CN106768270A - 一种超弱光纤光栅周界安防系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超弱光纤光栅周界安防系统及方法，其中系统包括：探测光缆，由刻写有大量超弱光栅阵列的光纤铠装成微振动光缆；查询单元，与探测光缆连接，用于分离和解调阵列中目标光栅的反射信号；控制单元，与查询单元连接，用于产生脉冲控制信号并同步提取波长解调信号，通过信号处理和模式识别，判定入侵行为并定位。本发明解决了传统周界安防中多光栅复用问题，允许光栅成缆和敷设时局部受力导致光栅的波长变化，光缆制备及铺设简单，通过优化控制，使周界安防系统具有灵敏度高、响应速度快、定位准确、兼容周界安防和温度传感等优势，在周界安防领域具有重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光纤周界安防技术领域，尤其涉及一种超弱光纤光栅周界安防系统。
背景技术
光纤周界安防以光纤作为传感介质和信号传输通道，具有无源、抗电磁干扰、灵敏度高等优点,便于长距离布设,在重要的设施、电站、易燃易爆物资仓库、军事要地等周界安防领域具有广泛的需求，
上世纪90年代中期，发达国家已率先将光纤传感技术应用到周界安防领域。目前，全球能掌握该技术并投入使用的主要集中在欧美等少数几个国家，如英国、美国、以色列、澳大利亚等，多采用基于光学干涉原理的分布式传感技术；国内近几年在该领域也获得快速发展，主要有基于光学干涉的分布式传感和基于高反射率光栅(FBG)的应变传感两种技术。干涉式分布式传感周界安防技术虽然具备很高的灵敏度，但普遍存在定位精度差、防区长度小等问题，且由于光缆整体参与传感，难以分辨出风雨等恶劣天气的扰动和人为入侵的区别，抗环境干扰能力差。与分布式光纤传感相比，FBG应变传感技术在误报率、定位精度、耐候性等方面具有优势，也较易实现振动、温度等多参量的共网监测，具备满足用户多样化需求的潜力。但单光纤上FBG复用数量少，成缆工艺复杂，匹配的法布里-珀罗(F-P)解调技术实时性也差，性价比不高。超弱光栅是对反射率低于0.1％光栅的统称。由于超弱光栅只反射探测脉冲中极少部分能量，可以允许单光纤上同波长光栅的大规模复用。目前，我们已经实现6000个反射率0.01％左右光栅的复用，感测距离超过20km。此外，超弱光栅自动化刻写工艺已经成熟，它无需对光纤进行掺杂，省去了剥皮和再涂覆工序，生产效率高，光栅的抗拉性和可靠性好，批量制作的成本低廉，这为超弱光栅周界安防提供了理想的载体。
要准确判定周界上的入侵事件，周界安防系统必须能实时检测传感器上的动态信号。通常，当周界上有入侵事件发生时，外力作用会引起邻近的光纤上产生动态应变，除了导致光栅的波长漂移外，也会携带有明显的振动信号特征(振动频率通常在500Hz以下)。超弱光栅单光纤上可复用数千个，这有利于根据周界安防的需要密集分布在微振动光缆上，准确感测应变及振动信号，避免了传统FBG周界安防中因为光栅间距过大导致灵敏度降低的问题。但光栅间距的大幅缩小，也必然导致传感光栅数量的急剧增加，降低振动检测的实时性。如何对大量超弱光栅阵列上的振动信号进行实时监测，是超弱光栅检测技术研究的重要课题，也实现超弱光栅周界安防的关键技术。文献“Wang Y M,Gong J M,Wang D Y,etal.A large Serial time-division multiplexed fiber Bragg grating sensornetwork[J].J.Lightw.Technol.,2012,30:2751-2756.”