CN101299635A - 宽域全光纤扰动信号前-后判别装置及方法 - Google Patents

Abstract

宽域全光纤扰动信号前－后判别方法主要用于各类输送危险或高价值化工品管道安全监测监控等的管道监控，其具体方法为：后台终端控制整个宽域全光纤扰动检测系统工作，可分为前判别法则和后判别法则两种工作模式；当系统处于工作状态时，通过控制电路产生控制命令，控制电路控制检测模式的选择，让系统工作在连续波模式，或者工作在脉冲波模式下；在连续工作模式下，系统检测是否出现扰动传感信号；而在脉冲工作状态下，系统发出和检测定位信号，定位扰动地点；在选定的工作模式下，系统完成与工作模式相对应的光电检测，光电信号在光检电路中，经过放大和调理后，送到数据采集模块中进行采集，采集的信号经过处理后，形成对扰动传感信号处理结果。

Description

宽域全光纤扰动信号前-后判别装置及方法

技术领域

本发明主要用于各类输送危险或高价值化工品管道安全监测监控等的管道监控，是一种周界安全防卫的宽域全光纤扰动传感与定位系统的扰动定位信号处理技术，属于光纤传感检测技术领域。

背景技术

光纤传感技术是20世纪70年代伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而另辟新径迅速发展起来的一种崭新的传感技术。概括地说，光纤传感器就是利用光纤将待测量对光纤内传输的光波参量进行调制，并对被调制过的光波信号进行解调检测，从而获得待测量值的一种装置。

宽域全光纤定位网络系统的原理是基于光纤中的后向瑞利散射效应，借助光时域反射技术来实现分布式振动测量的。宽域全光纤定位网络系统以其可对被测量场的连续空间进行实时测量的特点而成为光纤传感技术中极其引人注目的一项新技术。宽域全光纤定位网络系统不仅具有一般光纤传感器的特点，而且充分利用了光纤空间连续分布的特点，可以在沿光纤分布的路径上同时得到被测量的时间和空间分布信息，一举解决了许多重大应用场合下其他类型传感器难以胜任的测量任务，显示出十分经济和现实的应用前景。

对于一些重要设施或区域，如军事禁区、高危禁区等，传统的铁丝电网对周界安全保护、阻止非法侵入的效率非常低。而采用光纤安全预警系统，不仅能极大的提高周界的警报效率，还能对警报地点准确定位，进行监听。从而实现对整个重要区域的实时安全预警。对重要设施与区域、构筑周界物或埋地管道使用宽域全光纤定位网络系统是技术发展的必然趋势，具有广阔的应用市场。

在国外，宽域全光纤定位网络系统已被大量的应用在光纤安全预警定位系统。随之光纤传感技术的不断发展和推广，各种光纤安全预警定位技术也在不断发展。目前已有的安全监测主要有两类。一种是分布式温度和应力监测技术，主要利用光纤的非线性特性(拉曼效应和布里渊效应)实时采集外界事件对光纤的温度影响和冲击应力来确定警报的位置，这种技术受到光缆的结构和光缆与报警地点的距离限制而影响监测效果。另一种就是常用在管道破坏预警方面的声波检测技术，该技术是利用声波沿管道传输原理，在每隔一定距离安装一个有源传感器，采集管道沿线的声音信号加以分析，确定事件性质，进而对破坏管道事件提前发现，但每个传感器件必须配备一套供电装置和通信装置，这不仅增加了设备的投资和维护成本，而且这些设施本身也容易遭到破坏，使系统不能正常工作。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种宽域全光纤扰动信号前-后判别装置及方法，用于测量和检测宽域全光纤系统的工作，更好地协调和完成系统中扰动信号定位和模式识别，管理好系统的工作任务。

技术方案：光信号在光纤中传播时，扰动信号产生背向散射效应。借助光时域反射技术来实现分布式扰动测量的。宽域全光纤定位网络系统不仅具有一般传感器的基本特点，而且充分利用了光纤空间连续分布的特点，可以在沿光纤分布的路径上同时得到被测量参量的时间和空间分布信息，一举解决了许多宽域应用场合下其他类型传感器难以胜任的测量任务。

