CN105134294A - 一种高可靠性分布式光纤地铁隧道安全监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高可靠性分布式光纤地铁隧道安全监控系统，所述安全监控系统包括主机、前端设备以及尾端设备，前端设备与尾端设备之间通过传感光缆连接，传感光缆分布于隧道内，其中在前端设备与尾端设备之间构成光路；所述前端设备中构建白光光源，基于该白光光源在尾端设备之间构建白光干涉系统。本发明提供的分布式光纤传感技术的地铁隧道安全监测系统，从系统构建的多个方面以及通过物理方式，对现场噪场进行综合的消除，从而有效提高系统的稳定可靠性，提升系统预报警的准确度。

Description

一种高可靠性分布式光纤地铁隧道安全监控系统

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及分布式光纤传感地铁隧道安全监控系统。

背景技术

中国各城市地铁经过了十多年的高速建设已经形成了拥有数百条线路，运营里程超过上万公里的庞大复杂网络。地铁网络安全运营所面临的挑战与城市总体建设和地下空间开发密切相关。一方面，地铁线路必将越来越密集、环境越来越复杂；另一方面，城市基础设施、地面建筑及地下空间的开发业越来越密集，从而不可避免地形成冲突。如在地铁隧道附近，甚至在正上方，有各类桩基施工、各类钻孔以及开挖作业，其形成的振动、侵入等严重威胁地铁隧道的结构安全和运营安全。光纤分布式振动实时监测技术，是近年来的传感技术的研究热点。分布式光纤传感地铁隧道安全监控系统利用连续布设的光纤感知长距离线状结构的异常振动，将光纤分布式振动测试技术用于对威胁地铁隧道安全行为的实时监测。为地铁安全监测提供一种新型、有效、切实可行的解决方案，为地铁的安全运营提供可靠地技术支撑。

由于地铁隧道运营环境复杂，地铁运营、环境噪场、汽车等地音振动的噪场都可能影响系统，降低系统的稳定性。

由此可见如何提高分布式光纤传感地铁隧道安全监控系统运行的信噪比，提高系统稳定性，降低环境干扰引起的误漏报，是本领域亟需要解决的问题。

发明内容

针对现有分布式光纤传感地铁隧道安全监控系统易受到地铁运营、环境噪场、汽车等地音振动的噪场影响，造成稳定性以及监测准确性降低的问题，本发明的目的在于提供一种高可靠性的分布式光纤地铁隧道安全监控系统，本发明从系统构建的多个方面以及通过物理方式，对现场噪场进行综合的消除，提高系统运行信噪比，提高系统稳定性，降低环境干扰引起的误漏报。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种高可靠性分布式光纤地铁隧道安全监控系统，所述安全监控系统包括主机、前端设备以及尾端设备，前端设备与尾端设备之间通过传感光缆连接，传感光缆分布于隧道内，在前端设备与尾端设备之间构成光路；所述前端设备中构建白光光源，基于该白光光源在尾端设备之间构建白光干涉系统。

进一步的，所述前端设备中包括光源模块以及光源控制模块，所述光源模块内部集成热敏电阻和制冷器，所述光源控制模块通过恒流源对光源模块进行驱动，并控制其上的制冷器。再进一步的，所述光源模块为集成热敏电阻和制冷器的激光器，所述光源控制模块包括中央处理器，所述中央处理器中配置有自动功率控制器和自动温度控制器，所述中央处理器控制激光器的驱动电流和制冷器的驱动电流，其配置的自动功率控制器和自动温度控制器根据温度探测和电流检测得到的数据来对激光器驱动电流和制冷器驱动电流进行矫正。

进一步的，所述传感光缆外套设有一管子。再进一步的，所述传感光缆内形成两路光干涉信号。

进一步的，所述尾端设备对从传感光缆中获得两路干涉光信号进行光电转换形成电信号后，并对该电信号进行滤波、放大处理，所述尾端设备对两路干涉光信号光电转换前进行同步放大。再进一步的，所述尾端设备采用仪器放大器对光信号进行放大。

进一步的，所述安全监控系统中的主机、前端设备以及尾端设备放置在站台上。

进一步的，所述安全监控系统中的前端设备和尾端设备放置在隔音箱中。

本发明提供的分布式光纤传感技术的地铁隧道安全监测系统，从系统构建的多个方面以及通过物理方式，对现场噪场进行综合的消除，从而有效提高系统的稳定可靠性，提升系统预报警的准确度。

本发明通过稳定光源的设计、光电转换和信号处理、白光干涉系统的结构、高灵敏度的光信号探测技术、振动信号的模式识别研究在系统构建的时候多方面的有效降低背景噪声的干扰。

再者，本发明还通过隔音箱的设计，将系统前后端模块放置于隔音箱内，从而从物理上将地铁隧道内的背景噪声进行消除。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明实例提供的安全监控系统的系统原理图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

