CN104424741A - 一种光纤水下智能围栏系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤水下智能围栏系统及其应用，系统包括监测终端、传输光缆和光纤智能围栏，监测终端位于水上，光纤智能围栏位于水下，传输光缆连接监测终端和光纤智能围栏，光纤智能围栏包括振动传感光缆子系统、围栏和固定装置，振动传感光缆子系统通过固定装置固定在围栏上；振动传感光缆子系统为无源器件。在水下的部分全部由无源器件组成，在工作时无电流通过，不辐射电磁波，也不受电磁干扰，不会产生漏电、短路、发热等现象，可长期在水中工作而不具有危险性。仅在水面以上的监测终端需要低功率的电能供应，水下部分全部通过光纤器件和光缆传输光信号，能量损耗极小，可在水下长达数十公里的范围内无需外界能源供应而长期工作。

Description

一种光纤水下智能围栏系统及其应用

技术领域

本发明涉及一种水下的周界安防系统及其应用，特别是涉及一种其水下部分不包含任何电子元器件、无需电能供应因而本质安全的可应用于各种临水区域的光纤水下智能围栏系统及其应用。

背景技术

随着恐怖活动不断地从陆地向水下发展，对水下入侵目标的检测以及识别、定位、预警成为新的关注焦点。近年来，各种检测水下目标的技术及设备不断涌现。

现有的水下监测系统，无论是传感器、数据采集系统，还是数据传输系统，大部分由电子元器件组成，需要电力供应，这些电子元器件在水下环境中长期运行，有产生短路、局部发热等先天的安全隐患，均具有危险性。

发明内容

针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种其水下部分不包含任何电子元器件、无需电能供应因而本质安全的可应用于各种临水区域的光纤水下智能围栏系统及其应用。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种光纤水下智能围栏系统，所述系统包括监测终端、传输光缆和光纤智能围栏，监测终端位于水上，光纤智能围栏位于水下，传输光缆连接监测终端和光纤智能围栏，传输光缆与监测终端连接的一端位于水面上，传输光缆与光纤智能围栏连接的一端位于水面下，所述光纤智能围栏包括振动传感光缆子系统、围栏和固定装置，振动传感光缆子系统通过固定装置固定在围栏上；所述振动传感光缆子系统为无源器件。

在本发明的具体实施例子中：所述监测终端包括光源模块、光分路模块、检测和放大模块、数据采集模块、数据处理模块和显示模块，光分路模块与光源模块和检测和放大模块均电连接，检测和放大模块与数据采集模块电连接，数据采集模块与数据处理模块电连接，数据处理模块与显示模块电连接；所述传输光缆与监测终端中的光分路模块电连接。

在本发明的具体实施例子中：所述传感光缆子系统包括光预处理模块、传感光缆和反射端；光预处理模块与传输光缆连接，传感光缆的一端连接在光预处理模块上，传感光缆的另一端为所述的反射端。

在本发明的具体实施例子中：所述光预处理模块包括2×2光纤耦合器I、2×2光纤耦合器II、光纤延迟线、光纤跳线I、光纤跳线II，所述光纤跳线I和光纤跳线II连接2×2光纤耦合器I和2×2光纤耦合器II，光纤延迟线制作在光纤跳线I上。

在本发明的具体实施例子中：所述振动传感光缆子系统呈现曲线分布在围栏上。

一种光纤水下智能围栏系统的应用，包括如下步骤：

（1）.将监测终端放置于水面以上的远离现场的安全监控中心，传输光缆一端连接水上的监测终端，另一端进入水下连接光纤智能围栏，光纤智能围栏安装在水下现场监测需要的位置；

（2）.当水下有入侵物触碰光纤智能围栏后，会引起围栏及固定在上面的振动传感光缆子系统产生振动；入侵物作为振动源，根据光纤的弹光效应，振动源产生的振动信号将引起该处传感光缆内部光纤长度和折射率的微小变化，从而使得光纤内部传输的光在经过该处传感光缆的时候走过的光程随时间而变化，实现对该处传感光缆中传播光的相位进行调制；

