光纤Sagnac干涉仪在智能预警系统的应用研究

摘要：本文基于光纤干涉原理对光纤扰动信号识别、入侵快速判定算法、干扰位置定位等技术进行分析，并结合视频监控、声光报警等多种安防系统关键技术，提出了基于光纤萨格纳克干涉仪的周界安防智能预警系统架构，该系统具备性能稳定、敏感度高、反应及时等重要特性，有效地解决了传统预警系统存在的抗干扰能力差、误报率高等问题，可实现电力系统周界全天候、无间歇的智能化集中管控，实现系统入侵、安全事故信号自动识别和辨识、远程自动报警、入侵行为恐吓等功能。本文所构建的周界安防智能预警系统丰富了光纤萨格纳克干涉仪在智能预警系统中应用，可有效提升我国电力系统远程、无人监控的智能化水平。

关键词：光纤传感、干涉仪、电力系统、智能预警、预警系统

0.引言

随着社会发展，电缆凭借诸多优势得到了广泛应用。但各类违章行为造成的电缆受外力破坏事故层出不穷，带来社会经济的巨大损失[1]。目前电力系统中存在变电站安防监测系统技术落后，不能满足集中管控和全天候防护的需求，且误警率高，因此实现对各变电站的布防情况、报警信息、案发现场的动态监控和检测，实时、直接地了解各个变电站的情况，并及时做出有效反应，对电力系统安全生产尤为重要和急迫。基于此，为改造电网系统目前电力系统高危险性场景远程监管及野外无人值守监控预警系统所存在的问题，本文利用光纤Sagnac干涉仪的稳定性及适合长距离分布式监测特点[2]探讨光纤Sagnac干涉仪在电网系统中的应用。将Sagnac干涉儀应用到变电站报警系统中，以达到远程对变电站实时动态监控，并对周界侵扰行为做出及时的报警的目的，以满足电力系统安全生产的需求。

1.光纤Sagnac传感技术研究现状

1913年法国科学家Sagnac首次提出了Sagnac效应，并通过实验进行了验证。之后，光纤Sagnac干涉型传感系统凭借其结构简单，性能稳定，适合于高频信号的监测，且抗干扰能力强，易构成分布式检测等优点，在工程实际中得到了广泛研究与应用。基于光纤Sagnac传感系统制造的光纤陀螺、光纤Sagnac水听器，因其抗电磁干扰、耐高温高压、耐腐蚀等优点，目前已成为航空、航天、航海及其他监测领域中不可或缺的传感器产品。

Sagnac具备良好的性能，具有较强的实用价值，基于Sagnac的光纤传感技术也是各高校和科研单位的研究热点。南京航空航天大学程竹明等研究一种利用光纤Sagnac传感技术实现结构冲击定位的方法[3]。中国铁路总公司熊杰与北京交通大学周洋构建一种基于Sagnac的干涉型光纤声音传感技术方案[4]。冯素娟研究了一种结构新颖、光谱特性可精确控制的Sagnac环滤波器[5]。Sagnac干涉仪技术逐渐成熟，为其应用领域研究奠定了基础，同时为Sagnac干涉仪的应用提供了广阔的前景。

2.基于Sagnac干涉仪智能预警系统的关键技术

2.1基于Sagnac干涉仪定位原理

当系统存在入侵时，会对光纤传感器产生震动、变形或破坏等，对光信号的传输产生影响，基于Sagnac干涉仪所产生的两个方向的光信号中的一个信号将发生改变，两束光信号在光纤耦合器的另一端发生干涉产生干涉光路，根据干涉光路的移频量和干涉条纹数可计算出破坏点到零点频率值的距离[6]，进而测算出光纤被破坏的距离，从而实现破坏点定位的效果。我们假设L为光纤总长度，N为自然常数，c为光纤折射率，为零频点的零点频率值，则在环形Sagnac传感光纤中间部位距离振动源的长度S：

当光纤耦合器监测到干扰信号后，可通过对干涉信号进行傅里叶变换放大干扰信息的频率、振幅和相位，然后在其频谱中寻找零频点及其对应频率值，经过调解便可定位出振动源的位置。

