一种光纤光栅围栏入侵报警检测系统及方法与流程

本发明涉及一种光纤光栅围栏入侵报警检测系统及方法。

背景技术：

安全是一个社会和企业赖以生存和发展的基础，尤其是在现代科技高度发展的今天，犯罪行为趋于智能化，手段趋于隐蔽化，加强现代化的安防技术显得尤为重要。安全防范技术就是在此基础上发展起来的，它集电子、传感、计算机和现代通信于一体，是多门学科相结合的产物。

目前常见的安全防范技术主要有电学和光学两种类型。其中电学类最具有代表性的技术有泄露电缆、红外入侵探测器以及电子围栏；光学类产品主要包括分布式光纤振动光缆、准分布式光纤光栅振动传感器。经过多年的发展，这些技术已经基本成熟，并且在很多重要场合得到了推广应用，如军事基地和边境、石油储备基地、天然气站、油田、核电厂区、电厂、发电站、油气管线、政府机关、文物及博物馆、大型厂区等，大大提升了这些区域的安全防范水平。

泄露电缆主要由射频发射器、接收器、防雷器等组成，发射器经发射电缆向外发射高频电磁能，当人体和金属体在这个区域活动时，就引起磁场的扰动，使接收器电磁能量变化，进而触发报警。泄漏电缆的单套警戒长度为100米，属于感应报警，缺点是只能防区报警，不能精确定址，系统的误报率高。红外入侵探测器由光束强度指示灯、光学透镜、发射端和接收端组成，发射端LED发射一种不可见的红外线，经光学处理后由接收端接收，当红外光束被遮档时，接收端将信号发送给主机，输出报警、视频联动等一系列动作。光束易受恶劣天气、空中漂浮物、树枝等物体的影响，误报率高，且无法准确定位。脉冲电子围栏系统主要由集脉冲发射、报警于一体的控制器和电子围栏两大部分组成，具有阻挡和威慑作用，安装方便。缺点是大范围无法定位，且不具备智能识别的功能，需要安装防雷设施，电缆某处损坏将会影响整个围栏的使用。由此可知，电学类周界产品普遍存在抗电磁干扰能力差、受环境影响大、误报率高、定位精度差、使用寿命短等缺点。

随着光纤传感技术的迅猛发展，光纤周界产品的研究日益深入并得到了快速地发展，目前光纤周界产品从原理上主要分为以下几种：基于光时域反射的 OTDR 技术、基于光纤干涉的光学传感技术和基于光纤光栅的准分布式传感技术，这些技术方案在理论上已经较为成熟，有的已经成功应用于市场。光纤周界入侵系统主要采用了光纤振动传感的原理，通过光纤或传感器获取边界小范围内入侵振动信息，并对其进行识别和输出报警，具有传统电学类周界入侵系统无可比拟的优点。光纤本身无源，抗电磁干扰，本质安全；不受地形环境限制，适合恶劣气候使用；通过感知外界振动信息来判断入侵行为，具有智能识别各种入侵行为的能力，灵敏度高；监测距离长，定位精度高；寿命长，可靠性高，易维护。

既有专利（公开号：CN101871809A）公开了一种防区式光纤分布式振动传感器，采用光学的方法避免了单模光纤中应力双折射引起的偏振衰落现象，从而在一定程度上提高了现有光纤周界报警系统的稳定性和可靠性。既有专利（公开号：CN105184319A）和既有专利（公开号：CN105784099A）公开采用几种相应的软件算法来提高光纤周界入侵信号的识别能力，从而降低系统误报率。基于光时域反射的OTDR技术和基于瑞利散射的分布式光纤传感技术均存在信号十分微弱，信噪比极低的特点，很容易产生误报。虽然可探测的距离较远，但基本属于防区型定位，其探测精度从几十米到上百米不等。

既有专利（公开号：CN102521939A）公开了一种新型的光纤光栅周界防入侵系统，采用级联的光纤振动探测器来感知外界入侵行为，紧接着既有专利（公开号：CN102968868A）和既有专利（公开号：CN103345808A）又对光纤光栅周界入侵行为的识别方法进行了探讨和分析，为系统的可靠性和稳定性奠定了良好的基础。与分布式光纤传感技术对比，基于准分布式的光纤光栅周界入侵系统采用级联光纤震动探测器来获取外界振动信息，通过波分复用的方式来实现大范围、长距离的智能监测，具有定位精度高、响应速度快、误报率低等特点。然而，基于光纤光栅的周界防入侵系统受光源带宽的限制，单一通道复用光纤光栅的数目只有几十个，复用能力十分有限，导致长距离的探测设备成本较高。

