CN105954791A - 一种用于地下文物防盗掘的振动地波光纤传感探测系统 - Google Patents

一种用于地下文物防盗掘的振动地波光纤传感探测系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于地下文物防盗掘的振动地波光纤传感探测系统，包括多个前端分布式光纤光栅振动传感检测网络(1)，无线中继系统(2)和远程控制中心(3)，所述前端分布式光纤光栅振动传感检测网络(1)通过无线中继系统(2)向远程控制中心(3)发送监测信息；该系统基于高灵敏度、大带宽光纤传感探测网络构建，能透彻感知地表环境变化与震波信息，通过无线通讯方式将信号传送至后台监控中心，通过中心电子地图实时显示出入侵事件发生的准确方位并报警，针对陵区监测区域进行实时、在线的地下文物监测系统。

Description

一种用于地下文物防盗掘的振动地波光纤传感探测系统
技术领域
本发明涉及光纤光栅传感器探测领域，特别是涉及一种用于地下文物防盗掘的振动地波光纤传感探测系统。
背景技术
近些年来受商业利益的驱使，盗墓分子在古墓陵区内疯狂作案多起而导致大量地下珍贵文物被破坏。盗墓团伙的作案设备日益先进、作案手段愈发高明；古墓被盗掘后不仅使得珍贵文物流落他乡，还会破坏古墓葬本身所具有的文化、科研价值，其损失无可估量。
当前，国内外文物保护工作中仅有博物馆文物藏品得到了有效、可靠的安全保障，而野外文物保护由于管理难度大、防范手段落后、保护经费严重不足等问题已成为难题。当遇到范围大、分布散、地形复杂的古墓陵区时，保护难度极大的同时安保形势十分严峻。而传统监测方式由于抗干扰能力弱、检测准确性较差、信号处理成本相对较高、检测信号无法实现远传等原因。只能作为人工看守方式的一种补充，还难以全面、充分地探测整个区域内入侵事件的发生而取代人工。故急需发展基于先进传感技术的地下文物保护安全监测系统。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用于地下文物防盗掘的振动地波光纤传感探测系统，基于高灵敏度、大带宽光纤传感探测网络构建，能透彻感知地表环境变化与震波信息，通过无线通讯方式将信号传送至后台监控中心，通过中心电子地图实时显示出入侵事件发生的准确方位并报警，针对陵区监测区域进行实时、在线的地下文物监测系统。
本发明所采用的技术方案是：
一种用于地下文物防盗掘的振动地波光纤传感探测系统，包括多个前端分布式光纤光栅振动传感检测网络，无线中继系统和远程控制中心，所述前端分布式光纤光栅振动传感检测网络通过无线中继系统向远程控制中心发送监测信息；
所述前端分布式光纤光栅振动传感检测网络用于检测地下文物防区内的地层振动信息，其包括多个光纤光栅振动传感器组成的传感阵列、光信号解调模块、无线发射网桥以及为所述光信号解调模块和无线发射网桥供电的电源模块；所述多个光纤光栅振动传感器分布安装于地下文物防区之内，通过光纤与光信号解调模块连接，用于采集防区内地层振动信号，并发送给光信号解调模块进行解调，得到地层振动频率；光信号解调模块与无线发射网桥电连接，用于将得到的地层振动频率通过无线发射网桥、无线中继系统发送给远程控制中心；
所述远程控制中心用于对地下文物防区内地层振动信息进行处理、分析、存储与显示，其包括信息处理模块、报警显示系统、监测信息存储系统以及网络通信系统；所述信息处理模块通过网络通信系统接收前端分布式光纤光栅振动传感检测网络通过无线中继系统上传的防区地层振动频率，并进行分类识别入侵行为；报警显示系统与信息处理模块电连接，用于根据信息处理模块分析得到的入侵结果进行声光报警及数据显示；所述监测信息存储系统与信息处理模块电连接，用于存储实时监测信息；监测信息存储系统还与网络通信模块电连接，用于其他用户终端或上级处理控制终端进行监测信息的查询。
作为优选，所述光纤光栅振动传感器由一个长方体传感器基座、一个长条形弹性体、一个质量块和一根光纤组成；所述弹性体一端与传感器基座一侧固定连接，另一端与质量块固定连接，三者的轴心共线；
所述传感器基座上，与弹性体所在一侧相对的另外一侧的上下两边向外设有突沿，突沿上设有固定孔；
