CN107730798A - 一种预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预警系统，包括：激光器、干涉装置、光电探测器、控制装置及数据处理装置；干涉装置包括第一耦合器、光纤延时纤、第二耦合器、反射镜及传感光缆；激光器用于产生激光，激光经过所述第一耦合器后分成两路光束，两路光束在第一耦合器内发生干涉；光电探测器用于接收干涉后的光束，并将光信号转换为电信号，控制装置用于采集电信号并进行预处理，数据处理装置用于接收经过预处理的电信号并分析以确定预警类型。本发明还公开了一种预警方法，本发明提供的预警系统及方法，两路光束以不同的传输方向在第一耦合器内发生干涉，保证了光程的一致性，避免引入光程误差；干涉数据经过预处理后进行分析以确定预警类型，提高准确率。

Description

一种预警系统及方法

技术领域

本发明涉及光纤传感及信号处理领域，尤其涉及一种预警系统及方法。

背景技术

自20世纪70年代以来，光纤通讯技术从实验室走向产业，迅速壮大、日渐成熟，发展成当今信息时代的最为重要的一环。与之相伴而生的光纤产业链的另一重要分支是光纤传感技术产业，与传统的传感技术相比，光纤传感无需任何中间介质就能把待测的量与光纤中的光特性联系起来，且拥有其自身的物理特性优势，即光纤质轻、径细、抗电磁干扰能力强、耐辐射、信号衰减小、集信息传感与传输一体等。

随着社会发展经济水平不断提高，人民对于自身生命和财产安全的要求越来越高，于是基于光纤传感的周界入侵预警系统便应运而生了。以往的光纤周界预警系统在光路设计上基本是基于Michelson干涉仪或者Mach-Zehnder干涉仪，由于工程上不可避免的光程误差，会影响干涉仪的干涉效果。且以往的光纤周界预警系统一般是传统的相位解调分析或者支持向量机的分类方式，准确率不够高。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种预警系统，以解决现有预警系统在光路设计上易引起光程误差，数据分析准确率不高的问题。

本发明的目的之二在于提供一种预警方法，以解决现有预警系统在光路设计上易引起光程误差，数据分析准确率不高的问题。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种预警系统，包括：激光器、干涉装置、光电探测器、控制装置及数据处理装置；所述干涉装置包括第一耦合器、光纤延时纤、第二耦合器、反射镜及传感光缆；

所述激光器用于产生激光，所述激光经过所述第一耦合器后分成两路光束，其中一路光束依次经过所述光纤延时纤、所述第二耦合器后经所述反射镜反射后依次经过第二耦合器、传感光缆后返回所述第一耦合器，另一路光束依次经过所述传感光缆、所述第二耦合器后经所述反射镜反射后依次经过所述第二耦合器、所述光纤延时纤后返回所述第一耦合器，两路光束在所述第一耦合器内发生干涉；

所述光电探测器用于接收干涉后的光束，并将光信号转换为电信号发送到所述控制装置，所述控制装置用于采集所述电信号并进行预处理，所述数据处理装置用于接收经过预处理的电信号并分析以确定预警类型。

进一步地，所述控制装置包括采集模块、计算模块及数据传输模块；所述采集模块用于采集第一预设时间内的最大电压值和最小电压值；所述计算模块用于计算所述最大电压值和所述最小电压值的差值，并在第二预设时间内对所述差值进行积分以得到所述第二预设时间内的能量值；所述数据传输模块用于将所述能量值传输到所述数据处理装置。

进一步地，所述数据处理装置包括频谱转换模块及判断模块，所述频谱转换模块用于将接收到的所述数据传输装置传输的数据转换为频谱，所述判断模块用于将所述频谱导入经过训练的模型以判断预警类型。

