一种光纤光栅阵列周界入侵系统的制作方法

本发明主要涉及周界安防领域，具体是一种光纤光栅阵列周界入侵系统。

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，犯罪行为更趋智能化，手段也越来越隐蔽，加强现代化的安防技术就显得尤为重要。安全防范技术就是在这个基础上发展起来的，它是电子技术、传感器技术、计算机技术和现代通信技术等高科技技术相结合的产物。

目前常见的安全防范技术主要分电类和光类两种类型，其中电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、大型厂区等得到了推广应用，提升了这些区域的安全防御水平。

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，经光学处理后由接受端接收，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。综合可知，电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环境入侵振动信息，并对其进行识别和输出报警，具有传统电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，采用级联的光纤震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。

技术实现要素：

为解决目前技术的不足，本发明结合现有技术，从实际应用出发，提供一种光纤光栅阵列周界入侵系统，本系统采用全同光栅技术增加系统复用能力，使得相同距离的防区内传感器数量成倍增加，减小相邻传感器之间的间距，大大提高传感器感知外界入侵行为的灵敏度；采用高灵敏度的光纤光栅振动传感器以及敷设工艺进一步提高系统感知外界微小振动的灵敏度；结合时域、频域分析方法智能识别外界入侵行为，降低系统误报率。相比传统光纤光栅周界防入侵技术，该系统具有米级空间分辨率、误报率极低、监测距离更长、性价比高等特点。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种光纤光栅阵列周界入侵系统，包括光纤光栅振动传感器、振动增敏敷设装置、光纤光栅解调器、服务器和声光报警器，光纤光栅振动传感器将外界振动参量的变化转化为波长的变化，从而有效地获取外界待测参量；同一防区内的若干只光纤光栅振动传感器波长相同，相邻防区之间波长不同，构成基于密集光栅阵列的波分复用网络；一个防区内的任意一只光纤光栅振动传感器感知到外界入侵信息，均以防区的形式输出报警信息；

采用传输光缆将上述若干只光栅振动传感器进行串接，形成一根根的振动光缆；将振动光缆通过振动增敏敷设装置敷设于周界围栏上，用来感知外界入侵行为引起的振动信息；

光纤光栅振动传感器信号通过传输光缆汇聚到光纤光栅解调器，光纤光栅解调器将波长信号传递给服务器，服务器对上传的实时数据进行处理，并将入侵行为以报警的形式传送至声光报警器，声光报警器用来给系统输出声光报警信号。

光纤光栅振动传感器包括光纤光栅、质量重锤、单模光纤、金属外壳、光纤光缆连接套管和光缆，单模光纤从质量重锤中间穿过，并与质量重锤固定为一体，将光纤光栅和质量重锤一起放入金属外壳内部，单模光纤两端分别固定在金属外壳两端，单模光纤由金属外壳两端穿出后通过光纤光缆连接套管无缝连接。

振动增敏敷设装置包括固定支架和弹性介质，固定支架与墙体或围栏进行固定连接，固定支架两侧均设置多个挂孔，弹性介质固定在挂孔中，多个弹性介质与地面平行敷设，振动光缆采用“S”形布设方式设置在弹性介质上。

光纤光栅解调器包括ASE光源、环形器、线阵CCD和信号处理器，ASE光源发出的光经过环形器入射到光纤光栅(FBG)阵列上，符合布拉格反射条件的光被反射回来，再经过环行器由单模光纤射出经准直凹面反射境准直的平行光入射到平面衍射光栅上，由衍射光栅的色散作用把不同波长的光分开，分开的光由成像凹面镜成像到线阵CCD上，经过光电转换，把光信号转换成电信号，由信号处理器完成对波长信号的解调。

服务器对上传的信号采用时域、频域相结合的分析方法，首先对所有光纤光栅振动传感器的波长信号进行初始化，当有外界入侵行为产生时，系统采用时频分析方法并通过极值寻优自动筛选出防区内波长幅值变化最大的光纤光栅振动传感器进行分析；当波长变化幅值超过预先设定的阀值时，初步断定有入侵行为事件发生，但此时无法区分人为的主动激励和外界环境带来的客观激励；于是需要采用基于FFT的频域分析方法，并辅以小波对信号进行降噪处理，通过频谱特性来区分不同模式下的振动信号，从而智能识别外界入侵行为。

本发明的有益效果：

采用光纤光栅阵列技术大大提高了系统复用能力；系统空间分辨率可以提高到米级，传感器感知外界入侵振动的灵敏度明显增强；在确保系统灵敏度的条件下，防区长度可以根据全同光栅的数目进行任意调节；防区内任意一只传感器感知到外界入侵振动信号，均以防区的形式输出报警信息，既达到了系统精确感知(1m的空间分辨率)的功能，又实现了长距离监测的目的。