（3）.宽光谱的光源模块发出的连续光波，经过光分路模块后进入传输光缆，经过传输光缆远程传输到光纤智能围栏的振动传感光缆子系统中；在振动传感光缆子系统的光预处理模块中，光能量被2×2光纤耦合器I分为2个光分量，其中进入光纤跳线II的光分量直接进入2×2光纤耦合器II中；进入光纤跳线I的光分量经过光纤延迟线，产生了延时T后，再进入2×2光纤耦合器II；光纤跳线I、光纤跳线II中的两个光分量在2×2光纤耦合器II中合并后进入传感光缆，在传感光缆内部传播的是两个具有时间差T的光分量，这两个光分量经过一定距离的向前传播后，遇到传感光缆末端的反射端，被反射后沿传感光缆原路向后传播，至2×2光纤耦合器II后，原来具有时间差T的两个光分量被再次分光后分别通过具有光纤延迟线的光纤跳线I和没有延时的光纤跳线II，并进入2×2光纤耦合器I中合并，合并后进入传输光缆，并通过传输光缆回到监测终端中；

（3）.在监测终端中，返回的光信号经由光分路模块后，首先进入检测与放大模块，对光信号进行光电转换、低噪声放大、高通滤波处理，转化成适合运算处理器采集和运算的电信号；在数据采集模块中完成模数转换、高速数据采集；在数据处理模块中完成信息解调还原、频谱变换、模式识别、智能分析、数据存储功能；最终在显示模块中对各种监测到的信息进行实时显示、定位和报警或预警。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供的光纤水下智能围栏系统及其应用具有以下优点：

1.安全：本发明中在水下的部分全部由无源器件组成，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，也不受电磁干扰，不会产生漏电、短路、发热等现象，可长期在水中工作而不具有危险性。

2.绿色节能，低碳环保：本发明中仅在水面以上的监测终端需要低功率的电能供应，水下部分全部通过光纤器件和光缆传输光信号，能量损耗极小，可在水下长达数十公里的范围内无需外界能源供应而长期工作。

附图说明

图1是本发明的整个系统的简图。

图2是本发明中监测终端的结构示意图的框图（其中实体箭头为光路方向，中空箭头为电路方向）。

图3是本发明中光纤智能围栏的结构示意图。

图4是本发明的一个实施例中振动传感光缆子系统的结构示意图。

图5是本发明的一个实施例中用于对振动源定位的频谱曲线图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

图1是本发明的整个系统的简图，如图1所示：在本发明中，整个系统包括监测终端10、传输光缆20和光纤智能围栏30，监测终端10位于水上，光纤智能围栏30位于水下，传输光缆20连接监测终端10和光纤智能围栏30，传输光缆20与监测终端10连接的一端位于水面上，传输光缆20与光纤智能围栏30连接的一端位于水面下。

另外，光纤智能围栏30也可以放在陆地上，放在水下与陆地上均可以实现本发明。

图2是本发明中监测终端的结构示意图的框图，其中实体箭头为光路方向，中空箭头为电路方向。如图2所示：在本发明中，监测终端10包括光源模块11、光分路模块12、检测和放大模块13、数据采集模块14、数据处理模块15和显示模块16，光分路模块12与光源模块11和检测和放大模块13均电连接，检测和放大模块13与数据采集模块14电连接，数据采集模块14与数据处理模块15电连接，数据处理模块15与显示模块16电连接。传输光缆20与监测终端10中的光分路模块12电连接。

图3是本发明中光纤智能围栏的结构示意图，如图3所示：在本发明中，光纤智能围栏30包括振动传感光缆子系统31、围栏32和固定装置33，振动传感光缆子系统31通过固定装置33固定在围栏32上；在本发明中，振动传感光缆子系统31采用无源器件。如图3所示：振动传感光缆子系统31根据现场需要蛇形分布于围栏32上，并由固定装置33进行固定。振动传感光缆子系统31可以根据现场需要呈现不同的形状分布于围栏32上。本发明水下部分全部由无源器件组成，不含电子器件，不用像常规电子产品一样考虑水下的密封性。

图4是本发明的一个实施例中振动传感光缆子系统的结构示意图，如图4所示：在本发明中，传感光缆子系统31包括光预处理模块311、传感光缆312和反射端313；光预处理模块311与传输光缆20连接，传感光缆312的一端连接在光预处理模块311上，传感光缆312的另一端为反射端313。

光预处理模块311包括2×2光纤耦合器I3111、2×2光纤耦合器II3112、光纤延迟线3113、光纤跳线I3114、光纤跳线II3115，光纤跳线I3114和光纤跳线II3115连接2×2光纤耦合器I3111和2×2光纤耦合器II3112，光纤延迟线3113制作在光纤跳线I3114上。

