CN103499358B - 一种新型多通道分布式扰动传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种新型多通道分布式扰动传感系统。针对基于光时域反射技术的分布式扰动传感系统特点，在不增加传感系统成本的基础上，通过光开关扩展多通道，实现多区域多线路的同时监测，与此同时还实现了多条线路上的链路备份功能；利用微控制器控制光开关实现多通道循环切换，同时与上位机串口通信实现多通道识别；利用系统自身的光时域信号实现断缆故障的实时自诊断和定位等功能，以及在出现断缆故障后利用微控制器实现备份链路的自动启用，实现真正意义的多通道、且带链路故障诊断和链路备份功能的多线路及多防区在线不间断监测与防护。

Description

一种新型多通道分布式扰动传感系统

技术领域

本发明属于分布式光纤传感技术领域，具体涉及一种带多通道控制、链路故障诊断和备份链路自启用的新型多通道分布式扰动传感系统。

背景技术

基于光时域反射技术的分布式扰动传感系统通常由监测光缆、解调设备及中央处理器三部分组成，利用光时域反射的传感机理，通过对直接触及光纤或通过承载物如覆土、铁丝网、围栏等，将传输光缆路径上振动、应变等各种扰动信号转化为光信息，进行实时接收、采集和智能分析、处理及识别，实现对入侵设防区域周界的威胁行为进行预警监测和24小时全天候不间断实时监控。

该类系统通常成本昂贵，主要取决于光时域信号解调设备的成本，且单套系统传感距离有限，目前报道的单套最长监测距离106km。针对超长距离的监测，则需要多套系统级联，成本相应会成倍增加。目前分布式温度传感系统已有多通道扩展方法，专利（CN201110264324)提出上位机通过总线接口与多个光电模块并行连接，可以按需要连接多个光开关来扩展系统通道，不需要考虑系统探测时间，但该系统结构复杂，且没有对实际应用中故障链路进行诊断、定位和处理，且该发明方法主要针对的是分布式温度传感系统。

另外，分布式扰动传感系统在监测过程中一旦出现断缆故障，则会导致断缆后面大范围内区域防御的失效。目前断缆故障通常由专门的OTDR确定，但OTDR响应较慢，且在进行断缆诊断时需暂停扰动监测，如何在扰动传感同时实现故障诊断和定位，实现系统的在线不间断监测，是一个急需要解决的重要问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带多通道控制、链路故障诊断和链路备份自启用功能的新型多通道分布式扰动传感系统，在不增加系统成本和保证系统实时探测的条件下，通过微控制器控制光开关扩展链路通道个数，实现多个防区或线路的同时实时监测。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种新型多通道分布式扰动传感系统，其系统结构包括输出连续相干光的窄线宽激光器，将连续光调制为脉冲光的声光调制器，实现光脉冲放大的掺铒光纤放大器，将输入光脉冲注入探测光缆并将返回的后向瑞利散射光注入探测器的环形器，光电探测器，数据采集卡，波形发生卡，上位机，微控制器，1×N光开关（N=2ⁿ，n=1,2,3…），探测光缆；窄线宽激光器发出强相干光，进入声光调制器调制出脉冲光，经掺铒光纤放大器放大后的脉冲光进入环形器的1-2端口，通过光开关注入探测光缆，其后向瑞利散射光从环形器的2-3端口返回并注入光电探测器，光电探测器将光信号转换为电信号，通过数据采集卡进行模数转换，传输给上位机进行信号分析和处理，由上位机控制的波形发生卡产生的窄脉冲信号分为三路：一路作为声光调制器的调制脉冲，一路作为数据采集卡的同步采集触发脉冲，另一路作为微处理器控制光开关进行通道切换的触发脉冲。

该扰动传感系统通过光开关扩展实现多通道传感光纤链路的分时复用和同步监测，其多通道光纤链路的控制由周期性的触发脉冲驱动微控制器实现循环切换，微控制器通过RS232串口与上位机通信，实时将所切换的通道识别代码发给上位机，实现切换通道的识别，使之能够准确接收来自不同通道的数据。微控制器由周期性触发脉冲触发产生一组n位二进制编码信息，作为光开关控制电平输入，完成主监测链路的某一个通道切换，其他通道依次分别由不同的编码信息控制，待所有通道循环切换完毕，则重复以上过程，实现不间断实时循环切换。

