CN105225387B - 一种形变式光纤围栏系统及其探测入侵活动的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种形变式光纤围栏系统及其探测入侵活动的方法，包括一个P‑OTDR模块和一根传感光缆；P‑OTDR模块由依次相连的一个光脉冲发生器、一个光方向耦合器、一个检偏器、一个光接收机、一个控制计算单元组成；P‑OTDR模块的端口连接到多芯传感光缆的其中一根光纤，传感光缆固定于围栏栏杆上；光脉冲发生器输出的光信号经光方向耦合器输出到传感光缆的一根光纤中；从传感光纤中返回的瑞利散射信号经光方向耦合器被输出到检偏器中，被检偏后的信号被送到光接收机，经光接收机转化为电信号后传输至控制计算单元，控制计算单元将信号处理得到最终结果。本发明提供的形变式光纤围栏系统具有电磁兼容性好、作用距离长和全分布式的优点。

Description

一种形变式光纤围栏系统及其探测入侵活动的方法

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，具体是一种形变式光纤围栏系统及其探测入侵活动的方法。

背景技术

在安防系统中，当前的光纤围栏通过探测光缆振动为机理来探测入侵活动，具有电磁兼容性好、工作距离长的优点，特别适用于机场、高速公路、高铁线路、石油及天然气管道、边防线、油库等场合的应用。

而正是因为当前的光纤围栏是通过探测光缆振动来探测入侵活动，使得其具有一些固有的缺点：

a)较难消除大风和大雨的干扰影响。虽然当前的光纤围栏中采用自适应阈值等方法可以一定程度降低误报率，但同时因为阈值的提高，也使得在大风、大雨环境下漏报率提高。

b) 较难消除小动物的干扰影响。像猫这类大小的动物，如果在光纤围栏上爬行或穿行，很容易产生误告警。即使是更小的动物，像老鼠、蛇，在围栏上爬行或穿行时，也容易产生误告警。即便采用模式识别的手段，但是由于模式数量的限制，小动物的干扰，对振动类安防系统的影响很难消除。

c)较难消除背景振动的干扰影响。在一些情况下，背景振动在光纤围栏上产生的振动信号可能大于入侵活动产生的振动信号，而且这些背景振动信号和入侵活动产生的振动信号非常相似，即使采用模式识别的手段，也难以区分。例如：管道附近的正常施工活动，厂区大门开启对围栏的影响。

d) 对于带定位功能的分布式光纤围栏，定位精度差，误差值在50~100m。在长距离围栏系统中，50~100m的误差尚可接受，但在厂区式光纤围栏中应用时，误差就会显得大了。

为了克服当前振动式光纤围栏的缺点，本发明提出一种新型的光纤围栏—形变式光纤围栏。

发明内容

本发明的目的是提供一种形变式光纤围栏系统及其探测入侵活动的方法，通过探测传感光缆发生形变（例如：光缆曲率半径从0.15m变到0.2m以上或者从0.15m变到0.1m以下）来实时发现入侵活动，并能够探测入侵活动发生的位置。

实现本发明目的的技术方案是：

一种形变式光纤围栏系统，包括一个P-OTDR模块和一根传感光缆；P-OTDR模块由依次相连的一个光脉冲发生器、一个光方向耦合器、一个检偏器、一个光接收机、一个控制计算单元组成；P-OTDR模块的端口连接到多芯传感光缆的其中一根光纤，传感光缆固定于围栏栏杆上；光脉冲发生器输出的光信号经光方向耦合器输出到传感光缆的一根光纤中；从传感光纤中返回的瑞利散射信号经光方向耦合器被输出到检偏器中，被检偏后的信号被送到光接收机，经光接收机转化为电信号后传输至控制计算单元，控制计算单元将信号处理得到最终结果。

所述光脉冲发生器产生的光脉冲信号为偏振光，时间宽度为40ns~600ns，周期为0.01ms ~ 10ms；光脉冲峰值功率大于10mW，小于1W；光源类型为F-P LD或DFB LD。

所述光方向耦合器为光环形器或光分路器。

所述光接收机使用APD或PIN光电探测器。

P-OTDR模块可以测量传感光纤线路上各点偏振态的变化。当传感光纤线路上某一点的弯曲状态发生变化时，该点的偏振态将会发生变化。通过比较光纤线路上各点被弯曲前后的后向散射信号的强度，可以获得光纤线路上各点弯曲状态发生变化的信息，从而感知光纤围栏上的入侵活动及入侵位置。

应用上述的形变式光纤围栏系统探测入侵活动的方法，包括如下步骤 ：

（1）P-OTDR模块每隔1秒~3秒获取一组光纤后向散射信号曲线数据，并存储起来，存储器中连续存储60~180条光纤后向散射曲线数据；

（2）P-OTDR每次获取光纤后向散射信号曲线数据后，分别与6秒、30秒、60秒、90秒、120秒、150秒、180秒前获取的光纤后向散射信号曲线数据进行相减运算，得到7组传感光纤线路各点的信号强度变化数据；为方便计算，以传感光纤线路起点位置的信号强度变化值为基准值，并将X轴坐标由传感光纤光学长度坐标换算为传感光缆长度坐标，得到7组曲线数据，这7组曲线数据分别包含有此时刻与6秒、30秒、60秒、90秒、120秒、150秒、180秒之前时刻相比，传感光缆形状是否发生变化的信息及形状发生变化的位置信息；