光纤分布式地铁隧道安全监控系统用于对外界对隧道的威胁性冲击行为的实施监测，实现预警。对背景噪声的消除有利于提高系统的稳定可靠性，提升系统预报警的准确度。

参见图1，其所示为本实例提供的光纤分布式地铁隧道安全监控系统的示意图。由图可知，该地铁隧道安全监控系统100主要包括主机101、前端设备102、尾端设备103以及传感光缆104这几部分。

其中，前端设备102通过传感光缆104与尾端设备103连接，其主要用于形成稳定的探测光源，并通过传感光缆104将探测光信号传至尾端设备103。

尾端设备103，其主要用于探测传感光缆104传播的光信号，对其进行光电转换和信号处理。

传感光缆104，其采用分布式的方式分布在待监控的隧道内，在传感光缆104内形成连通前端设备102和尾端设备103的光路，并形成两路光干涉信号。在具体实现时，该传感光缆104的外侧套设有一管子105。

主机101为整个监控系统的控制中心，其控制连接前端设备102和尾端设备103，协调两者配合工作，同时对获取的数据进行分析处理完成监测和预警。

在此基础上，本实例从系统构建的多个方面以及通过物理方式，对现场噪场进行综合的消除。

1、构成稳定的白光光源。

由于对光缆的敲击间接作用到光纤，使得获得的光强变化很微弱，甚至可能与光电探测器的暗电流量级相接近，要有效的提取出这种微弱信号，要求光电探测部分需要有极高的灵敏度，高的放大倍数以及低的工作噪声，同时，要求有高稳定的光载体。

其中，光源是整个系统工作的能量源，其功率大小以及波长、功率的稳定程度直接影响了拾音系统的噪声及稳定性。同时，由于语音拾取装置会需要长时间不间断工作，对光源的稳定性也提出了高的要求。光源光谱特性也是是否能优良系统的关键。

再者，光源控制模块对光源模块的发光进行稳定可靠的控制，是获得稳定的工作波长和功率的保障，是获得小的系统噪声的关键部件，其中光源的驱动电流和温度的稳定性尤为重要。

据此，本系统在前端设备102中通过构建高稳定的白光光源，并采用自动功率控制(APC)，自动温度控制(ATC)方式获得高谱适性的高稳光源。

由于光源的光功率、光波长与发光体的驱动电流和温度都有关系，因此本系统采用内部集成热敏电阻和制冷器的光源模块。

由于光源功率稳定时，可对应于不同的驱动电流和工作温度组合，因此，相同的光功率，可能光的波长特性会有所不同。为此，本系统中的光源控制模块采用恒流源对光源模块进行驱动，同时，通过对制冷器的控制，来达到温度稳定的目的，由此获得高稳定功率和波长的光源。

在具体实现时，前端设备102中的光源电路主要由中央处理器和激光器配合构成。该激光器内部集成热敏电阻和制冷器，而中央处理器内集成有自动功率控制器和自动温度控制器。该中央处理器控制激光器的发光功率和制冷器。中央处理器控制激光器的驱动电流和制冷器的驱动电流，并且根据温度探测和电流检测得到的数据来对激光器驱动电流和制冷器驱动电流进行矫正，由此实现自动功率控制和自动温度控制，获得高稳定功率和波长的光源。

2、光电转换和信号处理。

在本系统中，获得两路光干涉信号。这两路信号在尾端设备103内经过光电转换器件转变成电信号后，再由尾端设备103对转换后的电信号进行滤波、放大等处理。由于外界冲击信号通过隧道体介质的传播，到达光纤处的信号很微弱，要获得有效可用的信号，要求光电转换及后续处理部分要不失真的转换和放大光信号，并且需保证高的信噪比。为了实现双路微弱信号的处理，本实例中的尾端设备103对由传感光缆104传输的两路光干涉信号在光电转换前，进行同步放大，而且要求放大倍数一致。具体实现时，本实例采用仪器放大器对两路光干涉信号进行同步放大，由于其用简单而且失真度小、放大倍数准、共模抑制比高。

根据需要，本实例中的尾端设备103还对光电转换及放大部分的噪声、带宽和放大倍数等几个参数进行计算分析，看其是否满足需要。由于光电转换直接影响到系统的噪声水平，尤其要着重对光电转换电路系统的噪声进行分析，其分析时，需基于光电二极管的结电容、原件的杂散电容及电路的主要噪声源等因素。

3、构建白光干涉系统获得低的光路噪声。

由于白光光源光谱宽，时间相干性小，可降低由于光纤瑞利散射等带来的系统噪声。在光纤光路中，由于光纤本身结构的不完美，在光路中会由于瑞利散射，产生许多散射光，传统的使用窄光源作为光纤干涉光路中，由于光源的时间相干性很好，光纤相隔很远的点产生的散射光都可能发能干涉，这样，使得这种宽带光源干涉系统的背景噪声很大。

