基于光学雷达系统的计算机软件设计

孙婉婷 荆涛 陈沭

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2007-5640-5849

摘  要：针对现有光学雷达运用场所不确定以及监测人员可能非专业、不能及时准确地发现入侵事件的问题，结合光学雷达的工作原理，利用Visual C++6.0设计了一款具有身份验证、实时监测、报警定位、事件记录和保存数据等功能的监测软件，并进行了实验测试。测试结果表明，该软件与光学雷达配套使用智能化效果良好，能够实时获取雷达系统的监测数据，并且可以在长距离上实现对入侵事件的及时报警和精准定位。

关键词：光学雷达  软件设计  远程实时监控  数据采集处理

中图分类号：TP311          文献标识码：A                   文章编号：1674-098X（2021）03（c）-0116-05

Software Design Based on Optical Radar System

SUN Wanting1  JING Tao2  CHEN Shu3

（1. Data and Information Room of the People's Liberation Army Jilin Military Region，  Changchun， Jilin Province， 130022 China; 2. Systems Squadron of the People's Liberation Army 93107 Unit， Shenyang， Liaoning Province， 110000 China; 3. People's Liberation Army 93392 Unit， Dalian， Liaoning Province， 116103 China）

Abstract： In view of the uncertainty of the existing optical radar's operation site and the non-professional monitoring personnel， which cause that the intrusion incident cannot be detected accurately and timely， combining the working principle of the optical radar， designing a monitoring software with functions of authentication， real-time monitoring， alarm positioning， event recording and data saving by using Visual C++6.0， and experimental measurement was implemented. The test results show that the software and the optical radar have good intelligence effect， can acquire the monitoring data of the radar system in real time， and can realize the timely alarm and accurate positioning of the intrusion event over a long distance.

Key Words： Optical radar; Software design; Remote real-time monitoring; Data acquisition and processing

国土边界的安全稳定是国家经济发展的重要保证，我国拥有5.2万km长的边境线和海岸线，同时与15个国家相邻，因此这样的现实情况给我国的边境安防工作带来了巨大的挑战。同时，一些传统的边界安防手段如高压电网、栅栏和人工巡逻等逐渐暴露出不少问题，可见传统手段已经不适用于高要求的边界安防[1-2]。

随着光纤产业的蓬勃发展以及科学家对其进行的深入研究，人们发现光纤集传输和传感于一体，其中光纤传感技术是通过感知光纤上某处的物理量的变化来识别目标，该技术原理和特征与雷达探测技术相类似，因此我们将光纤传感器视为一种应用光学雷达。光学雷达相较于传统的安防手段，具有更高的灵敏度、测量对象广泛、抗干扰能力强、远距离分布式监测、成本低、定位精度准确等优点，已经广泛应用于周界安防、大型桥梁、石油天然气管道等领域[3-4]。目前，应用在重点区域的周界安防的光学雷达主要是相位敏感型光时域反射计（Phase-sensitive optical time domain reflectometry， φ-OTDR），该系统是通过检测入侵事件引起光纤上某处产生的振动信号，通过对系统采集的信号进行筛选，在有入侵事件發生时，能够准确识别入侵信号的位置，从而最大程度上防止事故的发生。因此，如何准确地及时地将入侵事件报告给监测人员一直是本学科的研究热点[5-6]。

目前，光学雷达的应用环境较为复杂，并且监测人员可能是非专业人员，致使不能及时准确地对入侵事件作出响应。因此，本文在光学雷达的基础上，结合实际工作原理，使用Visual C++6.0设计了一款具有身份验证、实时监测、报警定位、事件记录和保存数据等功能的监测软件。该软件采用C语言编写，操作简单，软件功能满足操作人员需求。

1  光学雷达系统工作原理及组成

光学雷达系统工作原理如图1所示，光学雷达与铺设在防御区周界地下的传感光纤相连，构成分布式光纤传感系统。利用光纤传感原理检测入侵点，当有敌人入侵事件发生时，相应位置传感光纤的长度及折射率发生的变化，将导致该位置后向散射光的相位发生变化，并体现为光强度发生变化。光强信号经过光电转换后最终成为电信号。系统采集传感光纤上每一点的电压并送入上位机进行分析处理，从而筛选出入侵事件位置。当光纤上某一点的电压超过设定的入侵电压阈值时，即判定该点有入侵事件发生。入侵位置定位原理采用飞行原理，如式（1）所示：

（1）

式中，c/n为光在光纤中传波速度，τ为系统发出探测脉冲与探测器接收到扰动信号间的时间差。

利用上位机监测软件，监测人员通过简单操作即可完成系统的远程实时监测并且及时准确地获取入侵位置。

2  系统监测软件设计

监测软件是与光学雷达系统配套使用的，其作用主要是实现人机交互，以达到系统智能化的目的。监测人员通过监测软件可以控制分布式光纤监测系统的运行状态，并且可以通过界面显示的测量数据实时观测到监测目标的状态。本文利用Visual C++6.0设计了一款操作简便以及报警信息准确及时的监测软件。