提出了一种激光波长扫描的时域查询(WSTDM)方法，因受激光光源波长变换速度的限制，一次查询时间需要几十秒，很难检测振动等动态信号；而专利(专利号201210390000.8“超大容量时分波分光纤光栅传感系统及其查询方法”)虽然提出了一种基于CCD解调的大规模超弱光栅阵列快速查询方法，但主要针对静态量的监测(如温度)，没有涉及大规模光栅阵列中振动信号的动态检测，也没有考虑周界安防系统对入侵事件识别、响应时间、定位精度、多点监测等问题，很难满足光纤周界安防技术的要求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种灵敏度和定位精度高、响应速度快、经济性好的超弱光纤光栅周界安防系统，
本发明所采用的技术方案是：
一种超弱光纤光栅周界安防系统，包括：
探测光缆，由刻写有大量超弱光栅阵列的光纤铠装成微振动光缆，用于将光缆上振动转化为邻近光栅的波长变化。
查询单元，与探测光缆连接，产生覆盖超弱光栅阵列的宽带脉冲，接收光栅阵列的反射光脉冲，采用高速光电开关在时域内对光栅的反射光脉冲进行分离，再通过CCD解调模块完成光电转换和峰值波长提取，实时解调目标光栅的波长变化。
控制单元，与查询单元连接，用于产生可进行脉冲宽度和时延调节的控制信号，并同步提取解调后的信号；完成信号处理和模式识别，结合波长偏移量的大小及频率特征判断是否有入侵行为，定位入侵事件的位置。
该探测光缆中的超弱光栅阵列反射率在-30dB～-50dB之间，光栅阵列的峰值波长可以相同，也可以在1nm范围内随机波动。超弱光栅阵列的反射率在-30dB～-50dB之间，可以保证光栅反射信号的强度远高于噪声(主要的瑞利散射噪声强度约-60dB)，便于探测和信号处理；超弱光栅阵列多采用在线制备，由于光纤导丝轮牵引力的波动，光栅阵列的波长会出现差异，即存在波长一致性问题。而光栅阵列铠装成光缆以及光缆铺设过程中，容易产生局部应力，导致部分光栅波长出现漂移。因此，实际工程应用中，光栅阵列的波长不可能完全相同，而是在一定范围内随机波动。允许光栅阵列的波长在1nm范围内随机波动，有效降低了光栅阵列制备和铺设的要求，大幅提升工程应用的可行性。
该控制单元还用于存储初始化时各个光栅的时延、波长信息，并根据信号处理的结果，优化查询脉冲的宽度和时延等参数，自适应调节查询单元的工作方式。本发明采用扫描的方法对光栅进行查询，光栅的位置由时延决定，保存各光栅的时延和波长信息，可以实现对光栅的二维定位。在后续的查询中，可以采用存储器读取方式快速获取光栅的位置和历史信息，扩大或缩小查询范围，改变查询方式，为准确判定入侵事件的性质提供支持。
该系统采用相邻的两个或多个弱光栅构建一个微型振动传感区域，通过定位最大波长变化光栅的位置来定位入侵事件发生的位置。超弱光栅将整个传感区域划分为若干个微型传感区域，由于光栅之间的间距小，灵敏度比传统大间距光栅周界安防方案更高。当有入侵事件发生时，会在光纤段上产生应变，引起邻近两个或者更多光栅的波长变化，而波长变化最大的光栅必然距离入侵事件发生位置最近，因此，该方案既可以有效提高周界安防的灵敏度，也可以实现对事件的准确定位。
一种超弱光纤光栅周界安防系统的查询方法，包括以下步骤：
步骤1：根据光栅间隔设定脉冲宽度，以控制单元允许的最小时延作为增量，沿光纤长度方向进行初始化扫描查询；
步骤2：采用时延-强度二维算法识别阵列中的各个光栅及其位置，存储每个光栅的时延、峰值波长的初始值，并划分成若干个“光栅组”；
步骤3：设定“光栅组”的查询模式识别和算法处理参数，启动“光栅组”扫描查询方式，在全光纤上对“光栅组”进行快速巡回扫描；
步骤4：监测“光栅组”内是否有超出设定值的波长偏移，若发现“光栅组”内光栅波长偏移的超出设定值，倒换进入单体光栅扫描查询方式；否则，继续工作在“光栅组”查询方式；
步骤5：在单体光栅扫描查询方式下，初始化查询脉冲、延时值保持时间、模式识别等参数，逐一查询组内的各光栅，提取最大波长漂移量和振动特征参量；对该组内各光栅的信号进行特征参量比较和分析，判定是否有入侵行为；
