CN101969344B - 基于光纤光弹效应的大区域声音监听系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于安全监控技术领域，具体为一种基于光纤光弹效应的大区域声音监听系统。该系统由放置在远程的解调终端、待测区域内的全光纤传感终端和连接两者的传输光缆三部分组成，在传输光缆上可复用大量的全光纤传感终端。本发明利用全光纤传感终端中的传感光纤对周围环境中的各种声音信号提取，利用传输光缆将这些信息采集并返回解调终端，经过相应的分析处理后真实还原，实现对大范围待测区域内各种声音信号的实时监听。本发明主要由光纤无源器件组成，不含任何电子元器件，无辐射电磁波，也不受电磁干扰影响，适用于军事、公安、安防、安全生产、灾害防控等领域。

Description

基于光纤光弹效应的大区域声音监听系统

技术领域

本发明属于安全监控技术领域，具体涉及一种无源、隐蔽、反侦测、高灵敏度的大区域声音监听系统。可应用于军事、公安、安防、安全生产、灾害防控等领域。

背景技术

长期以来，摄像头作为一种广泛应用的视频监测工具，在军事、公安、安防、安全生产、灾害防控等领域得到了广泛应用，取得了良好的效果。尤其是在最近的“天网”工程建设中发挥了重要作用，为城市的安全保障提供了重要手段。

但是，在以摄像头为代表的图像、视频类监测工具的应用中，也出现了一些不足：背景光线的多变性和光线的可遮挡性使视频技术受到了极大的限制，为了减少观察盲区，不得不增加更多的摄像机；摄像头是一种需要电源供应能量，容易被电磁干扰的电子类器件，同时也可被电磁类反侦测工具探查到。

而与图像、视频能够形成互补关系的是声音信号，声波在媒介中可以绕过障碍物而进行大范围的传播。音频和视频，作为基本的感知手段，具有高度互补性，缺一不可，音频探测技术对视频技术有着天然的辅助作用。而利用先进的光纤传感技术可以实现无源、非电磁、反侦测、反干扰的音频监测设备，能够和现有的视频类设备一起实现大范围的安全监控。

发明内容

针对摄像头类图像、视频监测方法与工具的不足，本发明的目的是提供一种与其互补的基于光纤光弹效应的大区域声音监听系统。

本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于光纤光弹效应的大区域声音监听系统，由解调终端、传输光缆和全光纤传感终端组成；解调终端位于远离现场的监控中心，全光纤传感终端位于待测区域，传输光缆连接解调终端和全光纤传感终端；所述全光纤传感终端全部由不需要电力供应的光纤无源器件构成，全光纤传感终端内包含传感光纤，具有接收待测区域内声音信号调制的作用，即利用光纤的光弹效应，实现对周围环境中声音信号的采集；所述解调终端，根据全光纤传感终端中对光信号的具体调制类型的不同，而采用不同的解调方法和结构，通常由光源模块、光电转换模块、数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块、软件模块等组成，其中，光源模块实现光信号的发射功能，光电转换模块实现光信号的接收并将其转换为电信号的功能，数据采集模块实现电信号的采集并进行模数转换的功能，数据处理模块实现传感信号的解调和对数据的计算、分析、处理等功能，数据显示模块实现人机交互、显示、报警等功能，软件模块实现算法、控制程序、交互界面等功能；所述传输光缆，根据野外铺设的现场情况，可选择相应的通信用光缆组成，具有连接解调终端和多个全光纤传感终端，在两者之间相互传递光信号的作用。

本发明的工作机理是：

首先由解调终端中的光源模块发出初始光信号，经过传输光缆后到达位于待测区域的全光纤传感终端，由全光纤传感终端内包含的传感光纤作为传感声音信号的敏感元件，利用光纤光弹效应，实现声音信号对传感光纤内初始光信号的调制作用。被调制后的光信号再经过传输光缆回传到解调终端，根据被调制的方式进行相应的解调和分析处理。传输光缆可以延伸至数十公里，在传输光缆的沿线可以根据需要布设大量的全光纤传感终端，实现大区域范围内的声音监听。

