分布式多防区振动光纤周界报警系统以及周界监测方法与流程

本发明涉及一种分布式多防区振动光纤周界监测技术领域，特别是涉及一种分布式多防区振动光纤周界报警系统以及周界监测方法。

背景技术：

随着社会经济的快速发展，人们对生活和环境的安全性要求越来越高，在民用方面，尤其是涉及到生命和财产安全方面，人们希望能及时预知灾难的发生，避免不必要的损失；在军事国防方面，对军事信息和军事基地的保密性和安全性要求极其高。因此，对安防系统的精准度的要求越来越高。

目前采用脉冲电子围栏形成分布式光纤振动传感装置，其使人们可以在较大范围内布防，也能够及时启动报警系统，但这种分布式振动光纤的定位精度不高，分布范围也不够广，对于一些安防要求极高的特殊场合，这种定位精度及分布范围还是达不到要求，甚至会出现误报情况。

为了解决传统脉冲电子围栏主机中存在的如上缺陷，不同的厂家采用了不同的设计思路和方法：中国实用新型专利ZL201320475144.3，公开了一种多通道同时监测的分布式光纤振动传感装置，该实用新型解决了对多路传感光纤进行实时监测的问题，但它的缺点是不能进行入侵模式的智能识别，误报率较高。

因此需要一种误报率低、监测精度高的分布式多防区振动光纤周界报警系统。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种分布式多防区振动光纤周界报警系统以及周界监测方法，用于解决现有技术中误报率高、难以精准监测的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种分布式多防区振动光纤周界报警系统，其包括：

窄线宽光源模块和分光器，分光器具有多个光出口；

多防区现场探测单元，由多个防区探测单元构成，每个防区探测单元均由光模块、传感光纤和反射镜组成，光模块通过传感光纤与反射镜相连；

以及终端监测单元，包括光电转换数据处理模块、主控器以及报警模块，光电转换数据处理模块和报警模块均与主控器相连；

所述窄线宽光源模块与分光器相连，分光器的每个光出口与其中一个防区探测单元中的光模块通过通信光缆相连，所有光模块均与所述光电转换数据处理模块相连，窄线宽光源模块射出的光源通过分光器分光后进入每个防区探测单元，经光模块耦合后形成干涉光信号进入光电转换数据处理模块转变成信息数据，信息数据由主控器分析处理。

优选的，所述光模块由三块1*2耦合器集成，具有三个端口，第一端口通过通信光缆与所述分光器的光出口相连，第二端口通过所述传感光纤与所述反射镜相连，第三端口通过通信光缆与所述光电转换数据处理模块相连。

优选的，位于所述第一端口以构成所述第一端口的第一耦合器的分光比为10:90，位于所述第二端口以构成第二端口的第二耦合器的分光比为50:50，位于所述第三端口以构成第三端口的第三耦合器的分光比为50:50。

优选的，所述光电转换数据处理模块包括多个光电探测器、多个信号处理单元以及并行数据采集卡，每个光电探测器与一个信号处理单元相连，所有信号处理单元均与所述并行数据采集卡相连，并行数据采集卡与所述主控器相连，且每个光电探测器与其中一个防区探测单元中的所述光模块相连。

优选的，所述报警模块包括多个报警指示灯，每个报警指示灯对应一个防区探测单元。

本发明还提供一种分布式多防区振动光纤周界的监测方法，所述监测方法采用如上所述的分布式多防区振动光纤周界报警系统，包括以下步骤：

1)所述主控器控制窄线宽光源模块实时输出预设功率的激光光源，激光光源通过分光器进入每个防区探测单元内，经光模块耦合后形成干涉光信号，所述光电转换数据处理模块实时将干涉光信号转换成信息数据传输至主控器；

2)主控器对接收到的每个防区对应的信息数据进行处理分析，主控器内具有预设的多个分析特征阈值，在处理分析时，主控器根据每个防区对应的信息数据提取所有分析特征的实时值，将各分析特征的实时值与对应预设的分析特征阈值进行比较，如果超出预设的分析特征阈值则使报警模块发出报警，所述多个分析特征包括频率特征和时域特征，所述频域特征包含每个防区对应的信息数据中代表入侵信号的频率特性以及所有入侵信号间的关联特性；所述时域特征包含每个防区对应的信息数据中代表入侵信号的时间间隔以及每个入侵信号的持续时间。