宽域全光纤扰动传感和定位复合信号被前级探测与放大之后，必须由后台监控系统完成数据采集、数据处理、各种扰动模式识别、结果实时显示等功能。同时还需具备历史数据管理功能，保存采集的有用数据，供用户检索查询。因此，后台监控系统是整个网络系统的控制核心。

根据不同应用需求，监控系统优化系统任务，采用最佳方案决定系统的工作模式和工作过程。由于扰动传感和定位复合信号是完全不同的两种信号，所以如何设定它们的工作次序和工作方式对于完成系统监控和检测特别重要，这种工作模式被定义为前后判别法则。

监控系统在正常状态下，时刻检测扰动传感光信号。当监测到光信号出现异常扰动波形时，进入监控系统异常处理模块。首先记录当前事件，然后进入异常扰动定位系统程序，检测扰动定位信号，迅速确定异常扰动点的位置。然后进行连续波检测，记录供模式识别用的扰动传感信号，经处理后确定信号的属性，进行真假甄别，得出产生扰动的原因。这种以事件位置为优先的监控方式定位为前判别法则。

当系统工作在后判别法则时，系统首先工作在连续波方式，检测扰动传感光信号，并定时将异常光信号传送至模式识别模块，判别扰动信号的真伪，当被确认是有用扰动信号时，监控系统启动定位功能，检测扰动定位光信号，确定产生扰动的位置。显示异常扰动的位置，从而确定报警级别，启动报警装置。

宽域全光纤扰动信号前-后判别方法是：后台终端控制整个宽域全光纤扰动检测系统工作，可分为前判别法则和后判别法则两种工作模式；当系统处于工作状态时，通过控制电路产生控制命令，控制电路控制检测模式的选择，让系统工作在连续波模式，或者工作在脉冲波模式下；在连续工作模式下，系统检测是否出现扰动传感信号；而在脉冲工作状态下，系统发出和检测定位信号，定位扰动地点；在选定的工作模式下，系统完成与工作模式相对应的光电检测，光电信号在光检电路中，经过放大和调理后，送到数据采集模块中进行采集，采集的信号经过处理后，形成对扰动传感信号处理结果。

前判别法则工作模式下，监控系统在正常状态下，运行在正常工作模式，时刻检测光信号，此时系统工作在连续波模式，经采集后的光信号进行阈值处理，进行快速判别，当监测到的扰动传感信号幅度超过阈值时，进入监控系统异常处理模块，事件记录模块记录当前事件，然后进入异常定位模块，系统切换到脉冲波模式，发出定位脉冲信号，在确定异常波动点的位置即扰动位置后，通过异常显示模块将结果显示在对应地图位置上；之后，监控系统进入模式识别程序，启动连续波模式，发出连续波光信号，检测和记录扰动传感信号，在模式识别模块中区别出异常扰动传感信号的类别，再经过报警定级模块确定报警级别，从而启动报警装置。

后判别法则工作模式下，系统运行在正常工作模式，时刻检测扰动传感光信号，采集后的扰动传感光信号进行阈值预处理，进行快速判别；当监测到扰动传感信号幅度超过阈值时，进入监控系统异常处理模块，事件记录模块记录当前事件，然后进入模式识别模块，识别扰动信号种类；如果判别出是无害扰动，则系统返回到正常工作模式，如果系统识别为有害扰动，则进入异常定位模块，启动脉冲波模式，发出定位光脉冲；从扰动源散射回来的光信号就是定位光脉冲信号，经过检测后，由异常定位模块迅速确定异常波动点位置，异常显示模块将结果显示在对应地图位置上；确定位置后，系统再根据扰动的性质，经过报警定级模块确定报警级别，从而启动报警装置。

异常定位模块采用一种基于高速数据采集和超高速计数方法，高速数据采集卡采集散射回波信号，通过识别算法确定散射回波信号的位置，从而粗步确定发生振动源的大致位置，为了屏蔽各种干扰信号，将粗略位置信息转换成为时间门控，确保其它的无效信号不进入计数脉冲。

