FBG傳感周界圍欄報警系統的設計

　　FBG傳感周界圍欄報警系統是利用激光、光纖傳感和光通信等高科技技術構建的安全報警系統，是一種對威脅公眾安全的突發事件進行監控和報警的現代防御體系。它是基于FBG分布式光纖傳感技術應用于周界監控防護的新系統。

　　所設計的FBG傳感周界圍欄報警系統由寬帶光源、耦合器、帶所需個數FBG傳感器(根據周界長度而設)的傳感光纖與傳輸光纖、波長移動解調裝置、信號處理系統等組成(如如圖3所示)。

圖3 FBG傳感周界圍欄報警系統的組成及原理

　　由圖3可見，這種系統是利用單根光纖 (在光敏性光纖上用紫外光寫入所需個數的Bragg光柵)作為傳感傳輸二合一的器件，通過對直接接觸光纖或通過承載物，如覆土、鐵絲網、圍欄、管道等，傳遞給光纖(纜)的各種擾動，以進行全程任意點全天候不間斷地持續和實時地監控。

　　FBG傳感周界圍欄報警系統的工作原理是：由寬帶光源發出的光，經耦合器傳輸到布設有所需個數的FBG周界傳感光纖中，當其中的某點FBG傳感器的光纖受到外界入侵的擾動后，即使該FBG的波長發生變化，其反射光波長調制數據經耦合器通過傳輸光纖送入監控室內，其輸入的光到達波長移動解調裝置，先由光電探測器接收放大，再送入波長移動解調電路解調，最后經信號處理系統分析處理和智能識別，以判斷出外部有否危害入侵。對非危害性環境干擾如雷鳴、鞭炮等，也能進行識別，而可做出無害判斷;當識別有攀爬鐵絲網、按壓圍墻、禁行區域的奔跑或行走，以及可能威脅周界建筑物的機械施工等后，為提高可靠性，必須再經過周界監控攝像機所攝的監控圖像的判斷復核確定，才可實現系統預警或實時告警，以達到對侵入設防區域周界的威脅行為進行實時監測的目的。

　　對于局部高危區域，系統還可實現語音監聽和記錄。該功能完全無需采用電或金屬的傳感器，僅用光纖即可實現，從而豐富了用單一光纖實現監控系統的功能和防護等級。

　　波長移動解調

　　實際上，研究FBG傳感器的關鍵問題是如何精確測量FBG反射波長的移動量。傳統上一般應用光譜儀解調系統，雖然近年出現的微型光譜儀體積小、價格便宜，但其光譜分辨力只在0.1 nm數量級，遠遠達不到FBG解調需要的pm級的分辨力。為了提高Bragg波長漂移量的測量精度，各國學者研究了很多解調方法，如邊緣濾波器法，可調諧濾波器法，干涉儀掃描法與雙腔干涉儀掃描法等。2007年天津大學精儀學院光電信息技術科學教育部重點實驗室，針對大型建筑結構監測應用領域研制了一種便攜式FBG波長解調儀，它基于無源比例解調原理，以熔融拉錐器件作為線性濾波器，采用鎖相放大技術提取微弱信號，并利用單片機控制FBG波長信息的采集、顯示以及存儲。該解調儀結構簡單、成本低，可實現大量程波長測量。實驗表明，該光纖光柵解調儀解調范圍達15 nm，波長測量精度為12.4 pm。

　　采用一種基于F-P可調諧濾波器和波長基準器，并用插值-相關譜法進行處理。首先在原始光譜中每相鄰兩點間線性插入一些點，再利用相關譜法得到Bragg波長移動量。該方法不但可以有效抑制噪聲，而且能精確地測量Bragg波長移動量，從而實現高精度地測量溫度、應變等外界參量。理論分析和實驗表明：采用相關譜法測量Bragg波長移動量是可行的，且可以提高信噪比，進而提高解調精度。在此基礎上，結合線性插值的方法，在原始光譜中每相鄰兩點間插入一定數量的點，可以進一步提高解調精度。采用這種解調方法可使Bragg光柵波長分辨力達到1 pm，溫度測量精度達到±0.2℃。

　　多處侵入定位及入侵模式特征

　　一般，光纖Bragg光柵周界圍欄報警系統存在多處同時受擾判斷問題。因此，在判斷有威脅侵入行為發生時，系統需能根據光信號調制的分析，對侵入行為發生點實時進行定位，從而便于安保人員對目標明確地及時采取有效措施，以制止侵入行為后續事件發生。

　　為解決光纖圍欄報警系統中多個FBG傳感器在同時受擾時，定位報警信號難，而無法實現對報警信號的有效識別和判斷的問題，可以利用一種基于經驗模態分解(EMD)和小波包特征熵算法的分析方法來解決。我們首先對報警信號進行經驗模態分解，再結合小波包分解，得到小波包系數提取其信號的能量分布;其次做歸一化得到信號的能量分布特征向量;最后運用相關性分析，以實現對報警信號的識別和判斷。

　　實驗證明，結合經驗模態分解和小波包特征熵算法能夠有效解決FBG傳感器的光纖圍欄報警系統中同時受擾判斷的定位報警問題。因此充分證明了，利用這種方法對于解決光纖圍欄報警系統中FBG傳感器的級聯判斷報警信號是有效的。

　　從一般對光纖周界圍欄的侵入與實驗數據中，我們得出了六種不同的入侵報警模式，其典型的特征圖如圖4所示。圖4中：(a)為行走入侵模式;(b)為跑動入侵模式;(c)為車輛入侵模式;(d)為翻越入侵模式;(e)為剪切入侵模式;(f)搖動入侵模式。顯然，前三種為地面入侵模式;后三種為圍欄入侵模式。本系統首先從報警信號中提取其長度、極值、幅度、周期、均值、小波系數均值、信號波動、應變特征、嶧值特征、沖擊特征、振動特征等各種特征數據;其次，根據閾值單元判斷信號含有哪些特征;最后，根據經驗確定的隸屬函數來分析判別這些特征，并用特征組合的方法判斷其為何種入侵模式的信號。

圖4 六種入侵模式

　　經實驗證明，設計方案可行，系統可靠，完全達到了預期的目的。

　　結語

　　由上述介紹可知，基于長距離準分布式FBG傳感器的光纖圍欄作為一種新型的安防監測系統，不僅具有抗電磁干擾、抗腐蝕、易復用的特點，而且具有技術成熟、成本較低、報警定位精確、可靠性高等優勢，是目前智能安防監控的一種主流發展方向，在安防領域勢必擁有廣闊的應用前景。

　　值得指出的是，為提高可靠性，本方案最后均經視頻監控系統集成聯動復核后，再驅動聲光報警。本方案的特點是：簡單高效、安裝便捷、方便用戶、維護簡單，且靈敏度還可以根據實際的安裝環境變化而調整，穩定可靠。因此，在它轉化定型生產后，將非常適合于大中小型的周界圍欄布防用戶的使用，相信在民用市場上定會得到迅速普及推廣。