专利名称：一种防火防入侵同步预警系统及其信号处理方法
技术领域：
本发明涉及安全防范系统、技术及传感网络信号处理方法领域，具体涉及防火防 入侵同步预警系统及其信号处理方法。
背景技术：
对于军事区域、机场、博物馆及其他重要防范区域，火灾的预警和区域入侵的监测 同等重要。目前无论是基于电学传感器还是基于光学传感器的安防系统，均有一个特点即 功能的单一性，要么只对周界入侵进行监测，要么只对区域火灾进行预警，如果要同时满足 用户对区域入侵和火灾等的多项安防需求，通常需要集成多个监测系统，将防入侵和防火 系统进行集成、联动，或并行安装和运行，才能满足特殊重要场合对安全防范的特殊要求。 系统的集成或并行安装，不仅造成系统冗余庞杂，而且势必会造成安防设施成本的急剧增 加，因此需要一种传感系统能同时对多个参数进行监测，对于安防系统来说，即在一套简洁 的安防系统上实现火灾和入侵的同步预警，达到事半功倍的效果。
FBG光纤光栅传感器不仅拥有一般光纤传感器的抗电磁干扰，耐高温、耐腐蚀等极 度恶劣环境等的所有优点，同时由于它是波长检测型，相对于干涉等光强检测型传感器具 有较强的抗干扰能力，而且FBG传感器对温度、应变等多种参数同时敏感，所以可以封装为 温度或应变等多种类型传感器，或者封装为多参数同时测量的传感器，因此应用极为广泛。 实际应用中，FBG对温度和应变的同时测量方法，无论是双光栅法还是单光栅法，其物理本 质都是类似的，利用靠近的具有不同敏感系数的两个光栅感知相同区域的温度和应变，通 过两组测量结果，解方程组即可分别得到该点的应变量和温度测量量。但由于温度、应变同 步测量的靠近光栅需要特别工艺进行制造和封装，因此成本较高。利用FBG传感器对应变、 温度同时敏感的特性，可以实现单个光栅上应变和温度的同步感知，在基于应变或振动型 FBG传感器的防入侵光纤围栏基础上，根据应变或振动与温度对FBG反射波长的不同影响， 通过信号处理方法分析监测信号的特点，判断异常是来自温度影响还是由应变或振动影响 引起，在光纤围栏防入侵系统的入侵监测功能基础上，无需做任何硬件封装的改变，也无需 添加温度敏感光缆和其他温度监测系统，即可达到温度监测和报警的功能，在单套安防系 统上实现防火和防入侵的同步预警。发明内容
本发明所要解决的问题是如何提供一种防火防入侵同步预警系统及其信号处理 方法，该系统无需系统集成，无需硬件结构的增加或调整，仅通过软件信号处理，即可在入 侵监测基础上，增加对温度异常信号的识别和监测，利用单套安防系统实现防火防入侵的 同步预警。
本发明所提出的技术问题是这样解决的提供一种防火防入侵同步预警系统，其 特征在于，包括三个模块
①挂设在周界围栏上或埋在地下的传感光缆传感光缆里串接有多个应变型FBG4传感器，FBG传感器的安装间隔距离根据用户需求及周界情况确定，用于感知周界上入侵的 振动或应变信号以及外界的温度变化情况，监测整个周界区域的安全状况；
②解调装置包括光源、信号解调设备和光开关，分别用于提供光源，并对反射回 的光信号进行解调、光电转换与A/D模数转换，若系统容载能力有限还通过光开关进行通 道扩展；
③中央处理单元是指报警系统或者处理主机，用于将传输过来的传感网络节点 信号进行实时处理，得到结果并控制报警输出；
携带有入侵信息的光传感信号通过传感光缆传输给信号解调设备，经过解调、光 电转换和A/D模数转换，通过以太网或串口形式传输给处理主机或者报警系统，处理主机 将接收的传感网络所有节点的信号进行实时处理，判断异常的发生、异常情况的具体类别， 并启动报警，同时进行异常点的定位显示。
上述防火防入侵同步预警系统的信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤
①处理主机将接收的传感网络所有节点的信号进行预处理以后，通过提取异常特 征信息，判断监测的周界区域是否有异常发生，如有异常，则启动报警，并对异常点进行定 位；