所述光纤上刻有第一光栅FBG1和第二光栅FBG2，光纤穿过传感器基座的下突沿上的固定孔，绕过质量块后，从传感器基座的上突沿上的固定孔穿出，保证第一光栅FBG1和第二光栅FBG2对称设置；光纤分别于固定孔以及质量块的上下两面胶接。
作为优选，所述第一光栅FBG1和第二光栅FBG2的反射波的中心波长静态差值为0.3～0.7nm。
作为优选，所述光纤在与固定孔及质量块胶接时，第一光栅FBG1和第二光栅FBG2做预拉伸处理，拉伸长度为1nm。
作为优选，所述质量块的纵向长度等于传感器基座的上下两个固定孔的中心间距。
作为优选，所述光信号解调模块包括2×2光耦合器、CCD分光仪、AD转换模块、高速FPGA处理器、透射性标准具和1×N光开关；所述CCD分光仪依次与AD转换模块、高速FPGA处理器电连接；
所述2×2光耦合器的两个入端分别与ASE光源和CCD分光仪通过光纤连通，2×2光耦合器的两个出端分别与透射性标准具和1×N光开关的入端通过光纤连通，形成光通路；1×N光开关的N个出端分别与多个光纤光栅振动传感器通过光纤连通；
所述高速FPGA处理器还与无线发射网桥电连接，用于将处理后的地层振动频率无线发射网桥发送至远程控制中心。
作为优选，所述报警显示系统包括时间空间警情显示模块、反向控制声光告警模块、警情处置模块、历史警情存储模块、显示输出模块。
作为优选，所述监测信息存储系统包括一个数据库服务器和一个视频服务器；数据库服务器用于存储每次由于入侵行为所引发的振动地波频率信息并管理；所述视频服务器用于同步存储并管理通过与探测系统联动的摄像头记录的每一次入侵行为发生所拍摄到的视频录像。
作为优选，所述网络通信系统与互联网连通，用于远程查询。
作为优选，远程控制中心还包括扩展模块，用于扩展探测系统功能，其中包含防区MAPGIS空间信息数据库接口和Web Service接口。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.系统可以根据需要增加或减少前端分布式光纤光栅振动传感检测网络，实现大范围全方位的实时检测；
2.采用高灵敏度、大带宽光纤振动检波器与解调、滤波放大电路模块。通过现场测试验证其性能较常规地震检波器能够更好地适应于低频微弱地表振动信号的探测；
3.前端与后台之间采用无线通信方式进行信息交互，节约布线成本，安装布置更为方便快捷。
附图说明
图1为本发明实施例的一种用于地下文物防盗掘的振动地波光纤传感探测系统结构示意图；
图2为本发明实施例提供的前端分布式光纤光栅振动传感检测网络结构框图；
图3为本发明实施例提供的光栅传感器结构示意图；
图4为本发明实施例提供的基于CCD分光仪检测技术的解调模块框架结构框图；
图5为本发明实施例提供的远程控制中心结构框图。
图中所示：1.前端分布式光纤光栅振动传感检测网络，2.无线中继系统，3.远程控制中心，11.光纤光栅振动传感器，12.光信号解调模块，13.无线发射网桥，14.电源模块，31.信息处理模块，32.报警显示系统，33.监测信息存储系统，34.网络通信模块，35.扩展模块，111.传感器基座，112.弹性体，113.质量块，114.光纤，115.固定孔，121.2×2光耦合器，122.CCD分光仪，123.AD转换模块，124.高速FPGA处理器，125.透射性标准具，126.1×N光开关
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
参见图1，该图为本发明实施例提供的一种用于地下文物防盗掘的振动地波光纤传感探测系统，包括前端分布式光纤光栅振动传感检测网络1，无线中继系统2和远程控制中心3，所述前端分布式光纤光栅振动传感检测网络1通过无线中继系统2向远程控制中心3发送监测信息；
前端分布式光纤光栅振动传感检测网络1用于检测地下文物防区内的地层振动信息，其包括8个光纤光栅振动传感器11组成的传感阵列、一个光信号解调模块12、一个无线发射网桥13以及为所述光信号解调模块12和无线发射网桥13供电的电源模块14；所述8个光纤光栅振动传感器11分布安装于地下文物防区之内，通过光纤与光信号解调模块12连接，用于采集防区内地层振动信号，并发送给光信号解调模块12进行解调，得到地层振动频率；光信号解调模块12与无线发射网桥13电连接，用于将得到的地层振动频率通过无线发射网桥13、无线中继系统2发送给远程控制中心3；