步骤6：如有入侵行为，设定最大波长变化的光栅为事件点，反馈该光栅的位置及强度等级，并发出即时告警；如发生多个“光栅组”的波长漂移超过设定值，对各“光栅组”依次采用上一步骤进行查询和处理；
步骤7：返回“光栅组”扫描查询方式，并定期执行初始化。
所述“光栅组”包含的光栅个数可以根据系统的响应速度、分辨率等要求灵活调节。
该系统还可以在微振动超弱光栅光缆后接续温度感测超弱光栅光缆，用于周界安防和温度传感的共网监测。由于振动是一种动态信号，而温度变化相对缓慢，两者共网监测对解调设备提出了很高的要求。该方案进一步利用超弱光栅的复用优势，通过光栅定位来区分不同位置的光栅的传感功能，进而采用更合理的查询方法，兼容了安防和温度传感，在变电站、油库、电厂等同时需要周界安防和温度传感的场合具有广泛的应用前景。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)、解决了传统周界安防中多光栅复用问题，提升传感系统的灵敏度，允许光栅阵列较大的波长容差，降低了光栅光缆的制作和敷设成本。
2)、利用2个或者多个光栅构建微型传感区域，通过邻近光栅进行定位，灵活实现了入侵事件的高精度定位和多点检测。
3)、将扫描查询技术与智能控制技术融合，通过灵活变换单次查询光栅的数量，提高安防系统的响应速度，可以满足特种周界安防中快速响应的要求(如0.5s以内)。
4)、兼容振动传感和温度传感。可以根据信号特征，区别振动和温度传感参量，只需要将不同铠装的光缆进行衔接，即可实现周界安防和温度传感的共网监测。
附图说明
图1为本发明实施例超弱光栅周界安防系统的示意图。
图2为本发明实施例超弱光栅周界安防系统查询方法的示意图。
图3为本发明实施例周界安防与温度传感共网监测的示意图。
图1中：1—3nm带宽ASE光源，2—电光调制器(1)，3—光环行器，4—振动传感光缆，5—电光调制器(2)，6—CCD解调模块，7—查询单元，8—控制单元。
图3中：9—熔接点，10—温度传感光缆
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述：
一种超弱光纤光栅周界安防系统，如图1所示，包括：
探测光缆，由刻写有大量超弱光栅阵列的光纤铠装成单芯微振动光缆，直接用自锁扎带固定在围栏或其它需要安防的地方，用于将光缆上振动转化为邻近光栅的波长变化。超弱光栅阵列反射率在-30dB～-50dB之间，这可以保证光栅反射信号的幅度远高于噪声(如瑞利散射)幅度，便于探测和信号处理；光栅间距5米，光缆长度10km；光栅阵列的峰值波长选择为1550nm，允许在1nm范围内随机波动，从而降低了光栅阵列制备和铺设的要求。
查询单元，与探测光缆连接，产生覆盖超弱光栅阵列的宽带光脉冲，接收光栅阵列的反射光脉冲，采用高速光电开关在时域内对光栅的反射光脉冲进行分离，再通过CCD解调模块完成光电转换和峰值波长提取，实时解调目标光栅的波长变化。查询单元中的宽带光脉冲发生由3nm带宽的ASE光源、SOA电光调制器和控制信号共同实现。3nm光源可以采用普通ASE光源串接3nm带通滤波器构成，经过SOA调制后形成宽度可调的光脉冲；考虑系统功率预算的需要，还可以在SOA后面增加EDFA对信号进行放大；宽带光脉冲通过环形器耦合进入单芯的微振动光缆，再将反射光信号耦合输出到第二个SOA电光调制器，再进入CCD解调模块，如Bayspec FBGA-F，进行快速波长解调，解调结果通过USB2.0输出给控制单元。
