本發(fā)明主要涉及周界安防領(lǐng)域，具體是一種光纖光柵陣列周界入侵系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

安全是一個(gè)社會和企業(yè)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，尤其是在現(xiàn)代科技高度發(fā)展的今天，犯罪行為更趨智能化，手段也越來越隱蔽，加強(qiáng)現(xiàn)代化的安防技術(shù)就顯得尤為重要。安全防范技術(shù)就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它是電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)等高科技技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。

目前常見的安全防范技術(shù)主要分電類和光類兩種類型，其中電類最具有代表性的技術(shù)有：泄露電纜、紅外入侵探測器以及電子圍欄；光類產(chǎn)品主要包括分布式光纖振動光纜、準(zhǔn)分布式光纖光柵振動傳感器。經(jīng)過多年的發(fā)展，這些技術(shù)已經(jīng)基本成熟，并且在很多重要場合如軍事基地和邊境、石油儲備基地、天然氣站、油田、核電廠區(qū)、電廠、發(fā)電站、油氣管線、政府機(jī)關(guān)、文物及博物館、大型廠區(qū)等得到了推廣應(yīng)用，提升了這些區(qū)域的安全防御水平。

泄露電纜主要由射頻發(fā)射器、接收器、防雷器等組成，發(fā)射器經(jīng)發(fā)射電纜向外發(fā)射高頻電磁能，當(dāng)人體和金屬體在這個(gè)區(qū)域活動時(shí)，就引起磁場的擾動，使接收器電磁能量變化，，進(jìn)而觸發(fā)報(bào)警。泄漏電纜的單套警戒長度為100米，屬于感應(yīng)報(bào)警，缺點(diǎn)是只能防區(qū)報(bào)警，不能精確定址，系統(tǒng)的誤報(bào)率高。紅外入侵探測器由光束強(qiáng)度指示燈、光學(xué)透鏡、發(fā)射端和接收端組成，發(fā)射端LED發(fā)射一種不可見的紅外線，經(jīng)光學(xué)處理后由接受端接收，當(dāng)紅外光束被遮檔時(shí)，接收端將信號發(fā)送給主機(jī)，輸出報(bào)警、視頻聯(lián)動等一系列動作。光束易受惡劣天氣、空中漂浮物、樹枝等物體的影響，誤報(bào)率高，且無法準(zhǔn)確定位。脈沖電子圍欄系統(tǒng)主要由集脈沖發(fā)射、報(bào)警于一體的控制器和電子圍欄兩大部分組成，具有阻擋和威懾作用，安裝方便。缺點(diǎn)是大范圍無法定位，且不具備智能識別的功能，需要安裝防雷設(shè)施，電纜某處損壞將會影響整個(gè)圍欄的使用。綜合可知，電類周界產(chǎn)品普遍存在抗電磁干擾能力差、受環(huán)境影響大、誤報(bào)率高、定位精度差、使用壽命短等缺點(diǎn)。

隨著光纖傳感技術(shù)的迅猛發(fā)展，光纖周界產(chǎn)品的研究日益深入并得到了快速地發(fā)展，目前光纖周界產(chǎn)品從原理上主要分為以下幾種：基于光時(shí)域反射的OTDR技術(shù)、基于光纖干涉的光學(xué)傳感技術(shù)和基于光纖光柵的準(zhǔn)分布式傳感技術(shù)，這些技術(shù)方案在理論上已經(jīng)較為成熟，有的已經(jīng)成功應(yīng)用于市場。光纖周界入侵系統(tǒng)主要采用了光纖振動傳感的原理，通過光纖或傳感器獲取邊界小范圍內(nèi)環(huán)境入侵振動信息，并對其進(jìn)行識別和輸出報(bào)警，具有傳統(tǒng)電類周界入侵系統(tǒng)無可比擬的優(yōu)點(diǎn)：光纖本身無源，抗電磁干擾，本質(zhì)安全；不受地形環(huán)境限制，適合惡劣氣候使用；通過感知外界振動信息來判斷入侵行為，具有智能識別各種入侵行為的能力，靈敏度高；監(jiān)測距離長，定位精度高；壽命長，可靠性高，易維護(hù)。

既有專利(公開號：CN101871809A)公開了一種防區(qū)式光纖分布式振動傳感器，采用光學(xué)的方法避免了單模光纖中應(yīng)力雙折射引起的偏振衰落現(xiàn)象，從而在一定程度上提高了現(xiàn)有光纖周界報(bào)警系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。既有專利(公開號：CN105184319A)和既有專利(公開號：CN105784099A)公開采用幾種相應(yīng)的軟件算法來提高光纖周界入侵信號的識別能力，從而降低系統(tǒng)誤報(bào)率?；诠鈺r(shí)域反射的OTDR技術(shù)和基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)均存在信號十分微弱，信噪比極低的特點(diǎn)，很容易產(chǎn)生誤報(bào)。雖然可探測的距離較遠(yuǎn)，但基本屬于防區(qū)型定位，其探測精度從幾十米到上百米不等。