当前，针对地表振动波的采集主要选用广泛用于地震勘探中的常规模拟动圈式加速度检波器，其性能直接关系到数据采集质量。而此类检波器由于存在需远距离供电、易受电磁干扰、测量精度低、频响范围小与信号处理复杂等诸多弊端，一定程度上影响了振动监测效果。导致由此类传感器所构建的振波监测系统在长期监测过程中的精度不高。而光纤布拉格光栅(FBG)检波器较传统检波器而言具备抗电磁干扰、动态频响范围大、精度高、可远距离传输、本质防爆、易于波分复用等诸多优势，非常适用于野外地埋场合实时监测多类型入侵振动信号。
针对地下文物防盗掘、防入侵、防破坏的迫切需求，本发明设计了一种光纤光栅振动传感器11由一个长方体传感器基座111、一个长条形弹性体112、一个质量块113和一根光纤114组成；弹性体112一端与传感器基座111一侧固定连接，另一端与质量块113固定连接，三者的轴心共线；传感器基座111上，与弹性体112所在一侧相对的另外一侧的上下两边向外设有突沿，突沿上设有固定孔115；质量块113的纵向长度等于传感器基座111的上下两个固定孔115的中心间距。
光纤114上刻有第一光栅FBG1和第二光栅FBG2，光纤114穿过传感器基座111的下突沿上的固定孔115，绕过质量块113后，从传感器基座111的上突沿上的固定孔115穿出，保证第一光栅FBG1和第二光栅FBG2对称设置；光纤114分别于固定孔115以及质量块113的上下两面胶接。
第一光栅FBG1和第二光栅FBG2的反射波的中心波长静态差值(即在质量块不受力，两个光栅不被拉伸或压缩的情况下)为0.3～0.7nm。光纤在与固定孔115及质量块113胶接时，为防止零点死区，第一光栅FBG1和第二光栅FBG2做预拉伸处理，拉伸长度为1nm。
两个光栅刻写在同一根光纤上，通过精确制作使两根光栅形成匹配，两根光栅呈对称式分别固定于传感器基座和质量块中间，当传感器受到来自外界的振动冲击时，质量块以弹性膜片为支撑发生上下偏移，从而带动光纤光栅产生轴向伸缩，FBG1和FBG2之间波形重叠部分的面积会发生变化，而重叠部分的面积与反射谱的光强度成正比。重叠面积的大小会反映出受力的大小。以质量块受到向上的加速度为例，FBG2被拉长，FBG1收缩，此时光强信号增大，反之亦然。后端解调模块将感测到的波长变化信息进行编码，中心波长处窄带反射解调并输出，从而达到了振动测量的目的。
光信号解调模块12包括2×2光耦合器121、CCD分光仪122、AD转换模块123、高速FPGA处理器124、透射性标准具125和1×N光开关126；CCD分光仪122依次与AD转换模块123、高速FPGA处理器124电连接；2×2光耦合器121的两个入端分别与ASE光源和CCD分光仪122通过光纤连通，2×2光耦合器121的两个出端分别与透射性标准具125和1×N光开关126的入端通过光纤连通，形成光通路；1×N光开关126的其中8个出端分别与8个光纤光栅振动传感器11通过光纤连通；
ASE宽带光源的光经过光纤耦合器(2X2)分成两支，一支经过带有标记点的透射型标准具(标记点相当于参考光栅的作用)后经过光开关和耦合器，射向CCD分光仪，CCD分光仪形成光谱图像经过AD采集后由高速FPGA处理器进行信号处理，识别出标准具梳状信号的各个峰值点，为后续光栅反射光谱提供参考波长区间；另外一支经光开关后射向光纤光栅传感器，反射光谱同样由CCD分光仪进行光谱成像，经AD采集及Xilinx Spartan-7高性能FPGA处理器处理之后确定精确波长的峰值点，查找峰值点落在的参考波长区间，按线性关系计算出峰值点对应的真实波长的值进行处理。
由于光纤光栅波长信号中存在较大的噪声，对光纤光栅对应波长的峰值点的确定造成很大的不准确因素，导致精度下降。解调模块设计运用Xilinx Spartan-7FPGA超强可编程并行计算能力来对光纤光栅波长信号进行滤波处理，设计并实现相应的高速滤波算法。同时设计基于FPGA的高精度快速寻峰算法，为后续数据的处理分析提供可靠的高精度的波长数据。
设计后的解调模块能够实现最高4kHz的解调频率，0.5pm的波长分辨率，2pm的波长精度，动态范围30db，波长检测范围为1535nm-1575nm，每通道可检测最大光纤光栅个数为18个，完全满足前端传感阵列对于光波长解调的实时性、高精度、高可靠性要求。