光弹效应，也称为“弹光效应”，是指介质由于受到外力作用而产生弹性形变，从而引起几何形状和折射率的变化。如图1所示，将传感光纤置于声波环境中，当声源发出的声波在介质中传播时，遇到传感光纤，引起传感光纤微小的弹性形变，包括长度方向上的伸缩，和横截面上的形状变化。由于光弹效应的影响，这一段光纤的折射率将会发生改变，导致光信号通过时，受到了声波信号的调制。当受到调制的光信号回到解调终端后，根据受到调制光信号的不同类型，解调终端采取相应的解调措施，即可实现对声波信号的还原。

本发明中，所述的传感光纤，是为了满足高灵敏度要求而去掉多余保护层的光纤，由纤芯、包层、涂覆层组成，亦包括在不影响其灵敏度的前提下而增加的其他保护结构。

本发明中，所述的声音传播介质，包括空气、水、墙壁等，是指根据传感光纤的布设方式和周围环境，通过这些传播介质，能够将环境中的各种声音信息传递到布设在空气中、放置于水下、或者附着在墙壁上的传感光纤。

本发明中，所述的解调终端对光信号的调制，可以包含对光波的相位、波长、振幅、偏振态等所有可以加载外界声音信息的调制方式。例如当光信号通过监测区域时，在光纤光弹效应的影响下，光波的光程发生了变化，即实现对光波的相位调制；当在监测区域内的传感光纤上制作光纤光栅时，即可实现对光波的波长调制；当在监测区域内的传感光纤上形成局部微弯，即可实现对光波的振幅调制；当用保偏光纤代替常规光纤，并在监测区域内的传感光纤上形成弹性体，利用双折射效应即可实现对光波的振幅调制。

本发明中，所述的对信号的解调和分析处理，根据声音信号对光信号的具体方式调制方式，而具有各种对应的具体方法和结构。例如，对光波的相位调制，可以通过构建相应的干涉光路实现对传感信号的解调；对光波的波长调制，可以通过光谱分析实现对传感信号的解调；对光波的振幅调制，可以通过直接的光强分析实现对传感信号的解调；对光波的偏振调制，可以通过构建相应的起偏、检偏光路实现对传感信号的解调。

本发明具有以下优点：

1.灵敏度高，监测范围广。光纤的尺寸非常细小，通光口径更小，例如通信用单模光纤的外径为245μm，通光直径仅有8μm左右，声波在介质中传播时产生的声压作用在如此细小的结构时，会产生较明显的弹性形变，相对于麦克风等电子类装置，该方法具有非常高的灵敏度，其单点监测的有效范围也大很多。同时在一根传输光缆上很容易制作出大量的包含传感光纤的监测终端，易于集成和远程传输，可形成大规模的传感阵列，实现大区域的声音监听。

2.本质安全、绿色节能，低碳环保。本发明中出了解调终端需要电力供应外，其余长达几十公里范围内的传输光缆和传感终端全部由光纤无源器件组成，不具有引起危险的物理基础，在工作时无电流通过，不辐射电磁波，不会产生电火花、漏电、短路、发热等现象；传输光缆和传感终端仅通过光纤器件传输光能，能量损耗极小，可在长达数十公里的监测范围内无需外界能源供应而长期运行。 

3.反侦听、抗电磁干扰。本发明工作时，在监听区域内不发射电磁波，通过常规的电磁侦听方法无法探查到；不包含电子元器件，也不会受到环境中人为的和自然的电磁干扰的影响。

4.环境适应性强。本发明在监听区域内的部分全部由无源光纤器件组成，可在潮湿、水下、高温、腐蚀等各种恶劣环境下长期稳定工作。

5.和现有光通信系统复用。本发明可通过共用传输光缆部分，直接利用现有的布设完备的通信光缆形成大区域的声音监听系统。

本发明利用全光纤传感终端中的传感光纤对周围环境中的各种声音信号提取，利用传输光缆将这些信息采集并返回解调终端，经过相应的分析处理后真实还原，实现对大范围待测区域内各种声音信号的实时监听。本发明主要由光纤无源器件组成，不含任何电子元器件，无需电能供应，不辐射电磁波，也不受电磁干扰影响，反侦听，本质安全，绿色环保，适用于军事、公安、安防、安全生产、灾害防控等领域。

