CN101573738A - 容错分布式光纤入侵探测 - Google Patents

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Abstract

一种用于监控建筑物的入侵探测系统，其包括容纳至少一条光纤并在所述建筑物周围延伸的至少一条光缆。光学时域反射仪(OTDR)装置可操作地耦合到至少一条光纤的相对于第一端和第二端。OTDR装置包括分析经由所述至少一条光纤的第一端所接收的背散射信号以探测建筑物的入侵的第一信号处理电路，以及分析经由所述至少一条光纤的第二端所接收的背散射信号以探测建筑物的入侵的第二信号处理电路。能够验证由第一和第二信号处理电路做出的入侵判断的冗余度。该系统优选地还包括用于探测在所述至少一条光纤中的中断、用于识别中断的位置、用于将中断的位置输出给用户以及用于发出表明中断的报警的装置。

Description

容错分布式光纤入侵探测
技术领域
本发明广泛地涉及一种安全系统和用于其中的入侵探测器。更具体而言，本发明涉及一种光纤入侵探测器。
背景技术
入侵探测器广泛地使用于安全系统中以监控确定区域的边界，进而探测人和车的出现、位置和运动。该入侵探测器的示范性应用包括国家边境、军事设施、化学工厂、飞机场、火车站和相应设施的周边的监控。这些探测器的一个挑战在于需要在暴露于宽温度范围以及雨、雪和灰尘的恶劣环境中远程地运行。
已经将光纤传感器开发用于入侵探测。光纤传感器具有光纤感测元件是无源(其不带电)的固有优点，这对于极易燃的材料的设施是非常重要的。光纤感测元件还可以跨越较长长度(例如，数十千米)。光纤感测元件不受否则可以损害或干扰其运行的电磁效应的影响。并且光纤感测元件易于用在竞争价格和能够经受恶劣环境的耐用电缆上。
光纤入侵探测系统可以从澳大利亚维多利亚州墨尔本市的Future FibreTechnologies Pty Ltd和美国俄勒冈州希尔斯伯勒的Fiber Sensys购买到。Future光纤技术系统利用包括前向通道和回路通道的光纤回路运行。前向通道包括两个单独光纤。回路通道包括单个光纤。前向通道的两个光纤形成干涉仪的臂。将连续激光发送到干涉仪的两臂。分析通过回路通道返回的光。如果没有外部干扰(运动、声音或振动)作用于干涉仪的两臂，则返回的光将不变化。如果有外部干扰作用于干涉仪的两臂，则返回的光将变化并产生干涉图。控制器探测该变化并将该效应解释成入侵事件或周围情况。光纤Sensys系统把相干光注入到多模光纤中。光的波模沿着光纤长度传播并在光纤的端口处会合，产生光的特征图和被称为散斑的黑斑点。只要光纤保持稳定，激光散斑就稳定，但是当光纤因为环境影响(例如人或车经过附近)而振动时，激光散斑就闪烁。通过分析随时间变化的散斑干涉图完成入侵探测。在任一系统中，光纤传感器的中断使入侵探测系统完全报废。此外，任一系统都不能探测和报告光纤中断的位置。
在Taylor等人的美国专利No.5,194,847中，提出了一种替代方法。在Taylor系统中，来自高相干脉冲激光器的光发射到感测光纤中。当单个脉冲沿前向在光纤中传播时，通常瑞利散射使部分光均匀散射，其中少部分在沿反向传播到接收器之前被光纤重新俘获。发射脉冲的相干性能(窄线宽)保证可探测的光干涉可以发生在散射光的分量之间。系统分析背散射信号的相位变化和相应的时间延迟，以便收集沿感测光纤的局部干扰的空间分布。在静态情况下，空间分布是随机但稳定的。在动态情况下(可能由未授权入侵者或车辆的干扰引起)，局部图案变化。该变化可以用来表明入侵的发生和沿感测光纤的入侵的大致位置。在该系统中，光纤的中断会使中断之外点的入侵探测的能力失去。这样的限制限制了该系统在危急安全应用中的部署并为有组织的团体(恐怖分子、小偷和其他不受欢迎的第三方人事)提供了快速地使这些系统瘫痪的机会。
因此，在本领域中需要一种在系统的感测光纤发生中断的情况下能够不间断运行的基于光纤的入侵探测系统。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种基于光纤的入侵探测系统，其在系统的感测光纤发生中断的情况下能够不间断运行。
本发明的另一目的在于提供一种识别和报告中断的位置的基于光纤的入侵探测系统。
根据以下将详细描述的这些目的，一种用于监控建筑物的入侵探测系统包括至少一条光缆，所述光缆容纳至少一条光纤并围绕所述建筑物延伸。光学时域反射仪(OTDR)装置可操作地耦合到所述至少一条光纤的相对的第一端和第二端。OTDR装置包括分析经由所述至少一条光纤的第一端接收的背散射信号以探测建筑物的入侵的第一信号处理电路，以及分析经由所述至少一条光纤的第二端接收的背散射信号以探测建筑物的入侵的第二信号处理电路。可以验证第一和第二信号处理电路做出的入侵判断的冗余度。该系统优选还包括探测至少一条光纤中的中断的探测装置、识别中断的位置的识别装置、将中断的位置输出给用户的以及提出表明中断的报警的装置。
应意识到本文中所述的基于光纤的入侵探测系统在系统的感测光纤发生中断的情况下提供连续操作。该系统还报告该中断的位置。此外，本文中所述的基于光纤的入侵探测系统可以用于大量应用，例如监控国家边境、军事设施、化学工厂、飞机场、火车站、改造场所、电力电缆、隧道、管道、房屋或其他精细结构。
根据本发明的一个实施例，OTDR装置包括：用于产生光脉冲的激光源、光学探测器、可操作地耦合在激光源和光纤对之间的定向耦合器和光学开关。定向耦合器和光学开关以时分复用方式合作引导由激光源生成的光脉冲通过光纤对的光纤，并以时分复用方式将沿光纤对传播回的散射引至光学探测器。第一信号处理电路分析经由光纤对中的一条光纤的第一端接收的背散射信号以探测建筑物的入侵。第二信号处理电路分析经由光纤对中的另一光纤的第二端接收的背散射信号以探测建筑物的入侵。