既有專利(公開號：CN102521939A)公開了一種新型的光纖光柵周界防入侵系統(tǒng)，采用級聯(lián)的光纖震動探測器來感知外界入侵行為，緊接著既有專利(公開號：CN102968868A)和既有專利(公開號：CN103345808A)又對光纖光柵周界入侵行為的識別方法進(jìn)行了探討和分析，為系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性奠定了良好的基礎(chǔ)。與分布式光纖傳感技術(shù)對比，基于準(zhǔn)分布式的光纖光柵周界入侵系統(tǒng)采用級聯(lián)光纖震動探測器來獲取外界振動信息，通過波分復(fù)用的方式來實(shí)現(xiàn)大范圍、長距離的智能監(jiān)測，具有定位精度高、響應(yīng)速度快、誤報(bào)率低等特點(diǎn)。然而，基于光纖光柵的周界防入侵系統(tǒng)受光源帶寬的限制，單一通道復(fù)用光纖光柵的數(shù)目只有幾十個(gè)，復(fù)用能力十分有限，導(dǎo)致長距離的探測設(shè)備成本較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決目前技術(shù)的不足，本發(fā)明結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，提供一種光纖光柵陣列周界入侵系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用全同光柵技術(shù)增加系統(tǒng)復(fù)用能力，使得相同距離的防區(qū)內(nèi)傳感器數(shù)量成倍增加，減小相鄰傳感器之間的間距，大大提高傳感器感知外界入侵行為的靈敏度；采用高靈敏度的光纖光柵振動傳感器以及敷設(shè)工藝進(jìn)一步提高系統(tǒng)感知外界微小振動的靈敏度；結(jié)合時(shí)域、頻域分析方法智能識別外界入侵行為，降低系統(tǒng)誤報(bào)率。相比傳統(tǒng)光纖光柵周界防入侵技術(shù)，該系統(tǒng)具有米級空間分辨率、誤報(bào)率極低、監(jiān)測距離更長、性價(jià)比高等特點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種光纖光柵陣列周界入侵系統(tǒng)，包括光纖光柵振動傳感器、振動增敏敷設(shè)裝置、光纖光柵解調(diào)器、服務(wù)器和聲光報(bào)警器，光纖光柵振動傳感器將外界振動參量的變化轉(zhuǎn)化為波長的變化，從而有效地獲取外界待測參量；同一防區(qū)內(nèi)的若干只光纖光柵振動傳感器波長相同，相鄰防區(qū)之間波長不同，構(gòu)成基于密集光柵陣列的波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)；一個(gè)防區(qū)內(nèi)的任意一只光纖光柵振動傳感器感知到外界入侵信息，均以防區(qū)的形式輸出報(bào)警信息；

采用傳輸光纜將上述若干只光柵振動傳感器進(jìn)行串接，形成一根根的振動光纜；將振動光纜通過振動增敏敷設(shè)裝置敷設(shè)于周界圍欄上，用來感知外界入侵行為引起的振動信息；

光纖光柵振動傳感器信號通過傳輸光纜匯聚到光纖光柵解調(diào)器，光纖光柵解調(diào)器將波長信號傳遞給服務(wù)器，服務(wù)器對上傳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將入侵行為以報(bào)警的形式傳送至聲光報(bào)警器，聲光報(bào)警器用來給系統(tǒng)輸出聲光報(bào)警信號。

光纖光柵振動傳感器包括光纖光柵、質(zhì)量重錘、單模光纖、金屬外殼、光纖光纜連接套管和光纜，單模光纖從質(zhì)量重錘中間穿過，并與質(zhì)量重錘固定為一體，將光纖光柵和質(zhì)量重錘一起放入金屬外殼內(nèi)部，單模光纖兩端分別固定在金屬外殼兩端，單模光纖由金屬外殼兩端穿出后通過光纖光纜連接套管無縫連接。

振動增敏敷設(shè)裝置包括固定支架和彈性介質(zhì)，固定支架與墻體或圍欄進(jìn)行固定連接，固定支架兩側(cè)均設(shè)置多個(gè)掛孔，彈性介質(zhì)固定在掛孔中，多個(gè)彈性介質(zhì)與地面平行敷設(shè)，振動光纜采用“S”形布設(shè)方式設(shè)置在彈性介質(zhì)上。