传统电子围栏的缺点在于链路需要供电工作，受电磁干扰，在短路或断路情况下报警，很多情况下可以被入侵人员避开（绝缘体接触不能触发报警），存在大量漏报的缺陷。目前市面上出现的光纤振动报警技术都是通过感应环境振动来识别入侵行为，其灵敏度较高且价格昂贵，很难识别鸟禽、风雨等外界干扰给系统带来的影响，误报率较高，不适合安保级别较高的场合使用。

技术实现要素：

为解决以上技术上的不足，本发明提供了一种抗电磁干扰、定位准确、使用寿命长的光纤光栅围栏入侵报警检测系统及方法。

本发明是通过以下措施实现的：

本发明的一种光纤光栅围栏入侵报警检测系统，包括若干根作为围栏的钢丝绳，每根钢丝绳均连接有光纤光栅拉力计，所述光纤光栅拉力计包括可以检测到与其相连的钢丝绳的应力变化并产生电信号的光纤光栅，所述光纤光栅通过光缆连接有光纤终端盒，所述光纤终端盒连接有光纤光栅解调器，所述光纤光栅解调器连接有服务器，所述服务器连接有显示器和声光报警器。

上述光纤光栅拉力计包括一端固定的金属外壳，所述金属外壳内设置有弹性基片，所述弹性基片上粘贴有光纤光栅，光纤光栅连接有单芯光缆，弹性基片一端固定在金属外壳内端部，弹性基片另一端依次连接有弹簧和金属拉杆，所述金属拉杆末端与穿入金属外壳内的钢丝绳相连接。

上述若干根钢丝绳横向平行设置，并且钢丝绳中部和两端连接有支柱，每根钢丝绳两端的支柱上均设置有两个上下均平行于钢丝绳的连接板，所述金属外壳端部连接有竖直的连接杆，所述连接杆上下两端分别与两个连接板相连接。

上述每个光纤光栅均连接有单芯光缆，若干单芯光缆连接有光纤分路器，所述光纤分路器连接有多芯光缆，所述多芯光缆连接有光纤光栅解调器。

本发明光纤光栅围栏入侵报警检测系统的检测方法，包括以下步骤：

步骤1，首先对防区内的所有光纤光栅的波长信号进行初始化，光纤光栅实时根据钢丝绳应力变化产生波长大小不等的感应信号，并发送给服务器；

步骤2，服务器对防区内所有光纤光栅发送来的感应信号进行筛选，提取波长变化最大值，并与系统阀值进行比较，如果小于系统阈值则返回步骤2，如果大于等于系统阀值则进行步骤3；

步骤3，先对感应信号进行小波滤波降噪，然后再采取模极大值判定的方法提取特征参数，并对特征参数进行模式识别及分类，确定符合入侵模式后输出报警信号。

本发明的有益效果是：该报警检测装置通过钢丝绳传导外界入侵行为产生的拉力，由连接钢丝绳的光纤光栅拉力计完成对拉力的检测，通过比较瞬时拉力变化量与所设定的阀值及拉力状态变化来识别入侵行为，较好地避免了鸟禽、风雨引起的误报；在确保系统灵敏度的条件下，防区长度可以根据现场实际情况进行灵活调节，且安装施工非常便捷；现场无需供电，抗电磁干扰，具有定位准确、寿命长等特点；与其它光学类防入侵技术相比，单台仪表所监测的距离更长，每公里造价更加低廉，适合大量推广使用。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明的光纤光栅拉力计结构示意图；

图3是本发明的光纤光栅拉力计安装示意图；

图4是本发明的单台仪表入侵报警防区布置图；

图5是本发明的基于小波算法信号识别流程图；

图6是本发明的入侵报警检测系统感知外界典型样本信号特征图；其中a为光纤光栅拉力计原始信号图，b为光纤光栅拉力计小波滤波后信号图，c为光纤光栅拉力计小波分析得到模极大值信号图。