用于权利要求1所述的宽域全光纤扰动信号前/后判别方法的判别装置中，后台终端的第一输出端、LD激光器、光纤放大器、光纤分路器顺序串联连接，光纤分路器的输出端分两路，其中一路接传感光纤，另一路与光滤波器、光探测器、放大器、数据采集模块顺序串联连接；数据采集模块还与后台终端相连接。

有益效果：宽域全光纤扰动信号前-后判别装置以及相应方法，能够实现光纤扰动信号的高速实时采集、处理和模式识别，提高了整个宽域全光纤定位网络系统的定位精度，可达到60KM的定位长度及±50M的定位精度。并且宽域全光纤扰动信号前-后判别装置以及相应方法还可以实时显示、记录扰动点信息，有利于管理者迅速制定出正确的安全措施，从而提高了被防卫周界的安全性。

附图说明

图1宽域全光纤扰动传感和定位网络系统原理图，

图2宽域全光纤扰动监测系统前判别法则框图，

图3宽域全光纤扰动监测系统后判别法则框图。

其中101-LD激光器    102-光纤放大器

103-光纤分路器      104-传感光纤

105-光滤波器        106-光探测器

107-放大器          109-后台终端

201-数据采集模块    202-光检电路

203-控制电路

211-异常处理模块    212-事件记录模块

213-异常定位模块    214-异常显示模块

215-模式识别模块    216-报警定级模块

具体实施方式

一套完备的宽域全光纤扰动传感和定位网络系统如附图1所示。

a.由后台终端109逻辑控制，产生脉冲驱动，再由LD激光器101产生泵浦光脉冲，经光纤放大器(EDFA)102进行功率提升后通过光纤分路器(3dB光藕合器)103藕合进传感光纤104，在传感光纤104中将产生后向散射光，回来的后向散射光再经光纤分路器耦合103到光滤波器105进行滤波和分离，从而得到后向瑞利散射光，自此便完成了信号的采集工作。

b.从光滤波器105分离出来的后向瑞利散射光再分别进入光电探测器(PD)106进行光电转换，再经前级放大，从而完成信号的光电探测工作。

c.此时信号已由光功率形式转换成电平形式，再分别进入放大器107对电平信号进行放大，而后分别由数据采集模块201进行模数转换，从而得到数字信号，再由后台终端109对数字信号进行信号处理、分析计算，便最终得到报警信息。

实现原理

宽域全光纤扰动传感和定位信号检测系统的前-后判别装置结构如附图2所示。在后台监控系统中，使用后台终端109，它控制整个宽域全光纤扰动检测系统工作。当系统处于工作状态时，可以通过控制电路203产生控制命令。控制电路203可以控制检测模式的选择，让系统工作在连续波模式，或者工作在脉冲波模式下。在连续工作模式下，系统检测扰动传感信号；而在脉冲工作状态下，系统发出和检测定位信号。在选定的工作模式下，系统完成与工作模式相对应的光电检测。光电信号在光检电路202中，经过放大和调理后，送到数据采集模块201中进行采集。采集的信号经过处理后，形成对扰动传感信号处理结果。

根据实际情况的需要，系统可以工作在前判别法则和后判别法则两种工作模式下。系统可以通过人工设定选择相应前后法则工作模式。下面就这两个工作模式作详细说明。

前判别法则系统框图参见附图2，其工作原理如下：

监控系统在正常状态下，运行在正常工作模式，时刻检测光信号。从信号检测的难易角度看，系统可以工作在连续波模式。经采集后的光信号进行处理，这里使用阈值法，进行快速判别。阈值的设定可以有下面三种方法：

1，人工设定法：使用人工键盘或鼠标输入信号阈值。

2，扰动当量法：使用基准扰动源，在远端发出扰动，系统采集扰动信号，计算出扰动电平，确定该电平为报警电平。

3，自学习电平法：通过自动学习功能，系统能够确定每个分辨点上正常的背景噪声。系统可以设置成缺省值，也可以进行学习，确定参数。

当监测到的扰动传感信号幅度超过阈值时，进入监控系统异常处理模块211。首先事件记录模块212记录当前事件，记录内容包括事件时间和强度等。然后进入异常定位模块213，系统切换到脉冲波模式，发出定位脉冲信号。从扰动源返回的定位光脉冲信号经光电转换装置转化为电脉冲信号，定位点信号经过定位时间检测电路检测定位脉冲。

