CN103824406A - 基于光纤传感的隧道电缆入侵探测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤传感的隧道电缆入侵探测方法，该电缆入侵探测方法包括：将探测光纤捆绑到电缆上并沿电缆一起铺设；根据来自光纤的光信号特征检测电缆是否受到入侵；如果电缆受到入侵，则根据相干光时域反射原理检测电缆的入侵位置。本发明可以通过探测光纤检测到电缆的入侵状态，并通过基于相位的光时域反射技术对入侵发生区域位置进行精确定位，这样，不但可以对入侵人员定位外，也可对巡检人员定位，从而使监控室管理人员快速到达事发现场，减少响应时间，在实际破坏或危险发生前做出应对。

Description

基于光纤传感的隧道电缆入侵探测方法和系统

技术领域

本发明涉及电力领域，特别是涉及一种基于光纤传感的隧道电缆入侵探测方法和系统。

背景技术

    光纤传感技术是在20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，它是一种以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的一种新型传感技术。这些光纤传感器根据作用范围又可以分为三类：点式传感器（如光纤微弯传感器、光纤Fabry-Perot传感器、光纤Bragg光栅传感器等），积分传感器（如光纤Michelson干涉仪和光纤Mach-Zehnder干涉仪），分布式传感器（如利用布里渊散射效应制成的应力、温度分布式传感器）。其中由于分布式光纤传感能够监测光纤每一点的数据，其应用已经得到世界范围内的广泛重视，其本身具有其它传统电传感器无可比拟的优点，主要是：电绝缘，抗电磁干扰，耐高温高压，耐化学腐蚀，布设灵活和维护成本低等。

目前，分布式光纤传感器主要用于电力电缆、交通隧道等的温度监测和安全监控。近几年来，随着社会的不断发展，人们安防意识的不断提高，然而管线破坏事件屡见不鲜，传统的人工巡逻和泄露检测技术已无法满足人们的要求，因此，人们开始寻求一种自动监测技术，在实际破坏发生前实现预警，这样能大大减少由于破坏造成的损失。分布式光纤可以通过实时“感知”应力、振动、声音等信号，发现异常入侵信号而在周界、电力电缆、石油管线等的入侵监测上掀起热潮。

特别是，在隧道中有很多电缆、钢材等贵重物品，常常发生偷盗事件；隧道电缆位置不明显，容易受到第三方从外部钻探和机械挖掘的破坏。此外，隧道中无手机信号，如巡检人员或其他人员出现危险无法求救，危急人身安全。因此，对隧道电缆进行实时监测，并对不同的入侵行为进行识别及定位，在实际破坏或危险发生前，发出预警信号，便于管理人员及时处理，在极大程度上减小了损失。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光纤传感的电缆入侵探测方法和系统，以解决现有技术中无法定位入侵位置的问题。

为解决上述技术问题，作为本发明的第一个方面，提供了一种基于光纤传感的电缆入侵探测方法，包括：将探测光纤捆绑到电缆上并沿电缆一起铺设；根据来自光纤的光信号特征检测电缆是否受到入侵；如果电缆受到入侵，则根据相干光时域反射原理检测电缆的入侵位置。

进一步地，探测光纤与电缆的轴线之间的连接与水平面之间的夹角为45度。

进一步地，在根据光时域反射原理检测电缆的入侵位置时，采用超窄脉冲光作为种子源。

进一步地，入侵位置根据下式计算得到：

         Z=ct/(2 n)

    其中，Z为入侵位置；t为入射信号与其返回信号的时间差；c 为光在真空中的速度；n为光纤纤芯的有效折射率。

进一步地，方法还包括根据探测光纤的光信号特征检测电缆的入侵行为模式。

进一步地，根据光纤的光信号特征检测电缆的入侵行为模式包括：根据光信号的强弱、持续时间、信号间隔识别出入侵行为模式。

进一步地，入侵行为模式包括机械挖掘、和/或机械钻探、和/或人工挖掘、和/或人员偷盗。

进一步地，电缆入侵探测方法还包括将入侵位置和入侵行为模式作为报警信息进行报警。

作为本发明的第二个方面，提供了一种基于光纤传感的电缆入侵探测系统，包括：探测光纤，捆绑到电缆上并沿电缆一起铺设，用于生成入侵信息；监控主机，与探测光纤耦合，用于采集入侵信息；工控机，与监控主机电连接，用于根据来自探测光纤的光信号特征检测电缆是否受到入侵，并在检测到电缆受到入侵的情况下，根据光时域反射原理检测电缆的入侵位置。