光纖光柵解調(diào)器包括ASE光源、環(huán)形器、線陣CCD和信號處理器，ASE光源發(fā)出的光經(jīng)過環(huán)形器入射到光纖光柵(FBG)陣列上，符合布拉格反射條件的光被反射回來，再經(jīng)過環(huán)行器由單模光纖射出經(jīng)準(zhǔn)直凹面反射境準(zhǔn)直的平行光入射到平面衍射光柵上，由衍射光柵的色散作用把不同波長的光分開，分開的光由成像凹面鏡成像到線陣CCD上，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，由信號處理器完成對波長信號的解調(diào)。

服務(wù)器對上傳的信號采用時(shí)域、頻域相結(jié)合的分析方法，首先對所有光纖光柵振動傳感器的波長信號進(jìn)行初始化，當(dāng)有外界入侵行為產(chǎn)生時(shí)，系統(tǒng)采用時(shí)頻分析方法并通過極值尋優(yōu)自動篩選出防區(qū)內(nèi)波長幅值變化最大的光纖光柵振動傳感器進(jìn)行分析；當(dāng)波長變化幅值超過預(yù)先設(shè)定的閥值時(shí)，初步斷定有入侵行為事件發(fā)生，但此時(shí)無法區(qū)分人為的主動激勵和外界環(huán)境帶來的客觀激勵；于是需要采用基于FFT的頻域分析方法，并輔以小波對信號進(jìn)行降噪處理，通過頻譜特性來區(qū)分不同模式下的振動信號，從而智能識別外界入侵行為。

本發(fā)明的有益效果：

采用光纖光柵陣列技術(shù)大大提高了系統(tǒng)復(fù)用能力；系統(tǒng)空間分辨率可以提高到米級，傳感器感知外界入侵振動的靈敏度明顯增強(qiáng)；在確保系統(tǒng)靈敏度的條件下，防區(qū)長度可以根據(jù)全同光柵的數(shù)目進(jìn)行任意調(diào)節(jié)；防區(qū)內(nèi)任意一只傳感器感知到外界入侵振動信號，均以防區(qū)的形式輸出報(bào)警信息，既達(dá)到了系統(tǒng)精確感知(1m的空間分辨率)的功能，又實(shí)現(xiàn)了長距離監(jiān)測的目的。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種光纖光柵陣列周界入侵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是本發(fā)明的全同光柵振動傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的振動增敏敷設(shè)裝置結(jié)構(gòu)圖；

圖4是本發(fā)明的光纖光柵解調(diào)原理圖；

圖5是本發(fā)明的基于時(shí)域、頻域算法信號識別流程圖；

圖6是本發(fā)明的振動光纜感知外界典型樣本信號時(shí)域圖；

圖7是本發(fā)明的振動光纜感知外界典型樣本信號頻域圖。

附圖中所示標(biāo)號：

1、光纖光柵振動傳感器；2、傳輸光纜；3、光纖光柵解調(diào)器；4、服務(wù)器；5、聲光報(bào)警器；6、光纖光柵；7、質(zhì)量重錘；8、單模光纖；9、金屬外殼；10、光纖光纜連接套管；11、光纜；12、固定支架；13、彈性介質(zhì)；14、振動光纜；15、ASE光源；16、環(huán)行器；17、線陣CCD；18、信號處理器。

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請所限定的范圍。

如圖1所示，一種光纖光柵陣列周界入侵系統(tǒng)由全同光柵振動傳感器1、傳輸光纜2、光纖光柵解調(diào)器3、服務(wù)器4、聲光報(bào)警器5構(gòu)成。傳統(tǒng)光纖光柵周界入侵系統(tǒng)采用的是不同波長的振動傳感器進(jìn)行串接，相鄰間隔大約為6m，一臺16通道的光纖光柵解調(diào)器監(jiān)測的距離大約為2km，實(shí)施成本較高，且相鄰傳感器感知中間3m部位的入侵信號有時(shí)相對很微弱，極容易產(chǎn)生漏報(bào)和誤報(bào)。而本發(fā)明采用全同光柵技術(shù)可以在6m的防區(qū)敷設(shè)若干只相同波長的全同光柵振動傳感器1，其相鄰間距可以控制在1m左右，空間分辨率極高，防區(qū)內(nèi)任意一只傳感器感知到外界入侵振動信號后，均以防區(qū)的形式輸出報(bào)警信息，大大提高了系統(tǒng)對外界入侵行為的敏感程度，該方法在不多占用解調(diào)帶寬的情形下，能夠起到很好的增敏作用，且1臺儀表的監(jiān)測距離可以根據(jù)需要靈活展寬到4km-6km，性價(jià)比較高。若干只全同光柵振動傳感器1級聯(lián)后構(gòu)成1個(gè)防區(qū)，相鄰防區(qū)之間采用串聯(lián)或并列的方式通過傳輸光纜2將所有振動傳感器的信號匯聚到光纖光柵解調(diào)器3；光纖光柵解調(diào)器3負(fù)責(zé)傳感器信號的收集和處理，并將處理后的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)接口上傳給服務(wù)器4；服務(wù)器4對上傳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、時(shí)頻域分析、特征提取、模式識別、聯(lián)動控制，提供強(qiáng)大的智能算法引擎和樣本存儲能力，并將入侵行為已報(bào)警的形式輸送到聲光報(bào)警器5；聲光報(bào)警器5用來給系統(tǒng)輸出聲光報(bào)警信號，警示工作人員采用適當(dāng)?shù)胤婪逗吞幚泶胧?/p>