根据本发明的另一实施例，OTDR装置包括用于产生光脉冲的第一激光源、第一光学探测器、可操作地耦合在第一激光源和光纤对的一条光纤的第一端之间的第一定向耦合器。第一定向耦合器引导由第一激光源所产生的光脉冲通过一条光纤，并将沿一条光纤传播回的散射引至第一光学探测器。第一信号处理电路分析经由一条光纤接收的背散射信号以探测建筑物的入侵。OTDR装置还包括用于产生光脉冲的第二激光源、第二光学探测器以及可操作地耦合在第二激光源和光纤对的另一光纤之间的第二定向耦合器。第二定向耦合器引导由第二激光源所产生的光脉冲通过另一光纤，并将沿另一光纤传播回的散射引至第二光学探测器。第二信号处理电路分析经由另一光纤接收的背散射信号以探测建筑物的入侵。
根据本发明的再一实施例，OTDR装置包括用于产生第一波长的光脉冲的第一激光源、第一光学探测器以及可操作地耦合在第一激光源和光纤的第一端之间的第一定向耦合器。第一定向耦合器引导由第一激光源所产生的光脉冲通过光纤，并将沿光纤传播回的散射引至第一光学探测器。第一信号处理电路分析经由光纤的第一端接收的第一波长的背散射信号以探测建筑物的入侵。OTDR装置还包括用于产生不同于第一波长的第二波长的光脉冲的第二激光源、第二光学探测器以及可操作地耦合在第二激光源和光纤的第二端之间的第二定向耦合器。第二定向耦合器引导由第二激光源所产生的光脉冲通过光纤，并将沿光纤传播回的散射引至第二光学探测器。第二信号处理电路分析经由光纤的第二端接收的第二波长的背散射信号以探测建筑物的入侵。
通过参考结合附图的详细说明，本发明的其他目的和优点对于所属领域的技术人员而言将变得显而易见。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施例的光纤入侵探测系统的示意图；
图2是图1的光纤入侵探测系统所实施的示范性信号处理功能和控制功能的原理框图；
图3是根据本发明的第二实施例的光纤入侵探测系统的示意图；
图4是图3的光纤入侵探测系统所实施的示范性信号处理功能和控制功能的原理框图；
图5是根据本发明的第三实施例的光纤入侵探测系统的示意图；以及
图6是图5的光纤入侵探测系统所实施的示范性信号处理功能和控制功能的原理框图。
具体实施例
现在回到图1，根据本发明的第一实施例的入侵探测系统10包括光学时域反射仪(OTDR)(元件11、13、15、21、23)，其将一系列光学脉冲注入到两个光纤17A、17B的相对端，并从这两个相同的相对端中提取由光纤中折射率变化的点散射回和反射回的光。测量背散射光并将其存储为时间的函数，且以容错的方式进行分析以做出入侵判断。
更具体而言，通过发射一列高相干光脉冲通过定向耦合器13到光学开关15的脉冲模式激光源11来实现光学时间反射仪。光学开关15交替地将由激光源11产生的光脉冲以时分复用方式引至两个光纤17A、17B。光纤17A、17B形成系统的感测器件，并容纳在光纤光缆19中，光纤光缆19布置在将进行入侵探测监控的建筑物20的外围。这可以是沿着国家边境、军事设施、化学工厂、飞机场、火车站、改造场所、电力电缆、隧道、管道、房屋或其他精细结构。对于管道，能够将光纤光缆19布置成监控管道通行权，以在建筑物设备可能毁坏管道之前探测其进入管道的通行权。在光纤光缆19的一端，如图所示，光纤17A耦合至光学开关15。在光纤光缆19的另一端，如图所示，光纤17B耦合至光学开关15。在这样的配置中，光纤17A沿着将要进行监控的建筑物20的外围顺时针方向延伸，而光纤17B沿着将要进行监控的建筑物20的外围逆时针方向延伸。当脉冲沿光纤17A或光纤17B中的任一条传播时，其光通过几种机制散射，包括密度和成分波动(瑞利散射)以及分子和体振动(分别为拉曼散射和布里渊散射)。这样的散射光中的一部分保留在各条光纤芯中并被朝向激光源11导回。该返回的光通过光学开关15到定向耦合器13，在定向耦合器13中其被引至光学探测器21。
光学探测器21将接收的背散射光转换成电信号并将电信号放大输出到信号处理模块23。光学探测器21输出的信号表示从光纤17A和光纤17B背散射的光的移动时间窗(moving-time-window)干涉图。该干涉图表示来自光纤17A和17B的不同部分的背散射光之间的干涉。如果光纤17A、17B中的一条(或两条)光纤遇到可能由未授权入侵者或车辆干扰引起的撞击声波(或压力)，则引起各条光纤的有效折射率局部变化，这使每次对应于干扰位置的干涉图变化。在光学开关15连接到光纤17A的时期内，信号处理模块23将光学探测器21输出的信号转换成数字形式，并以时间分辨方式处理该数字数据以识别其中的干涉图中的变化，并基于该干涉图的变化做出入侵是否发生的判断。类似地，在光学开关15连接到光纤17B的时期内，信号处理模块23将光学探测器21输出的信号转换成数字形式，并以时间分辨方式处理该数字数据以识别其中的干涉图中的变化，并基于该干涉图的变化做出入侵是否发生的判断。系统控制器25通过信号处理模块23和系统控制器25之间的数据通道27接收来自信号处理模块23的数据。该数据提供了入侵已经发生、该入侵的位置以及优选地对应于入侵的时间的时间标记的指示。