进一步地，电缆入侵探测系统还包括综合结果显示及报警平台，与工控机连接，用于显示入侵报警信息。

本发明可以通过探测光纤检测到电缆的入侵状态，并通过基于相位的光时域反射技术对入侵发生区域位置进行精确定位，这样，不但可以对入侵人员定位外，也可对巡检人员定位，从而使监控室管理人员快速到达事发现场，减少响应时间，在实际破坏或危险发生前做出应对。

附图说明

图1是本发明中基于光纤传感的隧道电缆入侵探测系统的结构示意图。

图2是本发明中基于光纤传感的隧道电缆入侵探测系统中探测光纤与电缆的位置关系图。

图3是本发明中基于光纤传感的隧道电缆入侵探测方法的处理流程图。

图4是本发明隧道电缆入侵探测所依据的光时域反射的原理图。

图5是本发明中基于光纤传感的隧道电缆入侵探测方法中探测数据处理流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，以求更为清楚明了地理解本发明的结构组成和工作方式，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式具体实现。

请参考图1，作为本发明的第一个方面，其提供了一种基于光纤传感的电缆入侵探测系统，特别适用于对隧道电缆入侵的探测。该隧道电缆入侵探测系统包括：探测光纤1，捆绑到隧道电缆2上并沿电缆一起铺设，用于生成入侵信息，利用探测光纤1可以获取隧道电缆2所受到的振动、声音等信息；监控主机3，与探测光纤1耦合，用于采集入侵信息，特别地，可实现入侵信息的去噪与滤波，并将其从模拟信号转变为数字信号，以供下述的工控机4使用；工控机4，与监控主机3电连接，用于根据来自探测光纤1的光信号特征检测隧道电缆2是否受到入侵，并在检测到隧道电缆2受到入侵的情况下，根据相干光时域反射原理检测隧道电缆2的入侵位置。其中，探测光纤1沿隧道电缆2捆绑铺设于其表面，从而可以“感知”隧道电缆2表面的振动、压力、声音等信息，从而生成入侵信息。

本发明可以通过探测光纤1检测到隧道电缆2的入侵状态，并通过基于相位的光时域反射技术对入侵发生区域位置进行精确定位，这样，不但可以对入侵人员定位外，也可对巡检人员定位，从而使监控室管理人员快速到达事发现场，减少响应时间，在实际破坏或危险发生前做出应对。

进一步地，在进行电缆入侵探测时，由于光缆其本身是无源的，无需供电，从而使隧道电缆的7×24小时的实时监测更易实现，安全性、可靠性高。此外用光纤监测还具有抗电磁干扰、防腐蚀等优点，可适合隧道的特殊环境。

优选地，工控机4还可用于根据探测光纤1的光信号特征检测隧道电缆2的入侵行为模式。优选地，根据光纤的光信号特征检测隧道电缆2的入侵行为模式包括：根据光信号的强弱、持续时间、信号间隔识别出入侵行为模式。优选地，入侵行为模式包括机械挖掘、和/或机械钻探、和/或人工挖掘、和/或人员偷盗（敲、砸），从而帮助监控室管理人员迅速反应，在实际破坏发生前针对不同入侵行为做出应对。也就是说，工控机4可根据探测光纤1采集到的隧道电缆2所受到的振动、应力、声学等信息进行算法模式识别。特别地，工控机4对入侵行为模式具有自适应的学习功能，从而不断提高模式识别的精准程度。

下面，对上述入侵行为模式识别的具体方法进行详细举例说明：

步骤1，分析并生成与入侵行为模式（例如机械挖掘、机械钻探、人工挖掘、人员偷盗等）相匹配的特征信息，例如，

a．机械挖掘（一般为从隧道外部，由远及近）：其振动强度普遍大，且随着挖掘机靠近隧道电缆的过程一般会经历振动强度由弱到强的过程，每次振动时间短。因此，其振动表现形式为：点式振动、间隔、再点式振动的反复，从而可以将该振动表现形式作为特征信息。

b. 机械钻探：振动强度较大，其振动表现形式为：连续振动（例如，振动强度由弱到强）、间隔、再连续振动的反复，从而可以将该振动表现形式作为特征信息。

c. 人工挖掘：振动强度小于机械挖掘，事件振动间隔每次都不完全一样，其余和机械挖掘相似，从而可以将该振动表现形式作为特征信息。

d．人员偷盗：振动不规则，且发生入侵行为的前期的振动几乎没有，从而可以将该振动表现形式作为特征信息。

步骤2，由光信号特征分析实际行为模式产生的频谱特征，然后根据上述特征信息与该频谱特征比较，从而初步确定入侵行为模式，并将该频谱特征和该初步确定的入侵行为模式存入模式识别库。

