CN105069950A - 一种光纤周界安防设备及确定光纤周界入侵信号的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光纤周界安防设备及确定光纤周界入侵信号的方法，光纤两端的两个模块独立对光纤中的光强度信号进行处理，用于光纤传感。当出现符合报警条件的信号时，两个模块之间互发一组经过编码的数字信号进行报警事件的确认，并通过数字信号内携带的事件特征进行识别和判定；通过计算得到事件点到两个模块的距离差，从而实现事件定位。本发明通过对光纤中光信号的模拟量分析进行周界入侵事件的判定，通过对光信号的传播时间计算确认周界入侵事件的发生位置。这种对光纤的双向复用和模拟、数字信号传输的复用，经过双向模块同时判定为入侵的信号才作为有效入侵信号，可以降低系统的误报率，并且由于器件和光缆的复用，可以大大降低系统的成本。

Description

一种光纤周界安防设备及确定光纤周界入侵信号的方法
技术领域
本发明涉及一种光纤周界安防设备及确定光纤周界入侵信号的方法，特别是一种使用单纤双向以及模拟、数字信号传输复用的技术手段实现低成本防区定位和低误报率的光纤传感设备。
背景技术
光纤传感技术因其抗电磁干扰性强、隐蔽性好、无辐射防探测；维护周期长的特点，在港口、银行、机场、军事驻地等保密要求高，防护范围广的领域发挥越来越重要的作用。
基于光纤传感的周界安防系统实现手段有很多种，包括有:光功率测量法、模斑识别法、光时域反射法、相位检测法等。其中，光功率测量法通过测量传感光纤内的光功率变化判断周界入侵信号。相比于其他几种方法，这种方法的优点是系统架构简单，器件成本低；缺点是光纤内的光功率易受多种因素影响，探测精度低而且不能实现定位。
发明内容
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
1.一种光纤周界安防设备，其特征在于，在光纤的两端分别安装：
一信号处理模块A：用于检测并接收光纤某个位置由于产生入侵信号引起的光突变信号并处理，并定义光突变信号传输到信号处理模块A的时间为T1；以及信号处理模块A检测和识别光功率突变信号所需的时间为Tp；从入侵信号发生，到识别出这个信号，所需的时间是Ta=Tp+T1；识别出这个信号后，模块A启动内部的计数器，按一个固定的频率进行计数。并将工作模式切换为数字信号传输模式。数字信号传输模式的定义是：不对光功率的大小绝对值进行监测，只把高于某一阈值的光功率判定为1，低于某一阈值的光功率判定为0；通过0，1编码形成一组编码信息。
一信号处理模块B：用于检测并接收光纤某个位置由于产生入侵信号引起的光突变信号并处理，并定义光突变信号传输到信号处理模块B的时间为T2；以及信号处理模块B检测和识别光功率突变信号所需的时间与信号处理模块B所需时间相同也为Tp；模块B识别出同一个入侵信号所需的时间是：Tb=Tp+T2；识别出这个信号后。模块B发送一组经过编码的数字信号。这组编码的数字信号从B发出，到被A识别出来所需的时间是：T1+T2+Ts，T3是AB之间光传输的时间，有T3=T1+T2。
模块A和B内部的硬件和软件算法完全相同，为了描述的方便，根据距离入侵信号的距离远近，我们始终将距离入侵信号位置较近的模块定义为模块A，距离入侵信号位置较远的模块定义为模块B。
定义从信号处理模块A启动计数器，到信号处理模块A识别出信号处理模块B发出的数字信号，所需的时间是：T=（T2-T1）+Tp+T1+T2+Ts=2*T2+Tp+Ts；通过T2可以得出事件发生位置到模块A和B的距离，实现了入侵事件的定位。
一种确定光纤周界入侵信号的方法，其特征在于，具体方法是：当光纤上某个位置被扰动，产生一个光功率突变信号时，这个信号传输到模块A和模块B的时间分别为T1和T2。由于位置的不同，T1和T2的关系应是T1<T2，T1=T2，T1>T2其中一种，根据T1和T2选择执行。
选择执行步骤一：当T1<T2时，模块A从入侵信号发生，到识别出这个信号，所需的时间是Ta=Tp+T1；识别出这个信号后，模块A启动内部的计数器，按一个固定的频率进行计数。并将工作模式切换为数字信号传输模式，不对光功率的大小绝对值进行监测，只把高于某一阈值的光功率判定为1，低于某一阈值的光功率判定为0。模块B识别出同一个入侵信号所需的时间是：Tb=Tp+T2；此时模块B发送一组经过编码的数字信号。这组编码的数字信号从B发出，到被A识别出来所需的时间是：T1+T2+Ts。
