基于Sagnac环的分布式光纤围栏智能预警安防系统

摘要：为了解决电力行业中存在变电站安防检测系统技术落后，不能实现集中管控、误警率高，无法满足全天候防护等问题，本文采用了基于萨格纳克效应传感技术的围栏智能预警新方法，结合现代周界及电力行业对围栏技术的总体要求，构建了基于围栏智能预警安防系统的基本结构模型，按照物理层、采集层、算法层和应用层进行层次分级，对每层涉及的关键技术进行分析，并对模型实现智能定址、智能感知、分布式监测、抗干扰能力、响应时间等功能的可行性进行论证，最后根据结构模型分层提出了围栏智能预警安防系统的初步设计方案。

关键词：光纤传感;萨格纳克效应;分布式光纤;周界安防;智能预警

0.引言

光纤传感器发展于20世纪70年代，因其具有较高灵敏度、高绝缘度、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘等优点，受到越来越多的关注，并取得迅猛的发展，同时得到广泛的应用。尤其是在基于光纤传感器的光纤围栏技术，作为入侵探测的一种新型安防手段，具有抗电磁干扰、定位能力强、全程无源、灵敏度高、监测范围大等优点，已被广泛应用于众多领域。

1.相关文献回顾

1.1对Sagnac光纤干涉技术的研究

文献[2]从Sagnac效应的基本原理出发，综述了光纤Sagnac环现阶段的主要应用和最新进展，认为Sagnac干涉型光纤传感器在石油管道、扰动定位、化工检测、电力、通信等领域应用前景诱人。文献[3]提出了级联Sagnac环组成梳状滤波器的方案，从而有效提高了系统信道隔离度，得到了具有均匀通带间隔、信道隔离度高、光谱半高宽度FWHM窄等特性的梳状滤波器。

1.2对光纤围栏传感预警系统关键技术的研究

文献[4]针对分布式光纤入侵监测系统在室外复杂环境下误报率过高的问题，提出了一种基于时/频域综合特征提取的入侵事件识别方法。基于频谱分析提出了一种称为频谱欧氏距离法（EDFS）的快速模式识别方法，该模式识别方法可以有效识别扰动信号，识别时间小于传统的动态时域规划模式识别方法耗时的1/10。

1.3对基于Sagnac环分布式光纤围栏传感预警系统的研究

设计了光纤围栏系统的系统组成，并对系统的工作原理和围栏主机的工作流程进行了重点分析。设计了围栏主机中基于支持向量机（SVM）的模式识别模块，介绍了在二类分类和多类分类情况下的相关算法。基于光纤干涉原理设计了一种适用于中低压配电网电缆通道的防外侵预警系统，该系统能够实现振动信号辨识，对入侵信号进行防区定位以及综合评估。

2.基于Sagnac光纤围栏传感预警安防系统的基本结构模型构建及关键技术

2.1基于干涉仪原理的分布式光纤传感技术

2.1.1 M-Z光纤干涉技术

M-Z光纤干涉技术基本原理如图1所示，由激光器1发出的光经过耦合器被分成相等的两束，分别进入上下两根光纤，外界声压作用于其中的信号臂，然后在第二个耦合器把两束光再耦合并发生干涉，干涉光再分成两束光经光纤传送到两个光电探测器中;同理，由激光器2发出的光会在第一个耦合器中产生干涉。M-Z干涉技术与Michelson干涉技术的不同之处在于光路不需反射，避免了反馈光使激光器不稳定而产生噪声，所以M-Z干涉儀的灵敏度比较高，其解调技术相比Michelson简单，但是稳定性能较差，容易受到环境干扰。

2.1.2 Michelson光纤干涉技术

Michelson光纤干涉技术采用具有反射端面的光纤作为参考光纤和传感光纤，利用分振幅法产生双光束以实现干涉。原理如图2所示，测量臂和参考臂中的反射光会在耦合器产生干涉，经光电探测器转换为电信号，经过信号处理可以解调声场的信号，当传感光纤发生形变时，产生的干涉条纹就会移动，从而确定扰动点位置。由于Michelson是利用光纤反射光进行干涉测量，所以其信号比较微弱，同时还需要复杂的解调技术进行相位解调。