步骤3，根据实际行为模式，（例如通过手动或自动的方式）不断修正该模式识别库。例如，可使用各种智能算法（例如人工神经网络等），使本方法具有自学习功能，从而提高模式识别的可靠性。

请参考图1，探测光纤1通过抱箍6与隧道电缆2捆绑为一体，并沿隧道电缆2一同铺设。优选地，请参考图2，探测光纤1与隧道电缆2的轴线之间的连接与水平面之间的夹角为45度，这样，既能在重力作用下使探测光纤1和隧道电缆2充分贴合，又不至于因为被踩踏而受到损害。进一步地，由于探测光纤1只需沿隧道电缆2捆绑铺设，施工方便易行，维修方便，适合于大范围、长距离的电缆的实时监测。

优选地，电缆入侵探测系统还包括综合结果显示及报警平台，与工控机4连接，用于显示入侵报警信息。

总之，本发明中的上述方法可用来监测隧道电缆不同的入侵行为模式，包括机械挖掘、机械钻探、人工挖掘、人员偷盗等，此外，根据还可对基于相位的光时域反射技术对入侵发生区域位置进行精确定位，并将数据传回监控中心（综合结果显示及报警平台），并能自动地根据所监测到的数据决定是否发出告警信号。

请参考图3，作为本发明的第二方面，其还提供了一种基于光纤传感的电缆入侵探测方法，特别适用于对隧道电缆入侵的探测，该方法包括：将探测光纤1捆绑到隧道电缆2上并沿隧道电缆2一起铺设；根据来自光纤的光信号特征检测隧道电缆2是否受到入侵；如果隧道电缆2受到入侵，则根据光时域反射原理检测隧道电缆2的入侵位置。

本发明可以通过探测光纤1检测到隧道电缆2的入侵状态，并通过基于相位的光时域反射技术对入侵发生区域位置进行精确定位，这样，不但可以对入侵人员定位外，也可对巡检人员定位，从而使监控室管理人员快速到达事发现场，减少响应时间，在实际破坏或危险发生前做出应对。

优选地，请参考图2，探测光纤1与隧道电缆2的轴线之间的连接与水平面之间的夹角为45度。这样，既能在重力作用下使探测光纤1和隧道电缆2充分贴合，又不至于因为被踩踏而受到损害。进一步地，由于探测光纤1只需沿隧道电缆2捆绑铺设，施工方便易行，维修方便，适合于大范围、长距离的电缆的实时监测。

优选地，在根据光时域反射原理检测隧道电缆2的入侵位置时，采用超窄脉冲光作为种子源。

优选地，请参考图4，入侵位置根据下式计算得到：

         Z=ct/(2 n)

    其中，Z为入侵位置；t为入射信号与其返回信号的时间差；c 为光在真空中的速度；n为光纤纤芯的有效折射率。

具体地说，本发明基于相位的光时域反射技术对入侵发生区域位置进行精确定位的原理如图4所示。光脉冲在光纤中传播时，由于瑞利散射而发生能量损耗，通过监测后向散射光强度，就可以获得散射系数或衰减程度沿光纤分布的状况。基于C-OTDR传感原理，采用超窄脉冲光A作为种子源，注入光纤中的光是高度相干的，输出为脉冲宽度区域内反射回来的瑞利散射光相干涉的结果。系统采集光纤中的后向瑞利散射光B。当光纤链路中有扰动发生时，系统所采集的后向瑞利散射光的折射率发生了改变，导致了在该位置处光相位发生了变化，从而导致了散射光光强的变化。这样，系统通过实时检测光强，将前后两个信号光强进行对比，当光强有变化时，通过计算强度发生变化的反射时间来判断发生变化的扰动位置。设入射信号与其返回信号的时间差为t，那么利用上式就可计算出上述事件点与C-OTDR的距离Z。于是，就可以在光纤链路中精准定位发生扰动（扰动主要来自声音和振动）的地点，从而定位入侵者。