进一步地，所述第一耦合器为2*2耦合器，所述第二耦合器为2*2耦合器。

进一步地，所述控制装置是以ARM为控制芯片的电路板。

本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

一种预警方法，包括：

将激光器产生的激光经过第一耦合器后分成两路光束；

将两路光束分别沿顺时针方向和逆时针方向经过第二耦合器并反射后回到第一耦合器，并在第一耦合器内发生干涉，其中一路光束经过光纤延时纤；

接收干涉后的光束，并将光信号转换为电信号；

采集所述电信号并进行预处理；

接收经过预处理的电信号并分析以确定预警类型。

进一步地，所述采集所述电信号并进行预处理包括：

采集第一预设时间内的最大电压值和最小电压值；

计算所述最大电压值和所述最小电压值的差值，并在第二预设时间内对所述差值进行积分以得到所述第二预设时间内的能量值；

传输所述能量值。

进一步地，所述接收经过预处理的电信号并分析以确定预警类型包括：

将所述能量值转换为频谱；

将所述频谱导入经过训练的模型以判断预警类型。

进一步地，所述判断预警类型包括：

使用神经网络算法分析所述频谱与预设能量阈值的关系以对预警类型进行分类。

进一步地，将所述能量值转换为频谱包括：通过傅里叶变换将所述能量值转换为频谱。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)两路光束以不同的方向分别经过光纤延时纤和传感光缆，在第一耦合器内发生干涉，形成非平衡的Mach-Zehnder干涉，保证了光程的一致性，避免引入光程误差。

(2)干涉数据经过预处理后通过数据处理装置进行分析以确定预警类型，提高准确率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的预警系统示意图；

图2为本发明实施例提供的预警方法流程图。

图中：1、激光器；2、干涉装置；21、第一耦合器；22、光纤延时纤；23、第二耦合器；24、反射镜；25、传感光缆；3、光电探测器；4、控制装置；41、采集模块；42、计算模块；43、数据传输模块；5、数据处理装置；51、频谱转换模块；52、判断模块；6、振动光缆。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

如图1所示，本发明实施例提供的预警系统，包括：激光器1、干涉装置2、光电探测器3、控制装置4及数据处理装置5；干涉装置2包括第一耦合器21、光纤延时纤22、第二耦合器23、反射镜24及传感光缆25；激光器1用于产生激光，激光经过第一耦合器21后分成两路光束，其中一路光束依次经过光纤延时纤22、第二耦合器23后经反射镜24反射后依次经过第二耦合器23、传感光缆25后返回第一耦合器21，另一路光束依次经过传感光缆25、第二耦合器23后经反射镜24反射后依次经过第二耦合器23、光纤延时纤22后返回第一耦合器21，两路光束在第一耦合器21内发生干涉；光电探测器3用于接收干涉后的光束，并将光信号转换为电信号发送到控制装置4，控制装置4用于采集电信号并进行预处理，数据处理装置5用于接收经过预处理的电信号并分析以确定预警类型。激光器1为FP激光器，带隔离器，以防止光的反射。第一耦合器21为2*2耦合器，第二耦合器23为2*2耦合器，第一耦合器21和第二耦合器23形成Mach-Zehnder干涉仪；激光经过第一耦合器21后分成两路光束，分别经过光纤延时纤22和传感光缆25到达第二耦合器23，光束经过光纤延时纤22和经过传感光缆25的光程差约为一千米，远远大于光源的相干长度，所以两路光束不会在第二耦合器23内发生干涉；而两路光束沿不同方向经过第二耦合器23又返回第一耦合器21的总光程基本一致，两路光束会在第一耦合器21内发生干涉，避免引入光程误差。光电探测器3采集干涉后的光束的强度，将光信号转化为电信号，数据处理装置5分析经过预处理的电信号以判断对应的预警类型；将振动光缆6铺设在防区栅栏上，振动光缆6与干涉装置2连接，栅栏受到外界干扰时会引起振动光缆6的振动，从而引起两路光束干涉光强度的变化，对干涉光强度的变化信息进行处理分析，即可判断出对应的预警类型，例如判断出振动光缆所在的栅栏是否遭到外界翻越、敲击等入侵行为并发出对应的预警信息，减少外界环境因素的干扰，准确率高。