其中，1钢丝绳；2支柱；3光纤光栅拉力计；4光纤接续盒；5多芯光缆；6光纤终端盒；7光纤光栅解调器；8服务器；9显示器；10声光报警器；11单芯光缆；12弹性基片；13光纤光栅；14弹簧；15金属拉杆；16金属外壳；17光纤分路器， 18连接板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述：

本发明提供了一种光纤光栅13围栏入侵报警检测系统及方法，核心器件是光纤光栅拉力计3，当入侵行为发生时，触碰围栏所产生的外力通过钢丝绳1传导到拉力计上，使得拉力计的光学波长信号发生改变，进而触发报警。该装置对恶意入侵手段也能很好地捕捉并触发报警，漏报率极低，与此同时，刮风、下雨、鸟禽等作用下不会触发报警，避免了误报。此外，该系统无需供电，抗电磁干扰，具有定位准确、寿命长、性价比高等优点，尤其适用于高档住宅、军事基地、机场、博物馆、石油管线等重要场所的入侵报警。

本发明的一种光纤光栅13围栏入侵报警检测系统，包括若干根作为围栏的钢丝绳1，每根钢丝绳1均连接有光纤光栅拉力计3，光纤光栅拉力计3包括可以检测到与其相连的钢丝绳1的应力变化并产生电信号的光纤光栅13，光纤光栅13通过光缆连接有光纤终端盒6，光纤终端盒6连接有光纤光栅13解调器7，光纤光栅13解调器7连接有服务器8，服务器8连接有显示器9和声光报警器10。

光纤光栅拉力计3包括一端固定的金属外壳16，金属外壳16内设置有弹性基片12，所述弹性基片12上粘贴有光纤光栅13，光纤光栅13连接有单芯光缆11，弹性基片12一端固定在金属外壳16内端部，弹性基片12另一端依次连接有弹簧14和金属拉杆15，金属拉杆15末端与穿入金属外壳16内的钢丝绳1相连接。若干根钢丝绳1横向平行设置，并且钢丝绳1中部和两端连接有支柱2，每根钢丝绳1两端的支柱2上均设置有两个上下均平行于钢丝绳1的连接板18，金属外壳16端部连接有竖直的连接杆，连接杆上下两端分别与两个连接板18相连接。每个光纤光栅13均连接有单芯光缆11，若干单芯光缆11连接有光纤分路器17，光纤分路器17连接有多芯光缆5，所述多芯光缆5连接有光纤光栅13解调器7。

本发明光纤光栅13围栏入侵报警检测系统的检测方法，包括以下步骤：

步骤1，首先对防区内的所有光纤光栅13的波长信号进行初始化，光纤光栅13实时根据钢丝绳1应力变化产生波长大小不等的感应信号，并发送给服务器8；

步骤2，服务器8对防区内所有光纤光栅13发送来的感应信号进行筛选，提取波长变化最大值，并与系统阀值进行比较，如果小于系统阈值则返回步骤2，如果大于等于系统阀值则进行步骤3；

步骤3，先对感应信号进行小波滤波降噪，然后再采取模极大值判定的方法提取特征参数，并对特征参数进行模式识别及分类，确定符合入侵模式后输出报警信号。

如图1所示，钢丝绳1通过紧绳器将防区两端的光纤光栅拉力计3串接在一起，钢丝绳1中间部位采用辅助支柱2进行支撑，并在安装过程中给拉力计施加适当的预张力，确保其感知灵敏度，防区钢丝绳1的分布形式可以根据现场需求平行布设2-3层，以防穿越入侵行为。单防区内各只光纤光栅拉力计3通过单芯光缆11将传感信号汇聚到光纤接续盒4，再通过多芯光缆5接入到控制室内的光纤终端盒6。光纤光栅13解调器7负责传感器信号的采集和处理，并将处理后的数据通过网络端口上传给服务器8。服务器8对上传的实时数据进行预处理、特征提取、模式识别、联动控制，提供强大的智能算法引擎和样本存储能力，并将入侵行为以报警的形式输送到声光报警器10；显示器9用来展示各防区状态监控画面，声光报警器10用来给系统输出声光报警信号，警示工作人员采用适当地防范和处理措施。