附图说明

图1是本发明的一种光纤光栅阵列周界入侵系统结构框图；

图2是本发明的全同光栅振动传感器结构示意图；

图3是本发明的振动增敏敷设装置结构图；

图4是本发明的光纤光栅解调原理图；

图5是本发明的基于时域、频域算法信号识别流程图；

图6是本发明的振动光缆感知外界典型样本信号时域图；

图7是本发明的振动光缆感知外界典型样本信号频域图。

附图中所示标号：

1、光纤光栅振动传感器；2、传输光缆；3、光纤光栅解调器；4、服务器；5、声光报警器；6、光纤光栅；7、质量重锤；8、单模光纤；9、金属外壳；10、光纤光缆连接套管；11、光缆；12、固定支架；13、弹性介质；14、振动光缆；15、ASE光源；16、环行器；17、线阵CCD；18、信号处理器。

具体实施方式

结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。

如图1所示，一种光纤光栅阵列周界入侵系统由全同光栅振动传感器1、传输光缆2、光纤光栅解调器3、服务器4、声光报警器5构成。传统光纤光栅周界入侵系统采用的是不同波长的振动传感器进行串接，相邻间隔大约为6m，一台16通道的光纤光栅解调器监测的距离大约为2km，实施成本较高，且相邻传感器感知中间3m部位的入侵信号有时相对很微弱，极容易产生漏报和误报。而本发明采用全同光栅技术可以在6m的防区敷设若干只相同波长的全同光栅振动传感器1，其相邻间距可以控制在1m左右，空间分辨率极高，防区内任意一只传感器感知到外界入侵振动信号后，均以防区的形式输出报警信息，大大提高了系统对外界入侵行为的敏感程度，该方法在不多占用解调带宽的情形下，能够起到很好的增敏作用，且1台仪表的监测距离可以根据需要灵活展宽到4km-6km，性价比较高。若干只全同光栅振动传感器1级联后构成1个防区，相邻防区之间采用串联或并列的方式通过传输光缆2将所有振动传感器的信号汇聚到光纤光栅解调器3；光纤光栅解调器3负责传感器信号的收集和处理，并将处理后的数据通过网络接口上传给服务器4；服务器4对上传的实时数据进行预处理、时频域分析、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，并将入侵行为已报警的形式输送到声光报警器5；声光报警器5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，本发明的全同光栅振动传感器由光纤光栅6、质量重锤7、单模光纤8、金属外壳9、光纤光缆连接套管10和光缆11构成。由于聚四氟乙烯具有密度小、受温度影响小、易加工等特点，故选用该材料加工制作成重量为0.4g的质量重锤7，单模光纤8从质量重锤7中间穿过，并通过粘胶的方式与质量重锤固定为一体，然后将光纤光栅6和质量重锤一起放入保护金属外壳9内部中间位置。单模光纤8两端分别固定在金属外壳9两端，并对其施加一定的预应力，使其保持不松弛状态。单模光纤8尾端从金属外壳9的两端孔帽穿出后通过光纤光缆连接套管10与光缆11进行无缝衔接，然后用压接钳将金属外壳两端进行压接，并采用胶水进行缝合，从而构成灵敏度较高的全同光栅振动传感器。

如图3所示，本发明的振动光缆敷设架构由固定支架12、弹性介质13、振动光缆14组成。固定支架12通过膨胀螺栓与墙体或围栏进行紧固连接，支架两侧均设有多个挂孔；弹性介质13通过张紧器固定在支架两侧的挂孔中，多路弹性介质采用平行地面敷设；振动光缆14采用“S”形布设方式固定或绑扎在弹性介质上，与其形成一体，大大增加系统的感知面积，其灵敏度也得到了相应提高，同时也谨防由于弹性介质上下间距过大导致穿越入侵行为。

图4所示，本发明的光纤光栅解调器由ASE光源15、环形器16、线阵CCD17以及信号处理器18构成。其解调原理为：从ASE光源15发出的光经过环形器16入射到光纤光栅(FBG)阵列上，符合布拉格反射条件的光被反射回来，再经过环行器16由单模光纤射出经准直凹面反射境准直的平行光入射到平面衍射光栅上，由衍射光栅的色散作用把不同波长的光分开，分开的光由成像凹面镜成像到线阵CCD17上，经过光电转换，把光信号转换成电信号，由信号处理器完成对波长信号的解调。

如图5所示，本发明的基于时域、频域算法信号识别流程图。首先，由系统对所有传感器的波长信号进行初始化，当有外界入侵行为产生时，系统采用时频分析方法并通过极值寻优自动筛选出防区内波长幅值变化最大的振动传感器进行分析；当波长变化幅值超过预先设定的阀值时，初步断定有入侵行为事件发生，但此时无法区分人为的主动激励和外界环境带来的客观激励；于是需要采用基于FFT的频域分析方法，并辅以小波对信号进行降噪处理，通过频谱特性来区分不同模式下的振动信号，从而达到智能识别外界入侵行为的目的。

如图6、7所示，本发明的振动光缆感知外界典型样本信号特征图。其中，图6分别为无入侵行为、攀爬行为、摇晃行为以及风吹行为情景下的时域图，图7分别为攀爬行为、摇晃行为以及风吹行为情景下的频域图。