在入侵发生的正常运行期间，系统控制器25将通过数据通道27接收由光纤17A的干涉图的处理引起的用于该入侵的数据以及由光纤17B的干涉图样的处理引起的用于该入侵的数据。系统控制器25可以能够验证该数据的冗余度和/或基于该数据产生一个或更多的报警信号。该报警信号能够经由数据通道29输出以触发声音报警(例如经由扬声器或铃发出的声音报警消息或音调)、视觉报警(例如对提供视觉报警消息的显示器终端的更新和可能的入侵的位置的视觉指示)和/或任何其他适当的报警事件。
信号处理模块23(和/或系统控制器25)能够执行数据处理操作，该数据处理操作分析来自两条光纤17A、17B的背散射信号以自动地探测在光纤17A、17B中的一条或两条中发生的中断并识别该中断的位置。系统控制器25能够在探测到中断的情况下产生一个或更多报警信号。该报警信号能够经由数据通道29输出以触发声音报警、视觉报警(例如对提供视觉报警消息的显示器终端的更新和可能的中断的位置的视觉指示)，和/或表示中断的任何其他适当的报警事件。该报警信号将来源于从各相应的光纤(17A或17B)沿着在中断点和光学开关13之间延伸的长度返回的背散射信号的信号处理操作。
系统控制器25还产生适当的定时信号以同步光源11、光学开关15和信号处理模块23的分别通过控制通路31A、31B和31C提供的时分复用操作。
图2示出了信号处理模块23和系统控制器25的示意性实施例。信号处理模块23包括连接至光学探测器21的输出端的模拟-数字转换器部件51。模拟-数字转换器部件51以指定的采样速率对从光学探测器21中输出的电信号采样，并将采样转换成以数字形式表示所探测的背散射信号的数字词(digital word)。逻辑器件53A和53B将转换器部件51中产生的数字词以时分复用方式存储在对应于两条光纤17A、17B的不同部分的时间库(time bin)中。该存储操作的定时源于系统控制器25的定时信号发生器模块71所产生的控制信号并通过控制通路31C提供。用于光纤17A的以55A1、55A2......55AN标记和用于光纤17B的以57B1、57B2......57BN标记的时间库分别对应于两条光纤17A、17B的不同长度。逻辑器件模块59A1、59A2......59AN对存储在对应的时间库55A1、55A2.....55AN中的背散射信号数据进行操作以分析随时间变化的各相应时间库中的干涉图。类似地，逻辑器件模块61B1、61B2......61BN对存储在对应的时间库57B1、57B2......57BN中的背散射信号数据进行操作以分析随时间变化的各相应时间库中的干涉图。时间库中的干涉图的变化表明了在对应于时间库的位置上所监控的周界处的一些故障。在优选实施例中，逻辑器件模块59A1、59A2......59AN和逻辑器件模块61B1、61B2......61BN分析对应时间库中的干涉图和对应时间库的稳态干涉图之间的差异。该差异运算可以基于卷积运算、相位差运算、快速傅立叶(FFT)变换运算、滤波运算和/或典型地运用在光学时域反射仪中的其他运算。模块63使用逻辑器件模块59A1、59A2......59AN的干涉图分析以做出入侵判断，该入侵判断是一个入侵是否发生的判断。类似地，模块65使用逻辑器件模块61B1、61B2......61BN的干涉图分析以做出入侵判断。模块63和65的逻辑器件可以利用信号分析以识别入侵者的类型，即，在人、车辆和动物之间进行区分。当模块63或模块65中任一个确定入侵已经发生时，数据就通过数据通道27提供到系统控制器25。数据提供入侵已经发生、该入侵的位置和优选地对应于入侵时间的时间标记的指示。
系统控制器25通过数据通道27接收该数据，并包括可能能够验证该数据的冗余度和/或基于该数据产生一个或更多报警信号的逻辑器件模块73。该报警信号能够经由数据通道29输出以触发声音报警(例如经由扬声器或铃发出的声音报警消息或音调)、视觉报警(例如对提供视觉报警消息的显示器终端的更新和可能的入侵的位置的视觉指示)，和/或其他适当的报警事件。
信号处理模块23(如模块59、61、63、65部分)和/或系统控制器25(如逻辑器件模块73部分)能够执行数据处理操作，该数据处理操作分析来自两条光纤17A、17B的背散射信号，以自动地探测在光纤17A、17B中的一条或两条中发生的中断并识别该中断的位置。系统控制器25(如逻辑器件模块25部分)能够在探测到中断的情况下产生一个或更多报警信号。该报警信号能够经由数据通道29输出以触发声音报警、视觉报警(例如对提供视觉报警消息的显示器终端的更新和可能的中断的位置的视觉指示)，和/或表示中断的任何其他适当的报警事件。该报警信号将来源于从各相应的光纤(17A或17B)沿着从中断点延伸到光学开关13的长度返回的背散射信号的信号处理操作。
系统控制器25还包括定时信号发生器模块71，该模块产生适当的定时信号以同步光源11、光学开关15和信号处理器模块23的时分复用操作，所述时分复用操作分别通过控制通路31A、31B和31C提供。
现在回到图3，根据本发明的第二实施例的入侵探测系统10’包括光学时域反射仪(OTDR)(元件11A’、13A’、21A’、23A’、11B’、13B’、21B’、23B’)，其将一系列光学脉冲注入到两条光纤17A’、17B’的相对端，并从这两个相同的相对端中提取光纤中折射率变化的点散射回和反射回的光。测量背散射光并将其存储为时间的函数，且以容错的方式进行分析以做出入侵判断。