附图说明

图1是本发明中光纤光弹效应的示意图。

图2是本发明的结构示意图。

图3是本发明布设方式和监测范围示意图。

图4是本发明第1个实施例的全光纤传感终端的结构示意图。

图5是本发明第2个实施例的全光纤传感终端的结构示意图。

图中标号：1.解调终端，2.传输光缆，3.全光纤传感终端，31.传感光纤，32.反射镜，33.光预处理模块，331.3×3光纤耦合器，332.2×2光纤耦合器，333.光纤延迟线，334.光纤跳线，335.光纤跳线，311.光纤光栅。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图2所示，所述基于光纤光弹效应的大区域声音监听方法由解调终端1、传输光缆2和全光纤传感终端3三部分来实现，其中，解调终端1位于远程的监控中心内，全光纤传感终端3位于需要声音监听的待测区域，传输光缆2连接解调终端1和全光纤传感终端3。

将解调终端1放置在远离待测区域的远程监控中心内；将传输光缆2一端连接解调终端1，另一端延伸至需要声音监听的待测区域。在待测区域剥开传输光缆2，制作全光纤传感终端3。根据待测区域的具体形状和范围大小，可能需要较多的全光纤传感终端3。在全光纤传感终端3中包含一段传感光纤31，根据所监测区域的实际情况，将传感光纤31盘绕成各种形状后隐蔽布设。

解调终端1通过传输光缆2向全光纤传感终端3发射初始光信号；待测区域内各种声源产生的声波信号，通过各种介质，对传感光纤31形成扰动，根据光纤光弹效应，从而对传感光纤31内部传输的初始光信号进行调制；全光纤传感终端3通过传输光缆2，将该调制后的光信号回传到解调终端1，在解调终端1内部进行光电转换、信号采集、分析处理、显示与报警等功能，从而完成对待测区域内声音信号的解调与监听。

如图3所示，根据待测区域具体的形状和范围大小，可以有多种布设方式。设定全光纤传感终端3对声音监听的有效范围是一个半径为R的圆形区域，则：A点状布设，将传输光缆2延伸至待测区域，在顶端布设一个全光纤传感终端3，可以实现对半径为R的待测区域内的声音监听；B线状布设，将传输光缆2在待测区域内直线延伸，在传输光缆2上以2R的间隔距离依次布设全光纤传感终端3，可以实现对宽度为2R的条形待测区域内的声音监听；C面状布设，将传输光缆2在待测区域内蛇形往返延伸，在传输光缆2上以2R的间隔距离依次布设全光纤传感终端3，可以实现对任意形状的大范围待测区域内的声音监听。

实施例1：

本实施例为对光信号进行相位调制的例子。结合图2和图4，本实施例包括解调终端1、传输光缆2、全光纤传感终端3。传输光缆2两端分别连接解调终端1和全光纤传感终端3。全光纤传感终端3如图4，其中包括传感光纤31、反射镜32、光预处理模块33；光预处理模块33中包括3×3光纤耦合器331、2×2光纤耦合器332、光纤延迟线333、光纤跳线334、光纤跳线335，其中光纤跳线334、335连接3×3光纤耦合器331和2×2光纤耦合器332，光纤延迟线333制作在光纤跳线334上。

应用本发明时，将解调终端1放置于远程的监控中心内，传输光缆2一端连接解调终端1，另一端延伸至待测区域，并根据待测区域的具体情况进行分布。在需要进行声音监听的地点，将传输光缆2剥开，引出三芯光纤（一芯发射、两芯接收光信号），接入全光纤传感终端3。假设根据待测区域的具体要求，定义需要N个全光纤传感终端3，则传输光缆2中至少应包含3N个光纤芯数。

本实施例的光路特征是：解调终端1发出N个宽光谱的初始光信号，通过传输光缆2被分别分配到N个全光纤传感终端3。在全光纤传感终端3中，光能量被3×3光纤耦合器331分为3个光分量，只使用其中的两个光分量；其中进入第二跳线335的光分量直接进入2×2光纤耦合器332中；进入第一跳线334的光分量经过光纤延迟线333，产生了延时τ后，再进入2×2光纤耦合器332；跳线334、335中的两个光分量在2×2光纤耦合器332中合并后进入传感光纤31，因此，在传感光纤31内部传播的是两个具有时间差τ的光分量，这两个光分量经过一定距离的向前传播后，遇到传感光纤31末端的反射镜32，被反射后沿传感光纤31原路向后传播，至2×2光纤耦合器332后，原来具有时间差τ的两个光分量被再次分光后分别通过具有光纤延迟线333的跳线334和没有延时的跳线335，并进入3×3光纤耦合器331中合并，合并后进入传输光缆2，并通过传输光缆2回到解调终端1中。

