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物联网感知技术下,区域型振动光纤入侵探测器技术应如何破局?
2019-07-05

近年来,随着物联网感知技术的飞速发展,周界报警产品发展迅猛,逐步形成电子围栏、振动光纤为主流的产品格局。其中,振动光纤系统以振动传感光缆作为探测传感器,因其灵活线缆状且无源等特点,特别适用于地形复杂、易燃易爆、电磁干扰大、不规则周界、防范距离长、报警功能兼具美观特性的项目场所使用,成为备受市场青睐的周界报警类产品之一。

区域型振动光纤入侵探测器技术现状分析

目前,振动光纤产品主要分为区域型(防区型)振动光纤入侵探测器和定位型振动光纤入侵探测器两大类,两者在前端入侵探测原理上稍有差别,但关键技术发展方向明显不一。由于定位型振动光纤入侵探测器技术尚处于探索阶段,后端算法尚不完善,因此,本文着重关注已基本成熟的区域型振动光纤入侵探测器产品技术。

区域型振动光纤入侵探测器主要运用“光弹效应”的机理,并以极高的灵敏度探测外界的扰动。具体来说,在无外界干扰情况下,激光信号按照有规律的传播途径传输,系统正常运行;而当外界扰动作用在光缆上时,会引起感应光缆中传输光相位、波长等参量变化,而系统经光电转换采集解析变化量之后得到振动信息,从而判断是否有入侵行为发生。



1 外界扰动对光传输的影响

由区域型振动光纤入侵探测器工作原理不难看出,作为探测单元,传感光纤需兼具极高的灵敏度,则可有效探测到各类入侵行为。而实践证明,高的灵敏度在成就产品的同时,部分厂家技术实力不足,也导致了高灵敏度与高误报同行。当然,部分区域型振动光纤入侵探测器产品漏误报率高是多种因素共同造成的结果。当下如何革新技术,既保持其高灵敏度探测,又有效降低漏误报率,成为大部分厂家有待解决的问题。

 

四大关键性因素如何解决漏误报?

高灵敏度导致区域型振动光纤入侵探测器误报率高是技术表象,内里实则与产品无法精确区分干扰信号与入侵信号相关,结合其工作原理,探测光源、光路结构、频谱分析、智能算法成为影响系统准确区分信号的四大关键性因素,从中也可窥探缘何大部分区域型振动光纤入侵探测器产品漏误报率高的原因。

2 振动光纤入侵探测器四大关键性因素

·源头直击区域型振动光纤入侵探测器核心性能

实验证明,探测光源是决定区域型振动光纤入侵探测器核心性能的关键因素之一,在源头处收集信号时,既可精确收集完整信号又初步区分识别信号,可辅助后端更为精准区分干扰信号与入侵信号。而目前,市面上绝大多数产品技术观念狭隘,忽略前端产品选材,在前端使用普通的光源干涉,事实上,厂商前端产品的选材与本身的技术结合,对产品的性能影响有着天壤之别,一般造价几百元的普通厘米级线宽光源,经过干涉后光纤的相位差很小,几乎没有,无疑该种造价低的线宽光源根本无法收集完整信号,对敲击、攀爬、钻孔等入侵信号响应也不灵敏,强风暴雨环境下无法区分干扰信号和入侵信号,产品无法正常稳定使用。广拓F5系列分布式多防区振动光纤的探测光源采用造价高的窄线宽激光光源,线宽窄,接收到的信号特征更明显,干扰信号和入侵信号的区别更大,可明显区分。其在源头采集信号的同时,更注重对扰动信息波形的识别,其相干长度是普通光源的几百倍,既延长了传感距离,又提高了信噪比,从源头处更全面而精确地收集信号波形并分析,与智能算法共同作用极大降低了系统漏误报。

 

