光纤光栅周界入侵报警系统在多风环境中的应用

张 涛 中石油管道有限责任公司西部分公司高级工程师

田 铭 武汉理工光科股份有限公司工程师

1 引言

周界安防是指在重要区域为阻止非法的入侵破坏活动，沿区域周界形成安全防范，对作用于布防区域的入侵破坏行为进行及时准确的预警。光纤光栅周界入侵报警系统通过探测和分析作用于光纤布拉格光栅振动传感器上的振动波来判断布防区域是否发生入侵事件。与传统的电类传感技术相比，具有现场无源防爆、耐候防雷、布设灵活、使用寿命长、灵敏度高等优势，能够灵敏地探测振动，因此非常适合应用于周界安防领域。

光纤光栅周界入侵报警系统基于振动探测来实现对布防环境的感知，在各种外界因素的影响之下，如何正确地识别区分入侵破坏行为和环境干扰，提高周界安防系统报警准确率及降低系统误报率，是需要重点探索的问题。

2 信号分析

光纤光栅周界入侵报警系统是基于光纤光栅传感原理研制。光纤光栅振动探测器串接成高灵敏度的振动探测光缆，可任意布防在周界区域，并对直接或间接传递的各种扰动信号进行采集，后端信号处理器及系统软件实现扰动信号的分析和识别，并对入侵地点进行定位。

如图1所示，常态环境下，通过拍打传感光缆布设的围栏，模拟入侵行为，可以看到在拍打的过程中，对应区域内的邻近传感器通道能够产生明显的信号，波形清晰且干净，相邻通道的波形具有一致性，而其他时间、其他位置的信号波形处于平静的状态。如图2所示，大风环境下，通过拍打传感光缆布设的围栏，模拟入侵行为，也可以看到在拍打的过程中，对应区域内的邻近传感器通道能够产生明显的信号，但波形相对于常态环境下，形态更加复杂，在其他时间、其他位置的信号波形也能观察到由大风引起的扰动，但相对于入侵信号，还是存在较为明显的差别，并且拍打信号在相邻通道的波形具有较为明显的一致性，而大风扰动波形的一致性在相邻通道中并不明显。图3所示为录制的一段大风环境下的干扰信号，大风扰动可以影响邻近的多个通道，并且各传感器通道的波形较为随机和杂乱。

3 算法描述

图1 在常态环境下的模拟入侵信号

图2 在大风环境下的模拟入侵信号

根据上文，由于大风环境下的入侵信号与常态入侵信号存在差异性，因此当系统布防于多风环境中，应当综合考虑实时的环境因素，动态地调整报警策略。风雨产生的扰动一般较为随机，无规律，本文利用相似性度量方法，首先计算存在扰动的通道与其相邻通道信号的相关系数，进行大风环境的预判，再动态配置与实时环境对应的报警参数，以实现高灵敏度、低误报率的预警效果。

3.1 信号分析步骤

（1）接收经光纤光栅解调仪解调的外界振动信号，采样率100Hz。

（2）若某传感器通道的波动范围超过阈值，计算此通道与其相邻的两个通道之间的Pearson相关系数。Pearson相关系数是用来衡量两个数据集合是否在一条线上面，衡量定距变量间的线性关系。两个连续变量（X,Y）的 Pearson相关性系数ρX,Y等于它们之间的协方差除以它们各自标准差的乘积。Pearson相关系数的取值在-1到1之间，越接近0表示两个变量的相关性越小，越接近1或-1则表示两个变量的相关性越大。Pearson相关系数的计算公式为：

（3）通过比较相关系数阈值，判断是否为风雨状态。

图3 大风信号

（4）若某个发生扰动的传感单元不处于风雨状态中，其报警判断按照常规模式；若某个发生扰动的传感单元处于风雨状态中，其报警判断按照风雨模式。

（5）若符合对应的报警条件，则输出报警事件。

3.2 报警判断常规模式

（1）截取固定时间长度的信号。

（2）常规模式特征计算，包括：

●全段信号取绝对值，计算第一个超过阈值的数据点与最后一个超过阈值的数据点之间的间隔时长，记为“扰动长度”。

●计算第一个超过阈值的数据点之后一段数据与之前一段数据各自均值的比值，记为“SNR”。

（3）若常规模式各个特征（“扰动长度”、“SNR”）的计算数值满足各自的报警阈值，则该传感单元输出报警信息。

3.3 报警判断风雨模式

（1）截取固定时间长度的信号。

（2）风雨模式特征计算，包括：

●全段信号取绝对值，计算第一个超过阈值的数据点与最后一个超过阈值的数据点之间的间隔时长，记为“扰动长度”。

●同时统计超过阈值的数据点个数，除以“扰动长度”，记为“扰动比例”。

●计算第一个超过阈值的数据点之后一段数据与之前一段数据各自均值的比值，记为“SNR”。

●计算这段信号的频谱，去除零频率后，除以余下频谱的最大值与最小值之差，即进行归一化。将归一化后的频谱数值进行累加，记为“FFT”。

（3）若风雨模式各个特征（“扰动长度”、“扰动比例”、“SNR”、“FFT”）的计算数值满足各自的报警阈值，则该传感单元输出报警信息。

4 应用效果

某监测周界总长度约为2km，使用一台24通道仪表，每通道包含20个传感单元，各个传感单元之间的间距为5m，信号采样率100Hz。实际安装20条探测光缆，即仪表有20个通道接入探测光缆，共配置了400个传感单元，监测距离2000m。

设置扰动阈值为50，相关系数阈值为±0.7。设置常规模式特征阈值和风雨模式特征阈值，具体如表1所示。分别在晴朗天气和大风天气下进行静态观察和模拟入侵测试，结果统计如表2、3所示。

表1 常规模式和风雨模式报警阀值配置

表2 静态观察统计结果

综合以上测试结果，本系统利用相邻传感单元信号之间的相似度信息，判断风雨干扰是否存在，对系统的信号分析方式进行自动调节，提供一种高灵敏度、低误报，适用于多风环境的周界安防系统报警方法。系统在常规天气和风雨天气下均能对入侵行为进行有效报警，并且在风雨天气下低误报，具有良好的环境适应性。

表3 模拟入侵测试统计结果