本实施例的光路特征是：宽光谱的光源模块11发出的连续光波，经过光分路模块12后进入传输光缆20，经过传输光缆20远程传输到光纤智能围栏30的振动传感光缆子系统31中。在振动传感光缆子系统31的光预处理模块311中，光能量被2×2光纤耦合器I3111分为2个光分量，其中进入光纤跳线II3115的光分量直接进入2×2光纤耦合器II3112中；进入光纤跳线I3114的光分量经过光纤延迟线3113，产生了延时T后，再进入2×2光纤耦合器II3112；光纤跳线I3114、光纤跳线II3115中的两个光分量在2×2光纤耦合器II3112中合并后进入传感光缆312，因此，在传感光缆312内部传播的是两个具有时间差T的光分量，这两个光分量经过一定距离的向前传播后，遇到传感光缆312末端的反射端313，被反射后沿传感光缆312原路向后传播，至2×2光纤耦合器II3112后，原来具有时间差T的两个光分量被再次分光后分别通过具有光纤延迟线3113的光纤跳线I3114和没有延时的光纤跳线II3115，并进入2×2光纤耦合器I3111中合并，合并后进入传输光缆20，并通过传输光缆20回到监测终端10中。

光预处理模块311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311一端连接的传感光缆312，能够感知自身的振动信息，起到传感的作用；当光分量往返两次通过光预处理模块311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311另一端的传输光缆20，此时传输光缆20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振动信息的影响。

在振动传感光缆子系统31中一共产生如下的4个光分量：（a）向前传播时具有延时T，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T；（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T。因为光源模块11采用宽光谱光源，使得光波的相干长度小于光纤延迟线3113的长度，因次，上述4个光分量中，只有光分量（a）和（b）满足相干条件，产生干涉后的光波通过光分路模块12后进入检测与放大模块13，转变为电信号后依次进入数据采集模块14、数据处理模块15、和显示模块16中。

本实施例的工作机理如下：

监测终端通过传输光缆向光纤智能围栏上的振动传感光缆子系统发射光信号；受到调制后的光信号再返回到监测终端后，在监测终端内部完成光电转换、信号采集、信号解调、分析处理、显示与报警等功能，从而实现对水下入侵围栏行为的实时监测。

当水下有蛙、人等入侵物触碰光纤智能围栏30后，会引起围栏32及固定在上面的振动传感光缆子系统31产生振动。蛙、人等入侵物可作为振动源314，根据光纤的弹光效应，振动源314产生的振动信号将引起该处传感光缆312内部光纤长度和折射率的微小变化，从而使得光纤内部传输的光在经过该处传感光缆312的时候走过的光程随时间而变化，实现对该处传感光缆312中传播光的相位进行调制。

在传感光缆312没有产生振动的情况下，光分量（a）和（b）在经过传感光缆312后，走过的光程完全相同。

在振动源314在传感光缆312某点处产生振动的情况下，当光波向前传播时受到振动源314的第一次调制，当光纤中的光波遇到反射端313后被反射向后传播至振动源314时，被第二次调制。设两次调制之间的时间间隔为T，振动源314所处的位置和反射端313之间的距离为L，显然T和L之间有下式成立：

$T=\frac{{2n}_{\mathrm{eff}}L}{c}---\left(1\right)$

其中n_eff为光纤的有效折射率，c是真空中的光速。

普遍情况下，振动源314产生的振动信号包含多个频谱成分，因此，对光波的相位振动，可以看作是多个正弦频率的振动分量的叠加。现只考虑其中频率为ω的振动分量，则有：

其中是某时刻由于受到频率为ω的振动而产生的光波的相位移动，是与振动源和光纤特性相关的常量。由于前述的具有时间差τ的两束相干光都经过了两次调制，分别在t、t+T、t+τ、t+τ+T时刻,τ是两束光先后经过振动点的时间差，则有：

其中为由频率为ω的振动分量在t时刻引起的干涉系统中的光的相移。式（3）仅仅考虑了频率为ω的振动分量，若考虑所有频率的振动，由于振动源314实施的振动是可叠加的，因此得到：