从模块A启动计数器（等同为计时器），到模块A识别出模块B发出的数字信号，所需的时间是：T=（T2-T1）+Tp+T1+T2+Ts。其中T可以被计时器精确测得。Tp和Ts由模块内部微处理器的处理能力和算法共同决定，可以通过算法设计保证每次Tp和Ts的时间是不变的。通过表达式T=2*T2+Tp+Ts，可以计算得到T2的值。也就是我们可以计算得出入侵信号传输到模块B所需的时间。由于铺设的光纤总长度和光在光纤中传输的速度是一定的，所以通过T2可以计算出事件发生位置到模块A和B的距离，实现了入侵事件的定位；
选择执行步骤2：当T1=T2时，模块A从入侵信号发生，到识别出这个信号，所需的时间是Ta=Tp+T1；识别出这个信号后，模块A启动内部的计数器，按一个固定的频率进行计数。并将工作模式切换为数字信号传输模式，不对光功率的大小绝对值进行监测，只把高于某一阈值的光功率判定为1，低于某一阈值的光功率判定为0。模块B识别出同一个入侵信号所需的时间是：Tb=Tp+T2；此时模块B发送一组经过编码的数字信号。这组编码的数字信号从B发出，到被A识别出来所需的时间是：T1+T2+Ts。
从模块A启动计数器，到模块A识别出模块B发出的数字信号，所需的时间是：T=（T2-T1）+Tp+T1+T2+Ts。其中T可以被计时器精确测得。Tp和Ts由模块内部微处理器的处理能力和算法共同决定，可以通过算法设计保证每次Tp和Ts的时间是不变的。通过表达式T=2*T2+Tp+Ts，可以计算得到T2的值。也就是我们可以计算得出入侵信号传输到模块B所需的时间。由于铺设的光纤总长度和光在光纤中传输的速度是一定的，所以通过T2可以计算出事件发生位置到模块A和B的距离，实现了入侵事件的定位；
选择执行步骤3：当T1>T2时，模块A从入侵信号发生，到识别出这个信号，所需的时间是Ta=Tp+T1；识别出这个信号后，模块A启动内部的计数器，按一个固定的频率进行计数。并将工作模式切换为数字信号传输模式，不对光功率的大小绝对值进行监测，只把高于某一阈值的光功率判定为1，低于某一阈值的光功率判定为0。模块B识别出同一个入侵信号所需的时间是：Tb=Tp+T2；此时模块B发送一组经过编码的数字信号。这组编码的数字信号从B发出，到被A识别出来所需的时间是：T1+T2+Ts。
从模块B启动计数器，到模块B识别出模块A发出的数字信号，所需的时间是：T=（T1-T2）+Tp+T1+T2+Ts。其中T可以被计时器精确测得。Tp和Ts由模块内部微处理器的处理能力和算法共同决定，可以通过算法设计保证每次Tp和Ts的时间是不变的。通过表达式T=2*T1+Tp+Ts，可以计算得到T1的值。也就是我们可以计算得出入侵信号传输到模块A所需的时间。由于铺设的光纤总长度和光在光纤中传输的速度是一定的，所以通过T1可以计算出事件发生位置到模块A和B的距离，实现了入侵事件的定位。
在上述的一种确定光纤周界入侵信号的方法，还包括一个检测过程中数字信号对降低误报率的步骤，具体方法是：模块B所发出的经过编码的数字信号，其中可包含有此次模块B所识别出的入侵信号强度、频率、持续时间信息，模块A将收到的编码数字信号与模块A自身识别出的入侵信号特征进行比对，当两者无明显差异时，才判断为一次有效的入侵报警信号。
因此，本发明具有如下优点：1.通过模拟/数字信号的复用，可以用较低的成本实现定位功能；通过单纤双向技术，让光信号在双向传输过程中基于同等条件的介质，两端的模块互校验入境信号后再确认报警，可以有效降低发射端的光功率波动和接收端的探测器噪声引起的误报。2.可以将该技术方案扩展成双纤双向（成本更低）；单纤PLC复用，多条光路之间互校验的方案（进一步降低误报率）。
附图说明
图1为本发明的结构及方法示意图。
图2为采用本发明的方案进行多重光路的校验方案示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
如图1所示，小防区设备和光缆铺设完成后，信号处理模块A和B通过一根光纤连接。当设备A和B处于入侵监测工作状态时，模块A和B对光纤中光信号的强度进行监测。当有入侵发生时，一个典型的入侵信号是一个光功率发生突变的信号。模块A和B在处于入侵监测工作状态时，通过对一个固定时间内的光强信号进行比对来识别入侵引起的光功率突变。因为模块A和B采用同种器件和算法运行，可以认为模块A和B检测和识别光功率突变所需的时间是一样的，定义为Tp（处理时间）。