②通过对报警的异常信号特征分析，对确认的异常情况进行分类包括入侵，温度 上升，温度下降，同时有入侵和温度上升，同时有入侵和温度下降等五种异常模式。
按照本发明所提供的防火防入侵同步预警系统的信号处理方法，其特征在于，在 步骤①中，异常信号的检测及定位方法为
设接收到的传感信号阵列为X = Ixi (n)，i = 1，2，…，N;n = l，2，…，M}，N为 传感网络的节点数，M为每个节点信号的分析长度，各节点信号的归一化自相关函数为Ci =(Ei(Xfc), χ (n-1)), 1 = 0,1,…，M}，1为时间延迟量，单位为采样点，| Ci | ( 1 ；设第I 节点为无入侵的节点，无入侵时信号时间自相关长度为I1，第J节点为有入侵的节点，有入 侵时信号时间自相关长度为12，二者相关时间长度关系总有O < I1 < I2，选择一个确定的 时间延迟量I1 < L < 12，必有归一化相关系数E1 (χ (η)，X (n-L)) < Ετ(χ (η)，χ (n-L))，且有 E, ”), -L)) ^q7Ej (χ(η), χ(η - Z)) Ξ 1 或 Ej (χ (η)，χ (n-L)) >> 0 ；
设定一个归一化自相关系数阈值n。，0. 5 < II。< 1，根据以下公式判断异常信号 是否存在
当 代=0时，判断周界没有异常情况发生；当;I；i , >0时，判断周界有异常发/=1I=I生；
如果=1，为单点异常；如果Ix ，对Ri = 1的连续几个节点i进行聚类，能够聚类的几个节点判断是由同一个外界因素引起，聚类后最终确定的类的个数即为实际 异常点数，对各个类里的节点序数求平均再取整，进行多点异常的定位。
按照本发明所提供的防火防入侵同步预警系统的信号处理方法，其特征在于，在 步骤②中，异常情况的分类基于监测信号的时域特征进行判断的，根据温度和应变对FBG传感器中心反射波长影响的不同，提取出相应的时域特征参数，根据这些特征参数对温度 和应变进行区别外界入侵动作通常会引起围栏晃动或振动，使得挂设在围栏上的FBG传 感器应变发生变化，导致FBG传感器中心反射波长随应变变化规律相应发生变化或漂移， 这种变化通常是在基准静态值附近做震荡变化，且变化速度比较快，而外界局部温度的升 高会导致相应的FBG传感器中心波长朝长波长方向缓慢漂移，二者对波长漂移的影响明显 不同，根据监测信号幅值的不同变化特征，将二者进行区别。
本发明是基于布拉格光纤光栅(FBG)传感网络的防入侵监测系统中，利用FBG传 感器对应变和温度同时敏感的特性，根据入侵动作和温度导致波长变化的规律不同，即入 侵导致FBG传感器的应变变化或振动，其反射波长在中心波长值附近有较快的上下波动变 化，而温度变化使反射波长朝某一方向缓慢漂移，从信号处理方法上通过提取二者的不同 特征，对入侵和火灾进行智能辨别，并进行相应的提示报警。本系统无需多个系统集成，无 需温度传感器、传感光缆及其他测温系统等硬件结构的增加或调整，仅通过软件信号处理 方法，即可将传感光缆上感知的异常情况进行辨别，识别出是温度异常还是其他威胁性入 侵动作引起，或者是二者的叠加，在单套安防系统上实现防火和防入侵同步预警的功能，提 高了安防系统的防卫性能，同时有效降低了系统的成本，避免了两套及以上系统集成或并 行运行造成的系统成本较高和系统结构冗余等情况。
图1是本发明防火防入侵同步预警装置的一个实施例，光纤围栏防火防入侵系统 同步预警系统；
图2是本发明的信号处理流程；
图3是入侵引起的波长变化趋势及其波长值分布图4是温度上升引起的波长变化趋势及其波长值分布图5是温度下降引起的波长变化趋势及其波长值分布图6是“入侵+温度下降”引起的波长变化趋势及其波长值分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述