为了提高定位精度，提出了一种基于高速数据采集和超高速计数技术的定位方法。高速数据采集卡采集散射回波信号，通过识别算法确定散射回波信号的位置，从而粗步确定发生振动源的大致位置。为了屏蔽各种干扰信号，将粗略位置信息转换成为时间门控，确保其它的无效信号不进入计数脉冲。

为了完成高速计数，设计了独特的双计数器的计数方式。高频振荡器产生高频信号，通过反相器后，可以得到正相和反相两组高频振荡信号。分别使用两个计数器，一个计数器计数正相振荡信号，另一个计数器计数反相振荡信号。由于使用正相和反相计数，使得计数频率提高一倍，相应的定位精度提高一倍。达到在同等频率下定位精度高的目的。

在迅速确定异常波动点的位置后，通过异常显示模块214将结果显示在对应地图位置上。之后，监控系统进入模式识别程序，启动连续波模式，发出连续波光信号，检测和记录扰动传感信号。在模式识别模块215中区别出异常扰动传感信号的类别，再经过报警定级模块216确定报警级别，从而启动报警装置。

后判别法则系统框图参见附图3，其工作原理如下：

当系统工作在后判别法则的监控状态时，系统运行在正常工作模式，时刻检测扰动传感光信号。采集后的扰动传感光信号进行预处理，使用阈值法，进行快速判别。

当监测到扰动传感信号幅度超过阈值时，进入监控系统异常处理模块211。首先事件记录模块212记录当前事件，记录内容包括事件时间和强度等。然后进入模式识别模块215，识别扰动信号种类。如果判别出是无害扰动，则系统返回到正常工作模式210。如果系统识别为有害扰动，则进入异常定位模块213，启动脉冲波模式，发出定位光脉冲。从扰动源散射回来的光信号就是定位光脉冲信号。经过检测后，由异常定位模块213迅速确定异常波动点位置，异常显示模块214将结果显示在对应地图位置上。确定位置后，系统根据扰动的性质，再经过报警定级模块216确定报警级别，从而启动报警装置。

以本例来说明本发明的具体实施方式并对本发明做进一步的说明。本例是一实验样机。系统主机为联想万全R630G5配4CPU 8M缓存32G内存。数据采集卡采用专业公司提供的高速数据采集卡。采集卡上集成了2片高速50Msps 12-bit A/D转换器，和2个独立的高速精密运算放大器和精密衰减滤波网络组成程控增益通道，实现±100mV到±20V的大动态信号采集。采集卡设计了独立的时间基准和时钟控制器。通过软件设置将系统触发线和时钟线级联起来，采集系统在统一的时钟和触发控制下实现全同步采集。A/D转换的最高采样频率为40MHz，按1、2、5分频实现18档采样率设置；二个通道可独立地用软件控制增益，从±100mV到±20V按1、2、5分为8档。每通道最大采样深度可达到16M采样点。由控制器发出的采样命令可以通过采集卡采集所需的连续信号和脉冲信号。

后台监控系统采用Windows操作平台，具有较强的通用性和友好的人机界面。选用的数据库为MySQL，是个通用数据库，得到大多数用户的支持。监控系统使用编程语言为VC++。

通过本发明中提出的法则，系统可以实时地理位置显示，在背景图像上覆盖显示报警和事件，从而提供清晰的入侵者视觉定位。信息显示在地图、平面图或照片上。可以自动完成事件定位或者锁定在特殊视角。

监控系统可以实时显示直方图。直方图显示在整体光纤上每个可分辨的点上检测的振动幅度。可以使用Zoom功能放大光缆上任何区域，以便进行详细分析。此外，可以显示原始波形和数据。

