，而基于干涉原理的周界技術(shù)由于是相位調(diào)制型，所以對入射光的偏振態(tài)和外界的影響比較敏感，誤報率高，精確定位也是其面對的難題。面對目前周界技術(shù)難以克服的難題以及安防市場的迫切需求，提出一種基于光纖布喇格光柵(FBG)傳感技術(shù)的周界安防方法。設(shè)計了周界安防FBG振動傳感單元，采用振動光纜建立光無源傳感網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)多點入侵智能識別和精確定址的分布式監(jiān)測，具有室外無源、監(jiān)測距離長、抗雷擊電閃、抗電磁干擾、本質(zhì)安全、體

3、積小、耐腐蝕等優(yōu)點，特別適合野外敷設(shè)，可以滿足各種復(fù)雜環(huán)境的周界防范應(yīng)用，它是一種全新的周界安防方法，在國內(nèi)外尚屬首創(chuàng)。
　　 本文對基于FBG周界安防的新方法以及關(guān)鍵技術(shù)方面做了深入的研究，主要研究工作如下:
　　 (1)提出了基于FBG傳感技術(shù)的周界安防新方法，結(jié)合現(xiàn)代周界安防對周界技術(shù)的總體要求，將FBG安防的關(guān)鍵技術(shù)以及擬解決的關(guān)鍵問題進行細化，給出了FBG應(yīng)用到周界安防的總體的方法模型，按照從低到高的層次劃分為

4、物理層、實現(xiàn)層、算法層和應(yīng)用層，分析了了每個層次的關(guān)鍵技術(shù)問題。從智能定址、智能感知、耐候性、降低成本等幾個方面詳細論證了實現(xiàn)這種方法的可行性。
　　 (2)為了深入探討周界入侵行為與FBG感知信息的內(nèi)在關(guān)系，根據(jù)FBG傳感原理，特別是FBG波長與溫度和應(yīng)變的關(guān)系，結(jié)合單質(zhì)點彈性繩振動理論，設(shè)計了一種基于FBG振動傳感的數(shù)學(xué)模型，并對結(jié)構(gòu)模型進行了理論分析與計算，得到各個結(jié)構(gòu)參數(shù)對整個系統(tǒng)的振動位移和固有頻率影響的一般關(guān)系。根據(jù)

5、分析結(jié)果，設(shè)計相關(guān)實驗方案，建立實驗裝置，實驗結(jié)果驗證了模型計算的正確性，并且同時確定了傳感單元的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過封裝等方式進一步提高了傳感的性能，滿足了周界安防對傳感單元性能參數(shù)的要求。
　　 (3)在FBG傳感單元的基礎(chǔ)上，提出了將“準全同F(xiàn)BG振動安防”的新概念應(yīng)用到區(qū)域安防中，每個區(qū)域安防采用同一波長FBG振動傳感單元，可實現(xiàn)對每個防區(qū)精確定址，在現(xiàn)有解調(diào)能力的情況下，擴充了傳感網(wǎng)絡(luò)中每個光路的容量，分析了準全同振動監(jiān)

6、測實現(xiàn)安防的方法理論與實際的可操作性，通過實驗驗證，雖然準全同傳感器在使用的過程中會有不同程度的靈敏度損失，但是仍然滿足周界安防對傳感單元的要求，實際可操作性強。
　　 (4)實現(xiàn)了基于FBG振動傳感的周界安全防范的分布式檢測。FBG振動傳感器是波長調(diào)制型，屬于點對點檢測。以往的各種FBG傳感器只能檢測傳感單元所在物理位置的參數(shù)信息，僅能通過密集傳感探測點而實現(xiàn)準分布式檢測。在這里我們要應(yīng)用FBG振動傳感器實現(xiàn)周界安防的分布式檢

7、測，即在周界安防的任意一點發(fā)生入侵，系統(tǒng)都要對其做出響應(yīng)，絕對禁止安防”盲點”的出現(xiàn)。這一點對于周界安全防范來說至關(guān)重要。但是對于FBG其它傳感器而言是不可能實現(xiàn)的。在FBG周界安防方法里，根據(jù)波分復(fù)用原理建立了FBG振動光纜光無源傳感網(wǎng)絡(luò)。通過設(shè)計不同安裝介質(zhì)的處理方法與安裝方式，以實驗的方法給出每種安裝方式合適的傳感單元間距。實際應(yīng)用驗證這種方法非常有效，而且真正實現(xiàn)了基于FBG振動傳感的分布式安防監(jiān)測。
　　 (5)安防技

8、術(shù)的另一關(guān)鍵技術(shù)就是如何提高安防的報警準確率。論文通過在時域內(nèi)動態(tài)提取基準值、正確獲取入侵事件起點的方法，有效地將入侵可疑信號鎖定，通過時間片斷的劃分、統(tǒng)計、標注的方法，有效地屏蔽了環(huán)境溫度和外界干擾對系統(tǒng)的影響，在頻域內(nèi)，應(yīng)用快速傅里葉變換(FFT)，提出了單峰檢測法。此方法將時域預(yù)報警傳感信號進行快速傅立葉變換，通過與人為入侵信號進行分析對比，發(fā)現(xiàn)了傳感器自振的單峰現(xiàn)象，從而有效地濾除了由于外界振動干擾引起的傳感器自振誤報警，使得報

9、警準確率得到進一步的保證。
　　 (6)提出了一種基于時頻分析的新穎的周界安防入侵識別算法。通過分析人為入侵的信號頻率以及作用時間在信號時域上的反映，利用加窗傅立葉變換(STFT)的時頻分析方法，給出了相應(yīng)的窗函數(shù)、窗長，從而確定了時間分辨率與頻率分辨率，利用時域峰值結(jié)合STFT時頻能量積分的方法進行入侵的識別。這種算法可以使得入侵事件的漏報率趨于零，同時大幅降低誤報率。
　　 通過本課題的研究將有效解決傳統(tǒng)周界防范領(lǐng)域