基于光纖布喇格光柵智能周界安防方法及關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、周界安防是保護(hù)重要設(shè)施和資產(chǎn)的第一道防線，高效的周邊安全技術(shù)和方法可以更好的消除或減少來(lái)自外界的威脅。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于高效的安防需求越來(lái)越強(qiáng)烈，應(yīng)用最廣泛、歷史最久的傳統(tǒng)的電類安防產(chǎn)品主要有紅外對(duì)射、泄露電纜、電子脈沖圍欄等，它們都是室外有源的，易受電磁干擾，容易受氣象、環(huán)境的影響，誤報(bào)率高，定址不準(zhǔn)確，新興的光纖周界安防技術(shù)主要包括利用后向散射的光時(shí)域反射定位技術(shù)(ODTR)和基于干涉技術(shù)的光纖周界定位系統(tǒng)。ODTR對(duì)多點(diǎn)

2、入侵的定位分析復(fù)雜，很難準(zhǔn)確定位，而基于干涉原理的周界技術(shù)由于是相位調(diào)制型，所以對(duì)入射光的偏振態(tài)和外界的影響比較敏感，誤報(bào)率高，精確定位也是其面對(duì)的難題。面對(duì)目前周界技術(shù)難以克服的難題以及安防市場(chǎng)的迫切需求，提出一種基于光纖布喇格光柵(FBG)傳感技術(shù)的周界安防方法。設(shè)計(jì)了周界安防FBG振動(dòng)傳感單元，采用振動(dòng)光纜建立光無(wú)源傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)入侵智能識(shí)別和精確定址的分布式監(jiān)測(cè)，具有室外無(wú)源、監(jiān)測(cè)距離長(zhǎng)、抗雷擊電閃、抗電磁干擾、本質(zhì)安全、體

3、積小、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，特別適合野外敷設(shè)，可以滿足各種復(fù)雜環(huán)境的周界防范應(yīng)用，它是一種全新的周界安防方法，在國(guó)內(nèi)外尚屬首創(chuàng)。
　　 本文對(duì)基于FBG周界安防的新方法以及關(guān)鍵技術(shù)方面做了深入的研究，主要研究工作如下:
　　 (1)提出了基于FBG傳感技術(shù)的周界安防新方法，結(jié)合現(xiàn)代周界安防對(duì)周界技術(shù)的總體要求，將FBG安防的關(guān)鍵技術(shù)以及擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行細(xì)化，給出了FBG應(yīng)用到周界安防的總體的方法模型，按照從低到高的層次劃分為

4、物理層、實(shí)現(xiàn)層、算法層和應(yīng)用層，分析了了每個(gè)層次的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。從智能定址、智能感知、耐候性、降低成本等幾個(gè)方面詳細(xì)論證了實(shí)現(xiàn)這種方法的可行性。
　　 (2)為了深入探討周界入侵行為與FBG感知信息的內(nèi)在關(guān)系，根據(jù)FBG傳感原理，特別是FBG波長(zhǎng)與溫度和應(yīng)變的關(guān)系，結(jié)合單質(zhì)點(diǎn)彈性繩振動(dòng)理論，設(shè)計(jì)了一種基于FBG振動(dòng)傳感的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了理論分析與計(jì)算，得到各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的振動(dòng)位移和固有頻率影響的一般關(guān)系。根據(jù)

5、分析結(jié)果，設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)方案，建立實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型計(jì)算的正確性，并且同時(shí)確定了傳感單元的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過(guò)封裝等方式進(jìn)一步提高了傳感的性能，滿足了周界安防對(duì)傳感單元性能參數(shù)的要求。
　　 (3)在FBG傳感單元的基礎(chǔ)上，提出了將“準(zhǔn)全同F(xiàn)BG振動(dòng)安防”的新概念應(yīng)用到區(qū)域安防中，每個(gè)區(qū)域安防采用同一波長(zhǎng)FBG振動(dòng)傳感單元，可實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)防區(qū)精確定址，在現(xiàn)有解調(diào)能力的情況下，擴(kuò)充了傳感網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)光路的容量，分析了準(zhǔn)全同振動(dòng)監(jiān)

6、測(cè)實(shí)現(xiàn)安防的方法理論與實(shí)際的可操作性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，雖然準(zhǔn)全同傳感器在使用的過(guò)程中會(huì)有不同程度的靈敏度損失，但是仍然滿足周界安防對(duì)傳感單元的要求，實(shí)際可操作性強(qiáng)。
　　 (4)實(shí)現(xiàn)了基于FBG振動(dòng)傳感的周界安全防范的分布式檢測(cè)。FBG振動(dòng)傳感器是波長(zhǎng)調(diào)制型，屬于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)檢測(cè)。以往的各種FBG傳感器只能檢測(cè)傳感單元所在物理位置的參數(shù)信息，僅能通過(guò)密集傳感探測(cè)點(diǎn)而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式檢測(cè)。在這里我們要應(yīng)用FBG振動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)周界安防的分布式檢

7、測(cè)，即在周界安防的任意一點(diǎn)發(fā)生入侵，系統(tǒng)都要對(duì)其做出響應(yīng)，絕對(duì)禁止安防”盲點(diǎn)”的出現(xiàn)。這一點(diǎn)對(duì)于周界安全防范來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。但是對(duì)于FBG其它傳感器而言是不可能實(shí)現(xiàn)的。在FBG周界安防方法里，根據(jù)波分復(fù)用原理建立了FBG振動(dòng)光纜光無(wú)源傳感網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)設(shè)計(jì)不同安裝介質(zhì)的處理方法與安裝方式，以實(shí)驗(yàn)的方法給出每種安裝方式合適的傳感單元間距。實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證這種方法非常有效，而且真正實(shí)現(xiàn)了基于FBG振動(dòng)傳感的分布式安防監(jiān)測(cè)。
　　 (5)安防技

8、術(shù)的另一關(guān)鍵技術(shù)就是如何提高安防的報(bào)警準(zhǔn)確率。論文通過(guò)在時(shí)域內(nèi)動(dòng)態(tài)提取基準(zhǔn)值、正確獲取入侵事件起點(diǎn)的方法，有效地將入侵可疑信號(hào)鎖定，通過(guò)時(shí)間片斷的劃分、統(tǒng)計(jì)、標(biāo)注的方法，有效地屏蔽了環(huán)境溫度和外界干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，在頻域內(nèi)，應(yīng)用快速傅里葉變換(FFT)，提出了單峰檢測(cè)法。此方法將時(shí)域預(yù)報(bào)警傳感信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換，通過(guò)與人為入侵信號(hào)進(jìn)行分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)了傳感器自振的單峰現(xiàn)象，從而有效地濾除了由于外界振動(dòng)干擾引起的傳感器自振誤報(bào)警，使得報(bào)

9、警準(zhǔn)確率得到進(jìn)一步的保證。
　　 (6)提出了一種基于時(shí)頻分析的新穎的周界安防入侵識(shí)別算法。通過(guò)分析人為入侵的信號(hào)頻率以及作用時(shí)間在信號(hào)時(shí)域上的反映，利用加窗傅立葉變換(STFT)的時(shí)頻分析方法，給出了相應(yīng)的窗函數(shù)、窗長(zhǎng)，從而確定了時(shí)間分辨率與頻率分辨率，利用時(shí)域峰值結(jié)合STFT時(shí)頻能量積分的方法進(jìn)行入侵的識(shí)別。這種算法可以使得入侵事件的漏報(bào)率趨于零，同時(shí)大幅降低誤報(bào)率。
　　 通過(guò)本課題的研究將有效解決傳統(tǒng)周界防范領(lǐng)域