更具体而言，通过将一系列高相干光脉冲通过第一定向耦合器13A’发射到光纤17A’的脉冲模式激光源11A’来实现光学时间反射仪。第二脉冲模式激光源11B’将一系列光脉冲通过第二定向耦合器13B’发射到光纤17B’。光纤17A’、17B’形成系统的感测器件，并容纳在光纤光缆19’中，光纤光缆19，布置在将要进行入侵探测监控的建筑物20’的外围。这可以是沿着国家边境、军事设施、化学工厂、飞机场、火车站、改造场所、电力电缆、隧道、管道、房屋或其他精细结构。对于管道来说，光纤光缆19’能够布置成监控管道通行权，以便在建筑物设备能够毁坏管道之前探测其进入管道的通行权。在光纤光缆19’的一端，如图所示，光纤17A’耦合至第一定向耦合器13A’。在光纤光缆19’的另一端，如图所示，光纤17B’耦合至第二定向耦合器13B’。在这样的配置中，光纤17A’沿着将要监控的建筑物20’的外围在一个方向上(从左到右)延伸，而光纤17B沿着将要监控的建筑物20的外围在相反的方向上(从右到左)监控。当脉冲沿光纤17A’或光纤17B’中任一条传播时，其光通过几种机制散射，包括密度和成分波动(瑞利散射)以及分子和体振动(分别为拉曼散射和布里渊散射)。这些被散射光中的一部分保留在各个光纤芯中并被朝向各自的激光源13A’、13B’导回。该返回光通过各自的定向耦合器13A’、13B’，在定向耦合器13A’、13B’中其被引至对应的光学探测器21A’、21B’。
光学探测器21A’、21B’分别将接收的背散射光转换成电信号并将电信号放大输出到对应的信号处理模块23A’、23B’。光学探测器21A’、21B’输出的信号分别表示从光纤17A’和光纤17B’背散射的光的移动时间窗干涉图。该干涉图表示来自光纤17A’和17B’的不同部分的背散射光之间的干涉。如果光纤17A’、17B’中的一条(或两条)光纤遇到可能由未授权入侵者或车辆干扰引起的撞击声波(或压力)，则引起各条光纤的有效折射率局部变化，这使每次对应于干扰位置的干涉图变化。信号处理模块23A’将光学探测器21A’输出的信号转换成数字形式，并以时间分辨方式处理该数字数据以识别其中的干涉图中的变化，并基于该干涉图的变化做出入侵是否发生的判断。类似地，信号处理模块23B’将光学探测器21B’输出的信号转换成数字形式，并以时间分辨方式处理该数字数据以识别其中的干涉图中的变化，并基于该干涉图的变化做出入侵是否发生的判断。
系统控制器25B’接收来自信号处理模块23B’的数据，该数据提供入侵已经发生、该入侵的位置以及优选地对应于入侵时间的时间表示的指示。系统控制器25A’接收来自信号处理模块23A’的数据，该数据提供了入侵已经发生、该入侵的位置以及优选地对应于入侵时间的时间表示的指示。系统控制器25A’通过系统控制器25A’和系统控制器25B’之间的通信链路将该数据传送至系统控制器25B’，所述通信链路可以是有线或无线的通信链路。
在入侵发生的正常运行期间，系统控制器25B’将接收来自信号处理模块23A’处理光纤17A’的干涉图得到的数据，以及接收来自信号处理模块23B’处理光纤17B’的干涉图得到的数据。系统控制器25B’可能够能够验证该数据的冗余度和/或基于该数据产生一个或更多的报警信号。能够输出该报警信号以触发声音报警(例如经由扬声器或铃发出的声音报警消息或音调)、视觉报警(例如对提供视觉报警消息的显示器终端的更新和可能的入侵的位置的视觉指示)和/或任何其他适当的报警事件。
信号处理模块23A’、23B’(和/或系统控制器25B’)能够执行数据处理操作，该数据处理操作分析来自两个光纤17A’、17B’的背散射信号以自动地探测在光纤17A’、17B’中的一条或两条中已经发生的中断并识别该中断的位置。系统控制器25B’能够在探测到中断的情况下产生一个或更多报警信号。能够输出该报警信号以触发声音报警、视觉报警(例如对提供视觉报警消息的显示器终端的更新和可能的中断的位置的视觉指示)，和/或表示中断的任何其他适当的报警事件。该报警信号将来源于从各相应的光纤(17A’或17B’)沿着在中断点和各个定向耦合器(13A’或13B’)之间延伸的长度返回的背散射信号的信号处理操作。
图4示出了信号处理模块23A’和系统控制器25A’以及信号处理模块23B’和系统控制器25B’的示意性实施例。信号处理模块23A’包括连接至光学探测器21A’的输出端的模拟-数字转换器部件51A’。模拟-数字转换器部件51A’以预定的采样速率对从光学探测器21A’中输出的电信号采样，并将采样转换成以数字形式表示探测的背散射信号的数字词。逻辑器件53A’将转换器部件51A’中产生的数字词存储在对应于第一光纤17A’的不同部分的时间库中。用于光纤17A’的以55A1’、55A2’......55AN’标记的时间库对应于第一光纤17A’的不同长度。逻辑器件模块59A1’、59A2’......59AN’对存储在对应的时间库55A1’、55A2’.....55AN’中的背散射信号数据进行处理以分析随时间变化的各相应的时间库中的干涉图。时间库中的干涉图的变化表明了在对应于时间库的位置上的所监控的外围的一些故障。在优选实施例中，逻辑器件模块59A1’、59A2’......59AN’分析对应时间库中的干涉图和对应时间库的稳态干涉图之间的差异。该差异运算可以基于卷积运算、相位差运算、快速傅立叶变换运算、滤波运算和/或典型地运用在光学时域反射仪中的其他运算。模块63’使用逻辑器件模块59A1’、59A2’......59AN’的干涉图分析来做出入侵判断，该入侵判断是一个入侵是否发生的判断。