控制单元，与查询单元连接，用于产生可进行脉冲宽度和时延调节的控制信号，并同步提取解调后的信号；完成信号处理和模式识别，结合波长偏移量的大小及频率特征判断是否有入侵行为，定位入侵事件的位置。控制单元可以直接采用PC和硬件电路实现，PC进行信号处理和模式识别，硬件完成控制信号产生，两者之间通过串口或USB进行通信，但这种解决方案的实时性略差；目前，采用赛灵思推出的ARM+FPGA一体化开发板设计控制单元，ARM负责高速通信、人机交互和显示告警，FPGA用于信号处理和控制信号产生，该方案具有更高的集成度和灵活性。在信号处理时，若发现相邻监测光栅受力大幅变化(超过设定阈值)，并呈现振动信号特征，可以发出疑似入侵的告警提示信息，再启动历史应变数据分析，对各监测点受力状况的趋势进行分析和预测，若预测结果显示某点的受力及振动状况将达到临界值，系统发出相应的告警信息，否则，认为围栏(墙)状态正常。相邻监测光栅受力差异的阈值，以及各监测点受力的临界值，可根据长期应变数据对各监测点受力状况趋势进行分析和预测，或通过实验建立各种入侵情况的数据库样本，通过机器学习进行优化，从而提高预测的准确率。分析振动信号的模式识别算法，可根据学习结果采用阈值判断，或者引入经验模态分析、神经网络等算法进行优化。
进一步地，该控制单元还用于存储初始化时各个光栅的时延、波长信息，并根据信号处理的结果，优化查询脉冲的宽度和时延等参数，自适应调节查询单元的工作方式。例如，通过当前信号处理和模式识别后，系统认为无入侵事件发生，则导入“光栅组”查询方式，脉冲宽度设置为500ns，每次查询10个光栅；当发现“光栅组”中有波长漂移后，变换成单体光栅查询模式，脉冲宽度50ns，延时保持时间0.5s，以便提取振动信号。
进一步地，该系统采用相邻的两个弱光栅构建一个微型振动传感区域，通过定位最大波长变化光栅的位置来定位入侵事件发生的位置。基于强度-相位二维定位方法可以实现光栅的定位精度为0.1m，当光栅间隔5m时，事件定位精度5m+/-0.1m。
本发明还提供了一种超弱光栅周界安防系统的查询方法，基于上述实施例的系统，如图2所示，包括以下步骤：
步骤1：根据光栅间隔设定脉冲宽度50ns，以控制单元允许的最小时延1ns作为增量，沿光纤长度方向进行初始化扫描查询；
步骤2：采用时延-强度二维算法识别阵列中的各个光栅及其位置，存储每个光栅的时延、峰值波长的初始值，并划分成若干个“光栅组”，每组包含10个光栅；
步骤3：设定“光栅组”的查询模式识别和算法处理参数，启动“光栅组”扫描查询方式，脉冲宽度设置为500ns，在全光纤上对“光栅组”进行快速巡回扫描；
步骤4：监测“光栅组”内是否有超出设定值的波长偏移，若发现“光栅组”内光栅波长偏移的超出设定值，倒换进入单体光栅扫描查询方式；否则，保持“光栅组”的查询方式；
步骤5：在单体光栅扫描查询方式下，初始化查询脉冲、延时值保持时间、模式识别等参数，逐一查询组内的各光栅，提取最大波长漂移量和振动特征参量；对该组内各光栅的信号进行特征参量比较和分析，判定是否有入侵行为；
步骤6：如有入侵行为，设定最大波长变化的光栅为事件点，反馈该光栅的位置及强度等级，并发出即时告警；如发生多个“光栅组”的波长漂移超过设定值，对各“光栅组”依次采用上一步骤进行查询，并进行多点告警；
步骤7：返回“光栅组”扫描查询方式，并定期执行初始化。
本发明一种超弱光纤光栅周界安防系统，针对周界安防系统的技术要求，在充分发挥超弱光栅复用能力强和查询方式灵活等优势的基础上，通过创新设计，构建的一种适应性好、灵敏度高、响应速度快、定位准确的高性能安防系统。具体而言：
①、灵敏度的大幅提高：