该系统控制的多通道光纤链路分为主监测链路和备份链路两种类型。每相邻两个光纤链路通道编为一组，1×N光开关控制的N条链路可分为N/2组线路，每组线路监测一个片区，共监测N/2个片区，每组线路的两条光纤链路其中一条作为主监测链路，另一条作为备份链路，每条光纤链路均采用普通单模通信光纤，将单号通道的光纤链路作为主监测链路，双号通道的光纤链路作为备份链路，每组线路的两条探测光纤链路沿着监测区域周界并行进行挂缆或埋地铺设；若是多芯光缆，则选择多芯中的任两条芯作为该条线路上的主监测链路和备份链路；在没发生断缆故障情况下，1×N光开关只在主监测链路通道之间进行循环切换。

扰动探测的具体方法为：上位机对数据采集卡采集的信号进行分组累加平均，取相邻平滑曲线，进行归一化差值处理，利用归一化差值的突变信号的有无和位置信息判断扰动及其具体位置。数据采集卡在触发脉冲下，对光时域反射信号周期性采集，设触发脉冲重复频率f，重复周期为T，在第一个触发脉冲周期内采集长度为l的光时域信号{x₁,x₂...x_l}，光时域信号的数据采样率为f_s,采样周期为在下一个采样周期里采集的光时域信号为{x_l+1,x_l+2...x_2l}，依次类推，第N个采样周期采集的信号为{x_(n-1)l+1,x_(n-1)l+2...x_nl}，对这N个信号进行逐位累加取平均，得到一条平滑曲线信号其中为空间上第i点N次采样的光时域信号平均值，在下一个NT时间段内，进行同样处理，得到另一条平滑曲线信号对这两条相邻平滑曲线信号进行归一化差值，即得到归一化差值曲线，若该曲线中无突变点，则认为该段时间内监测光缆上无扰动事件，若该曲线在第i点出现峰值突变，超过设置的阈值，则认为在该处监测光缆出现扰动入侵事件，入侵位置即为第i点所对应的空间位置，计算公式为：其中c为真空中光速，n_折为探测光纤有效折射率，f_s为数据采样频率，k_i为空间第i个采样点序号，当出现扰动警情时，上位机启动声光报警，并给出报警位置信息，同步将报警位置转换为防区信息，通过串口发送并触发相应防区位置的摄像头及高音喇叭等音视频设备进行联动。

该系统在扰动探测过程中还可以进行在线断缆故障诊断和定位的方法：当主监测链路出现断缆故障时，上位机利用采集的光时域信号的空间相关性，判断断缆故障的发生与否及其位置，有光时域信号的信号相关性较强，而无光时域信号的噪声信号相关性较弱。

故障诊断及定位的具体方法如下：设采集长度为l的光时域信号为X＝{x₁,x₂,x₃...x_l}，从x₁开始依次向右平滑，每隔一个采样点取一段宽度为M的窗口信号作为一个单元，第一个单元为{x₁,x₂...x_M}，第二个单元为{x₂,x₃...x_M+1}，依次类推，长度为l的光时域信号可以得到l-M+1个窗口信号，计算每个窗口信号的时延为1个采样点的相关值系数，将该相关值信息与设定的阈值相比，若该相关值比阈值大，则认为该窗口信号相关性较强，里面有光时域信号，继续向右平滑直至该相关值比阈值小，则认为该窗口信号相关性较弱，里面没有光时域信号，可以确定断缆故障发生，其位置信息可由该窗口编号经过换算得到：(1≤K_i≤l-M+1)其中c为真空中光速，n_折为探测光纤折射率，f_s为采样频率，K_i为发生断缆故障所在的窗口编号；上位机结合微控制器发来的主监测链路编号j(j∈{1,3,5,7})，确认出现断缆故障的主监测链路通道，将断缆位置和断缆链路通道编号j及时反馈给用户，并进行断缆故障提示，与此同时，上位机将与该主监测链路对应的备份链路编号信息j'(j'∈{2,4,6,8})，发送给微控制器，微控制器控制光开关将断缆故障所在的j号主监测链路替换成其相应的j′号备份链路，在断缆故障修复之前，与其他无故障的主监测链路依次循环切换，最终实现系统在出现断缆故障时的不间断监测。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明针对基于光时域反射技术的分布式扰动传感系统特点，在不增加传感系统成本的基础上，通过微控制器控制光开关扩展多通道，实现多区域多线路的同时监测，与此同时还实现了多条线路上的链路备份功能；利用微控制器控制实现多通道的循环切换，同时与上位机串口通信实现多通道识别；利用系统自身的光时域信号实现断缆故障的实时自诊断和定位等功能，以及通过设定主监测链路和备份链路，在出现断缆故障后利用微控制器实现备份链路的自动启用，实现真正意义的多通道同步监测、且带链路故障诊断和链路备份功能的多线路及多防区的在线不间断监测与防护。