类似地，信号处理模块23B’包括连接至光学探测器21B’的输出端的模拟-数字转换器部件51B’。模拟-数字转换器部件51B’以预定的采样速率对从光学探测器21B’中输出的电信号采样，并将采样转换成以数字形式表示探测的背散射信号的数字词。逻辑器件53B’将转换器部件51B’中产生的数字词存储在对应于第一光纤17B’的不同部分的时间库中。用于光纤17B’的以57B1’、57B2’......57BN’标记的时间库对应于第二光纤17B’的不同长度。逻辑器件模块61B1’、61B2’......61BN’对存储在对应的时间库57B1’、57B2’.....57BN’中的背散射信号数据进行操作以分析随时间变化的各相应的时间库中的干涉图。在优选实施例中，逻辑器件模块61B1’、61B2’......61BN’分析对应时间库中的干涉图和对应时间库的稳态干涉图之间的差异。该差异运算可以基于卷积运算、相位差运算、快速傅立叶变换运算、滤波运算和/或典型地运用在光学时域反射仪中的其他运算。模块65’使用逻辑器件模块61B1’、61B2’......61BN’的干涉图分析来做出入侵判断。模块63’和65’的逻辑器件能够利用信号分析来识别入侵者的类型，即，在人、车辆和动物之间进行区分。
当模块63’探测到入侵时，提供数据到系统控制器25A’，该数据提供入侵已经发生、该入侵的位置以及优选地对应于入侵时间的时间表示的指示。系统控制器25A’通过由通信接口66A’和66B’支持的系统控制器25A’和系统控制器25B’之间的通信链路将该数据传送至系统控制器25B’。类似地，当模块65’探测到入侵时，提供数据到系统控制器25B’，该数据提供入侵已经发生、该入侵的位置以及优选地对应于入侵时间的时间表示的指示。
系统控制器25B’接收该数据并包括逻辑器件模块73’，该模块可能能够验证该数据的冗余度和/或基于该数据产生一个或更多的报警信号。能够输出该报警信号以触发声音报警(例如经由扬声器或铃发出的声音报警消息或音调)、视觉报警(例如对提供视觉报警消息的显示器终端的更新和可能的入侵的位置的视觉指示)和/或任何其他适当的报警事件。
信号处理模块23A’、23B’(如模块59’、61’、63’、65’部分)和/或系统控制器25B’(如逻辑器件模块73’部分)能够执行数据处理操作，该数据处理操作分析来自两条光纤17A’、17B’的背散射信号以自动地探测在光纤17A’、17B’中的一条或两条中发生的中断并识别该中断的位置。系统控制器25B’(如模块73’部分)能够在探测到中断的情况下产生一个或更多报警信号。能够输出该报警信号以触发声音报警、视觉报警(例如对提供视觉报警消息的显示器终端的更新和可能的中断的位置的视觉指示)和/或表示中断的任何其他适当的报警事件。该报警信号将来源于从各相应的光纤(17A’或17B’)沿着在中断点和各自的定向耦合器(17A’或17B’)之间延伸的长度返回的背散射信号的信号处理操作。
系统控制器25A’和25B’还包括产生适当的定时信号以分别驱动脉冲模式光源11A’、11B’的相应定时信号发生器模块71A’和71B’。
现在回到图5，根据本发明的第三实施例的入侵探测系统10”包括光学时域反射仪(OTDR)(元件11A”、13A”、21A”、23A”、11B”、13B”、21B”、23B”)，其将不同波长的一系列光学脉冲注入到光纤17”的相对端，并从这两个相同的相对端中提取由光纤中折射率变化的点散射回和反射回的光。测量两种波长的背散射光并将其存储为时间的函数，且以容错的方式进行分析以做出入侵判断。
更具体而言，通过将一系列高相干光脉冲通过第一定向耦合器13”发射到光纤17”的第一脉冲模式激光源11A”来实现光学时间反射仪。第二脉冲模式激光源11B”将一系列光脉冲通过第二定向耦合器13B”发射到相同的光纤17”。激光源11A”以第一波长(λA)工作，而激光源11B”以不同于第一波长(λA)的第二波长(λB)运行。光纤17”形成系统的感测器件，并容纳在光纤光缆19”中，光纤光缆19”布置在将要进行监控入侵探测的建筑物20”的外围。这可以是沿着国家边境、军事设施、化学工厂、飞机场、火车站、改造场所、电力电缆、隧道、管道、房屋或其他精细结构。对于管道，光纤光缆19”能够布置成监控管道通行权，以在建筑物设备可能毁坏管道之前探测其进入管道的通行权。在光纤光缆19”的一端，如图所示，光纤17”耦合至第一定向耦合器13A”。在光纤光缆19”的另一端，如图所示，光纤17”耦合至第二定向耦合器13B”。当脉冲沿光纤17”传播时，其光通过几种机制散射，包括密度和成分波动(瑞利散射)以及分子和体振动(分别为拉曼散射和布里渊散射)。这样的散射光中的一部分保留在相应光纤芯中并被朝向各自的激光源11A”、11B”导回。该返回的光通过相应的定向耦合器13A”、13B”，在定向耦合器13A”、13B”中其被引至对应的光学探测器21A”、21B”。
光学探测器21A”、21B”分别将接收的背散射光转换成电信号并将电信号放大输出到对应的信号处理模块23A”、23B”。光学探测器21A”输出的信号表示从光纤17”背散射的第一波长(λA)光的移动时间窗干涉图。光学探测器21B”输出的信号表示从光纤17”背散射的第二波长(λB)光的移动时间窗干涉图。这样的干涉图表示来自光纤17A”的不同部分的背散射光的之间干涉。如果光纤17”遇到可能由未授权入侵者或车辆干扰引起的撞击声波(或压力)，则引起各个光纤的有效折射率局部变化，这使每次对应于干扰位置的干涉图变化。信号处理模块23A”将光学探测器21A”输出的信号转换成数字形式，并以时间分辨方式处理该数字数据以识别第一波长(λA)的干涉图中的变化，并基于该干涉图的变化做出入侵是否发生的判断。类似地，信号处理模块23B”将光学探测器21B”输出的信号转换成数字形式，并以时间分辨方式处理该数字数据以识别第二波长(λB)的干涉图中的变化，并基于该干涉图的变化做出入侵是否发生的判断。