式（4）中是振动源314对光波产生的总的相移，m_i是由频率为ω_i的振动信号幅度大小决定的一个加权系数，而则是整个振动源产生的光相位移动。

携带振动信息的两个光分量形成干涉信号进入监测终端10，系统获得的时域输出信号为：

其中P(ω,t)是随时间变化的输出功率，I₀是与输入光功率大小有关的一个常量，ψ为由整个系统决定的初始相位，可视之为常数；因此，输出的交流分量只与干涉系统中的相移（与振动相关）有关。由式（5）即可求得振动源314产生的振动信息，从而实现对固定在围栏32上的传感光缆312周围环境中振动信息的真实还原。

接下来对系统获得的频域信息进行分析，由式（3）可知：当时，频域谱上与频率ω对应的幅度始终为零，在频域谱上表现该特征振动频率ω对应的幅度明显小于周边频率的幅度，存在所谓“陷波点”。为了进行区分，需考虑以下两种情况：

I.当时，（其中k为自然数）；将（1）式代入，记特征频率为f_null(k)，则得到一系列的特征频率：

$f_{\mathrm{null}}\left(k\right)=\frac{\mathrm{\ω}}{2\mathrm{\π}}=\frac{2k-1}{2T}=\frac{2k-1}{2}\·\frac{c}{2n_{\mathrm{eff}}L},(k=\mathrm{1,2,3}\·\·\·\·\·\·)---\left(6\right)$

由此式可见，振动源的位置（用L表示）与特征频率f_null(k)密切对应，其大小为：

$L=\frac{(2k-1)\·c}{{4n}_{\mathrm{eff}}{f}_{\mathrm{null}}\left(k\right)},(k=\mathrm{1,2,3}\·\·\·\·\·\·)---\left(7\right)$

经过监测终端10的分析处理，可将解调出来。是一个时间t的变量，对它进行频谱分析，即可找出缺损频率f_null(k)，从而依据（7）式计算出L值，判定振动源314的位置，实现在整条传感光缆312长度上的分布式传感。

II.当时，（其中k为自然数），也存在“陷波点”。但是，由于τ是由光纤延迟线3113产生的，可以调节的很小，使得与其对应的第一个特征频率f'(1)就非常大，即在频谱上曲线上，相应的陷波点位置远离坐标原点；因此，只要选取适当的τ值就可避免f'(k)对f_null(k)的干扰。

实施例的后续信息处理过程如下：在监测终端10中，返回的光信号经由光分路模块12后，首先进入检测与放大模块13，对光信号进行光电转换、低噪声放大、高通滤波等处理，转化成适合运算处理器采集和运算的电信号；在数据采集模块14中完成模数转换、高速数据采集等功能；在数据处理模块15中完成信息解调还原、频谱变换、模式识别、智能分析、数据存储等功能；最终在显示模块16中对各种监测到的信息进行实时显示、定位和报警（预警）。在监测终端10中包含必要的软件系统。

给出实施例的具体参数：

本实施例中，所用的宽光谱光源11为电子集团总公司44研究所生产的SO3-B型超辐射发光管（SLD）型稳定光源；2×2光纤耦合器I3111和2×2光纤耦合器II3112为武汉邮电研究院生产的单模光纤耦合器，两个光纤耦合器均为平均分光；光电探测器为44所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器；所用传感光缆312内的光纤为美国“康宁”生产的G652型单模光纤；光纤跳线I3114和光纤跳线II3115为武汉邮电研究院生产的FC/APC型单模光纤跳线；反射端313为在光纤末端蒸镀铝膜制作，反射率大于95％。

图5是本发明的一个实施例中用于对振动源定位的频谱曲线图。本实施例中，当振动源314在传感光缆312上的位置离反射端313的距离L为24050米时，对应的频谱缺损情况如图5所示，第一个缺损频谱位置相应于L＝24033米，第二个缺损频谱位置相应于L＝24059米，第三个缺损频谱位置相应于L＝24038米，平均不确定度为0.05%。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种光纤水下智能围栏系统，其特征在于：所述系统包括监测终端（10）、传输光缆（20）和光纤智能围栏（30），其中监测终端（10）位于水上，光纤智能围栏（30）位于水下，传输光缆（20）连接监测终端（10）和光纤智能围栏（30），传输光缆（20）与监测终端（10）连接的一端位于水面上，传输光缆（20）与光纤智能围栏（30）连接的一端位于水面下，所述光纤智能围栏（30）包括振动传感光缆子系统（31）、围栏（32）和固定装置（33），振动传感光缆子系统（31）通过固定装置（33）固定在围栏（32）上；所述振动传感光缆子系统（31）为无源器件。

