第４０卷第１１期
２０１１年１１月 光 子 学 报ＡＣＴＡ ＰＨＯＴＯＮＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡＶｏｌ．４０Ｎｏ．１１
Ｎｏｖｅｍｂｅｒ
玻璃腻子
２０１１ 基金项目：
国家自然科学基金（Ｎｏ．１２３４５４６）资助第一作者：吴慧娟（１９８０－），女，讲师，博士，主要研究方向为光纤传感系统与信号处理．Ｅｍａｉｌ：ｈｊ ｗｕ＠ｕｅｓｔｃ．ｅｄｕ．ｃｎ收稿日期：２０１１－０５－２７；修回日期：２０１１－０７－２９
文章编号：１００４－４２１３（２０１１）１１－１６７１－
吴慧娟，李姗姗，卢祥林，吴宇，饶云江
（电子科技大学光纤传感与通信教育部重点实验室，成都６１１７３１
）摘 要：利用布喇格光纤光栅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光栅中心波长变化趋势及规律的不同，
在光纤光栅围栏入侵监测系统中，从信号时域、频域提取的多方位特征对周界入侵和火灾发生等威胁安全事件进行智能识别和报警．在光纤光栅围栏防入侵功能基础上，无需做任何硬件封装的改变，也无需另外增加温度敏感光缆和集成其他温度监测系统，即可同时达到火灾监测的目的，实现防火和防入侵的同步预警．处理结果验证了该方法的有效性．关键词：光纤光栅围栏；安防；火灾报警；布喇格光纤光栅中图分类号：ＴＮ２ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ｇ
ｚｘｂ２０１１４０１１．１６７１０ 引言石油化工装置工艺管道安装设计手册
对于军事基地、机场、博物馆及其他重要防范区域，火灾的预警与周界的入侵监测同等重要．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［１－崇文门新世界店庆
６］，均有一个共同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，才能满足特殊重要场合对安全防范的特殊要求．然而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急剧增加，
因此需要一种传感系统能同时对多个参量进行监测，
在一套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．
布喇格光纤光栅（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ
Ｇｒａｔｉｎｇｓ，ＦＢＧ）传感器［７－
９］不仅拥有一般光纤传感器的抗电磁干扰，
耐高温、耐腐蚀等极端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、
应变等多种参量同时敏感，可以封装为温度、应变、
振动等多种类型传感器，或者封装为多参量同时测量的传感器［１０］．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［１１］
，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．滁州学院学报
石像生本文火灾预警方法不是通过温度绝对测量值，而是利用信号的变化趋势和特征来判断火灾发生．因此在基于应变或振动型ＦＢＧ传感器的防入侵光
纤围栏［１２－
１３］基础上，利用ＦＢＧ传感器对应变、
温度同时敏感的特性，根据应变或振动与温度对ＦＢＧ反射波长的不同影响，
分析不同监测信号的变化特点，通过信号处理方法判断异常是来自外界环境温度变化还是由周界上入
年轻的MM2
侵动作产生的应变或振动引起，在光纤围栏入侵监测系统防入侵功能的基础上，实现防火和防入侵的同步预警．
１ 光纤光栅围栏入侵监测系统
１．１ 基于ＦＢＧ传感网络的光纤光栅围栏入侵监测系统
基于ＦＢＧ光纤光栅传感器构建的准分布式光纤围栏入侵监测系统由三部分构成：挂设在周界围栏上或埋在地下的传感光缆（由ＦＢＧ应变或振动传感器串接而成）、光源及ＦＢＧ光信号解调装置、中央处理主机，见图１．根据监测周界长度要求，若需增加传感系统的网络复用能力，
则通过一个光开关进行扩展，四通道解调仪经过４×８或４×１６光开关扩展后，传感器复用数目可以增加２倍或４倍，尽管每个通道的采样率此时降低至原来的１／２或１／４．携带有入侵信息的光传感信号通过传感光缆传输给解调设备，经过解调、光电转换和Ａ／Ｄ模数转换，
通过
光 子 学 报４０卷
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
．
图１ 基于ＦＢＧ传感网络的光纤光栅围栏入侵监测系统
Ｆｉｇ．１ Ｆｉｂｅｒ ｆｅｎｃｅ ｉｎｔｒｕｓｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎｔｈｅ ＦＢＧ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ１．２ 非均匀灵敏度异构传感网络节点异常检测方法采用相互独立的ＦＢＧ传感器组网构建的准分布式监测网络系统，各传感节点实际灵敏度有差异，同时对于多种围栏结构形式的区域周界采用异构传感网络，信号阵列响应形式也不同，直接通过比较监测信号幅值或能量来判断异常有无，容易漏警和误警，特别是当异常信号能量级别低于或等于无异常信号能量级别，则造成入侵检测的失效，而且设定的阈值大小与围栏材质、天气、环境等条件密切相关，不容易事先确定．因此本文依据信号产生机理分析异常特征，并提出根据观测时间段的信号自相关性来判断异常的存在［１３］．图２为应变型入侵监测网络实际采集信号的异常特征，尽管微弱的异常信号不具备能量或幅值优势，
其自相关特征显著区别于无
１１期吴慧娟，等：一种新型光纤光栅围栏防火防入侵同步预警系统移，如图４（ａ），外界局部温度的升高则导致相应的
ＦＢＧ传感器中心波长朝长波长方向缓慢漂移，如图
４（ｂ）．图４所示信号均为采用５００Ｈｚ采样率时１ｓ
内采集的数据，由图４可以看出入侵引入的波长变
化通常是在基准静态值附近震荡变化，且变化速度
比较快．对于应变型传感器，入侵信号变化频率通常
在０～１０Ｈｚ范围，而对于振动型传感器，入侵信号
变化频率通常在１５～４０Ｈｚ范围．这种变化与温度
对波长漂移的影响完全不同，因此根据监测信号时
域波形变化的不同特征，可以将入侵和火灾事件进
行区别．
光 子 学 报４０卷
１１期吴慧娟，等：一种新型光纤光栅围栏防火防入侵同步预警系统
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