控制装置4包括采集模块41、计算模块42及数据传输模块43；采集模块41用于采集第一预设时间内的最大电压值和最小电压值；计算模块42用于计算最大电压值和最小电压值的差值，并在第二预设时间内对差值进行积分以得到第二预设时间内的能量值；数据传输模块43用于将能量值传输到数据处理装置5。进一步地，控制装置4是以ARM为控制芯片的电路板。

具体的，两路光束E1和E2的波形函数分别为：

E1＝E₀exp{i[ωt+S(t)+Φ_s]}

E2＝E₀exp{i[ωt+Φ_R]}

其中，ω是信号光的角频率；S(t)是由于入侵行为引起的光束的相位变化；Φ_S和Φ_R分别为两路光束E1和E2的初始相位。

两光束在第一耦合器内干涉产生的干涉条纹的分布函数为

E(t)＝E₀{exp[iS(t)+Φ_S]+exp[iΦ_R]}exp(iωt)

相应的干涉光的光强度的分布为：

I＝I₀cos[s(t)+Φ_s-Φ_R]，其中，I₀是峰值光强。

将光电探测器3置于干涉场中，接收干涉光，将干涉光的光强信号转化为光电流输出，即：

I_P＝KI₀cos[s(t)+Φ_s-Φ_R]，其中，Ip是电流大小，K是光电转换系数。

将电流信号经过电容隔直后，经过运算放大电路将电流信号转化为电压信号，电流信号转化为电压信号为现有技术，在此不再赘述。

采集模块41采集第一预设时间内的最大电压值和最小电压值，例如，单片机采集信号的频率为5120Hz，即每秒采样5120个点；取第一预设时间为0.2秒，第二预设时间为2秒，在0.2秒内采集最大电压值和最小电压值，逐段取，不重复；计算模块42计算0.2秒内的最大电压值和最小电压值的差值，再将2秒内每个差值积分，得到2秒内的能量值。数据传输模块43将连续的能量值通过TCP/IP网络协议发送到数据处理装置5。

数据处理装置5包括频谱转换模块51及判断模块52，频谱转换模块51用于将接收到的数据传输装置43传输的数据转换为频谱，判断模块52用于将频谱导入经过训练的模型以判断预警类型。具体的，频谱转换模块51将接收到的连续的能量值经过傅里叶变换转换为频谱，判断模块52将频谱导入训练好的模型以判断预警类型。数据处理装置5中存储有预先训练好的模型，训练好的模型是通过模拟正常、风雨、翻越入侵、敲击入侵、挖土入侵等动作，采集不同的动作对应的干涉信号，将不同的动作对应的干涉信号分帧，并导入卷积神经网络模型中进行训练。判断模块52将接收到的频谱导入训练好的模型中即可判断出当前的入侵类型，并作出预警；例如，在进行入侵类型判断前，先进行5秒的能量阈值判断，前5秒的数据不作为计算数据，以确保采集到准确数据，设定若在30秒内有超过5个2秒的小片段被判断为某类入侵类型，则确定为该类型的入侵，并作出预警，将干涉光的强度变化对应的频谱信息与预设训练模型进行对比以判断入侵类型并作出预警，排除外界环境的干扰，增强了对多种入侵类型的识别能力，提高准确率。

本发明提供的预警系统在光路设计上，采用耦合器将激光分成两路光束，沿不同方向传输，并返回耦合器发生干涉，避免引入光程误差；并对干涉光的变化进行分析以得到预警类型，提高对振动光缆入侵类型判断的准确率。