如圖2所示，本發(fā)明的全同光柵振動傳感器由光纖光柵6、質(zhì)量重錘7、單模光纖8、金屬外殼9、光纖光纜連接套管10和光纜11構(gòu)成。由于聚四氟乙烯具有密度小、受溫度影響小、易加工等特點(diǎn)，故選用該材料加工制作成重量為0.4g的質(zhì)量重錘7，單模光纖8從質(zhì)量重錘7中間穿過，并通過粘膠的方式與質(zhì)量重錘固定為一體，然后將光纖光柵6和質(zhì)量重錘一起放入保護(hù)金屬外殼9內(nèi)部中間位置。單模光纖8兩端分別固定在金屬外殼9兩端，并對其施加一定的預(yù)應(yīng)力，使其保持不松弛狀態(tài)。單模光纖8尾端從金屬外殼9的兩端孔帽穿出后通過光纖光纜連接套管10與光纜11進(jìn)行無縫銜接，然后用壓接鉗將金屬外殼兩端進(jìn)行壓接，并采用膠水進(jìn)行縫合，從而構(gòu)成靈敏度較高的全同光柵振動傳感器。

如圖3所示，本發(fā)明的振動光纜敷設(shè)架構(gòu)由固定支架12、彈性介質(zhì)13、振動光纜14組成。固定支架12通過膨脹螺栓與墻體或圍欄進(jìn)行緊固連接，支架兩側(cè)均設(shè)有多個(gè)掛孔；彈性介質(zhì)13通過張緊器固定在支架兩側(cè)的掛孔中，多路彈性介質(zhì)采用平行地面敷設(shè)；振動光纜14采用“S”形布設(shè)方式固定或綁扎在彈性介質(zhì)上，與其形成一體，大大增加系統(tǒng)的感知面積，其靈敏度也得到了相應(yīng)提高，同時(shí)也謹(jǐn)防由于彈性介質(zhì)上下間距過大導(dǎo)致穿越入侵行為。

圖4所示，本發(fā)明的光纖光柵解調(diào)器由ASE光源15、環(huán)形器16、線陣CCD17以及信號處理器18構(gòu)成。其解調(diào)原理為：從ASE光源15發(fā)出的光經(jīng)過環(huán)形器16入射到光纖光柵(FBG)陣列上，符合布拉格反射條件的光被反射回來，再經(jīng)過環(huán)行器16由單模光纖射出經(jīng)準(zhǔn)直凹面反射境準(zhǔn)直的平行光入射到平面衍射光柵上，由衍射光柵的色散作用把不同波長的光分開，分開的光由成像凹面鏡成像到線陣CCD17上，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，由信號處理器完成對波長信號的解調(diào)。

如圖5所示，本發(fā)明的基于時(shí)域、頻域算法信號識別流程圖。首先，由系統(tǒng)對所有傳感器的波長信號進(jìn)行初始化，當(dāng)有外界入侵行為產(chǎn)生時(shí)，系統(tǒng)采用時(shí)頻分析方法并通過極值尋優(yōu)自動篩選出防區(qū)內(nèi)波長幅值變化最大的振動傳感器進(jìn)行分析；當(dāng)波長變化幅值超過預(yù)先設(shè)定的閥值時(shí)，初步斷定有入侵行為事件發(fā)生，但此時(shí)無法區(qū)分人為的主動激勵和外界環(huán)境帶來的客觀激勵；于是需要采用基于FFT的頻域分析方法，并輔以小波對信號進(jìn)行降噪處理，通過頻譜特性來區(qū)分不同模式下的振動信號，從而達(dá)到智能識別外界入侵行為的目的。

如圖6、7所示，本發(fā)明的振動光纜感知外界典型樣本信號特征圖。其中，圖6分別為無入侵行為、攀爬行為、搖晃行為以及風(fēng)吹行為情景下的時(shí)域圖，圖7分別為攀爬行為、搖晃行為以及風(fēng)吹行為情景下的頻域圖。