当光纤上某个位置被扰动，产生一个光功率突变信号时，这个信号传输到模块A和模块B的时间分别为T1和T2。由于位置的不同，T1和T2的关系应是T1<T2，T1=T2，T1>T2其中一种。为了简化讨论，我们取T1<T2的情况进行分析。其他两种情况的分析过程是一样的，所产生的结论也是一样的。
当T1<T2时，模块A从入侵信号发生，到识别出这个信号，所需的时间是Ta=Tp+T1；此时模块A启动内部的计数器，按一个固定的频率（比如200MHz或更高）进行计数。并将工作模式切换为数字信号传输模式，不对光功率的大小绝对值进行监测，只把高于某一阈值的光功率判定为1，低于某一阈值的光功率判定为0。模块B识别出同一个入侵信号所需的时间是：Tb=Tp+T2；此时模块B发送一组经过编码的数字信号。这组编码的数字信号从B发出，到被A识别出来所需的时间是：T1+T2+Ts（数字信号的处理时间）。
从模块A启动计数器（等同为计时器），到模块A识别出模块B发出的数字信号，所需的时间是：T=（T2-T1）+Tp+T1+T2+Ts。
其中T可以被计时器精确测得（对于200MHz的计时器，其分辨率为0.5纳秒）。Tp和Ts由模块内部微处理器的处理能力和算法共同决定，可以通过算法设计保证每次Tp和Ts的时间是不变的。通过表达式T=2*T2+Tp+Ts，可以计算得到T2的值。也就是我们可以计算得出入侵信号传输到模块B所需的时间。由于铺设的光纤总长度和光在光纤中传输的速度是一定的，所以通过T2可以计算出事件发生位置到模块A和B的距离，实现了入侵事件的定位。
另外，本实施例中还有一个检测过程中数字信号对降低误报率的步骤。模块B所发出的经过编码的数字信号，其中可包含有此次模块B所识别出的入侵信号强度、频率、持续时间等信息，模块A将收到的编码数字信号与模块A自身识别出的入侵信号特征进行比对，当两者无明显差异时，才判断为一次有效的入侵报警信号。
这种系统结构和工作方式能有效降低误报率的原因在于，对于一个光纤周界安防系统，环境的变化以及模块本身的光源和探测器波动，都会引起光功率的起伏变化。仅依靠一个模块进行信号处理，无法剔除这些影响因素，从而造成误报。而上述方案中，是依靠两个使用同种硬件和算法方案的模块，对同一根光纤中的信号进行分析和处理，两相比对之后再进行报警的判定。
如图2所示，可以扩展出双纤双向传输的结构；或是经PLC复用之后的多重光路校验方案。其对降低系统误报的原理类似，都是通过同一条多芯光缆内的多条光路对同一个入侵信号进行监测。当单一光路由于噪声或是光纤应力原因造成光功率变化时，由于噪声和光纤应力的随机性，剩余的几条光路不一定会发生光功率变化。只有当发生外界入侵时，外力作用在多芯光缆内部的多根光纤上的强度、频率、持续时间等特征是基本一致的。因此可以将噪声和应力变化引起的误报信号剔除，只保留由外力入侵造成的报警信号。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种光纤周界安防设备，其特征在于，在光纤的两端分别安装：
一信号处理模块A：用于检测并接收光纤某个位置由于产生入侵信号引起的光突变信号并处理，并定义光突变信号传输到信号处理模块A的时间为T1；以及信号处理模块A检测和识别光功率突变信号所需的时间为Tp；从入侵信号发生，到识别出这个信号，所需的时间是Ta=Tp+T1；识别出这个信号后，模块A启动内部的计数器，按一个固定的频率进行计数；并将工作模式切换为数字信号传输模式；数字信号传输模式的定义是：不对光功率的大小绝对值进行监测，只把高于某一阈值的光功率判定为1，低于某一阈值的光功率判定为0；通过0，1编码形成一组编码信息；
一信号处理模块B：用于检测并接收光纤某个位置由于产生入侵信号引起的光突变信号并处理，并定义光突变信号传输到信号处理模块B的时间为T2；以及信号处理模块B检测和识别光功率突变信号所需的时间与信号处理模块B所需时间相同也为Tp；模块B识别出同一个入侵信号所需的时间是：Tb=Tp+T2；
其中，定义距离入侵信号位置近的模块为信号处理模块A，距离入侵信号位置远的模块定义为信号处理模块A；
识别出入侵信号后，模块B发送一组经过编码的数字信号；这组编码的数字信号从B发出，到被A识别出来所需的时间是：T1+T2+Ts，T3是AB之间光传输的时间，有T3=T1+T2；