本发明提供一种防火防入侵同步预警系统。本发明的特点是在基于FBG传感网络 的光纤围栏防入侵系统上，无需与其他消防预警系统集成，也无需进行传感器的温敏封装 等硬件结构上调整，或增加温度敏感的传感光缆等硬件设施，仅通过软件信号处理方法，根 据温度和应变对FBG中心反射波长影响的不同，提取出相应的时域特征参数，根据监测信 号幅值变化的特征对温度和应变进行智能辨别，在一套安防系统上实现防火和防入侵的同 时预警。
下面以基于准分布式FBG应变传感器的光纤围栏防火防入侵同步预警系统为例， 结合附图对本发明具体实施方法作进一步描述
首先介绍一下本发明具体实施例一所采用的火灾、入侵同步检测装置，如图1所 示，由三个模块组成挂设在围栏上的传感光缆(光缆里串联有ν个应变型TOG传感器，每 个传感器的安装间隔距离根据用户需求及周界情况确定)，用于感知周界上入侵的振动或应变信号以及外界的温度变化情况，监测整个周界区域的安全状况；光源、信号解调仪及光 开关(光开关为可选用)等解调装置，分别用于提供光源，并对反射回的光信号进行解调、 光电转换与A/D模数转换，若系统容载能力有限还可以通过光开关进行通道扩展；报警系 统或处理主机，用于将传输过来的传感网络节点信号进行实时处理，判断周界有无异常情 况发生，及时进行声光报警，并且给出具体的异常位置及异常情况的类型。接下来介绍的就 是本发明的具体实施方法
携带有入侵信息的光传感信号通过光缆传输给解调仪，经过解调、光电转换和A/ D模数转换，通过以太网或串口形式传输给处理主机，主机将接收的传感网络所有节点的信 号进行实时处理，判断异常的发生、异常情况的具体类别，并启动报警，同时进行异常点的 定位显不。
对信号的处理是本发明的关键所在，作为本发明防火防入侵同步预警系统具体实 施例二，所采用的信号处理流程，如图2所示
(1)主机将接收的传感网络所有节点的信号进行预处理以后，通过提取异常特征 信息，判断监测的周界区域是否有异常发生。如有异常，则启动报警，并对异常点进行定 位；
(2)通过对报警的异常信号特征分析，对确认的异常情况进行分类包括入侵，温 度上升，温度下降，同时有入侵和温度上升，同时有入侵和温度下降等五种异常模式。
由于传感网络各节点灵敏度不均勻，直接通过比较监测信号幅值或能量来判断异 常信号的有无，容易造成漏警和误警，而且设定的阈值大小与围栏材质、天气、环境等条件 有关，不容易确定，因此需要一种新的异常检测方法。作为实施例三，异常信号的检测及定 位方法为
设接收到的传感信号阵列为X = Ixi (n)，i = 1，2，…，N;n = l，2，…，M}，N为 传感网络的节点数，M为每个节点信号的分析长度，各节点信号的归一化自相关函数为Ci =(Ei(Xfc), χ (n-1)), 1 = 0,1,…，M}，1为时间延迟量，单位为采样点，| Ci | ( 1 ；设第I 节点为无入侵的节点，无入侵时信号时间自相关长度为I1，第J节点为有入侵的节点，有入 侵时信号时间自相关长度为12，二者相关时间长度关系总有0 < I1 < 12。选择一个确定的 时间延迟量I1 < L < 12，必有归一化相关系数E1 (χ (η)，X (n-L)) < Ετ(χ (η)，χ (n-L))，且有 E1 (x(ri), x(n - Z)) Ξ 0 ,民(χ(η),χ(η - Z)) s 1或 Ej (χ (η)，χ (n-L)) > > 0。设定一个归一化自相关系数阈值n。，o. 5 < nc< 1，可以根据以下公式判断异常信号是否存在
当Σ式=0时，判断周界没有异常情况发生；当^>, >0时，判断周界有异常发生。
如果=1，为单点异常；如果>1，对氏=1的连续几个节点i进行聚类，能够聚类的几个节点判断是由同一个外界因素引起，聚类后最终确定的类的个数即为实际 异常点数，对各个类里的节点序数求平均再取整，进行多点异常的定位。
检测出异常情况进行报警和定位，然后则需要提取报警信号的相应特征，对异常 情况进行分类，判断异常是温度异常还是有入侵发生，或者是两种因素同时存在。作为本发1，|￡,(χ(”)，χ(”-Ζ))|》％ 0 ，丨五X(W-Z)) |<队明的实施例四，具体的实施方法是