优选的，所述多个分析特征还包括每个防区对应的信息数据中的入侵强度，所述入侵强度来识别入侵动作的危险性。

优选的，所述步骤2)还包括：所述主控制器根据不同防区对应信息数据中的入侵信号的频域特征和时间特征，进行不同防区间的空间关联性分析。

优选的，所述频域特征还包含处于不同频率段内的入侵信号间的关联性。

优选的，所述主控制器将多个所述分析特征的实时值进行综合分析处理，以此判断具有所述分析特征的实时值的入侵信号对应的入侵动作种类。

如上所述，本发明的分布式多防区振动光纤周界报警系统以及周界监测方法，具有以下有益效果：采用光模块耦合后形成干涉光信号，对高频信号的响应具有极大的灵敏性，同时也最大限度的降低了现场熔纤难度，提高了探测准确性及整个系统的稳定性；采用了光电转换数据处理模块来实时采集数据，可同时对多防区的干涉光信号进行实时处理并且将信息数据传输给主控器，大大提高了系统的实时性及可靠性；本发明的监测方法通过预设各分析特征阈值，利用各分析特征的实时值与对应预设的分析特征阈值进行比较，从而可以滤除大部分噪声，筛选出有用信号，对高频信号的相应具有极大的灵敏性，避免产生误报。

附图说明

图1显示为本发明的分布式多防区振动光纤周界报警系统的系统框图。

图2显示为本发明的分布式多防区振动光纤周界报警系统中每个防区的具体示意图。

图3显示为本发明的干涉光信号形成的原理示意图。

图4显示为本发明的入侵信号示意图。

元件标号说明

1 窄线宽光源模块

2 分光器

3 光模块

31 1*2耦合器

31-a 第一耦合器

31-b 第二耦合器

31-c 第三耦合器

4 反射镜

5 光电转换数据处理模块

51 并行数据采集卡

52 信号处理单元

53 光电探测器

6 主控器

7 报警模块

8 传感光纤

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图3。须知，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，本发明提供一种分布式多防区振动光纤周界报警系统，其包括：

窄线宽光源模块1和分光器2，分光器2具有多个光出口；

多防区现场探测单元，由多个防区探测单元构成，每个防区探测单元均由光模块3、传感光纤8和反射镜4组成，光模块3通过传感光纤8与反射镜4相连；

以及终端监测单元，包括光电转换数据处理模块5、主控器6以及报警模块7，光电转换数据处理模块5和报警模块7均与主控器6相连；

所述窄线宽光源模块1与分光器2相连，分光器2的每个光出口与其中一个防区探测单元中的光模块3通过通信光缆相连，所有光模块3均与所述光电转换数据处理模块5相连，窄线宽光源模块1射出的光源通过分光器2分光后进入每个防区探测单元，经光模块3耦合后形成干涉光信号进入光电转换数据处理模块5转变成信息数据，信息数据由主控器6分析处理。

本发明采用光模块耦合后形成干涉光信号，对高频信号的响应具有极大的灵敏性，同时也最大限度的降低了现场熔纤难度，提高了探测准确性及整个系统的稳定性；采用了光电转换数据处理模块来实时采集数据，可同时对多防区的干涉光信号进行实时处理并且将信息数据传输给主控器，大大提高了系统的实时性及可靠性。

上述光模块3由三块1*2耦合器31集成，见图3所示，具有三个端口，第一端口通过通信光缆与分光器2的光出口相连，第二端口通过传感光纤8与反射镜4相连，第三端口通过通信光缆与光电转换数据处理模块5相连。施工时，可现场将通信光缆、传感光纤8熔纤后接入对应的各端口，便于施工。本实施例中，位于第一端口处以构成第一端口的第一耦合器31-a的分光比为10:90，位于第二端口处以构成第二端口的第二耦合器31-b和位于第三端口处以构成第三端口的第三耦合器31-c的分光比均为50:50。