·持续创新改良光路结构

目前,市面上区域型(防区型)振动光纤入侵探测器主要采用两种光路结构(光纤光栅已逐步被淘汰):马赫增德尔(M-Z)、萨格纳克(Sagnac),不同的光路结构,信号响应灵敏度明显不同,直接影响着产品可适用的安装环境和安装形式。另外,在周界数十公里,长距离探测的末端防区,光路结构还会影响光传输损耗,导致报警信号传输受损,造成漏报现象。当下,上述两种光路结构各有优缺点,同样需要扬长避短,加紧改进创新。广拓F5创新性改进马赫增德尔(M-Z)光路结构,进一步提高系统对振动信号响应的灵敏度,搭配窄线宽激光光源,有效支撑F5在挂墙、嵌墙、埋地安装环境下报警性能依然稳定。革新性的光路探测技术,从原理上解决了环境温度、偏振变化、相位变化不敏感带来的干涉信号不稳定问题,最大化降低光损耗,在长距离探测的末端防区,报警信号传输强劲,不会造成漏报现象,且因其耐高温、耐腐蚀,不受各种恶劣气象环境干扰,系统可靠性与稳定性也极强。

 

·后端智能频谱分析+智能算法强强联合

振动光纤入侵探测器安装的环境往往极具复杂性,与人为因素、环境干扰因素相关的情况十分复杂,因此单一维度的数据绝不可能精准分析出入侵与干扰信号,多维度的频谱分析技术与智能算法是目前最为可行的处理方法。

复杂的环境下,F5首创全频谱分析技术,运用高、中、低全频谱分析技术,从三个维度全面分析振动信号,即便是在七级风环境下有入侵行为,也可直观区分入侵信号和干扰信号。具体来说,对于外界干扰(风、雨、小动物等)造成的振动,在频率域最直观的反应就是频率响应集中在低频部分,而实际入侵动作造成的频率响应集中高频部分,再结合其它处理分析,可准确识别入侵事件,提高报警准确率。

 

 

七级风下波形图直观区分扰动信号

结合数万实际案例中的信号源,F5振动光纤系统模拟海量环境干扰信号特征,建立模型数据库,当存在风、雨、雪、车辆经过、小动物等一系列可能出现的干扰信号时,智能算法全方位地融合多种算法,系统自动匹配数据模型调节动态阈值,有效区分出周边干扰信号,辨别是否有入侵行为,极大地减少漏误报率,这也是其它厂商在降低产品漏误报率上很难实现的客观技术实力因素。

 

1 F5与其它区域型光纤振动入侵探测器产品对比

关键因素

F5分布式多防区振动光纤

其它厂商区域型振动光纤入侵探测器产品

激光光源

窄线宽激光光源相干长度长

普通厘米级线宽光源,相干长度短

光路结构

创新改进型马赫增德尔(M-Z)光路结构

灵敏度高,频率响应好

萨格纳克(sagnac

灵敏度差,频率响应低

数据采集

多路高速并行采集

实时响应,数据无丢失

串行轮巡低速采集

响应慢、数据易丢失

智能算法

全频域算法,智能过滤

时域算法或低频算法,不能有效过滤环境干扰

多样性及扩展

视频联动、外部声光模块接入平台易于扩展和组网

报警输出单一

开关量输出

防区长度

防区更长,单个防区可达2km

单个防区长度1km以内


不可否认,区域型振动光纤入侵探测器因其无可比拟的优势,极具实用价值和推广前景,然区域型振动光纤入侵探测器产品技术也需持续升级和突破,F5从前端探测传感器到后端智能算法,在各个关键因素上逐一突破,既保留了振动光纤入侵探测器的高灵敏度探测,又将漏误报率降到最低,无疑改善了用户体验,扩大了产品应用市场。

随着物联网技术不断发展,面向未来城市建设,两大类光纤振动入侵探测器产品的产业化进程都将逐步加快,运用场所也将不断完善,市场需求对产品功能和稳定性提出了更高的要求,比如实现更大的检测范围、更高的响应带宽、搭载更多的防区、防区定位更为准确等,有望振动光纤厂家持续不断探索。


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