为此，本实例中基于前端设备102构成的稳定的白光光源，通过传感光缆104在前端设备102和尾端设备103之间构建白光干涉系统。

基于白光光源可以在很大程度上改善这种噪声影响，为获得好的拾音效果提供保障。

4、两路干涉信号输出结构。

本实例中的传感光缆104采用两路干涉信号输出结构，以有效降低光路系统带来的噪声，同时为系统提供灵敏度高的理想工作点。

5、光路结构的噪声隔离。

该技术方案中的干涉光路，与待寻光纤相连接的光路，从光纤功能来说，也具有感应能力，即，这部分光路的光纤在外界噪声声压的作用下同样会引起干涉光强的变化，这部分变化甚至会淹没了拾音端的信号。而光缆寻踪过程中难免会遇到嘈杂的环境，如果仅能在安静环境中使用，无疑大大降低了该技术的环境适应性，直接影响到其实用性和应用范围。

为了获得有效的环境噪声隔离效果，首先通过光路参数的设计，在保证信号获取效果的前提下，减小这部分光路的噪声拾取能力。具体的分析地铁隧道所处环境噪声所在的频谱范围，分析目标检测事件频率与环境背景噪声频率的区间段的差异，将环境背景噪声频率区段进行屏蔽与截止；

其次，对这部分光路结构采用特殊的材料及结构设计，进一步提升噪声隔离能力。具体的，在光路结构当中通过一些阻尼材料的使用，和结构设计当中一些敏感部件的结构优化，将固体机构振动能转变为热能而耗散，同时将噪声和振动进行一部分抑制。

6、设置物理隔音箱106。

本实例中将系统采集设备放置在站台上，前端采集设备不受噪场干扰。同时将前、后端设备放置在隔音箱106中，隔音箱的体积约一米见方。隔音箱采用隔音相关材料组建而成，可以有效隔绝外部噪声，提升前端系统设备的运行效果。

本实例从系统构建的时候多方面：稳定光源的设计、光电转换和信号处理、白光干涉系统的结构、高灵敏度的光信号探测技术、振动信号的模式识别等，有效降低背景噪声的干扰。

再者，通过隔音箱的设计，将系统前后端模块放置于隔音箱内，从而从物理上将地铁隧道内的背景噪声进行消除。

由此能够有效消除的背景噪声，从而提高系统的稳定可靠性，提升系统预报警的准确度，使得本光纤分布式地铁隧道安全监控系统可用于对外界对隧道的威胁性冲击行为的实施监测，实现预警。

以上显示和描述了本发明的基本原理、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 (9)

1.一种高可靠性分布式光纤地铁隧道安全监控系统，所述安全监控系统包括主机、前端设备以及尾端设备，前端设备与尾端设备之间通过传感光缆连接，传感光缆分布于隧道内，其特征在于，在前端设备与尾端设备之间构成光路；所述前端设备中构建白光光源，基于该白光光源在尾端设备之间构建白光干涉系统。

2.根据权利要求1所述的一种高可靠性分布式光纤地铁隧道安全监控系统，其特征在于，所述前端设备中包括光源模块以及光源控制模块，所述光源模块内部集成热敏电阻和制冷器，所述光源控制模块通过恒流源对光源模块进行驱动，并控制其上的制冷器。

3.根据权利要求2所述的一种高可靠性分布式光纤地铁隧道安全监控系统，其特征在于，所述光源模块为集成热敏电阻和制冷器的激光器，所述光源控制模块包括中央处理器，所述中央处理器中配置有自动功率控制器和自动温度控制器，所述中央处理器控制激光器的驱动电流和制冷器的驱动电流，其配置的自动功率控制器和自动温度控制器根据温度探测和电流检测得到的数据来对激光器驱动电流和制冷器驱动电流进行矫正。

4.根据权利要求1所述的一种高可靠性分布式光纤地铁隧道安全监控系统，其特征在于，所述传感光缆外套设有一管子。

5.根据权利要求1或4所述的一种高可靠性分布式光纤地铁隧道安全监控系统，其特征在于，所述传感光缆内形成两路光干涉信号。

6.根据权利要求1所述的一种高可靠性分布式光纤地铁隧道安全监控系统，其特征在于，所述尾端设备对从传感光缆中获得两路干涉光信号进行光电转换形成电信号后，并对该电信号进行滤波、放大处理，所述尾端设备对两路干涉光信号光电转换前进行同步放大。

7.根据权利要求6所述的一种高可靠性分布式光纤地铁隧道安全监控系统，其特征在于，所述尾端设备采用仪器放大器对光信号进行放大。

8.根据权利要求1所述的一种高可靠性分布式光纤地铁隧道安全监控系统，其特征在于，所述安全监控系统中的主机、前端设备以及尾端设备放置在站台上。

9.根据权利要求1所述的一种高可靠性分布式光纤地铁隧道安全监控系统，其特征在于，所述安全监控系统中的前端设备和尾端设备放置在隔音箱中。