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分布式定位型大型振动光缆采集

   分布式定位型振动光缆周界报警系统主机由北京京安能科技有限公司自主研发研制,是一款基于M-Z光干涉原理的分布式光纤振动探测系统,通过光干涉技术做到精确的定位,结合后端数据分析处理模块,实现对振动的有效监测。同时,设备具有对自然环境干扰的智能模式识别能力,有效降低误报。    

    分布式定位型振动光缆周界报警系统,感知线路异物入侵产生的振动信号。激光器输出的窄带激光信号经过干涉系统形成干涉信号,并由光电探测器将光信号转换成电信号。最后通过信号处理算法、定位算法以及模式识别技术等的综合运用,对外界扰动类型进行准确判别与定位。

产品特点:

◇采用偏振控制系统,解决光信号偏移特性,将光状态维持最佳稳定状态,有效降低误报,漏报及环境对系统的影响。  

◇高精度A/D采集模式算法,能够提高系统采样精度和定位精度,可将位精度控制在±10m~±50m。

◇高精度时延估计算法,能够优化数据信号延时,数据信号分析处理效率提升98%以上。

◇模式识别算法:在收集到大量的振动信号后,首先需要对信号进行识别,排除一些干扰信号,如:自然环境(风、雨)、车辆经过以及车辆鸣笛等,以避免系统误报发生。

◇基于GIS系统提供第三方危害事件预警技术接口整合解决方案,GPS和北斗。

 独特的单缆双环路设计,在探测光缆遭受到破坏后仍可保证周界全线安防,不给入侵者任何翻越机会。

n 先进的C-OTDR技术,一根光缆即可完成监测,无需前端光处理模块,施工简单,在最大程度的保证系统稳定性与可靠性的同时,大大的降低了后期的维护成本。
n 连续分布式测量,不会漏过任何一点。
n 多点多事件同时报警,安全无漏报。
n 定位精确到5米。
n 防区可在软件界面上自由划分,方便快捷。
n 友好的用户级操作界面,可快速实现布防、撤防。
n 先进的模式识别技术,可有效的排除风雨雷电等自然环境引起的误报。
序号 项目 技术指标
1 监控区域划防区 用户可调
2 最大监控长度 40km
3 定位精度 ±10m~±50m
4 波长 1550nm
5 脉宽设置 20-200nm(可调)
6 报警响应时间 <1s
7 报警接口 数字报警信号;干接点输出开关量报警信号
8 工作温度 室内,0℃~+45℃
9 电气特性 220V(AC),
10 频响范围 1-1000Hz
11 储存温度 -40℃~+85℃
12 空间分辨率 1-100米(可调)
 
1)偏振控制系统设计
由于双M-Z干涉仪一般采用价格便宜的单模光纤,其本身双折射效应的存在,从而导致偏振态退化现象。不仅会影响干涉输出信号质量,而且会影响整个系统的定位精度。因此,需要研究线偏光在单模光纤中偏振态的演化情况,以此为基础设计具有抗偏振能力的偏振控制方案,提高干涉仪本身的稳定性。目前,已经有相当一部分文献在实验室内探讨锁相与偏振控制原理与方法,但实际应用中可靠性有待提高。为此,本项目产品利用在控制领域积累的丰富经验,研究具有环境自适应能力的锁相与偏振控制方法,采用General Photonics电控偏振控制模块PCD-M02来实现偏振闭环控制,解决长距离光路偏振态的稳定控制问题。
2)高精度A/D采集卡的设计
实际应用中,PD1、PD2探测到的信号首先需要经过采集卡进行A/D转换。其中,采样精度越高,系统的定位精度也就越高。根据定位原理,双M-Z干涉仪的最高理论定位精度取决于一个采样周期内光传输的距离,比如采样频率为 的高速A/D采集卡,理论最高定位误差。然而,获取探测器PD1和PD2的两路信号的时差本身可能存在误差。因此,要提高长距离分布式光纤的定位精度,就需要根据系统要求,设计满足实际工程需求的高速A/D采集卡。
目前,团队已经实现了10M/s的带两路输出的12位高速A/D采集卡的设计工作,经过实际测试表明,所设计的采集卡性能良好,工作稳定。用此采集卡,所设计的双M-Z干涉仪定位精度可达到±10m。
3)高精度时延估计算法设计
基于双M-Z干涉仪的长距离分布式光纤传感系统对入侵事件的精确定位,其前提是获取准确的光电采样信号,成功捕捉到两路A/D信号的时延差。然而,在实际传感系统中,所获取的信号总是包含环境噪声的(如图14所示),而且光干涉的频率本身就非常高,因此,很难用传统的滤波算法来处理环境噪声。如何从采集的信号中分离出能准确反映入侵事件的发生时间和事件特征的有用信号,是开发本监控系统中必须解决的一个关键问题。互相关算法是目前广泛采用的一种时延估计算法。互相关时延估计算法在进行时延估计的同时,可以排除非相干噪声的干扰,通过寻找互相关结果的最大值得到系统的时延信息,进而实现精确定位。然而,截取一个完整的入侵事件的数据量通常较大,进行两路信号互相关算法计算量将非常大。如何利用尽可能少的数据来准确提取干涉信号中的有效数据区段,从而避免滤波运算时间过长,是项目开发过程中需要解决的一个重要问题。团队目前采用离散分层小波技术,精确搜寻起振点,从此之后截取一段有效数据域,在对有效数据域进行带通滤波,最大限度地避免了大量的运算量,提高了系统的实时性。
4)高速实时定位处理器设计
要实现高精度定位,就要求系统的更高的采样频率,这就使得描述一个完整的入侵事件的数据量非常庞大。如果定位算法完全由上位机来实现,就必然面临两大难题:1)两路信号的互相关算法的计算量非常大,要实现实时定位,对上位机处理能力要求非常高;2)如果上位机处理能力不够,容易导致有效数据淹没,导致定位算法失效。这也是目前市面上的分布式光纤传感系统产品要么成本非常高,要么实时定位效果不理想的原因所在。团队基于分布式计算技术,采用多核并行计算算法,提高计算效率,保证较好的用户体验。
5)模式识别算法研究
在收集到大量的振动信号后,首先需要对信号进行识别,排除一些干扰信号,如:自然环境(风、雨)、车辆经过以及车辆鸣笛等,以避免系统误报发生。
模式识别技术涉及如下核心技术:
Ø 信号数据库的建立。通过前期试验采集的信号数据信息,如车辆通过、行人通过、机械挖掘、人工挖掘、地下塌方等情形,建立信号模型。
Ø 特征参量的选取。通过对信号进行分析,选取信号的幅度、持续时间、频率、过零率、短时能量谱等作为信号的特征信息,并对数据库中的信号进行归一化和标签化。
Ø 模式识别技术。根据特征参量值以及预先设定的特征参数阈值,采用线性回归、逻辑回归、神经网络以及支持向量机等分类技术进行信号振动行为的识别,如果特征参量的值满足预先设置的报警条件,则生成报警信息并发送给上位机。通过信号的模式识别功能,使得项目监控系统拥有环境适应能力强,报警性能好,误报率低等特点。
 
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