传统的高反射率光栅(FBG)周界安防系统中，由于单光纤上复用的光栅只有数十个，为了尽可能增加安防的距离，减少光缆铺设的数量，通常将两个FBG传感器之间的距离扩大到50米以上，但这种大跨距的设计会减弱光缆上应变或振动信号传递的效果，从而降低光栅传感器的有效灵敏度高。通常需要加装机械结构来增敏光栅，这又给光缆布设造成困扰。弱光栅单光纤上可复用数量达到数千个，且允许灵活设计光栅之间的间距。假定两个光栅之间的间隔10米，2000个超弱光栅制作的光缆长度就达到20km，这能满足大多数安防领域的应用要求。与间距50米的传统FBG周界方案比较，弱光栅的间距设置在1m～20m的间距范围内，可以满足不同灵敏度等级周界安防系统的需要。
②、改善系统的实时性：
通常，入侵事件是小慨率事件，周界安防中大多数光栅处于“休眠”状态，基于“光栅组”的查询方式能一次查询数十个光栅，从而缩短了发现异常光栅时间，使锁定异常光栅的时间有望降低到ms级，大幅改善系统的实时性。事实上，长距离周界安防系统中光栅复用数量可能达到数千个，采用逐点遍历查询的方式对应变或振动信号进行检测，会严重影响响应速度。尽管相关专利(专利号201210390000.8“超大容量时分波分光纤光栅传感系统及其查询方法”)提出了时延跳跃查询的方案，但也很难满足大规模弱光栅周界安防系统的响应速度要求。事实上，基于CCD解调的方案能一次解调多个波长信号(40nm范围内)，对单体光栅或多光栅解调的速度相同。通过调节控制脉冲的宽度，在一个有效脉冲时间内查询多个光栅的反射信号，可以快速识别入侵事件。因此，将单体光栅查询改为多光栅(如“光栅组”)查询，可以有效提升系统的查询速度，进而提升系统的响应速度。
例如：对于光栅间距2米、5000个光栅构建的10km长的安防系统，采用脉冲20ns、查询频率5000Hz查询速度工作，遍历所有光栅的时间为1s；当脉冲扩展到200ns时，一次可以检测到10个光栅的反射信号，理论上遍历全部光栅阵列的时间只需要0.1s。实际工作中，当某个“光栅组”(包含10个光栅)中某个光栅受振动信号的影响，波长出现偏移后，只需要一次查询，就能初步识别入侵事件，然后再对组内10个光栅进行单体查询和确认，既可以提高查询速度，也降低了误判的概率。“光栅组”中所包含光栅的个数越多，系统的响应速度改善越明显。当然，考虑光栅包络对光谱检测的影响，“光栅组”中的光栅个数要根据光栅波长和系统要求综合考虑，一般不会大于20个。
③、入侵事件的定位方法：
传统的干涉型分布式光纤周界安防是利用入侵事件引起正向/反向传感光信号相位变化的时间差来定位事件位置，但这种时间差的探测与传感光纤的长度(又称作“防区”)大小密切相关。防区的距离越大，信号传输中的失真越严重，定位误差越大。一般干涉型周界安防系统的定位误差在10米以上；对于普通FBG的周界安防技术，系统本身并没有实时定位功能，只能根据光缆线路中光栅布设的大致位置间接判断，适用于对定位要求不高的场合。超弱光栅周界安防技术是利用“微型传感区域”来进行定位，即采用相邻的两个或多个光栅为一组，将光纤周界划分成上千个传感区间，通过定位最大波长光栅的位置，来定位入侵事件的位置。本发明采用相位-强度结合的二维定位方法，即通过同时检测相位变化和反射信号光强的变化来确定光栅的位置，这种定位方法对光栅的定位精度可以达到0.1米。相比较米级的光栅间距，光栅的定位误差可以忽略。因此，入侵事件的定位精度主要由光栅的间距决定，通过灵活设计光栅的间距和布设方式，可以满足不同周界安防系统的定位要求，且定位精度可以普遍优于分布式光纤周界安防系统的要求。
④、周界安防与温度传感共网监测的原理：
温度对光栅波长的影响相对缓慢，是一种准静态参量；入侵事件引起的振动通常在500Hz以内，具有明显的频率特征。超弱光栅周界安防系统采用扫描查询的方法对光缆上的参量进行检测，能很好地识别温度和振动参量。因此，将基于超弱光栅的振动光缆和温度感测光缆衔接，通过特征参量识别和位置识别，可以有效实现周界安防和温度传感的共网监测。