外界入侵动作通常会引起围栏变形或振动，使得FBG应变发生变化，导致FBG中心 反射波长随应变变化规律相应发生变化或漂移，这种变化通常是在基准静态值附近做震荡 变化，且变化速度比较快，而外界局部温度的升高会导致相应的FBG中心波长朝长波长方 向缓慢漂移，显然，温度和应变对波长漂移的影响作用不同，二者产生的监测信号变化特征 也有本质差异，因此可以根据监测信号幅值(即波长值)的不同变化特征，对二者进行区 别。
外界入侵引起波长的变化规律如图3所示，中心波长在其静态值附近波动，变化 较快，而温度变化只会导致波长的单向缓慢漂移，如图4和图5所示的波长变化趋势。因此， 这里选取波长变化时其波长值的分布情况为特征值，对于入侵情况来说，如图3所示，在整 个时间段内大于均值的中心波长基本是均勻分布，或者说是分布于整个时间段内；而温度 上升或下降导致波长单方向漂移，整个时间段内其大于均值的中心波长呈“跷跷板”单端分 布，即集中分布于首或尾两端，如图4、图5所示。在观察时间段内(如500个数据点)，取 每个波长值&与该时间段内的波长平均值J做比较，记录大于(或小于)J的波长值&的 序号i，然后对i进行平均，根据i的均值位置可以得到该时间段内所有大于又的波长值& 的分布情况，如图3、图4、图5中波长值分布图的△符号位置所示，表示的是该时间段内大 于叉的波长值&的集中分布位置。波长值分布图三条虚线位置分别为划分的三个类别区域 的中心位置①区表示大于J的波长值&的序数i均勻分布于整个时间段的均值位置，表征 由标准入侵引起的波长变化趋势及其波长值分布情况；②区表示大于J的波长值\的序数 i位置靠近观察时间段的后半段，表征又温度上升引起的波长变化趋势及其波长值分布情 况；③区表示大于文的波长值&的序数i位置靠近观察时间段的前半段，表征由温度下降引 起的波长变化趋势及其波长值分布情况。比较观察时间段内波长值集中分布位置(△位置 所示)与①区、②区和③区的中心位置(虚线处)的接近程度，最接近哪个区域，就划分到 哪一类的异常事件中。但对于入侵和温度变化同时存在的情况，如图6所示，根据以上判断 方法，首先由波长变化的斜度趋势把它划分为温度异常的类别，然后由原曲线减去曲线数 据的一次拟合曲线，去掉温度引起的斜坡影响，再根据曲线本身的波动大小判断是否还叠 加了一部分入侵信号在里面。如果去掉斜坡影响后，曲线波动程度比较大，认为在温度变化 同时叠加有入侵行为，否则若波动范围在随机波动范围内，则认为该异常仅为温度变化引 起。具体分类方法为根据时间段内大于文的波长值&序号i的均值位置(△所示)与① 区、②区和③区的中心位置(虚线处)接近程度，首先将真实异常分为入侵、温度上升和温 度下降三种类型，若是入侵类型，直接将该异常划分为“入侵”类别；若是温度上升和温度下 降两种类型，去掉斜坡影响再根据曲线波动程度判断是否叠加有入侵异常情况，如果判断 是叠加有入侵情况，则在前面温度上升和温度下降判断类型基础上，细化为“入侵+温度上 升”或“入侵+温度下降”类别；如果判断没有叠加入侵情况，则直接划分为“温度上升”或 “温度下降”类别。
本发明实施例中列举的是基于准分布式FBG应变传感器的防火防入侵同步预警 系统的具体实施方法，该发明的信号处理方法完全可以应用到基于其他光学、电学或混合 准分布式或分布式传感网络的安防系统中。
权利要求
1.一种防火防入侵同步预警系统，其特征在于，包括三个模块①挂设在周界围栏上或埋在地下的传感光缆传感光缆里串接有多个应变或振动型 FBG传感器，FBG传感器的安装间隔距离根据用户需求及周界情况确定，用于感知周界上入 侵的振动或应变信号以及外界的温度变化情况，监测整个周界区域的安全状况；②解调装置包括光源、信号解调设备和光开关扩展模块，分别用于提供光源，并对反 射回的光信号进行解调、光电转换与A/D模数转换，若系统容载能力有限还通过光开关进 行通道扩展；③中央处理单元指的是报警系统或者处理主机，用于将传输过来的各个传感网络节 点信号进行实时处理，得到结果并控制报警输出；携带有入侵信息的光传感信号通过传感光缆传输给信号解调设备，经过解调、光电转 换和A/D模数转换，通过以太网或串口形式传输给处理主机或者报警系统，处理主机将接 收的传感网络所有节点的信号进行实时处理，判断异常的发生、异常情况的具体类别，并启 动报警，同时进行异常点的定位显示。