附图说明

图1为本发明的多通道分布式扰动传感系统结构及光纤链路铺设示意图。

具体实施方式

下面将参照附图，对本发明作进一步的描述：

本发明为一种带多通道控制、链路故障诊断和备份链路自启用等功能的多通道分布式扰动传感系统。

作为实施例一，系统的构成如图1所示，包括：窄线宽激光器1、上位机2、波形发生卡3、声光调制器（AOM）4、掺铒光纤放大器（EDFA）5、环形器6、1×8光开关7、探测光缆8，光电探测器9、数据采集卡10、微控制器（MCU）11等主要部分。

系统的工作流程如下：窄线宽激光器1发出强相干连续光，进入声光调制器（AOM）4调制出脉冲光，经掺铒光纤放大器（EDFA）5放大后的脉冲光经过环形器6的1-2端口进入，通过1×8光开关7注入探测光缆8，其后向瑞利散射光从环形器6的2-3端口返回并注入光电探测器9，光电探测器9将光信号转换为电信号，通过数据采集卡10进行模数转换，返回给上位机2进行信号分析和处理。由上位机2控制的波形发生卡3产生的窄脉冲信号分为三路：一路作为声光调制器（AOM）4的触发脉冲，一路作为数据采集卡10的同步触发脉冲，另一路作为微控制器（MCU）11控制光开关进行通道切换的触发脉冲。

作为实施例二，系统进行多通道扩展、切换的控制方法及通道识别方法：微控制器由周期性触发脉冲触发产生一组n位编码信息，作为1×N（N=2ⁿ，n=1,2,3…）光开关的控制电平输入，完成主监测链路的某一个通道切换，其他通道依次分别由不同的二进制编码信息控制，待所有通道循环切换完毕，则重复以上过程，实现不间断实时循环切换。如图1所示，以1×8光开关7为例，该系统控制的八条通道光纤链路分为主监测链路和备份链路两种类型，每相邻两个光纤链路通道编为一组，每组线路监测一个片区，1×8光开关7控制的八条光纤链路可分为四组监测线路，每组线路的两条探测链路8沿着监测区域周界并行进行挂缆或埋地铺设，链路1和2、3和4、5和6、7和8分别监测Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个区域，每个区域的一组线路的两条通道链路中，将单号链路（1、3、5、7）作为四个区域的主监测链路，双号链路（2、4、6、8）分别作为以上四条主监测链路的备份链路，在没发生断缆故障情况下，微控制器（MCU）11由触发脉冲触发产生一组三位的编码信息，控制1×8光开关在单号（1、3、5、7）的主监测链路通道之间进行循环切换，通道切换同时微控制器（MCU）11将所切换的通道识别代码或链路编号信息发送给上位机2，实现通道识别，以便其准确获得相应通道的数据，最终达到4个区域在线同步监测的目的。

作为实施例三，系统进行扰动探测的方法：上位机2对数据采集卡10采集的信号进行分组累加平均，取相邻平滑曲线，进行归一化差值处理，利用归一化差值的突变信号的有无和位置信息判断扰动及其具体位置，具体方法如下：数据采集卡10在触发脉冲下，对光时域反射信号周期性采集，设触发脉冲重复频率f，重复周期为T，在第一个触发脉冲周期内采集长度为l的光时域信号{x₁,x₂...x_l}，光时域信号的数据采样率为f_s,采样周期为在下一个采样周期里采集的光时域信号为{x_l+1,x_l+2...x_2l}，依次类推，第N个采样周期采集的信号为{x_(n-1)l+1,x_(n-1)l+2...x_nl}，对这N个信号进行逐位累加取平均，得到一条平滑曲线信号其中为空间上第i点N次采样的光时域信号平均值，在下一个NT时间段内，进行同样处理，得到另一条平滑曲线信号对这两条相邻平滑曲线信号进行归一化差值，即得到归一化差值曲线，若该曲线中无突变点，则认为该段时间内监测光缆上无扰动事件，若该曲线在第i点出现峰值突变，超过设置的阈值，则认为在该处监测光缆出现扰动入侵事件，入侵位置即为第i点所对应的空间位置，计算公式为：其中c为真空中光速，n_折为探测光纤有效折射率，f_s为数据采样频率，k_i为空间第i个采样点序号，当出现扰动警情时，上位机启动声光报警，并给出报警位置信息，同步将报警位置转换为防区信息，通过串口发送并触发相应防区位置的摄像头及高音喇叭等音视频设备进行联动。