此外，该系统采用基于体相位光栅衍射的CCD解调，允许光栅的波长在一定范围内波动，大大降低了光栅制备及成缆的技术难度。事实上，超弱光栅在自动化制备及成缆过程中，因为牵引张力不均衡、扭曲等作用，光栅阵列的波长会出现漂移，很难实现真正的“全同”。通常，因光缆铠装的结构不同，光纤上残留的应力分布差异会很大，从而导致光栅波长的漂移达到nm级。因此，系统能允许光栅阵列波长变化具有较大的容差，将大幅降低了光栅阵列制备和铺设的要求。
综上，本发明提供的超弱光栅周界安防系统及方法，能够结合应变和振动的特征参量，快速查找入侵事件、识别入侵事件并准确定位，并具备分析历史的应变数据，对围栏(墙)状态进行监测，以提供及时的安全信息。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种超弱光纤光栅周界安防系统，其特征在于，包括：
探测光缆，由刻写有超弱光栅阵列的光纤铠装成微振动光缆，用于将光缆上振动转化为邻近光栅的波长变化。
查询单元，与探测光缆连接，产生覆盖超弱光栅阵列的宽带脉冲，接收光栅阵列的反射光脉冲，采用高速光电开关在时域内对光栅的反射光脉冲进行分离，再通过CCD解调模块完成光电转换和峰值波长提取，实时解调目标光栅的波长变化。
控制单元，与查询单元连接，用于产生可进行脉冲宽度和时延调节的控制信号，并同步提取解调后的信号；完成信号处理和模式识别，结合波长偏移量的大小及频率特征判断是否有入侵行为，定位入侵事件的位置。
2.根据权利要求1所述一种超弱光纤光栅周界安防系统，其特征在于，该探测光缆中的超弱光栅阵列反射率在-30dB～-50dB之间，光栅阵列的峰值波长可以相同，或者在1nm范围内随机波动。
3.根据权利要求1所述一种超弱光纤光栅周界安防系统，其特征在于，该控制单元还用于存储初始化时各个光栅的时延、波长信息，并根据信号处理的结果，优化查询脉冲的宽度和时延等参数，自适应调节查询单元的工作方式。
4.根据权利要求1所述一种超弱光纤光栅周界安防系统，其特征在于，该系统采用相邻的两个或多个弱光栅构建一个微型振动传感区域，通过定位最大波长变化光栅的位置来定位入侵事件发生的位置。
5.一种超弱光纤光栅周界安防系统的查询方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：根据光栅间隔设定脉冲宽度，以控制单元允许的最小时延作为增量，沿光纤长度方向进行初始化扫描查询；
步骤2：采用时延-强度二维算法识别阵列中的各个光栅及其位置，存储每个光栅的时延、峰值波长的初始值，并划分成若干个“光栅组”；
步骤3：设定“光栅组”的查询模式识别和算法处理参数，启动“光栅组”扫描查询方式，在全光纤上对“光栅组”进行快速巡回扫描；
步骤4：监测“光栅组”内是否有超出设定值的波长偏移，若发现“光栅组”内光栅波长偏移的超出设定值，倒换进入单体光栅扫描查询方式；否则，继续工作在“光栅组”查询方式；
步骤5：在单体光栅扫描查询方式下，初始化查询脉冲、延时值保持时间、模式识别等参数，逐一查询组内的各光栅，提取最大波长漂移量和振动特征参量；对该组内各光栅的信号进行特征参量比较和分析，判定是否有入侵行为；
步骤6：如有入侵行为，设定最大波长变化的光栅为事件点，反馈该光栅的位置及强度等级，并发出即时告警；如发生多个“光栅组”的波长漂移超过设定值，对各“光栅组”依次采用上一步骤进行查询和处理；
步骤7：返回“光栅组”扫描查询方式，并定期执行初始化。
所述“光栅组”包含的光栅个数可以根据系统的响应速度、分辨率等要求灵活调节。
6.根据权利要求5所述一种超弱光栅周界安防系统的查询方法，其特征在于，该系统还可以在微振动超弱光栅光缆后接续温度感测超弱光栅光缆，用于周界安防和温度传感的共网监测。
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