如图2所示，本发明实施例提供的预警方法，包括：

步骤S101：将激光器产生的激光经过第一耦合器后分成两路光束。

步骤S102：将两路光束分别沿顺时针方向和逆时针方向经过第二耦合器并反射后回到第一耦合器，并在第一耦合器内发生干涉，其中一路光束经过光纤延时纤。

步骤S103：接收干涉后的光束，并将光信号转换为电信号。

步骤S104：采集所述电信号并进行预处理。

该步骤包括：采集第一预设时间内的最大电压值和最小电压值；

计算所述最大电压值和所述最小电压值的差值，并在第二预设时间内对所述差值进行积分以得到所述第二预设时间内的能量值；

传输所述能量值。

步骤S105：接收经过预处理的电信号并分析以确定预警类型。

该步骤包括：

将所述能量值转换为频谱；

将所述频谱导入经过训练的模型以判断预警类型。

进一步地，将能量值转换为频谱包括：通过傅里叶变换将所述能量值转换为频谱。判断预警类型包括：使用神经网络算法分析所述频谱与预设能量阈值的关系以对预警类型进行分类。

预警方法的计算和预警原理与预警系统的工作原理相同，在此不再赘述。

本发明提供的预警系统及方法，两路光束以不同的方向分别经过光纤延时纤和传感光缆，在第一耦合器内发生干涉，形成非平衡的Mach-Zehnder干涉，保证了光程的一致性，避免引入光程误差；干涉数据经过预处理后通过数据处理装置进行分析以确定预警类型，提高准确率。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种预警系统，其特征在于，包括：激光器、干涉装置、光电探测器、控制装置及数据处理装置；所述干涉装置包括第一耦合器、光纤延时纤、第二耦合器、反射镜及传感光缆；

所述激光器用于产生激光，所述激光经过所述第一耦合器后分成两路光束，其中一路光束依次经过所述光纤延时纤、所述第二耦合器后经所述反射镜反射后依次经过第二耦合器、传感光缆后返回所述第一耦合器，另一路光束依次经过所述传感光缆、所述第二耦合器后经所述反射镜反射后依次经过所述第二耦合器、所述光纤延时纤后返回所述第一耦合器，两路光束在所述第一耦合器内发生干涉；

所述光电探测器用于接收干涉后的光束，并将光信号转换为电信号发送到所述控制装置，所述控制装置用于采集所述电信号并进行预处理，所述数据处理装置用于接收经过预处理的电信号并分析以确定预警类型。

2.根据权利要求1所述的预警系统，其特征在于，所述控制装置包括采集模块、计算模块及数据传输模块；所述采集模块用于采集第一预设时间内的最大电压值和最小电压值；所述计算模块用于计算所述最大电压值和所述最小电压值的差值，并在第二预设时间内对所述差值进行积分以得到所述第二预设时间内的能量值；所述数据传输模块用于将所述能量值传输到所述数据处理装置。

3.根据权利要求2所述的预警系统，其特征在于，所述数据处理装置包括频谱转换模块及判断模块，所述频谱转换模块用于将接收到的所述数据传输装置传输的数据转换为频谱，所述判断模块用于将所述频谱导入经过训练的模型以判断预警类型。

4.根据权利要求1所述的预警系统，其特征在于，所述第一耦合器为2*2耦合器，所述第二耦合器为2*2耦合器。

5.根据权利要求1所述的预警系统，其特征在于，所述控制装置是以ARM为控制芯片的电路板。

6.一种预警方法，其特征在于，包括：

将激光器产生的激光经过第一耦合器后分成两路光束；

将两路光束分别沿顺时针方向和逆时针方向经过第二耦合器并反射后回到第一耦合器，并在第一耦合器内发生干涉，其中一路光束经过光纤延时纤；

接收干涉后的光束，并将光信号转换为电信号；

采集所述电信号并进行预处理；

接收经过预处理的电信号并分析以确定预警类型。

7.根据权利要求6所述的预警方法，其特征在于，所述采集所述电信号并进行预处理包括：

采集第一预设时间内的最大电压值和最小电压值；

计算所述最大电压值和所述最小电压值的差值，并在第二预设时间内对所述差值进行积分以得到所述第二预设时间内的能量值；

传输所述能量值。

8.根据权利要求7所述的预警方法，其特征在于，所述接收经过预处理的电信号并分析以确定预警类型包括：

将所述能量值转换为频谱；

将所述频谱导入经过训练的模型以判断预警类型。

9.根据权利要求8所述的预警方法，其特征在于，所述判断预警类型包括：

使用神经网络算法分析所述频谱与预设能量阈值的关系以对预警类型进行分类。

10.根据权利要求8所述的预警方法，其特征在于，将所述能量值转换为频谱包括：通过傅里叶变换将所述能量值转换为频谱。