2.1.3Sagnac光纤干涉技术

Sagnac光纤干涉结构也可用于外界时变信号的测量包括声音信号的测量。Sagnac分布式光纤传感器是在Sagnac光纤陀螺的基础上发展起来的用于管线泄漏探测和定位的一种新技术，Sagnac光纤干涉技术原理如图3所示。图3中，左端的激光器发出的激光经过耦合器之后一分为二，在同一根闭合的光纤中一束光顺时针方向前行，另一束逆时针方向干前行。在无外界干扰的情况下，两束光的光程一样;当有外力作用于传感光纤时，两束光相位发生改变，返回到耦合器时发生干涉，通过解调干涉信号得到声信号。由于扰动点的位置与两束光的相位差及相位的变化速率相关，所以可以对扰动点进行定位。

2.2基于Sagnac围栏预警系统的基本结构模型构建及关键技术

根据系统具体功能性和特征的要求，同时结合光、电、机械、信息、计算机、安防、经济等各领域的综合考虑，将整个系统分解为四层，每一层次对其上一层次负责且未上一层次功能实现的基础，然后对各个层次的任务进一步细分，从而明确的任务分工以及系统的整体把控，进而实现系统对应的功能和特性。

（1）物理层：此层为整个系统的最低层，但却是整个系统的基础，是系统功能实现的基石。此层的元素基本固定，遵从元素本身的客观性，其是实现系统网络的基本环节。

（2）采集层：这一部分的关键技术包括Sagnac振动传感器的研制、Sagnac信号解调和系统的联动报警以及系统可扩展性的研究，在这里将室外光无源系统与室内有源系统以及联动扩展集成起来。

①Sagnac传感器振动光缆是系统的传感部分，它将多个振动传感器通过一定的方式连接在一起，是光无源传感网络的核心，而光缆的核心就是振动传感器。Sagnac振动传感器的研制首先要根据周界安防的特点与需求，以探测人为入侵为激励输入方式，并结合其它专业知识以及相关安防规范，确定振动传感器的结构模型，其次，根据模型计算，得到传感器灵敏度、频率与结构参数的具体关系，设计实验方案，通过反复实验确定传感器的具体结构参数，再次，通过实际工程应用实现对传感单元的检验。

②信号解调主要用来多通道同时解调波长并与上位计算机进行通信。联动以及可扩展接口的设计需要满足系统升级，入侵报警与视频监控的联动，入侵图像信息上传上一级系统，与其它安防网络联网，系统扩展（增加防区等）以及视频联动和远程信息管理的需求。

③在此层涉及到室外无源光网络的构建，它是实现周界安防的重要传感网络，同时也是实现分布式监测的重要环节，同时采用多种传感光缆铺设方式，设计合理的光缆布线方式，最大限度的避免光缆误报。

（3）算法层：此层为系统的的核心内容。算法分为时域、频域和时频联合分析三类。本系统应用时域与频域相结合的方法得到了在同一时间段内，一定的频率范围内信号的能量信息，也就是将入侵信号的时域峰值时刻与人的入侵动作的频率结合起来，通过能量积分的方法判断入侵事件。

（4）应用层：主要针对用户需求的功能，同时考虑的主要内容就是如何使得人机互动更方便顺畅，信息管理更科学有序，实现如自动触发声光告警装置，后台存储相应告警事件图像信息并归档，用户定制分级告警等功能。

2.4系统可行性研究分析

根据以上系统层级拆分和功能要求的确定，对其进行可行性分析。

（1）智能定址：Sagnac传感器的波长选择功能对入侵定址是一个非常好的选择，可利用波长信息与传感器的物理信息的对应关系即可以实现入侵的准确定址。

（2）智能感知：预先采集大量的不同的扰动信号，包括真实的环境、恶劣天气、小动物等的入侵干扰模拟数据，再把这些数据分类进行处理与分析，提取特征向量，建立数据库，应用模式识别等方法得到具体的入侵方式，从而在实际的判断中将干扰信号排除，提升报警的准确率，降低其误报率。

