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振动光纤原理?-振动光纤能应用到公路电力设施的防护上吗?

作者:成语大世界日期:

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可以一起使用。
振动光纤是无源的,不受电磁信号干扰,也不会干扰别的设备,放心用吧。
电子围栏工作原理
脉冲发生器(主机)通电后发射端copy口向前端围栏发出脉冲电压,时间间隔大约1.5秒发射1次,脉冲在围栏上停留的时间大约0.1秒,前端围栏上形成回路后把脉冲回到主机的接收端口,此端口接收反馈回来的脉冲信号;同时主机还会探测两个发射端之间的电阻值。如果前端围栏遭到破坏造成断路或短路,脉冲主机的接收端口接收不到脉冲信号或两个发射端之间的电阻太小,主机都会发出报警。
振动光纤原理
振动光纤主要基于“光纤干涉zd仪”原理。为了检测微弱振动,采用两芯单模光纤构成平衡光纤干涉仪,当用相干激光器向其发射一束激光,由这两根光纤组成的干涉仪输出干涉光信号,当光纤受到外界侵扰,如:挖掘、触碰、敲打等,则干涉光的输出波形改变,并产生干涉图像,通过光探测器可检测到这一波形变化,通过软件分析变化波形的特征,可以分辩出事件的真实情况,从而达到“入侵模式识别”的效果。


光纤振动报警系统(智能定位型光纤振动入侵探测器)是一种以光纤相位敏感Φ-OTDR(后向瑞利散射)和非平衡马赫-泽德(Mach-Zehnder)/萨格奈克(Sagnac)的线型干涉结构为基础,融合上述Φ-OTDR和M-Z等两种技术,利用光纤作为振动传感探测器,进行微振动监测的高科技设备。是一款为特殊行业和安防场合而设计的真正本质安全、高度智能的安防监测系统zhidao。由光纤振动入侵探测 器、普通单模通信光缆(或者专用传感光缆)和相关软硬件构成,利用光纤振动传感器能够监测到周界周边的铁丝网、地埋网或者铁艺等的振动情况,及时发现非法闯入或试图非法进入安防场所的行为,发现入侵行为和事件,提高安全防护能力。

随着城镇化发展,我国公路建设速度为全球第一,截至2017年末,公路总里程突破500万公里,高速公路总里程达13万公里。预计2020年,高速公路总里程将达15万公里。随着公路建设的发展,公路电缆偷盗事件也随之增加,每年给国家财产造成过亿损失,严重影响群众安全出行,给社会造成极大影响。

电缆高价值属性和防盗措施不完善,引起偷盗事件频繁!

公路距离长,跨越地域广,地质复杂,传统人工巡防方式,未能有效监管公路电力设施与预防电缆偷盗事件的发生!建立行之有效的电力设施智能安全防御机制,引入预警为主的7*24小时电力设施智能监控系统,是公路管理者迫切需要解决的问题。

‘电力设施智能安全防御系统’可监测最长80KM的传感光纤中,对电力设施进行全程范围内的长距离、全天候、预警为主的7*24小时智能安全防御监控,能即时发现对电缆的偷盗行为。

防御场景:假冒施工,团伙作案,偷盗电缆

技术原理:

1)光纤振动传感的原理:

图1 光纤振动传感原理图

如图1所示,通过将ITU波长激光器及与之波长保持微小偏差的可微调波长激光器耦合,得到拍相干光并输入光纤。当光纤振动时,拍相干光将去相干,光强随着振动幅度和频率,按一定规律变化。

根据光强将光信号转换成对应的电信号,输出至运算放大器进行放大和运算,可得到不同的调制信号。对获得的调制信号进行处理,可以检测到光纤振动,从而实现光纤振动传感。

2)分布式光纤振动预警平台的工作原理:

振动检测平台主要由微应变传感器和定位器组成探测系统:

微应变传感器:基于“MZ干涉检测”原理,为了检测微应变,通常采用两芯单模光纤来实现。这两根光纤组成了“干涉传感器”的一个臂,用相干激光器向其发射一束激光,若光纤没有受到外界的扰动,则光检测器将不对反射波产生报警信号。如果光纤受到外界侵扰,如:运动、声波和触动,则光的波形改变,并产生干涉图像(即是振动波形图),光检测器可检测到这一波形变化,而且通过软件可以分辩出事件的真实情况。相干激光器发射是连续波激光束,光纤传感器的波形响应范围从1Hz至20K Hz。这项技术可用来检测动态应变,而响应时间在毫秒级。

定位器技术:与微应变传感器结合组成了一个完整系统。一个典型的系统通常需要三芯光纤,两芯用于微应变传感器,一芯用于定位器,从而实现远距离安全保障系统的定位报警功能。定位器技术是光束公司的一项专有技术,激光器向光纤发射激光,激光分别通过“干涉传感器”的一个臂和装有我司专利技术的终端单元。为了精确定位,需要将光纤的长度信息输入计算机软件中。根据现场情况将光纤长度距离换算为实际距离,该系统根据使用环境的不同,系统的定位精度一般在100米左右。