定义从信号处理模块A启动计数器，到信号处理模块A识别出信号处理模块B发出的数字信号，所需的时间是：T=（T2-T1）+Tp+T1+T2+Ts=2*T2+Tp+Ts；通过T2可以得出事件发生位置到模块A和B的距离，实现了入侵事件的定位。
2.一种确定光纤周界入侵信号的方法，其特征在于，具体方法是：当光纤上某个位置被扰动，产生一个光功率突变信号时，这个信号传输到模块A和模块B的时间分别为T1和T2；由于位置的不同，T1和T2的关系应是T1<T2，T1=T2，T1>T2其中一种，根据T1和T2选择执行；
选择执行步骤一：当T1<T2时，模块A从入侵信号发生，到识别出这个信号，所需的时间是Ta=Tp+T1；识别出这个信号后，模块A启动内部的计数器，按一个固定的频率进行计数；并将工作模式切换为数字信号传输模式，不对光功率的大小绝对值进行监测，只把高于某一阈值的光功率判定为1，低于某一阈值的光功率判定为0；模块B识别出同一个入侵信号所需的时间是：Tb=Tp+T2；此时模块B发送一组经过编码的数字信号；这组编码的数字信号从B发出，到被A识别出来所需的时间是：T1+T2+Ts；
从模块A启动计数器（等同为计时器），到模块A识别出模块B发出的数字信号，所需的时间是：T=（T2-T1）+Tp+T1+T2+Ts；其中T可以被计时器精确测得；Tp和Ts由模块内部微处理器的处理能力和算法共同决定，可以通过算法设计保证每次Tp和Ts的时间是不变的；通过表达式T=2*T2+Tp+Ts，可以计算得到T2的值；也就是我们可以计算得出入侵信号传输到模块B所需的时间；由于铺设的光纤总长度和光在光纤中传输的速度是一定的，所以通过T2可以计算出事件发生位置到模块A和B的距离，实现了入侵事件的定位；
选择执行步骤2：当T1=T2时，模块A从入侵信号发生，到识别出这个信号，所需的时间是Ta=Tp+T1；识别出这个信号后，模块A启动内部的计数器，按一个固定的频率进行计数；并将工作模式切换为数字信号传输模式，不对光功率的大小绝对值进行监测，只把高于某一阈值的光功率判定为1，低于某一阈值的光功率判定为0；模块B识别出同一个入侵信号所需的时间是：Tb=Tp+T2；此时模块B发送一组经过编码的数字信号；这组编码的数字信号从B发出，到被A识别出来所需的时间是：T1+T2+Ts；
从模块A启动计数器，到模块A识别出模块B发出的数字信号，所需的时间是：T=（T2-T1）+Tp+T1+T2+Ts；其中T可以被计时器精确测得；Tp和Ts由模块内部微处理器的处理能力和算法共同决定，可以通过算法设计保证每次Tp和Ts的时间是不变的；通过表达式T=2*T2+Tp+Ts，可以计算得到T2的值；也就是我们可以计算得出入侵信号传输到模块B所需的时间；由于铺设的光纤总长度和光在光纤中传输的速度是一定的，所以通过T2可以计算出事件发生位置到模块A和B的距离，实现了入侵事件的定位；
选择执行步骤3：当T1>T2时，模块A从入侵信号发生，到识别出这个信号，所需的时间是Ta=Tp+T1；识别出这个信号后，模块A启动内部的计数器，按一个固定的频率进行计数；并将工作模式切换为数字信号传输模式，不对光功率的大小绝对值进行监测，只把高于某一阈值的光功率判定为1，低于某一阈值的光功率判定为0；模块B识别出同一个入侵信号所需的时间是：Tb=Tp+T2；此时模块B发送一组经过编码的数字信号；这组编码的数字信号从B发出，到被A识别出来所需的时间是：T1+T2+Ts；
从模块B启动计数器，到模块B识别出模块A发出的数字信号，所需的时间是：T=（T1-T2）+Tp+T1+T2+Ts；其中T可以被计时器精确测得；Tp和Ts由模块内部微处理器的处理能力和算法共同决定，可以通过算法设计保证每次Tp和Ts的时间是不变的；通过表达式T=2*T1+Tp+Ts，可以计算得到T1的值；也就是我们可以计算得出入侵信号传输到模块A所需的时间；由于铺设的光纤总长度和光在光纤中传输的速度是一定的，所以通过T1可以计算出事件发生位置到模块A和B的距离，实现了入侵事件的定位。
3.根据权利要求1所述的一种确定光纤周界入侵信号的方法，其特征在于，还包括一个检测过程中数字信号对降低误报率的步骤，具体方法是：模块B所发出的经过编码的数字信号，其中可包含有此次模块B所识别出的入侵信号强度、频率、持续时间信息，模块A将收到的编码数字信号与模块A自身识别出的入侵信号特征进行比对，当两者无明显差异时，才判断为一次有效的入侵报警信号。
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