光预处理模块33在本实施例中起到分离传感系统和传输系统的作用。光预处理模块33一端连接的传感光纤31，能够感知待测区域环境中的声音信号，起到传感的作用；当光分量往返两次通过光预处理模块33时，经过分束、合束、延迟等光学预处理作用，之后再回到光预处理模块33另一端的传输光缆2，此时传输光缆2仅仅起到传输光信号的作用，其内部的光信号不再受周围环境中各种声音信息的影响。

在全光纤传感终端3中一共产生如下的4个光分量：（a）向前传播时具有延时τ，向后返回时没有延时；（b）向前传播时没有延时，向后返回时具有延时τ；（c）向前传播和向后返回都没有延时；（d）向前传播和向后返回都具有延时τ。因为采用宽光谱光源，使得光波的相干长度小于光纤延迟线333的长度，因此，上述4个光分量中，只有光分量（a）和（b）满足相干条件，产生干涉后的光信号被解调终端1接收并分析处理，解调出待测的声音信号。

本实施例的工作机理如下：

全光纤传感终端3周围环境中的各种声音信号，可看作是对传感光纤31的扰动，根据光纤光弹效应，从而对传感光纤31中传播初始光信号的相位进行调制。在周围环境没有对传感光纤31产生扰动的情况下，光分量（a）和（b）在经过传感光纤31后，走过的光程完全相同。

当有扰动产生的时候，定义这种由于外界扰动形成的光程变化量为                                                

，则

与扰动成正比关系。光分量（a）和（b）在经过传感光纤31时具有时间差τ，所形成的光程差为

。根据全光纤干涉系统的工作原理，这个光程差的变化在干涉系统中形成的干涉相位

可表示为

                       （1）

其中，

表示扰动引起的光程变化率，与光纤的光弹特性有关，

为光的波长，τ为光纤延迟线333引起的时间延迟。滤除掉直流成分后，最终在解调终端1中探测到的对应光信号分量为：

                    （2）

                    （3）

其中，

为由3×3光纤耦合器331引入的初始相位差。根据式（1）和式（2）、（3），可求得反映扰动速率的物理量

，通过积分运算，最终实现对全光纤传感终端3周围环境中声音信号的真实还原。

实施例2：

本实施例为对光信号进行波长调制的例子。如图5所示，本实施例包括解调终端1、传输光缆2、全光纤传感终端3。传输光缆2两端分别连接解调终端1和全光纤传感终端3。全光纤传感终端3主要由传感光纤31和光纤光栅311组成，光纤光栅311制作在传感光纤31上。

应用本发明时，将解调终端1放置于远程的监控中心内，传输光缆2一端连接解调终端1，另一端延伸至待测区域，并根据待测区域的具体情况进行分布。在需要进行声音监听的地点，将传输光缆2剥开，引出一段传感光纤31，在传感光纤31上制作光纤光栅311。假设根据待测区域的具体要求，定义需要N个全光纤传感终端3，则在串联的情况下，每个全光纤传感终端3中包含的光纤光栅311的周期应相互不同，从而进行区分和定位。

本实施例的工作机理如下：

解调终端1发出宽光谱的初始光信号，通过传输光缆2被分别分配到N个全光纤传感终端3。在每个全光纤传感终端3中，根据光纤光栅311的周期和折射率的不同，向解调终端1后向反射回特定波长λ_N的光信号。

全光纤传感终端3周围环境中的各种声音信号，可看作是对传感光纤31的扰动，根据光纤光弹效应，这些声音信号对传感光纤31中的光纤光栅311的周期和折射率产生影响，从而对其反射的光信号的波长λ_N进行调制。解调终端1接收到包含有N个λ_N波长信息的被调制光信号后，将其进行分离，根据λ_N的变化信息，即可求得待测区域声音信号的变化波形，最终实现对全光纤传感终端3周围环境中声音信号的真实还原。