（3）在7组传感光纤线路各点的信号强度变化数据中，计算信号强度变化信号的绝对值是否大于给定的阈值；如果是，则判定传感光缆形变超过设定的门限，给出入侵告警信号；否则判定无告警；阈值范围在0.1dB~1dB；

（4）如果存在入侵告警，在（3）中获得的信号强度变化的绝对值超过阈值之点，定义为A点；计算信号强度变化曲线在A点的斜率值，从A点开始，向传感光纤线路起点方向推进，逐点计算信号强度变化曲线的斜率值，找到第一个斜率值变为零的点，或者斜率值的符号与A点斜率值的符号相反的点，定义为B点；则B点对应传感光缆形变发生位置；

（5）将实际围栏位置与传感光缆长度进行映射换算，得出入侵活动在围栏上的对应位置；

（6）根据给定传感光缆原始长度，在7组传感光纤线路各点的信号强度变化信号曲线中，标定出传感光缆末端点，定义为C点；

（7）从传感光纤线路起点开始，到C点结束，逐点计算信号强度变化信号曲线各点的Y轴坐标值的绝对值是否大于给定的断纤阈值；如果是，则判定传感光缆被破坏，给出传感光缆被破坏告警信号，且记下第一个Y轴坐标值的绝对值大于给定的断纤阈值的点，该点对应传感光缆被破坏发生位置；断纤阈值范围在5dB~15dB；

（8）将实际围栏位置与传感光缆长度进行映射换算，得到传感光缆被破坏在围栏上的对应位置。

采用本发明方法，如果入侵者直接将光缆破坏，例如：剪断，从光纤后向散射信号曲线数据中可以计算出光缆断点位置，并给出告警。

本发明的优点是：与当前振动式光纤围栏相比，本发明提供的形变式光纤围栏系统具有电磁兼容性好、作用距离长和全分布式的优点以外，对于大风大雨干扰、小动物干扰、强背景振动干扰，具有更好的抗干扰性能，对于入侵活动位置的定位，在精度上也优于当前的振动式光纤围栏。

附图说明

图1为发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。

如图1所示，本发明的形变式光纤围栏系统，包括P-OTDR模块和一根传感光缆，P-OTDR模块的端口连接到多芯传感光缆的其中一根光纤。传感光缆采用普通的单模通信光缆。传感光缆被固定于围栏栏杆上，光缆的安装形状使得入侵者试图穿越或翻越围栏时传感光缆会发生形变。例如，光缆安装时，光缆围成的孔的直径为30cm，当入侵者试图穿越围栏，必须将光缆围成的孔扩大到直径为40cm以上；或者是当入侵者试图翻越围栏时，其自身重量或所用工具重量使光缆被压变形，光缆的曲率直径从30cm变到小于20cm或者是大于40cm。通过P-OTDR模块可以测量传感光纤线路上各点偏振态的变化，当传感光纤线路上某一点的弯曲状态发生变化时，该点的偏振态将会发生变化。通过比较光纤线路上各点被弯曲前后的后向散射信号的强度，可以获得光纤线路上各点弯曲状态发生变化的信息，从而感知光纤围栏上的入侵活动及入侵位置。如果入侵者将传感光缆破坏，如：剪断光缆，P-OTDR模块也可以检测出传感光缆被破坏及被破坏的位置。

如图1所示，P-OTDR模块由依次相连的一个光脉冲发生器、一个光方向耦合器、一个检偏器、一个光接收机、一个控制和计算单元组成；光脉冲发生器输出的光信号经光方向耦合器输出到传感光缆的一根光纤中；从传感光纤中返回的瑞利散射信号经光方向耦合器被输出到检偏器中，被检偏后的信号被送到光接收机，经光接收机转化为电信号后传输至控制计算单元，控制计算单元将信号处理得到最终结果。

光脉冲发生器产生的光脉冲信号为偏振光，时间宽度为40ns~600ns，周期为0.01ms ~ 10ms；光脉冲峰值功率大于10mW，小于1W；光源类型为F-P LD或DFB LD。

光方向耦合器为光环形器或光分路器。

光接收机使用APD或PIN光电探测器。

应用上述的形变式光纤围栏系统探测入侵活动的方法，包括如下步骤 ：

（1）P-OTDR模块每隔1秒~3秒获取一组光纤后向散射信号曲线数据，并存储起来，存储器中连续存储60~180组光纤后向散射信号曲线数据；

（2）P-OTDR每次获取光纤后向散射信号曲线数据后，分别与6秒、30秒、60秒、90秒、120秒、150秒、180秒前获取的光纤后向散射信号曲线数据进行相减运算，得到7组传感光纤线路各点的信号强度变化数据；为方便计算，以传感光纤线路起点位置的信号强度变化值为基准值，并将X轴坐标由传感光纤光学长度坐标换算为传感光缆长度坐标，得到7组曲线数据，这7组曲线数据分别包含有此时刻与6秒、30秒、60秒、90秒、120秒、150秒、180秒之前时刻相比，传感光缆形状是否发生变化的信息及形状发生变化的位置信息；