2.2光纤扰动信号的识别

光纤周界安防系统中的传感光缆一般敷设在室外，不可避免地会有环境噪声，比如小动物造成的轻微扰动、刮风、下雨等，这些环境噪声直接或间接作用在光缆上，也会造成光纤扰动，对系统的入侵判定产生一定的干扰。干涉型光纤传感是相位调制，灵敏度极高，对非常微小的扰动也敏感，容易收到外界环境的干扰[7]。此外，即便排除外界环境的影响，检测系统采集到的信号本身也含有系统中的元件产生的随机噪声。如何能最大程度地排除噪声的干扰，降低系统的误报率也是研究的重点。

在信号处理部分中，其核心的技术是入侵判定技术，即如何判断该信号是由入侵事件引起的还是由外界干扰引起的。自然环境中的噪声干扰很多，光纤受到这些噪声干扰产生的信号与受到入侵行为产生的信号有一点类似，而这些噪声干扰不能被判为报警，我们必须通过算法排除这些噪声。

2.3入侵快速判定算法

（1）第一级：短时能量和短时平均过零率的条件判断识别

通过比较任意时刻与正常状态下最小分帧信号的短时能量及短时平均过零率，通过大小关系来判断信号是否属于正常状态。

为每一帧信号的短时能量，为每一帧信号的短时平均过零率。其中，为光纤周界安防系统采集信号时间序列，表示第帧的第个值;为截取每帧信号的长度。

若满足且，则系统处于未被振动的正常状态;否则，系统处于振动状态。其中，与为系统正常情况下采集信号的短时能量和短时过零率，为调整系数，其设置目的是为了调整系统的敏感度，降低系统的漏报率。

（2）第二级：小波域分解的各层系数能量分布比较判定识别

将第一级判定识别出的振动信号分解到小波域，并采用不同尺度能量分布进一步细化入侵信号的判定识别。

其中，为第层小波系数长度;为尺度系数长度，为第个尺度系数。

根据Parseval定理可知，小波系数能量分布与原始信号特征之间存在对应关系。通过各层小波尺度能量分布特征与先验的入侵信号能量分布特征比较，区分并识别入侵信号。

各类入侵信号的尺度能量特征偏差.其中，为入侵振动信号第层小波系数尺度能量分布;为先验的各类入侵信号小波系数尺度分布特征。

若满足（为先验的特征偏差阈值），则认为该信号为入侵振动信号;否则，为环境因素引起的振动信号。

3.基于Sagnac干涉仪的周界安防智能预警系统的设计

3.1系统传感原理

当外界的扰动信号产生的应力作用于光纤，使光纤中光信号的相位发生变化，通过干涉转换为光强变化，系统接收到从户外返回的光信号是携带外界扰动信息的，经过信号的处理分析光的特性，确定外界有无违法入侵行为。

Sagnac光纤环结构如图1所示。由光源发出的光信号经耦合器分成两束光强相同，依次耦合进入传感光纤，从而在光纤中形成沿不同方向传播的两束光。因为两束光的振动方向以及频率都相同，两束光满足相干叠加条件，两束光再次经过耦合器时便会发生干扰现象。当传感区没有干扰现象，两束光没有光程差，相位差不会发生改变，光强变化了为零;当有外界因素干扰时，这两束光由于经过干扰点的时间不同，在干扰点处两束光改变的相位不同，因此两束光具有不同的相位，存在相位差，从而在耦合器处发生干涉现象。探测器接收的干涉信号能反映两束光的相位差，即含有干扰点的位置信息。

3.2基于光纤Sagnac干涉仪智能预警系统设计

本文设计基于光纤Sagnac干涉仪智能预警系统主要由边界安防系统、视频联动系统、远程报警系统、声光报警系统四部分组成，具体系统架构详见图2。关于视频联动、远程报警、声光报警系统目前技术已较为成熟，本文主要研究基于光纤Sagnac干涉仪的边界安防系统部分的设计。

（1）系统功能

系统通过Sagnac干涉仪传感器感知周边环境的波动，通过相应的干扰信号分析判断入侵事件类型、入侵事件地点实现对入侵、环境等波动的监测，并在地理信息服务基础上定位事件具体发生地点，同时系统自动调取该区域监控摄像头实时监测内容并在中央控制中心显示，在发送相应警告给最近管理人员的同时触发声光警告，进而实现智能定址、智能感知、远程预警和主动警告等功能。构建智能预警系统软硬件分别承载不同功能，以满足系统功能实现。