系统控制器25B”接收来自信号处理模块23B”的数据，该数据提供入侵已经发生、该入侵的位置以及优选地对应于入侵时间的时间表示的指示。系统控制器25A”接收来自信号处理模块23A”的数据，该数据提供了入侵已经发生、该入侵的位置以及优选地对应于入侵时间的时间表示的指示。系统控制器25A”通过系统控制器25A”和系统控制器25B”之间的通信链路将该数据传送至系统控制器25B”，所述通信链路可以是有线或无线的通信链路。
在入侵发生的正常运行期间，系统控制器25B”将接收来自信号处理模块23A”处理波长λA的干涉图得到的数据以及来自信号处理模块23B”处理波长λB的干涉图得到的数据。系统控制器25B”可能能够验证该数据的冗余度和/或基于该数据产生一个或更多的报警信号。能够输出该报警信号以触发声音报警(例如经由扬声器或铃发出的声音报警消息或音调)、视觉报警(例如对提供视觉报警消息的显示器终端的更新和可能的入侵的位置的视觉指示)和/或任何其他适当的报警事件。
信号处理模块23A”、23B”(和/或系统控制器25B”)能够执行数据处理操作，该数据处理操作分析两个波长的背散射信号以自动地探测光纤17”中发生的中断并识别中断的位置。系统控制器25B”能够在探测到中断的情况下产生一个或更多报警信号。能够输出该报警信号以触发声音报警、视觉报警(例如对提供视觉报警消息的显示器终端的更新和可能的中断的位置的视觉指示)和/或表示中断的任何其他适当的报警事件。该报警信号将来源于从光纤17”沿着在中断点和各个定向耦合器(13A”或13B”)之间延伸的长度返回的背散射信号的信号处理操作。
图6示出了信号处理模块23A”和系统控制器25A”以及信号处理模块23B”和系统控制器25B”的示意性实施例。信号处理模块23A”包括连接至光学探测器21A”的输出端的模拟-数字转换器部件51A”。模拟-数字转换器部件51A”以预定的采样速率对从光学探测器21A”中输出的电信号采样，并将采样转换成以数字形式表示第一波长λA的所探测的背散射信号的数字词。逻辑器件53A”将转换器部件51A”中产生的数字词存储在对应于第一光纤17A”的不同部分的时间库中。以55A1”、55A2”......55AN”标记的时间库对应于用于第一波长λA的第一光纤17A”的不同长度。逻辑器件模块59A1”、59A2”......59AN”对存储在对应的时间库55A1”、55A2”.....55AN”中的背散射信号数据进行操作以分析随时间变化的各相应的时间库中的干涉图。时间库中的干涉图的变化表明了在对应于时间库的位置上的所监控的外围的一些故障。在优选实施例中，逻辑器件模块55A1”、55A2”......55AN”分析对应时间库中的干涉图和对应时间库的稳态干涉图之间的差异。该差异运算能够基于卷积运算、相位差运算、快速傅立叶变换运算、滤波运算和/或典型地运用在光学时域反射仪中的其他运算。模块63”使用逻辑器件模块59A1”、59A2”......59AN”的干涉图分析来做出入侵判断，该入侵判断是一个入侵是否发生的判断。
类似地，信号处理模块23B”包括连接至光学探测器21B”的输出端的模拟-数字转换器部件51B”。模拟-数字转换器部件51B”以预定的采样速率对从光学探测器21B’中输出的电信号采样，并将采样转换成以数字形式表示用于第二波长λB的所探测的背散射信号的数字词。逻辑器件53B”将转换器部件51B”中产生的数字词存储在对应于光纤17”的不同部分的时间库中。以57B1’、57B2’......57BN’标记的时间库对应于用于第二波长λB的光纤17”的不同长度。逻辑器件模块61B1”、61B2”......61BN”对存储在对应的时间库57B1”、57B2”.....57BN”中的背散射信号数据进行操作，以分析随时间变化的个相应的时间库中的干涉图。在优选实施例中，逻辑器件模块61B1”、61B2”......61BN”分析对应时间库中的干涉图和对应时间库的稳态干涉图样之间的差异。该差异运算可以基于卷积运算、相位差运算、快速傅立叶变换运算、滤波运算和/或典型地运用在光学时域反射仪中的其他运算。模块65”使用逻辑器件模块61B1”、61B2”......61BN”的干涉图分析来做出入侵判断。模块63”和65”的逻辑器件能够利用信号分析来识别入侵者的类型，即，在人、车辆和动物之间进行区分。
当模块63”探测到入侵时，提供数据到系统控制器25A”，该数据提供入侵已经发生、该入侵的位置以及优选地对应于入侵时间的时间表示的指示。系统控制器25A”通过由通信接口66A”和66B”支持的系统控制器25A”和系统控制器25B”之间的通信链路将该数据传送至系统控制器25B”。类似地，当模块65”探测到入侵时，提供数据到系统控制器25B”，该数据提供入侵已经发生、该入侵的位置以及优选地对应于入侵时间的时间表示的指示。系统控制器25B”接收该数据并包括逻辑器件模块73”，该模块可能能够验证该数据的冗余度和/或基于该数据产生一个或更多的报警信号。能够输出该报警信号以触发声音报警(例如经由扬声器或铃发出的声音报警消息或音调)、视觉报警(例如对提供视觉报警消息的显示器终端的更新和可能的入侵的位置的视觉指示)和/或任何其他适当的报警事件。