2.1 Visual C++6.0软件介绍

Visual C++开发软件是由Microsoft公司设计出的以C++语言为基础的Windows开发环境，同样是面向对象的可视化集成编程系统。其特点是自动产生程序架构、代码编写和界面设计可交互操作和能够编译多种程序等;通过设置就能够产生程序框架支持数据库接口和WinSock网络[7]。

本文使用微软公司的Visual C++6.0作为监测软件的开发平台，使用C语言编写信号的采集和识别算法，直接调用MATLAB编写的信号处理程序和检测算法编译成动态链接库文件（DLL），进行入侵事件定位[8]。

2.2 系统软件界面的实现

监测软件的运作机理是：调用dll文件可以运行实时监测功能，并且通过设定系统报警的振幅阈值和频率阈值，综合筛选出有效的故障信号并发出报警。由于监测软件的使用是有权限的，所以本文设计了软件的登录界面如图2所示，有权限的监测人员根据自己的登录密码登录使用软件。

软件的主界面如图3所示，监测软件主界面的左上方是功能选择区，其中包括可以选择监测任一系统的实时信号，参数设置，事件记录和历史数据。在功能选择区的下面，有一个控制键（开始保存）开可以控制监测软件的运行或停止。在控制键下面是监软件的实时监测曲线框，在软件运行时可以看见信号的实时状态。在监测曲线框的右上方是两个系统的监测信息栏，显示信号的振动位置、幅值频率等信息。在监测信息栏下面是软件的报警信息，当目标周围发生侵扰时，报警信息会显示出侵扰位置，侵扰频率和侵扰时间等，这样可以使监测人员及时发现事故位置。软件的其他功能界面如图4至图6所示。图4为参数设置界面，其功能包括采集卡参数设定和信号检测算法参数设定，通过设定采集卡参数可以确定采样模式，信号检测的算法参数也是通过人工设定的。图5为历史数据界面，其功能是记录报警时信号的数据，便于监测人员查验和分析。图6为事件记录界面，其功能为记录软件报警时的报警信息，如振动位置和频率等。

综上所述，本文设计的监测软件能够实现实时监测目标状态，人工设置监测参数，数据记录与显示、并且可以全面分析振动信息发出准确报警信号等功能，同时方便监测人员操作。

3  系统软件测试及分析

为了测试光学雷达系统的监测效果，使用试验机进行了实验测试。首先，把试验机的信号输出端与铠装光缆的输入端相连，系统显示实时监测长度是22km的传感光纤。然后，根据现场环境设定报警的幅度阈值，在传感光纤5～20km处多次敲击光纤进行测量，实验结果如图7和图8所示。由图7可知，在5km处出现尖峰，报警信息显示入侵位置为50005米，振动频率为20kHz。图8为在传感光纤20km处进行敲击的实时监测结果，在对应的20km处出现尖峰，报警信息显示入侵事件位置为200008m，振动频率为50Hz。

4  结语

本文首先详细介绍了光学雷达系统的工作原理，在此基础上设计了雷达系统的上位机监测软件，并且对监测软件的性能进行了测试。实验结果表明，本文设计的光学雷达监测软件操作简单方便，智能化程度高，并且能够准确及时地向监测人员报告入侵事件。

参考文献

[1] 李旭辉，黄奕辉.分布式光纤监测技术在土木结构健康监测中的应用[J].科技世界，2018（6）：208-209.

[2] 姜霁珊.基于双MZ干涉仪的光纤周界防护系统[D].北京：北京航空航天大学， 2017.

[3] 杨经国.φ-OTDR分布式光纤传感系统信噪比增强与模式识别研究[D].成都：西南交通大学，2018.

[4] 张智娟，郭文翰，徐志钮，等.基于φ-OTDR的光纤传感技术原理及其应用现状[J].半导体光电，2019，40（1）：9-16.

[5] 王岩飞，李和平，韩松.雷达脉冲编码理论方法及应用[J].雷達学报，2019，8（1）：1-16.

[6] 王鹏飞，董齐，刘昕，等.基于φ-OTDR的煤层气管线外界入侵振动检测系统[J].传感技术学报，2019，32（1）：144-149.

[7] 杨永国，张冬明，王继尧，等.Visual C++ 6.0教程[M].2版.北京：清华大学出版社，2007：128-150.

[8] 龚纯，王正林.精通MATLAB最优化计算[M].2版.北京：电子工业出版社，2010：180-202.