监控系统可以实时输出音频。操作人员可以监听光缆上所选择的任何两个随机点上的声频信号。系统可以同时记录多点上的声波信号，记录的声波可以播放、保存或者输出。

根据模式识别结果，系统自动产生报警。当系统检测到信号超过设定的参数值时自动产生报警。

当后台监控PC机组成网络系统时，设计了网络结构，可以实现下面的扩展功能：

对使用本系统的用户进行分类，不同类别的用户将拥有不同权限和职责，以更好地实现信息隐藏和共享；设置权限。a初级：只读；b中级：修改系统参数；c管理员：控制整个系统操作。

系统采用B/S(浏览器/服务器)结构，客户端只需通过MS Windows自带的浏览器即可访问整个系统。这种结构对客户端的计算机硬件性能要求相对较低，可充分利用现有资源。

Claims (5)

1.一种宽域全光纤扰动信号前-后判别方法，其特征是：后台终端(109)控制整个宽域全光纤扰动检测系统工作，可分为前判别法则和后判别法则两种工作模式；当系统处于工作状态时，通过控制电路(203)产生控制命令，控制电路(203)控制检测模式的选择，让系统工作在连续波模式，或者工作在脉冲波模式下；在连续工作模式下，系统检测是否出现扰动传感信号；而在脉冲工作状态下，系统发出和检测定位信号，定位扰动地点；在选定的工作模式下，系统完成与工作模式相对应的光电检测，光电信号在光检电路(202)中，经过放大和调理后，送到数据采集模块(201)中进行采集，采集的信号经过处理后，形成对扰动传感信号处理结果。

2.根据权利要求1所述的宽域全光纤扰动信号前/后判别方法，其特征是：前判别法则工作模式下，监控系统在正常状态下，运行在正常工作模式，时刻检测光信号，此时系统工作在连续波模式，经采集后的光信号进行阈值处理，进行快速判别，当监测到的扰动传感信号幅度超过阈值时，进入监控系统异常处理模块(211)，事件记录模块(212)记录当前事件，然后进入异常定位模块(213)，系统切换到脉冲波模式，发出定位脉冲信号，在确定异常波动点的位置即扰动位置后，通过异常显示模块(214)将结果显示在对应地图位置上；之后，监控系统进入模式识别程序，启动连续波模式，发出连续波光信号，检测和记录扰动传感信号，在模式识别模块(215)中区别出异常扰动传感信号的类别，再经过报警定级模块(216)确定报警级别，从而启动报警装置。

3.根据权利要求1所述的宽域全光纤扰动信号前/后判别方法，其特征是：后判别法则工作模式下，系统运行在正常工作模式，时刻检测扰动传感光信号，采集后的扰动传感光信号进行阈值预处理，进行快速判别；当监测到扰动传感信号幅度超过阈值时，进入监控系统异常处理模块(211)，事件记录模块(212)记录当前事件，然后进入模式识别模块(215)，识别扰动信号种类；如果判别出是无害扰动，则系统返回到正常工作模式，如果系统识别为有害扰动，则进入异常定位模块(213)，启动脉冲波模式，发出定位光脉冲；从扰动源散射回来的光信号就是定位光脉冲信号，经过检测后，由异常定位模块(213)迅速确定异常波动点位置，异常显示模块(214)将结果显示在对应地图位置上；确定位置后，系统再根据扰动的性质，经过报警定级模块(216)确定报警级别，从而启动报警装置。

4.根据权利要求2或3所述的宽域全光纤扰动信号前/后判别方法，其特征是：异常定位模块(213)采用一种基于高速数据采集和超高速计数方法，高速数据采集卡采集散射回波信号，通过识别算法确定散射回波信号的位置，从而粗步确定发生振动源的大致位置，为了屏蔽各种干扰信号，将粗略位置信息转换成为时间门控，确保其它的无效信号不进入计数脉冲。

5.一种用于权利要求1所述的宽域全光纤扰动信号前/后判别方法的判别装置，其特征是：该装置中，后台终端(109)的第一输出端(109-1)、LD激光器(101)、光纤放大器(102)、光纤分路器(103)顺序串联连接，光纤分路器(103)的输出端分两路，其中一路接传感光纤(104)，另一路与光滤波器(105)、光探测器(106)、放大器(107)、数据采集模块(201)顺序串联连接；数据采集模块(201)还与后台终端(109)相连接。

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