如图5所示，本发明的探测方法和探测系统采集数据并进行处理的过程如下： 

如隧道电缆附件出现机械挖掘行为，探测光缆2作为传感器获得振动、声音等信息后将这些机械挖掘作用于光缆附近产的振动信号传送给监测主机3，监测主机3对探测光缆传输过来的振动信号进行去噪与滤波，降低环境对机械挖掘产生的振动信号的影响，并将模拟信号转变为数字信号，后将经去噪和滤波转化后的数字信号传输给工控机4，用于信号的进一步处理与分析。

工控机4对数字信号进行分析，通过对信号的强弱等进行分析判定有异常振动出现，并初步判定有入侵行为发生，并进一步对信号进行模式识别算法分析，通过分析信号的强弱、持续时间、信号间隔等信息发现该入侵行为产生的振动信号强度大，且振动信号由弱到强，每次振动信号发生的时间短。呈现“点式振动、间隔、再点式振动”的反复的形势，识别出隧道电缆遇到机械挖掘的入侵行为。

判定入侵行为模式后，根据基于相位的光时域反射技术对入侵发生区域位置进行精确定位。

最后将结果输送到上位机软件上的综合结果显示及报警平台6进行报警提示，报警信息包括：有发生机械挖掘的入侵事件，入侵发生的位置、入侵持续的事件。

优选地，方法还包括根据探测光纤1的光信号特征检测隧道电缆2的入侵行为模式。根据光纤的光信号特征检测隧道电缆2的入侵行为模式包括：根据光信号的强弱、持续时间、信号间隔识别出入侵行为模式。入侵行为模式包括机械挖掘、和/或机械钻探、和/或人工挖掘、和/或人员偷盗。电缆入侵探测方法还包括将入侵位置和入侵行为模式作为报警信息进行报警。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光纤传感的隧道电缆入侵探测方法，其特征在于，包括：将探测光纤（1）捆绑到隧道电缆（2）上并沿所述隧道电缆（2）一起铺设；根据来自所述光纤的光信号特征检测所述隧道电缆（2）是否受到入侵；如果所述隧道电缆（2）受到入侵，则根据相干光时域反射原理检测所述隧道电缆（2）的入侵位置。

2.根据权利要求1所述的基于光纤传感的隧道电缆入侵探测方法，其特征在于，所述探测光纤（1）与所述隧道电缆（2）的轴线之间的连接与水平面之间的夹角为45度。

3.根据权利要求1所述的基于光纤传感的隧道电缆入侵探测方法，其特征在于，在根据光时域反射原理检测所述隧道电缆（2）的入侵位置时，采用超窄脉冲光作为种子源。

4.根据权利要求1所述的基于光纤传感的隧道电缆入侵探测方法，其特征在于，所述入侵位置根据下式计算得到：       

Z=ct/(2 n)

其中，Z为入侵位置；t为入射信号与其返回信号的时间差；c 为光在真空中的速度；n为光纤纤芯的有效折射率。

5.根据权利要求1所述的基于光纤传感的隧道电缆入侵探测方法，其特征在于，所述方法还包括根据所述探测光纤（1）的光信号特征检测所述隧道电缆（2）的入侵行为模式。

6.根据权利要求5所述的基于光纤传感的隧道电缆入侵探测方法，其特征在于，根据所述光纤的光信号特征检测所述隧道电缆（2）的入侵行为模式包括：根据光信号的强弱、持续时间、信号间隔识别出所述入侵行为模式。

7.根据权利要求5所述的基于光纤传感的隧道电缆入侵探测方法，其特征在于，所述入侵行为模式包括机械挖掘、和/或机械钻探、和/或人工挖掘、和/或人员偷盗。

8.根据权利要求5所述的基于光纤传感的隧道电缆入侵探测方法，其特征在于，所述电缆入侵探测方法还包括将所述入侵位置和所述入侵行为模式作为报警信息进行报警。

9.一种基于光纤传感的隧道电缆入侵探测系统，其特征在于，包括：

探测光纤（1），捆绑到隧道电缆（2）上并沿所述电缆一起铺设，用于生成入侵信息；

监控主机（3），与所述探测光纤（1）耦合，用于采集所述入侵信息；

工控机（4），与所述监控主机（3）电连接，用于根据来自所述探测光纤（1）的光信号特征检测所述隧道电缆（2）是否受到入侵，并在检测到所述隧道电缆（2）受到入侵的情况下，根据光时域反射原理检测所述隧道电缆（2）的入侵位置。

10.根据权利要求9所述的基于光纤传感的隧道电缆入侵探测系统，其特征在于，所述电缆入侵探测系统还包括综合结果显示及报警平台，与所述工控机（4）连接，用于显示入侵报警信息。

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