2.根据权利要求1所述的防火防入侵同步预警系统的信号处理方法，其特征在于，包 括以下步骤①处理主机将接收的传感网络所有节点的信号进行预处理以后，通过提取异常特征信 息，判断监测的周界区域是否有异常发生，如有异常，则启动报警，并对异常点进行定位；②通过对报警的异常信号特征分析，对确认的异常情况进行分类包括入侵，温度上 升，温度下降，同时有入侵和温度上升，同时有入侵和温度下降等五种异常模式。
3.根据权利要求2所述的防火防入侵同步预警系统的信号处理方法，其特征在于，在 步骤①中，异常信号的检测及定位方法为设接收到的传感信号阵列为X= Ixi(Ii), i = 1，2，N;n = 1,2,…，Μ}，N为传 感网络的节点数，M为每个节点信号的分析长度，各节点信号的归一化自相关函数为Ci = (Ei(Xfc)jX(H-I)), 1 =0,1,…，Μ}，1为时间延迟量，单位为采样点，ICiI ( 1 ；设第I节 点为无入侵的节点，无入侵时信号时间自相关长度为I1，第J节点为有入侵的节点，有入侵 时信号时间自相关长度为12，二者相关时间长度关系总有0 < I1 < I2，选择一个确定的时 间延迟量I1 <L< I2，必有归一化相关系数E1(Xfc), x(n-L)) <Ετ(χ(η), x(n-L))，且有 E1 (x(n),x{n-1)) = 0,^(x(”)， -￡)) Ξ1 或 Ej(χ(η)，χ(n_L)) >> 0 ；设定一个归一化自相关系数阈值n。，o.5< n。< 1，根据以下公式判断异常信号是否 存在R = |1 ，丨五 '~lo ，\EXx{ri),x{n-L))\<nc当I；i , =0时，判断周界没有异常情况发生；当乞及,>0时，判断周界有异常发生； /=1 /=1如果 凡=1，为单点异常；如果i；代>1，对氏=1的连续几个节点i进行聚类，能够 t=l /=聚类的几个节点判断是由同一个外界因素引起，聚类后最终确定的类的个数即为实际异常点数，对各个类里的节点序数求平均再取整，进行多点异常的定位。
4.根据权利要求2所述的防火防入侵同步预警系统的信号处理方法，其特征在于，在 步骤②中，异常情况的分类基于监测信号的时域特征进行判断的，根据温度和应变对FBG 传感器中心反射波长影响的不同，提取出相应的时域特征参数，根据这些特征参数对温度 和应变进行区别外界入侵动作通常会引起围栏晃动或振动，使得挂设在围栏上的FBG传 感器应变发生变化，导致FBG传感器中心反射波长随应变变化规律相应发生变化或漂移， 这种变化通常是在基准静态值附近做震荡变化，且变化速度比较快，而外界局部温度的升 高会导致相应的FBG传感器中心波长朝长波长方向缓慢漂移，二者对波长漂移的影响明显 不同，根据监测信号幅值的不同变化特征，将二者进行区别。
全文摘要
本发明公开了一种基于布拉格光纤光栅(FBG)传感网络的防火防入侵同步预警系统，包括三个模块挂设在周界围栏上或埋在地下的传感光缆、光信号解调装置和中央处理单元。在防入侵监测系统中，利用FBG传感器对应变和温度同时敏感的特性，根据应变和温度导致波长变化的规律不同，即入侵导致FBG反射波长在其静态值附近有较快的上下波动变化，而温度变化使反射波长朝某一方向缓慢漂移，从信号处理方法上通过提取二者的不同特征，对入侵和火灾进行智能辨别，并进行相应的提示报警。
文档编号G08B19/00GK102034330SQ20101053389
公开日2011年4月27日 申请日期2010年11月5日 优先权日2010年11月5日
发明者卢祥林, 吴慧娟, 李姗姗, 饶云江 申请人:电子科技大学