信号处理模块23A”、23B”(如模块59”、61”、63”、65”部分)和/或系统控制器25B”(如逻辑器件模块73”部分)能够执行数据处理操作，该数据处理操作分析两个波长的背散射信号以自动地探测光纤17”中发生的中断并识别该中断的位置。系统控制器25B”能够在探测到中断的情况下产生一个或更多报警信号。能够输出该报警信号以触发声音报警、视觉报警(例如对提供视觉报警消息的显示器终端的更新和可能的中断的位置的视觉指示)和/或表示中断的任何其他适当的报警事件。该报警信号将来源于从光纤17”沿着在中断点和各自的定向耦合器(13A”或13B”)之间延伸的长度返回的背散射信号的信号处理操作。
系统控制器25A”和25B”还包括产生适当的定时信号以分别驱动脉冲模式光源11A”、11B”的相应定时信号发生器模块71A”和71B”。
有利地，本文中所述的基于光纤的入侵探测系统在系统的感测光纤发生中断的情况下提供连续操作。该系统还报告该中断的位置。此外，本文中所述的基于光纤的入侵探测系统能够用于广泛的各种应用，例如监控国家边境、军事设施、化学工厂、飞机场、火车站、改造场所、电力电缆、隧道、管道、房屋或其他精细结构。
本文中已经描述和例示了使用OTDR子系统的容错入侵探测系统和运行该系统的方法。虽然已经描述了本发明的具体实施例，但是其并不旨在使本发明受限于此，实际上旨在使本发明的范围如本领域所允许的范围以及说明书中所理解的范围等一样宽。因此，虽然已经描述了用于入侵探测的具体信号处理功能和方法，但应意识到用于入侵探测的其他信号处理功能和方法也是可以的。此外，虽然已经公开了具体的系统结构，但应理解能够使用其他系统结构。例如，可以通过公知的单计算机处理平台或分布式计算机处理平台来实现本文中所述的信号处理步骤和/或控制和报警通知步骤。因此，本领域的技术人员应意识到在不偏离本发明的精神和所要求保护的范围的情况下可以对所提供的发明进行其他修改。

Claims (25)

1、一种用于监控建筑物的入侵探测系统，包括：
在所述建筑物周围延伸的至少一条光缆，所述至少一条光缆包括具有相对于第二端的第一端的至少一条光纤；以及
可操作地耦合至所述至少一条光纤的所述第一端和第二端的光学时域反射仪装置，包括分析经由所述至少一条光纤的所述第一端接收的背散射信号以便探测所述建筑物的入侵的第一信号处理电路，以及分析经由所述至少一条光纤的所述第二端接收的背散射信号以便探测所述建筑物的入侵的第二信号处理电路。
2、根据权利要求1所述的入侵探测系统，还包括：
可操作地耦合至所述第一信号处理电路和所述第二信号处理电路的控制装置，用于验证由所述第一和第二信号处理电路做出的入侵判断的冗余度。
3、根据权利要求2所述的入侵探测系统，其中：
所述控制装置包括可操作地耦合至所述第一信号处理装置的第一部件、可操作地耦合至所述第二信号处理装置并远离其设置的第二部件以及用于在所述第一部件和第二部件之间传送数据的通信装置。
4、根据权利要求1所述的入侵探测系统，还包括：
用于探测在所述至少一条光纤中的中断的探测装置。
5、根据权利要求4所述的入侵探测系统，还包括：
用于识别所述至少一条光纤中的中断的位置的识别装置。
6、根据权利要求5所述的入侵探测系统，还包括：
用于将所述至少一条光纤中的中断的位置输出给用户的输出装置。
7、根据权利要求4所述的入侵探测系统，还包括：
响应于所述中断的探测发出表示所述至少一条光纤中的中断的报警的装置。
8、根据权利要求1所述的入侵探测系统，其中：
所述第一信号处理电路将背散射信号数据存储到对应于所述至少一条光纤的不同长度的第一组时间库中，并分析由存储在随时间变化的第一组的各时间库中的背散射信号数据表示的干涉图以做出第一入侵判断；以及
所述第二信号处理电路将背散射信号数据存储到对应于所述至少一条光纤的不同长度的第二组时间库中，并分析由存储在随时间变化的第二组的各时间库中的背散射信号数据表示的干涉图以做出第二入侵判断。
9、根据权利要求1所述的入侵探测系统，包括：
容纳各具有相对于第二端的第一端的一对光纤的光缆，其中，所述光纤对的一条光纤的所述第一端可操作地耦合至所述光学时域反射仪装置，以及所述光纤对的另一光纤的所述第二端可操作地连耦合至所述光学时域反射仪装置。
10、根据权利要求9所述的入侵探测系统，其中：
所述光学时域反射仪装置包括：
用于产生光脉冲的激光源；
光学探测器；
可操作地耦合在所述激光源和所述光纤对之间的定向耦合器和光学开关，所述定向耦合器和光学开关以时分复用方式引导所述光脉冲通过所述光纤对，并以时分复用方式将沿所述光纤对传播回的散射引导至所述光学探测器；
其中，所述第一信号处理电路分析经由所述一条光纤的所述第一端接收的背散射信号以探测所述建筑物的入侵；以及
其中，所述第二信号处理电路分析经由所述另一光纤的所述第二端接收的背散射信号以探测所述建筑物的入侵。
11、根据权利要求9所述的入侵探测系统，其中：
所述光学时域反射仪装置包括：
用于产生光脉冲的第一激光源；
第一光学探测器；
可操作地耦合在所述第一激光源和所述光纤对的所述一条光纤的所述第一端之间的第一定向耦合器，其引导由所述第一激光源所产生的所述光脉冲通过所述一条光纤并将沿所述一条光纤传播回的散射引导至所述第一光学探测器，其中，所述第一信号处理电路分析经由所述一条光纤所接收的背散射信号以探测所述建筑物的入侵；
用于产生光脉冲的第二激光源；
第二光学探测器；以及
可操作地耦合在所述第二激光源和所述光纤对的所述另一光纤之间的第二定向耦合器，其引导由所述第二激光源所产生的所述光脉冲通过所述另一光纤并将沿所述另一光纤传播回的散射引导至所述第二光学探测器，其中，所述第二信号处理电路分析经由所述另一光纤所接收的背散射信号以探测所述建筑物的入侵。