作为实施例四，系统在进行实时扰动探测过程中进行在线断缆故障诊断和定位的方法：当主监测链路出现断缆故障时，上位机利用采集的光时域信号的空间相关性，判断断缆故障的发生与否及其位置，有光时域信号的信号相关性较强，而无光时域信号的噪声信号相关性较弱，其具体方法如下：设采集长度为l的光时域信号为X＝{x₁,x₂,x₃...x_l}，从x₁开始依次向右平滑，每隔一个采样点取一段宽度为M的窗口信号作为一个单元，第一个单元为{x₁,x₂...x_M}，第二个单元为{x₂,x₃...x_M+1}，依次类推，长度为l的光时域信号可以得到l-M+1个窗口信号，计算每个窗口信号的时延为1个采样点的相关值系数，将该相关值信息与设定的阈值相比，若该相关值比阈值大，则认为该窗口信号相关性较强，里面有光时域信号，继续向右平滑直至该相关值比阈值小，则认为该窗口信号相关性较弱，里面没有光时域信号，可以确定断缆故障发生，其位置信息可由该窗口编号经过换算得到：(1≤K_i≤l-M+1)其中c为真空中光速，n_折为探测光纤折射率，f_s为采样频率，K_i为发生断缆故障所在的窗口编号；上位机结合微控制器（MCU）发来的主监测链路编号j(j∈{1,3,5,7})，确认出现断缆故障的主监测链路通道，将断缆位置和断缆链路通道编号j及时反馈给用户，并进行断缆故障提示，与此同时，上位机将与该主监测链路对应的备份链路编号信息j'(j'∈{2,4,6,8})，发送给微控制器（MCU），微控制器（MCU）控制光开关将断缆故障所在的j号主监测链路替换成其相应的j′号备份链路，在断缆故障修复之前，与其他无故障线路的主监测链路依次循环切换，最终实现系统在出现断缆故障时的不间断监测。

本发明实施例中列举的是一种带多通道控制、链路故障诊断和备份链路自启用的新型多通道分布式扰动传感系统，该系统中的光开关和微控制器可以根据实际需求进行选用，该发明内容也适用于其他基于光时域反射技术的分布式光纤传感系统中。

Claims (5)

1.一种新型多通道分布式扰动传感系统，其特征在于：该系统结构包括输出连续相干光的窄线宽激光器，将连续相干光调制为脉冲光的声光调制器，实现光脉冲放大的掺铒光纤放大器，将输入光脉冲注入探测光缆并将返回的后向瑞利散射光注入探测器的环形器，光电探测器，数据采集卡，波形发生卡，上位机，微控制器，1×N光开关，N＝2ⁿ，n＝1,2,3…，探测光缆；窄线宽激光器发出强相干光，进入声光调制器调制出脉冲光，经掺铒光纤放大器放大后进入环形器的1-2端口，通过光开关注入探测光缆，其后向瑞利散射光从环形器的2-3端口返回并注入光电探测器，光电探测器将光信号转换为电信号，通过数据采集卡进行模数转换，传输给上位机进行信号分析和处理，由上位机控制的波形发生卡产生的窄脉冲信号分为三路：一路作为声光调制器的调制脉冲，一路作为数据采集卡的同步采集触发脉冲，另一路作为微处理器控制光开关进行通道切换的触发脉冲；该扰动传感系统通过光开关扩展实现多通道光纤链路的分时复用和同步监测，其多通道光纤链路的控制由周期性的触发脉冲驱动微控制器实现循环切换，微控制器通过RS232串口与上位机通信，实时将所切换的通道识别代码发给上位机，实现切换通道的识别，使之能够准确接收来自不同通道的数据；微控制器由周期性触发脉冲触发产生一组n位编码信息，作为光开关控制电平输入，完成主监测链路的某一个通道切换，其他通道依次分别由不同的二进制编码信息控制，待所有通道循环切换完毕，则重复以上过程，实现不间断实时循环切换；该系统控制的多通道光纤链路分为主监测链路和备份链路两种类型。