如图2所示，本发明的光纤光栅拉力计3由单芯光缆11、弹性基片12、光纤光栅13、弹簧14、金属拉杆15和金属外壳16组成。单芯光缆11用于防区内相邻传感器之间的信号连接与传输，采用粘贴的方式将光纤光栅13固定在弹性基片12上，光纤光栅13受力应变是由弹性基片12受力应变传导而至，实质上光纤光栅拉力计3测量的是弹性基片12的应变量，弹性基片12的材料、长度、截面积以及粘贴方式都直接影响光纤光栅13的测量值。弹簧14位于弹性基片12和金属拉杆15之间，用于传递拉杆的伸缩力。金属拉杆15与钢丝绳1连接，用于将钢丝绳1受到的拉力传导到光纤光栅拉力计3。将光纤光栅13及辅件安装于铝质金属外壳16内，壳体起到保护光纤光栅13的作用，从而构成一只完整的光纤光栅拉力计3。

如图3所示，连接板18通过上下两个螺栓与支柱2进行紧密连接。单芯光缆11作为拉力计的引出端，用于信号的传输与防区传感器之间的连接。光纤光栅拉力计3通过螺栓与固定架进行紧密衔接，钢丝绳1用来感知外界入侵行为带来的拉力。当外界入侵行为发生时，外力通过钢丝绳1传导到拉力计上，改变拉力计的光学波长信号，从而触发报警。

如图4所示，由光纤光栅13解调器7、32芯的光纤光缆、光纤分路器17、单芯光纤及160个防区构成。光纤光栅13解调器7包含32个通道，可以同时解调32路光纤传感器信号，单通道接入拉力计的数量为20只。如果按照每防区安装4只拉力计进行规划设计，相邻防区之间的距离为40m，则1台仪表满载的防区长度可以达到6km。目前基于光纤光栅13振动传感的周界入侵系统，单台仪表所监测的距离约为2km左右，相比之下，本发明提到的一种光纤光栅13围栏入侵报警检测装置及系统具有更高的性价比，推广的意义更大。

如图5所示，本发明的基于小波算法信号识别流程图。首先对传感器的波长信号进行初始化，当有疑似入侵行为的信号产生时，系统对该防区内的所有传感器波长信号进行扫描筛选，提取波长变化最大值，并与系统阀值进行比较；对于小于阀值的信号重新返回再次筛选，对于超出阀值的信号先进行小波滤波降噪，然后再采取模极大值判定的方法提取特征信号；最后对特征信号进行模式识别及分类，并输出预、报警信号。该算法采取两级判定的方法，对鸟禽、风雨等外界引起的信号干扰能够很好地屏蔽，对于敲击、翻越等入侵行为能够准确的感知、定位，误报率极低。

如图6所示，本发明的基于小波的数据分析方法。其中a为光纤光栅拉力计3原始信号图，b为光纤光栅拉力计3小波滤波后信号图，c为光纤光栅拉力计3小波分析得到模极大值信号图。由于光纤光栅13同时对应变和温度敏感，温度的细微变化，会导致光纤光栅拉力计3采集信号产生零点漂移。不论是用于受力测量的光纤光栅13应变传感器，还是用于温度补偿的光纤光栅13温度传感器，采集的测量数据不可避免的存在噪声。为了有效地检测并消除噪声，获得更可靠的数据，采用小波变换对光纤光栅拉力计3采集的信号进行分析与处理，从而降低采集信号的噪声。同时，由于光纤光栅拉力计3采样频率较高，为了区分由于不同影响因素导致拉力变化的暂态过程，提高光纤光栅拉力计3感知外界入侵行为的灵敏度，采用小波变换模极大值检测光纤光栅拉力计3反射波长变换，确定拉力突变的时间点，以此可以应用于确定模极大值、故障诊断、信号恢复、降噪滤波等。

系统通过围墙或栅栏上安装的钢丝绳1感知外界入侵行为产生的拉力，然后由钢丝绳1将外界拉力传导到安装在防区两端的光纤光栅拉力计3上，由拉力计将外界拉力变化转化为波长信号的变化；光纤光栅13解调器7完成对波长信号的解调、处理，并将处理后的数据通过网口上传到服务器8；服务器8对上传的实时数据和预处理信号进行分析汇总，通过强大的智能算法引擎和样本存储能力，实现对外界入侵信号的特征分析、报警输出、地图定位、联动控制等功能；声光报警器10用来输出声光报警信号，对入侵犯罪行为给予强烈的警示，同时提醒工作人员采用适当的措施对入侵者进行防范和处理。

以上所述仅是本专利的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本专利的保护范围。