（3）分布式监测：通过将传感器制成振动光缆，传感器距离的定制以及采用合理的安装方式实现。如通过采用多种传感光缆铺设方式，设计合理的光缆布线方式。

（4）耐候性能高、抗干扰能力强：可通过组建室外全无源光网络有助于提高系统的抗干扰能力，其次，还需要借助软件算法进一步滤除环境等的干扰，通过时频分析算法，将环境干扰信号与实际入侵信号区别开。

（5）室外无源：Sagnac传感器是无源的，并且各个传感器共享光纤链路作为光波信号传输的介质，避免了外部的电磁干扰以及雷击闪电的破坏，增强了网络的可靠性。

（6）响应时间短：Sagnac传感器本身的响应速度很快，关键在于解调系统和后续的数据处理与分析，采用较高的釆集频率和高配置的服务器可以达到要求。

3.基于Sagnac环的光纤围栏传感预警系统初步设计

根据Sagnac围栏预警系统的基本结构模型构建以及对涉及的传感技术、信号处理技术和模式识别技术等关键技术，对系统进行初步设计，组成框图如图5所示。

（1）由传感光纤组成的防护系统可固定安装于如无人值守的变电站的物理围栏（如围墙、栅栏、铁丝网等）表面，当有入侵行为发生时，如入侵者的强力触碰、攀爬、摇晃等行为，使传感光纤发生形变，從而引发警报。警报是由外接在围栏上的一些联动设备如警报器、公安声光警灯发出，起到警讯、恐吓的作用;同时在围栏上还可安装摄像头及照明灯，实现全天候的视频监控。同时拍摄的告警事件的图像信息等传送至上一级系统。

（2）围栏主机包括信号采集系统和中央控制计算机两部分。围栏主机系统是整个系统的核心，如同人体大脑，起着至关重要的作用。围栏主机处理流程一般分为：采集信号形成信息（包括正常和扰动信息）数据;然后判断是否为入侵事件;对事件涉及数据和信息进行存储;当判断为入侵事件时，启动报警装置;展示入侵事件的多方面信息（入侵位置、时间等）。

4.结论与启示

本文借基于Sagnac环的分布式光纤传感技术，对围栏智能预警安防系统的结构的结构模型、关键技术以及系统初步设计进行研究，得到以下研究结论：给出了周界安防方

1提出了基于围栏智能预警安防系统的基本结构模型及关键技术。根据功能需求和Sagnac分布式传感技术特性，设计了Sagnac环的分布式光纤围栏智能预警安防系统的基本结构模型，将其划分为物理层、实现层、算法层及应用层四个层次，详细解读了每个层次的功能及涉及的传感技术、信号处理技术和模式识别技术等关键技术。

2提出了基于Sagnac环的分布式光纤围栏安防系统的设计方案。根据构建的系统基本结构模型对系统进行初步设计，对物理层涉及的传感光纤和围栏主机进行一个初步的设计和构想。

参考文献

[1]RUNMING LI，HAOSEN SHI，HAOCHEN TIAN，et al.All-polarization-maintaining dual-wavelength mode-locked fiber laser based on Sagnac loop filter[J].Optics express，2018，26（22）：28302-28311.

[2]徐鹏，魏国华，刘占戈，等.基于云智能井盖系统的高压电缆防外破系统研究[J].电力大数据，2017，20（9）：33-36.

[3]刘超，张雯，董明利，等.CO2激光刻写长周期光纤光栅与光纤MZ结构的双参数传感特性[J].红外与激光工程，2017，46（9）：142-148.

[4]彭宽，冯诚，王森懋，等.基于时/频域综合特征提取的分布式光纤入侵监测系统事件识别方法[J].光学学报，2019，39（06），338-348.

作者简介：

姓名：彭期刚，出生年：1974年，性别：男，学历：本科，职称：助理政工师，主要从事工作：党务工作