2.根据权利要求1所述的一种新型多通道分布式扰动传感系统，其特征在于：每相邻两个光纤链路通道编为一组，1×N光开关控制的N条链路可分为N/2组线路，每组线路监测一个片区，共监测N/2个片区，每组线路的两条光纤链路其中一条作为主监测链路，另一条作为备份链路，每条光纤链路均采用普通单模通信光纤，将单号通道的光纤链路作为主监测链路，双号通道的光纤链路作为备份链路，每组线路的两条探测光纤链路沿着监测区域周界并行进行挂缆或埋地铺设；若是多芯光缆，则选择多芯中的任两条芯作为该条线路上的主监测链路和备份链路；在没发生断缆故障情况下，1×N光开关只在N/2条主监测链路通道之间进行循环切换。

3.根据权利要求1～2任一项所述的一种新型多通道分布式扰动传感系统，其特征在于：上位机对数据采集卡采集的信号进行分组累加平均，取相邻平滑曲线，进行归一化差值处理，利用归一化差值的突变信号的有无和位置信息判断扰动及其具体位置；数据采集卡在触发脉冲周期性触发下，对光时域反射信号周期性采集，设触发脉冲重复频率f，重复周期为T，在第一个触发脉冲周期内采集长度为l的光时域信号{x₁,x₂...x_l}，光时域信号的数据采样率为f_s,采样周期为在下一个采样周期里采集的光时域信号为{x_l+1,x_l+2...x_2l}，依次类推，第N个采样周期采集的信号为{x_(n-1)l+1,x_(n-1)l+2...x_nl}，对这N个信号进行逐位累加取平均，得到一条平滑曲线信号其中为空间上第i点N次采样的光时域信号平均值，在下一个NT时间段内，进行同样处理，得到另一条平滑曲线信号对这两条相邻平滑曲线信号进行归一化差值，即得到归一化差值曲线，若该曲线中无突变点，则认为该段时间内监测光缆上无扰动事件，若该曲线在第i点出现峰值突变，超过设置的阈值，则认为在该处监测光缆出现扰动入侵事件，入侵位置即为第i点所对应的空间位置，计算公式为：其中c为真空中光速，n_折为探测光纤有效折射率，f_s为数据采样频率，k_i为空间第i个采样点序号，当出现扰动警情时，上位机启动声光报警，并给出报警位置信息，同步将报警位置转换为防区信息，通过串口发送并触发相应防区位置的摄像头及高音喇叭进行联动。

4.根据权利要求3所述的一种新型多通道分布式扰动传感系统，其特征在于：该系统在扰动探测过程中同时还可以进行在线断缆故障诊断和定位，当主监测链路出现断缆故障时，上位机利用采集的光时域信号的空间相关性，判断断缆故障的发生与否及其位置，有光时域信号的信号相关性较强，而无光时域信号的噪声信号相关性较弱。

5.根据权利要求3所述的一种新型多通道分布式扰动传感系统，其特征在于：设采集长度为l的光时域信号为X＝{x₁,x₂,x₃...x_l}，从x₁开始依次向右平滑，每隔一个采样点取一段宽度为M的窗口信号作为一个单元，第一个单元为{x₁,x₂...x_M}，第二个单元为{x₂,x₃...x_M+1}，依次类推，长度为l的光时域信号可以得到l-M+1个窗口信号，计算每个窗口信号的时延为1个采样点的相关值，将该相关值与设定的阈值相比，若该相关值比阈值大，则认为该窗口信号相关性较强，里面有光时域信号，继续向右平滑直至该相关值比阈值小，则认为该窗口信号相关性较弱，里面没有光时域信号，可以确定断缆故障发生，其位置信息可由该窗口编号经过换算得到：其中c为真空中光速，n_折为探测光纤折射率，f_s为采样频率，K_i为发生断缆故障所在的窗口编号；上位机结合微控制器发来的主监测链路编号j,j∈{1,3,5,7},确认出现断缆故障的主监测链路通道，将断缆位置和断缆链路通道编号j及时反馈给用户，并进行断缆故障提示，与此同时，上位机将与该主监测链路对应的备份链路编号信息j′,j′∈{2,4,6,8},发送给微控制器，微控制器控制光开关将断缆故障所在的j号主监测链路替换成其相应的j′号备份链路，在断缆故障修复之前，与其他无故障的主监测链路依次循环切换，最终实现系统在出现断缆故障时的不间断监测。