12、根据权利要求1所述的入侵探测系统，包括：
容纳具有相对于第二端的第一端的光纤的光缆。
13、根据权利要求12所述的入侵探测系统，其中：
所述光学时域反射仪装置包括：
用于产生第一波长的光脉冲的第一激光源；
第一光学探测器；
可操作地耦合在所述第一激光源和所述光纤的所述第一端之间的第一定向耦合器，其引导由所述第一激光源所产生的所述光脉冲通过所述光纤并将沿所述光纤传播回的散射引导至所述第一光学探测器，其中，所述第一信号处理电路分析经由所述光纤的所述第一端所接收的所述第一波长的背散射信号以探测所述建筑物的入侵；
用于产生不同于所述第一波长的第二波长的光脉冲的第二激光源；
第二光学探测器；以及
可操作地耦合在所述第二激光源和所述光纤的所述第二端之间的第二定向耦合器，其引导由所述第二激光源所产生的所述光脉冲通过所述光纤并将沿所述光纤传播回的散射引导至所述第二光学探测器，其中，所述第二信号处理电路分析经由所述光纤的所述第二端所接收的所述第二波长的背散射信号以探测所述建筑物的入侵。
14、一种探测建筑物的入侵的方法，包括：
设置至少一条在所述建筑物周围延伸的光缆，所述至少一条光缆包括具有相对于第二端的第一端的至少一条光纤；以及
将光学时域反射仪装置耦合至所述至少一条光纤的所述第一端和所述第二端；以及
利用所述光学时域反射仪装置来分析经由所述至少一条光纤的所述第一端所接收的背散射信号，并分析经由所述至少一条光纤的所述第二端所接收的背散射信号以探测所述建筑物的入侵。
15、根据权利要求14所述的方法，还包括：
基于经由所述至少一条光纤的所述第一端和第二端所接收的单独背散射信号的分析来验证入侵判断的冗余度。
16、根据权利要求14所述的方法，还包括：
基于经由所述至少一条光纤的所述第一端和第二端所接收的单独背散射信号的分析来探测所述至少一条光纤中的中断。
17、根据权利要求16所述的方法，还包括：
识别在所述至少一条光纤中的中断的位置。
18、根据权利要求17所述的方法，还包括：
将所述至少一条光纤中的中断位置输出给用户。
19、根据权利要求16所述的方法，还包括：
响应于探测到所述中断，发出表示在所述至少一条光纤中的中断的报警。
20、根据权利要求14所述的方法，其中：
所述光学时域反射仪装置将背散射信号数据存储在对应于所述至少一条光纤的不同长度的一组时间库中，并分析由存储在随时间变化的所述组的各时间库中的背散射信号数据表示的干涉图以做出入侵判断。
21、根据权利要求14所述的方法，其中：
所述至少一条光缆包括容纳各具有相对于第二端的第一端的一对光纤的光缆，其中，所述光纤对的一条光纤的所述第一端可操作地耦合至所述光学时域反射仪装置，而所述光纤对的另一光纤的所述第二端可操作地耦合至所述光学时域反射仪装置。
22、根据权利要求21所述的方法，其中：
所述光学时域反射仪装置包括：
用于产生光脉冲的激光源；
光学探测器；以及
定向耦合器和光学开关，其可操作地耦合在所述激光源和所述光纤对之间，所述定向耦合器和光学开关以时分复用方式引导所述光脉冲通过所述光纤对，并以时分复用方式将沿所述光纤对传播回的散射引导至所述光学探测器；
其中，所述第一信号处理电路分析经由所述一条光纤的所述第一端所接收的背散射信号以探测所述建筑物的入侵；以及
其中，所述第二信号处理电路分析经由所述另一光纤的所述第二端所接收的背散射信号以探测所述建筑物的入侵。
23、根据权利要求21所述的方法，其中：
所述光学时域反射仪装置包括：
用于产生光脉冲的第一激光源；
第一光学探测器；
可操作地耦合在所述第一激光源和所述光纤对的所述一条光纤的所述第一端之间的第一定向耦合器，其引导由所述第一激光源所产生的所述光脉冲通过所述一条光纤并将沿所述一条光纤传播回的散射引导至所述第一光学探测器，其中，所述第一信号处理电路分析经由所述一条光纤所接收的背散射信号以探测所述建筑物的入侵；
用于产生光脉冲的第二激光源；
第二光学探测器；以及
可操作地耦合在所述第二激光源和所述光纤对的所述另一光纤之间的第二定向耦合器，其引导由所述第二激光源所产生的所述光脉冲通过所述另一光纤并将沿所述另一光纤传播回的散射引导至所述第二光学探测器，其中，所述第二信号处理电路分析经由所述另一光纤所接收的背散射信号以探测所述建筑物的入侵。
24、根据权利要求14所述的方法，其中：
所述至少一条光缆包括容纳具有相对于第二端的第一端的光纤的光缆。
25、根据权利要求24所述的方法，其中：
所述光学时域反射仪装置包括：
用于产生第一波长的光脉冲的第一激光源；
第一光学探测器；
可操作地耦合在所述第一激光源和所述光纤的所述第一端之间的第一定向耦合器，其引导由所述第一激光源所产生的所述光脉冲通过所述光纤，并将沿所述光纤传播回的散射引导至所述第一光学探测器，其中，所述第一信号处理电路分析经由所述光纤的所述第一端所接收的所述第一波长的背散射信号以探测所述建筑物的入侵；
用于产生不同于所述第一波长的第二波长的光脉冲的第二激光源；
第二光学探测器；以及
可操作地耦合在所述第二激光源和所述光纤的第二端之间的所述第二定向耦合器，其引导由所述第二激光源所产生的所述光脉冲通过所述光纤，并将沿所述光纤传播回的散射引导至所述第二光学探测器，其中，所述第二信号处理电路分析经由所述光纤的所述第二端所接收的所述第二波长的背散射信号以探测所述建筑物的入侵。
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