（2）边界安防系统

边界安防系统是Sagnac干涉仪应用的主要场景，该系统主要实现入侵事件分析和判断、智能感知和智能定址的功能。系统主要由户外防区的传感光路部分以及控制室中的报警主机和主机服务器构成。对于光纤周界安防系统来讲，如何确定入侵行为发生的位置是一个难点，目前研制出的可以定位的光纤周界安防系统成本将高，光路结构复杂，且存在一定的定位误差。基于此，本文提出的安防边界系统采取的是以防区为单元进行监控报警，构建多通道光纤周界安防系统，将防范区域划分为多个区域，每个通道负责一个区域，系统能准确判定是哪个防区有入侵，每个通道互不影响，实现多个防区大范围同时实时检测辖区状况。

（3）视频联动系统

在每个防区布设一个或者多个摄像机，当系统判断出某个防区有警报时，将带有防区号的警报信息发送到视频监控系统，视频监控系统接收到后，首先进行解码，根据预先设置好的防区与摄像机的对应关系，打开该防区相应的摄像头进行拍照或者录像，留存证据，如果是几个防区共用一个摄像头，则将摄像头旋转至报警防区。系统可以布设在防范区域的周界，也可以布设在重要的出入口，两种系统融合在一起，形成更加周密的监控网。

两个系统融合有很多优点，一是避免了视频监控系统长时间录像或者拍照;二是不需要有人专门监视着摄像机传回的画面，节省大量人力成本;三是为入侵人员非法行径留下不可否认的证据。

（4）远程报警

将防区监控与GSM装置通过串口连接，当发生报警时，将发生报警的防区编号以及短信内容转换成GSM可以识别的编码传输到GSM，GSM接收解析后发送短信到提前设置好的手机上，这样即便不在监控现场，也可以获知所有区域的最新动态，以实现远程报警功能。这样，远程报警的功能使得监控中心可以减少工作者，从而节省掉一大部分人力成本。

（5）声光报警

全光纤防区型周界监控可以与报警扩音器、照明等装置融合。因为防区型光纤周界安防系统的报警主机及软件界面都位于监控中心，如果有非法人员闯入防区，不能对其起到实质性的威慑作用。如果与报警扩音器或者照明系统联动，当防区型光纤周界安防系统判定某个防区存在入侵时，将防区号和报警信号发送到控制中心，控制中心接收后启动对相应防区的扩音器和照明灯光，尤其是在夜晚，打开照明灯可以强有力地威慑非法分子。

4.结束语

本文借助光纤Sagnac传感技术，结合视频联动、远程报警和声光报警构建了基于Sagnac智能预警系统，并实现智能定址、智能感知、分布式监测、抗干扰能力、响应时间等功能。此外，针对边界安防系统的定位方法、光纤扰动信号识别和入侵行为判定方法进行了详细的论证，为该智能预警系统在电力系统中的实施提供了方向。

参考文献

[1]覃杨，杨陈，詹乐贵，等.基于光纤干涉的电缆通道振动辨识与预警系统[J].电力大数据，2019，22（07）：62-68.

[2] LAI Y H， LU Y K， SUH M G， et al. Observation of the exceptional-point-enhanced Sagnac effect [J]. Nature， 2019， 576（7785）： 65-69.

[3] 程竹明， 曾捷， 常晨， 等. 基于光纤Sagnac传感技术的结构冲击定位[J]. 光学学报， 2018， 38（10）： 87-93.

[4] 熊杰， 周洋. 一种高灵敏度的光纤Sagnac干涉型声音传感技术研究[J]. 铁道学报， 2018.9（40）： 77-81.

[5]冯素娟，李文彩，刘昊炜，等.光谱精确可控Sagnac环滤波器及其在ASE光源中的应用[J].量子电子学报，2016，33（02）：170-176.

[6]郑祥亮，孙权社，韩忠，等.基于Sagnac干涉仪的光纤长度测量方法[J].光学学报，2017，37（01）：76-81.

[7] CHANGEDE R， CAI H， WIND S J， et al. Integrin nanoclusters can bridge thin matrix fibres to form cell–matrix adhesions [J]. Nature Materials， 2019， 18（9）： 1366–1375.

項目名称：基于Sagnac环的分布式光纤围栏智能预警安防系统

项目编号：GZ2015-2-0051

作者简介：

姓名：刘昌宏（1985—），男，汉族，本科，工程师。主要从事电力系统安全管理方面的研究工作。