高速FPGA处理器124还与无线发射网桥13电连接，用于将处理后的地层振动频率无线发射网桥13发送至远程控制中心3。
远程控制中心3用于对地下文物防区内地层振动信息进行处理、分析、存储与显示，其包括信息处理模块31、报警显示系统32、监测信息存储系统33以及网络通信系统34；信息处理模块31通过网络通信系统34接收前端分布式光纤光栅振动传感检测网络1通过无线中继系统2上传的防区地层振动频率，并进行分类识别入侵行为；
报警显示系统32与信息处理模块31电连接，用于根据信息处理模块31分析得到的入侵结果进行声光报警及数据显示，主要包括时间空间警情显示模块、警情复核模块、反向控制声光告警模块、警情处置模块、历史警情存储模块、显示输出模块。
时间空间警情显示模块将每次告警信息如告警编号、告警类型、采集器、防区、发生时间、确认时间、操作员和备注按照列表方式进行显示，方便用户进行阅读与查询；警情复核模块通过对检测到的入侵信号进行模式识别以确认报警信息的真实性；反向控制声光告警模块的作用是在确认为真实报警信息之后通过该模块控制声音报警器和警铃发出声响，以提醒安保人员及时出警；警情处置模块的作用为确认报警信息之后，指派和配置警力和车辆及时前往案发现场进行处置，并将详细处置情况予以记录；历史警情存储模块作为日志将历次报警信息进行归档保存。
监测信息存储系统33与信息处理模块31电连接，用于存储实时监测信息，主要包括一个数据库服务器和一个视频服务器；数据库服务器用于存储每次由于入侵行为所引发的振动地波频率信息并管理；所述视频服务器332用于同步存储并管理通过与探测系统联动的摄像头记录的每一次入侵行为发生所拍摄到的视频录像。
监测信息存储系统33还与网络通信模块34电连接，用于其他用户终端或上级处理控制终端进行监测信息的查询。
远程控制中心3中的扩展模块35，用于扩展探测系统功能，其中包含MAPGIS空间信息数据库接口和Web Service接口。
防区MAPGIS空间信息数据库接口作为软件平台的扩展功能，规定了地理空间数据库的数据访问对象模型及接口标准，能够对满足本标准接口的空间数据提供者的加载和卸载提供支持，通过该接口可以接驳全监测区域范围的电子地图，因而能够实现针对墓塚的坐标与方位进行精确定位。
WEB SERVICE接口作为一个公共开放的接口协议与标准，能够为其他平台的接入提供更好的兼容性。
系统能够快速、准确识别入侵行为并及时报警，同时系统设计不仅考虑了监测效果与精度需求，同时也兼顾了工程实施的经济、实用性；能够完全满足管理方实际要求，大型陵区管理部门运用该系统能够实时、准确掌控防区内的警情信息，为文保执法工作的有效执行提供了有力支撑。而先进光纤传感探测技术对促进光纤地下周界安防技术的发展与应用具有重要意义。
说明书中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。本实施例仅用于说明该发明，而不用于限制本发明的范围，本领域技术人员对于本发明所做的等价置换等修改均认为是落入该发明权利要求书所保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于地下文物防盗掘的振动地波光纤传感探测系统，包括多个前端分布式光纤光栅振动传感检测网络(1)，无线中继系统(2)和远程控制中心(3)，所述前端分布式光纤光栅振动传感检测网络(1)通过无线中继系统(2)向远程控制中心(3)发送监测信息；其特征在于：
所述前端分布式光纤光栅振动传感检测网络(1)用于检测地下文物防区内的地层振动信息，其包括多个光纤光栅振动传感器(11)组成的传感阵列、光信号解调模块(12)、无线发射网桥(13)以及为所述光信号解调模块(12)和无线发射网桥(13)供电的电源模块(14)；所述多个光纤光栅振动传感器(11)分布安装于地下文物防区之内，通过光纤与光信号解调模块(12)连接，用于采集防区内地层振动信号，并发送给光信号解调模块(12)进行解调，得到地层振动频率；光信号解调模块(12)与无线发射网桥(13)电连接，用于将得到的地层振动频率通过无线发射网桥(13)、无线中继系统(2)发送给远程控制中心(3)；