为实现干涉光信号的实时采集和实时分析，见图2所示，上述光电转换数据处理模块5包括多个光电探测器53、多个信号处理单元52以及并行数据采集卡51，每个光电探测器53与一个信号处理单元52相连，所有信号处理单元52均与并行数据采集卡51相连，并行数据采集卡51与主控器6相连，且每个光电探测器53与其中一个防区探测单元中的所述光模块3相连。本实施例采用光电探测器来接收由光模块3发出的每个防区的干涉光信号，经由信号处理单元处理后通过并行数据采集卡51采集所需要的信息数据，该些信息数据内包含所需要各分析特征值的实时值，便于主控器进行分析处理，以便及时报警。

为提高报警精度，上述报警模块7包括多个报警指示灯，每个报警指示灯对应一个防区探测单元。

本发明还提供一种分布式多防区振动光纤周界的监测方法，所述监测方法采用如上所述的分布式多防区振动光纤周界报警系统，包括以下步骤：

1)所述主控器6控制窄线宽光源模块1实时输出预设功率的激光光源，激光光源通过分光器2进入每个防区探测单元内，经光模块3耦合后形成干涉光信号，所述光电转换数据处理模块5实时将干涉光信号转换成信息数据传输至主控器6；

2)主控器6对接收到的每个防区对应的信息数据进行处理分析，主控器6内具有预设的多个分析特征阈值，在处理分析时，主控器6根据每个防区对应的信息数据提取所有分析特征的实时值，将各分析特征的实时值与对应预设的分析特征阈值进行比较，如果超出预设的分析特征阈值则使报警模块7发出报警，多个分析特征包括频率特征和时域特征，频域特征包含每个防区对应的信息数据中代表入侵信号的频率特性以及所有入侵信号间的关联特性；时域特征包含每个防区对应的信息数据中代表入侵信号的时间间隔以及每个入侵信号的持续时间。

本发明采用光电转换数据处理模块5实时将干涉光信号转换成信息数据传输至主控器6，主控制器根据每个防区对应的信息数据提取所有分析特征的实时值，将各分析特征的实时值与对应预设的分析特征阈值进行比较，如果超出预设的分析特征阈值则使报警模块7发出报警，通过设置分析特征值，对干涉光信号进行频域和时域分析，拥有多种分析模式，灵敏度可调范围大，且可有效规避小动物及风雨天气造成的误报。

传感光纤8在外界物理因素(如振动和压力)的作用下，会改变光纤中光的传输参数(相位，波长等)，本发明中的光电转换数据处理模块对返回的光波信号(即上述干涉光信号)进行实时扫描，一旦发现参数变化，即通过主控制器进行处理分析。主控制器可实时提取需要的各种分析特征值，如频域特征和时域特征，而且还可以对频域特征和时域特征进行二次分析处理，以此来识别各类行为模式下的光波变化特点，迅速准确的分析和处理感知信息，达到入侵探测和周界防范的目的。

如上所述，光电转换数据处理模块具体可包括多个光电探测器53、多个信号处理单元52以及并行数据采集卡51，每个光电探测器53与一个信号处理单元52相连，所有信号处理单元52均与并行数据采集卡51相连，并行数据采集卡51与主控器6相连，且每个光电探测器53与其中一个防区探测单元中的所述光模块3相连。本发明采用光电探测器来接收由光模块3发出的每个防区的干涉光信号，并且可感知干涉光信号中光传输参数的变化，如光的相位变化，经由信号处理单元处理后通过并行数据采集卡51采集所需要的信息数据，该些信息数据内包含所需要各分析特征值的实时值，便于主控器进行分析处理，以便及时报警。本实施例中主控制器内具有存储各预设的分析特征阈值的存储模块，以及将各分析特征实时值与各预设的分析特征阈值进行比较的比较模块。

上述主控制器可将对各干涉光信号检测到的相应多各分析特征值进行处理分析，上述多个分析特征值包括频域特征和时域特征，以及每个防区对应的信息数据中的入侵强度，根据入侵强度来识别入侵动作的危险性；还包括针对不同防区对应的信息数据中的入侵信号间的空间关联性。具体如下：

频域特征主要表征干涉光信号对振动信号的频率响应，本实施例中的频域特征具体可包括每个防区对应的信息数据中代表入侵信号的频率特性(即频率成分)、所有入侵信号间的关联特性(即频率间的关联和频率段关联)。