2.根据权利要求1所述的光纤水下智能围栏系统，其特征在于：所述监测终端（10）包括光源模块（11）、光分路模块（12）、检测和放大模块（13）、数据采集模块（14）、数据处理模块（15）和显示模块（16），光分路模块（12）与光源模块（11）和检测和放大模块（13）均电连接，检测和放大模块（13）与数据采集模块（14）电连接，数据采集模块（14）与数据处理模块（15）电连接，数据处理模块（15）与显示模块（16）电连接；所述传输光缆（20）与监测终端（10）中的光分路模块（12）电连接。

3.根据权利要求1所述的光纤水下智能围栏系统，其特征在于：所述传感光缆子系统（31）包括光预处理模块（311）、传感光缆（312）和反射端（313）；光预处理模块（311）与传输光缆（20）连接，传感光缆（312）的一端连接在光预处理模块（311）上，传感光缆（312）的另一端为所述的反射端（313）。

4.根据权利要求3所述的光纤水下智能围栏系统，其特征在于：所述光预处理模块（311）包括2×2光纤耦合器I（3111）、2×2光纤耦合器II（3112）、光纤延迟线（3113）、光纤跳线I（3114）、光纤跳线II（3115），所述光纤跳线I（3114）和光纤跳线II（3115）连接2×2光纤耦合器I（3111）和2×2光纤耦合器II（3112），光纤延迟线（3113）制作在光纤跳线I（3114）上。

5.根据权利要求1所述的光纤水下智能围栏系统，其特征在于：所述振动传感光缆子系统（31）呈现曲线分布在围栏（32）上。

6.一种光纤水下智能围栏系统的应用，其特征在于：所述应用包括如下步骤：

（1）.将监测终端（10）放置于水面以上的远离现场的安全监控中心，传输光缆（20）一端连接水上的监测终端（10），另一端进入水下连接光纤智能围栏（30），光纤智能围栏（30）安装在水下现场监测需要的位置；

（2）.当水下有入侵物触碰光纤智能围栏（30）后，会引起围栏（32）及固定在上面的振动传感光缆子系统（31）产生振动；入侵物作为振动源（314），根据光纤的弹光效应，振动源（314）产生的振动信号将引起该处传感光缆（312）内部光纤长度和折射率的微小变化，从而使得光纤内部传输的光在经过该处传感光缆（312）的时候走过的光程随时间而变化，实现对该处传感光缆（312）中传播光的相位进行调制；

（3）.宽光谱的光源模块（11）发出的连续光波，经过光分路模块（12）后进入传输光缆（20），经过传输光缆（20）远程传输到光纤智能围栏（30）的振动传感光缆子系统（31）中；在振动传感光缆子系统（31）的光预处理模块（311）中，光能量被2×2光纤耦合器I（3111）分为2个光分量，其中进入光纤跳线II（3115）的光分量直接进入2×2光纤耦合器II（3112）中；进入光纤跳线I（3114）的光分量经过光纤延迟线（3113），产生了延时T后，再进入2×2光纤耦合器II（3112）；光纤跳线I（3114）、光纤跳线II（3115）中的两个光分量在2×2光纤耦合器II（3112）中合并后进入传感光缆（312），在传感光缆（312）内部传播的是两个具有时间差T的光分量，这两个光分量经过一定距离的向前传播后，遇到传感光缆（312）末端的反射端（313），被反射后沿传感光缆（312）原路向后传播，至2×2光纤耦合器II（3112）后，原来具有时间差T的两个光分量被再次分光后分别通过具有光纤延迟线（3113）的光纤跳线I（3114）和没有延时的光纤跳线II（3115），并进入2×2光纤耦合器I（3111）中合并，合并后进入传输光缆（20），并通过传输光缆（20）回到监测终端（10）中；

（4）.在监测终端（10）中，返回的光信号经由光分路模块（12）后，首先进入检测与放大模块（13），对光信号进行光电转换、低噪声放大、高通滤波处理，转化成适合运算处理器采集和运算的电信号；在数据采集模块（14）中完成模数转换、高速数据采集；在数据处理模块（15）中完成信息解调还原、频谱变换、模式识别、智能分析、数据存储功能；最终在显示模块（16）中对各种监测到的信息进行实时显示、定位和报警或预警。