所述远程控制中心(3)用于对地下文物防区内地层振动信息进行处理、分析、存储与显示，其包括信息处理模块(31)、报警显示系统(32)、监测信息存储系统(33)以及网络通信系统(34)；所述信息处理模块(31)通过网络通信系统(34)接收前端分布式光纤光栅振动传感检测网络(1)通过无线中继系统(2)上传的防区地层振动频率，并进行分类识别入侵行为；报警显示系统(32)与信息处理模块(31)电连接，用于根据信息处理模块(31)分析得到的入侵结果进行声光报警及数据显示；所述监测信息存储系统(33)与信息处理模块(31)电连接，用于存储实时监测信息；监测信息存储系统(33)还与网络通信模块(34)电连接，用于其他用户终端或上级处理控制终端进行监测信息的查询。
2.根据权利要求1所述一种用于地下文物防盗掘的振动地波光纤传感探测系统，其特征在于：所述光纤光栅振动传感器(11)由一个长方体传感器基座(111)、一个长条形弹性体(112)、一个质量块(113)和一根光纤(114)组成；
所述弹性体(112)一端与传感器基座(111)一侧固定连接，另一端与质量块(113)固定连接，三者的轴心共线；
所述传感器基座(111)上，与弹性体(112)所在一侧相对的另外一侧的上下两边向外设有突沿，突沿上设有固定孔(115)；
所述光纤(114)上刻有第一光栅FBG1和第二光栅FBG2，光纤(114)穿过传感器基座(111)的下突沿上的固定孔(115)，绕过质量块(113)后，从传感器基座(111)的上突沿上的固定孔(115)穿出，保证第一光栅FBG1和第二光栅FBG2对称设置；光纤(114)分别于固定孔(115)以及质量块(113)的上下两面胶接。
3.根据权利要求2所述一种用于地下文物防盗掘的振动地波光纤传感探测系统，其特征在于：所述第一光栅FBG1和第二光栅FBG2的反射波的中心波长静态差值为0.3～0.7nm。
4.根据权利要求3所述一种用于地下文物防盗掘的振动地波光纤传感探测系统，其特征在于：所述光纤在与固定孔(115)及质量块(113)胶接时，第一光栅FBG1和第二光栅FBG2做预拉伸处理，拉伸长度为1nm。
5.根据权利要求2所述一种用于地下文物防盗掘的振动地波光纤传感探测系统，其特征在于：所述质量块(113)的纵向长度等于传感器基座(111)的上下两个固定孔(115)的中心间距。
6.根据权利要求1所述一种用于地下文物防盗掘的振动地波光纤传感探测系统，其特征在于：所述光信号解调模块(12)包括2×2光耦合器(121)、CCD分光仪(122)、AD转换模块(123)、高速FPGA处理器(124)、透射性标准具(125)和1×N光开关(126)；
所述CCD分光仪(122)依次与AD转换模块(123)、高速FPGA处理器(124)电连接；
所述2×2光耦合器(121)的两个入端分别与ASE光源和CCD分光仪(122)通过光纤连通，2×2光耦合器(121)的两个出端分别与透射性标准具(125)和1×N光开关(126)的入端通过光纤连通，形成光通路；1×N光开关(126)的N个出端分别与多个光纤光栅振动传感器(11)通过光纤连通；
所述高速FPGA处理器(124)还与无线发射网桥(13)电连接，用于将处理后的地层振动频率无线发射网桥(13)发送至远程控制中心(3)。
7.根据权利要求1所述的一种用于地下文物防盗掘的振动地波光纤传感探测系统，其特征在于：所述报警显示系统(32)包括时间空间警情显示模块、反向控制声光告警模块、警情处置模块、历史警情存储模块、显示输出模块。
8.根据权利要求1所述的一种用于地下文物防盗掘的振动地波光纤传感探测系统，其特征在于：所述监测信息存储系统(33)包括一个数据库服务器和一个视频服务器；数据库服务器用于存储每次由于入侵行为所引发的振动地波频率信息并管理；所述视频服务器用于同步存储并管理通过与探测系统联动的摄像头记录的每一次入侵行为发生所拍摄到的视频录像。
9.根据权利要求1所述的一种用于地下文物防盗掘的振动地波光纤传感探测系统，其特征在于：远程控制中心(3)还包括扩展模块(35)，用于扩展探测系统功能，其中包含防区MAPGIS空间信息数据库接口和Web Service接口。
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