（3）在7组传感光纤线路各点的信号强度变化信号数据中，计算信号强度变化信号的绝对值是否大于给定的阈值；如果是，则判定传感光缆形变超过设定的门限，给出入侵告警信号；否则判定无告警；阈值范围在0.1dB~1dB；

（4）如果存在入侵告警，在（3）中获得的信号强度变化信号的绝对值超过阈值之点，定义为A点；计算信号强度变化信号曲线在A点的斜率值，从A点开始，向传感光纤线路起点方向推进，逐点计算信号强度变化信号曲线的斜率值，找到第一个斜率值变为零的点，或者斜率值的符号与A点斜率值的符号相反的点，定义为B点；则B点对应传感光缆形变发生位置；

（5）将实际围栏位置与传感光缆长度进行映射换算，得出入侵活动在围栏上的对应位置；

（6）根据给定传感光缆原始长度，在7组传感光纤线路各点的信号强度变化信号曲线中，标定出传感光缆末端点，定义为C点；

（7）从传感光纤线路起点开始，到C点结束，逐点计算信号强度变化信号曲线各点的Y轴坐标值的绝对值是否大于给定的断纤阈值；如果是，则判定传感光缆被破坏，给出传感光缆被破坏告警信号，且记下第一个Y轴坐标值的绝对值大于给定的断纤阈值的点，该点对应传感光缆被破坏发生位置；断纤阈值范围在5dB~15dB；

（8）将实际围栏位置与传感光缆长度进行映射换算，得到传感光缆被破坏在围栏上的对应位置。

Claims (1)

1.一种应用形变式光纤围栏系统探测入侵活动的方法， 其特征在于：

包括形变式光纤围栏系统，该系统包括一个P-OTDR模块和一根传感光缆；P-OTDR模块由依次相连的一个光脉冲发生器、一个光方向耦合器、一个检偏器、一个光接收机、一个控制计算单元组成；P-OTDR模块的端口连接到多芯传感光缆的其中一根光纤，传感光缆固定于围栏栏杆上；光脉冲发生器输出的光信号经光方向耦合器输出到传感光缆的一根光纤中；从传感光纤中返回的瑞利散射信号经光方向耦合器被输出到检偏器中，被检偏后的信号被送到光接收机，经光接收机转化为电信号后传输至控制计算单元，控制计算单元将信号处理得到最终结果；

应用所述形变式光纤围栏系统探测入侵活动的方法，包括如下步骤 ：

（1）P-OTDR模块每隔1秒~3秒获取一组光纤后向散射信号曲线数据，并存储起来，存储器中连续存储60~180条光纤后向散射曲线数据；

（2）P-OTDR每次获取光纤后向散射信号曲线数据后，分别与6秒、30秒、60秒、90秒、120秒、150秒、180秒前获取的光纤后向散射信号曲线数据进行相减运算，得到7组传感光纤线路各点的信号强度变化数据；为方便计算，以传感光纤线路起点位置的信号强度变化值为基准值，并将X轴坐标由传感光纤光学长度坐标换算为传感光缆长度坐标，得到7组曲线数据，这7组曲线数据分别包含有此时刻与6秒、30秒、60秒、90秒、120秒、150秒、180秒之前时刻相比，传感光缆形状是否发生变化的信息及形状发生变化的位置信息；

（3）在7组传感光纤线路各点的信号强度变化数据中，计算信号强度变化信号的绝对值是否大于给定的阈值；如果是，则判定传感光缆形变超过设定的门限，给出入侵告警信号；否则判定无告警；阈值范围在0.1dB~1dB；

（4）如果存在入侵告警，在（3）中获得的信号强度变化的绝对值超过阈值之点，定义为A点；计算信号强度变化曲线在A点的斜率值，从A点开始，向传感光纤线路起点方向推进，逐点计算信号强度变化曲线的斜率值，找到第一个斜率值变为零的点，或者斜率值的符号与A点斜率值的符号相反的点，定义为B点；则B点对应传感光缆形变发生位置；

（5）将实际围栏位置与传感光缆长度进行映射换算，得出入侵活动在围栏上的对应位置；

（6）根据给定传感光缆原始长度，在7组传感光纤线路各点的信号强度变化信号曲线中，标定出传感光缆末端点，定义为C点；

（7）从传感光纤线路起点开始，到C点结束，逐点计算信号强度变化信号曲线各点的Y轴坐标值的绝对值是否大于给定的断纤阈值；如果是，则判定传感光缆被破坏，给出传感光缆被破坏告警信号，且记下第一个Y轴坐标值的绝对值大于给定的断纤阈值的点，该点对应传感光缆被破坏发生位置；断纤阈值范围在5dB~15dB；

（8）将实际围栏位置与传感光缆长度进行映射换算，得到传感光缆被破坏在围栏上的对应位置。