频率特性主要指：分析干涉光信号中产生信号波动的动作(即入侵信号)的频率组成，即主控制器接收到的入侵信号中频率实时值，主控制器内具有预设的频率阈值，如低频率阈值为5kHz，即小于5kHz视为低频成分，大于5kHz视为高频成分。一般入侵动作挖掘、敲击、翻越高频成分会显著大于低频成分，因此可从频率上滤除干扰信号。大风、下雨时引起传感光纤的振动是一种低频振动，即主控器从由光电转换数据处理模块接受到的信息数据中提取的频率实时值处于预设的低频率阈值以下，则可剔除该振动信号，避免误报警。本发明可以通过检测到的频率实时值来识别某一个具体的信号，风雨时引起的振动信号和人攀爬围栏引起的振动信号在频率域内存在很大的区别，所以在频域很容易识别误报源，避免误报警。

频率间的关联主要指：分析某些特定频率间的关系(主要指对监测到的频率实时值进行比值、和值、差值等相关处理)，来区分动作种类。即主控制器内预设有频率关联阈值，频率关联阈值为一个频段范围值，比如某个入侵信号中，监测到的频率实时值处于2.5kHz和6.5KHz频段，以此来辅助区分该动作类别，以及其是否处于预设的入侵动作模式范围内，是否需要报警等。

频率段关连主要指：分析某个频率段(不只是高频)之间的关系(主要将监测到的频率实时值进行方差、差分等相关处理)。

上述时域特征包含每个防区对应的信息数据中代表入侵信号的时间间隔以及每个入侵信号的持续时间。时间间隔主要指：两次入侵信号之间的间隔，即主控制器内预设时间间隔阈值，且对各种不同的动作对应不同的时间间隔阈值，因此，可设置各种常见入侵动作对应的时间间隔阈值，如图4所示图中两个曲线为入侵信号，主控制器监测到的时间间隔实时值为δT，通过判断两次入侵信号间隔的长短来大致判断入侵信号对应的入侵动作类型，比如挖掘机一般间隔5～10s，人为敲击间隔1～2s。持续时间主要指：可以把入侵信号发生间隔小于某个值(比如10s)的动作视为一个动作，然后通过持续时间来判断。即主控制器内预设有持续时间阈值，其也可预设多个阈值，即包括各种常见入侵动作对应的持续时间阈值，比如，一个地埋的防区持续时间超过1分钟，即主控制器监测到的持续时间实时值为1分钟，其于持续时间阈值比较，分析可得：其可能为该入侵信号对应的防区有施工或人为挖掘。

上述入侵强度主要指：通过入侵信号强度来识别该入侵动作的危险性，比如一些小动作的触碰(狗、鸡鸭鹅等，牛羊除外)，在频率和时域上和人差别不大，但力量上应该不如人为敲击的大。可在主控系统内预设一个入侵强度阈值，通过监测到的入侵信号强度实时值与入侵强度阈值进行比较分析，以此来判断是否需要报警，提高报警的准确率。

所述步骤2)还包括：所述主控制器根据不同防区对应信息数据中的入侵信号的频域特征和时间特征，进行不同防区间的空间关联性分析。比如几个防区同时报警，很可能是风雨等外界天气干扰或是设备故障所致；相邻多个防区依次分别报警，很可能是汽车、火车造成的，还可以通过依次顺序来判断走向。

上述主控制器还可将上述各特征值进行综合判断，以此判断具有所述分析特征的实时值的入侵信号对应的入侵动作种类。无论上面哪个特征值，只依靠其自身可能无法很好的控制漏报误报，因此，需要各分析特征值间的综合分析判断才可以。比如：主控制器接受到一个信息数据，其捕捉到了一个入侵动作的时间间隔为7s，持续时间为3min，高频成分较高，强度较大，且作用范围几百米的动作，则可判断为疑似挖掘机作业；主控制器接受到一个信息数据，其捕捉到了一个入侵动作的时间间隔为1s，持续时间为6s，高频成分较高，强度较大，且作用范围很小，则可判断为疑似敲击所致。

综上所述，本发明的分布式多防区振动光纤周界报警系统以及周界监测方法，本发明的报警系统可采集各分析特征的实时值，通过主控制器预设各分析特征阈值，利用各分析特征的实时值与对应预设的分析特征阈值进行比较，从而可以滤除大部分噪声，筛选出有用信号，对高频信号的相应具有极大的灵敏性，避免产生误报。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。