3)各种振动波形图的采集与应用:

各种振动波形图,由系统在‘训练集数据采集与盲测’阶段,即采集并建立到各种事件的振动波形图,通过建立振动事件库,采集并存储多达上百种的振动波形图,由机器学习与AI识别系统,可在发生同类振动事件时,由系统判断并告警该类型的入侵振动事件。

以下举例系统采集到的振动波形图和对应事件:

(一)人手触碰光缆(钻孔盗取数据)

人手触碰光缆(钻孔盗取数据)

系统侦测到人手触碰光缆的波形图

(二)人工挖掘行为:

未经授权的管道开挖

系统侦测到手工工具挖掘的波形图

(三)重型机械作业:e799bee5baa6e997aee7ad94e78988e69d83335

重型机械作业

系统侦测到重型机械作业的波形图

(四)没有威胁的触碰行为:

对于没有威胁的触碰行为,由于系统在‘训练集数据采集与盲测’阶段,即采集并建立了各种事件的振动波形图,可通过对不同事件的振动波形图的识别,对某一个具体的事件,如:车辆经过引起的振动,就与重型机械施工所引起的振动,在振动波形图上看是十分不同的。继而通过机器学习和AI识别系统,即可在实际监测中,过滤该触碰行为事件,从而降低误报率。

系统侦测到周边车辆经过的波形图

风、雨等引起光缆周界的振动是一种低频振动,系统对这种振动波形图进行采集与处理。通过振动波形图的识别,会发现该振动波形图与其他具有威胁行为的振动波形图存在很大的区别。所以,系统很容易识别该事件,从而滤除风雨等干扰的无威胁振动。

树枝坠落敲打光缆等偶然敲击事件,通过对系统的合理设置,能滤除大部分这些偶然因素引起的误报。

我们通过振动波形图、振动相位等多种参数,进行分析以区分是无威胁的触碰行为。这里起作用的参数,有振动波形、振动持续时间、事件计数器等参数,系统在完成‘训练集数据采集与盲测’阶段后,依靠机器学习与AI识别系统,即可避免该类无威胁事件的误报。而且,虽然树枝坠落可能引起振动,但该振动波形图是达不到系统设置的报警灵敏度校验值,且触碰事件持续时间不够,都未能满足触发告警,还要在一定的时间内,产生持续的触碰行为,才会产生报警信号,通过这一系列的设置,可避免大部分偶然的无威胁事件,从而降低虚警率。

4) 振动波形图比振动频谱图在分析判定入侵行为的优势

振动波形图是以X轴代表振动时间,Y轴代表振动幅度,来记录振动行为的事件,是以入侵事件的振动‘时间域’来记录与分析判定入侵行为。而振动频谱图是以X轴代表振动频率,Y轴代表振动幅度,来记录振动行为的事件,是以入侵事件的振动‘频率域’来记录与分析判定入侵行为。

入侵行为的振动信号在‘时间域’下,即x轴是时间(秒或分钟),而y轴是测量的振动幅度(位移、速度、加速度)。在该概念下,显示振动波形是很精确的方法,可以显示出入侵行为的实际振动形态,并对其各种振动参数进行分析。相对‘频率域’(以下图例均是举例的振动频谱图)采集到的振动频谱图,振动波形图能更精确定位某入侵振动行为的持续时间、振动幅度、同一时间段的振动行为数量等,且无需在图谱的高频部分由系统取平均值,再与事件库的数据对比,从而做出判定。

人入侵时,采集到的频谱图

风雨引起的振动频谱图

振动波形图是通过波形幅度、幅度门限、持续时间等多种参数,进行分析以区分是误报,还是具有威胁的入侵行为。相对于树枝、鸟类、小动物、冰雹、风雨等偶然性事件而引起的敲击振动,通过机器学习和AI识别系统校验分析后,虽然和某些威胁行为,如:人体入侵所引起的波形是一个类似的波形,但无论是从整体的波形幅度、持续时间、同一时间产生的事件数量上,都是和人体入侵所引起的波形是不同的。

所以,使用振动波形图比振动频谱图,通过机器学习和AI识别系统的校验后,在实际应用中,更能让系统精确鉴别各种振动行为。

系统侦测到树枝坠落的波形图

系统侦测到人手触碰光缆的波形图

因此,公路电力设施周界光纤智能安全防御系统,如果是采用‘分布式光纤振动传感技术’的‘分布式光纤振动预警平台’(Distributed Vibration Sensing, 简称DVS)核心系统,在‘训练集数据采集与盲测’阶段,即采集并建立到各种事件的振动波形图,通过建立振动事件库,采集并存储多达上百种的振动波形图,由机器学习与AI识别系统,可在发生同类振动事件时,由系统判断并告警该类型的入侵振动事件,从而实现对偷盗电力设施行为的物理入侵事件的高探测率,对没有威胁周界安全的振动行为实现低误报率。

希望这个解释可以满足您对光纤振动预警系统的了解和认识。欢迎关注我的帐号,了解更多光纤智能化应用的信息。

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