前面提供了对较佳实施例的描述，以使本领域的任何技术人员可使用或利用本发明。对这些实施例的各种修改对本领域内的技术人员是显而易见的，可把这里所述的总的原理应用到其他实施例而不使用创造性。因而，本发明将不限于这里所示的实施例，而应依据符合这里所揭示的原理和新特性的最宽范围。

Claims (5)

1.一种基于光纤光弹效应的大区域声音监听系统，其特征在于由解调终端、传输光缆和全光纤传感终端组成，解调终端位于远程的监控中心，全光纤传感终端位于需要声音监听的待测区域，传输光缆连接解调终端和全光纤传感终端；所述全光纤传感终端和传输光缆由光纤无源器件组成；所述全光纤传感终端中包含有传感光纤，利用光纤的光弹效应，实现对周围环境中声音信号的采集；

所述全光纤传感终端有N 个，每个终端包括传感光纤（31）、反射镜（32）、光预处理模块（33）；光预处理模块（33）中包括3×3光纤耦合器（331）、2×2光纤耦合器（332）、光纤延迟线（333）、第一光纤跳线(334)和第二光纤跳线(335)，其中第一光纤跳线（334）、第二光纤跳线(335)连接3×3光纤耦合器(331)和2×2光纤耦合器(332)，光纤延迟线(333)制作在第一光纤跳线(334)上；

解调终端发出N个宽光谱的初始光信号，通过传输光缆被分别分配到N个全光纤传感终端；在全光纤传感终端中，光能量被3×3光纤耦合器(331)分为3个光分量，只使用其中的两个光分量；其中进入第二跳线(335)的光分量直接进入2×2光纤耦合器(332)中；进入第一跳线(334)的光分量经过光纤延迟线(333)，产生延时τ后，再进入2×2光纤耦合器(332)；第一跳线(334)、第二跳线(335)中的两个光分量在2×2光纤耦合器(332)中合并后进入传感光纤(31)，在传感光纤(31)内部传播的是两个具有时间差τ的光分量，这两个光分量经过一定距离的向前传播后，遇到传感光纤(31)末端的反射镜(32)，被反射后沿传感光纤(31)原路向后传播，至2×2光纤耦合器(332)后，原来具有时间差τ的两个光分量被再次分光后分别通过具有光纤延迟线(333)的第一跳线(334)和没有延时的第二跳线(335)，并进入3×3光纤耦合器(331)中合并，合并后进入传输光缆，并通过传输光缆回到解调终端中。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光弹效应的大区域声音监听系统，其特征在于所述解调终端包含有光源模块、光电转换模块、数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块和软件模块；其中，光源模块进行光信号的发射，光电转换模块接收光源模块发射的光信号并将其转换为电信号，数据采集模块采集该电信号并进行模数转换，数据处理模块进行传感信号的解调和对数据的计算、分析、处理，数据显示模块负责人机交互、显示、报警，软件模块实现算法、控制程序、交互界面处理。

3.根据权利要求1所述的基于光纤光弹效应的大区域声音监听系统，其特征在于所述传感光纤是普通光纤，由纤芯、包层、涂覆层组成。

4.根据权利要求2所述的基于光纤光弹效应的大区域声音监听系统，其特征在于所述解调终端根据全光纤传感终端中对光信号的具体调制类型的不同，而采用不同的解调方法和结构，其中：

对光波的相位调制，通过构建相应的干涉光路实现对传感信号的解调；对光波的波长调制，通过光谱分析实现对传感信号的解调；对光波的振幅调制，通过直接的光强分析实现对传感信号的解调；对光波的偏振调制，通过构建相应的起偏、检偏光路实现对传感信号的解调。

5.根据权利要求1所述的基于光纤光弹效应的大区域声音监听系统，其特征在于所述全光纤传感终端有N 个，每个终端由传感光纤（31）和光纤光栅（311）组成，光纤光栅（311）制作在传感光纤（31）上；

解调终端发出宽光谱的初始光信号，通过传输光缆被分别分配到N个全光纤传感终端；在每个全光纤传感终端中，根据光纤光栅（311）的周期和折射率的不同，向解调终端后向反射回特定波长λ_N的光信号；解调终端接收到包含有N个λ_N波长信息的被调制光信号后，将其进行分离，根据λ_N的变化信息，即可求得待测区域声音信号的变化波形，最终实现对全光纤传感终端周围环境中声音信号的真实还原。

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