CN108627233A - 一种光纤振动探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光纤振动探测系统，它包括：用于产生激光的第一光源，用于感应外界振动或挤压的感应光缆，光电探测器，电信号放大模块，第二光源，集成图像采集系统和数字信号处理器的光学导航传感器，以及微处理器模块，其特征在于：第一光源在引导光缆内以单模形式传播，来自第一光源的激光经感应光缆调制后进入光电探测器获得电信号，该信号经放大模块增强放大后用于驱动第二光源，第二光源的光进入光学导航传感器实现成像并完成信号分析后输出二维的位移量信息及必要时的图像信息，这些信息被送入微处理器进一步分析以获得感应光缆的振动或挤压信息。系统将光纤传输的光转换成易于成像的光并利用二级信号处理，实现了高效低误报的远程振动探测。
Description
技术领域
一种用于振动或压力感应的光纤探测系统，主要用于周界入侵防盗报警或者建筑设施的应变探测。
背景技术
光纤除了主要应用于通讯信号传输外，还用于各种物理特性的传感检测，包括：加速度，压力，温度等。由于光纤本身不需要供电，且不受电磁干扰的影响，在大型周界应用中，振动光纤获得越来越广泛的应用，单套系统可以实现几十米到几十公里的探测，相对于传统的带电探测系统（振动电缆，泄露电缆等），具有明显的优势。
振动光纤的应用最常用的技术是通过外界应变（振动或者挤压）而产生光的干涉，并对干涉信号进行检测，实现对应变的检测。而光干涉的获得方式主要有两类：一是利用两条独立光纤传输同源单色光，并最终耦合实现光的干涉，常见的有马赫-泽德干涉等；另一类是多模光纤内的模间干涉。而对于干涉信号的检测主要有两种方法：成像法和光电法。专利CN01823210.8（利用散斑图像处理技术检测和定位环境扰动的多光纤二维阵列装置）公布了一种多模干涉装置，其信号检测采用对散斑的CCD成像检测方法；专利CN02112077.3（全光纤纳米精度微位移与微振动干涉测量仪 ）公布了一种用多路光经光纤耦合获得干涉，而其信号通过光电探测器检测获得干涉信号的方法。传统的CCD成像检测方法因为设备复杂，成本高昂而难以实用；光电检测法则需要对光源进行非常稳定的控制，否则容易产生噪音，给后续的滤波带来困难，容易产生误报。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单但具有很强噪音过滤能力，从而降低误报的振动光纤探测系统。
本发明提供一种光纤振动探测系统，它包括：用于产生激光的第一光源，用于感应外界振动或挤压的感应光缆及必要时增加的用于引入或者导出激光的引导光缆，光电探测器，电信号放大模块，第二光源，集成图像采集系统和数字信号处理器的光学导航传感器，以及微处理器模块，其特征在于：第一光源的激光在引导光缆内以单模形式传播，激光经感应光缆调制后进入光电探测器获得电信号，该信号经放大模块增强放大后用于驱动第二光源，第二光源的光进入光学导航传感器实现成像并完成信号分析后输出二维的位移量信息及必要时的图像信息，这些信息被送入微处理器进一步分析以获得感应光缆的振动或挤压信息。
可选的，用于感应振动或挤压的感应光缆相对于第一光源为多模光缆。
可选的，当感应光缆为多模光缆时，多模光缆两端以熔接方式连接引导光缆。
可选的，感应光缆相对于第一光源为单模光缆，感应光缆及必要的引导光缆构成马赫-泽德型，迈克尔逊型，萨格纳克型或法布里-珀罗型之任一多光路相位干涉仪的光路结构。
可选的，第一激光的波长为1310nm或1550nm。
可选的，多模感应光缆为50/125（μm）或62.5/125（μm）规格光缆；单模光缆为9/125（μm）光缆。
可选的，第二光源为可以在光学导航传感器内成像的可见光或者近红外LED或激光二级管。
可选的，光学导航传感器的信号输出接口为USB，且微处理器为电脑的CPU，光学导航传感器的信号通过USB口直接传输到电脑完成分析。
可选的，光学导航传感器为安华高的ADNS-9800或原相的PMW3360DM-T2QU。
附图说明
图1. 以多模光纤为感应光缆的振动探测系统。
图2. 以双路等臂单模光纤干涉器为感应光缆的振动探测系统。
图3. 光电探测器捕捉的光缆振动信号。
图4. 光学导航传感器输出的光缆振动信号。
具体实施方式
图1为以多模光纤为感应部件的探测系统，第一光源1为激光（LD），激光由一引导光纤101引入一多模感应光纤10，激光从末端引导光纤102输出到光电探测器（PD）2获得电信号，该电信号经放大模块3放大后驱动第二光源4，光源4发出的光进入光学导航传感器5完成成像和信号分析，分析的结果再传输给微处理器（MCU）6进一步处理。
图1实施中，激光1的波长的较佳选择为光通讯中常用的1550nm或1310nm；作为感应部件的感应光缆10可选择50/125（μm）或62.5/125（μm）规格的多模光缆；起始端引导光纤101和末端引导光纤102选择9/125（μm）的单模光缆；感应光缆10和引导光纤101和102的连接都以熔纤的方式处理形成熔接点103和104（具体实施中，多模感应光缆和单模引导光缆之间也可以采用耦合器方式连接，熔接只是一种能获得较多能量输出的简单方式）。激光在引导单模光缆中以单一模式传输，不受外界振动的干扰，但在多模光缆中，存在多个模式，在受外界振动或者挤压时，多个模式之间的能量分布发生变化，当通过末端的熔接点104时，输出到末端单模光纤的能量随外界的扰动发生变化。从光纤输出的光首先由光电探测器2转换成电信号，再经放大器3放大后驱动第二光源4，则光源4的亮度将随着外界的振动或者挤压发生变化。这种变化的光进入光学导航传感器5形成的图像也不断变化，因此分析的结果也随之变化。
本发明中采用的光学导航传感器5内部集成了光成像系统和数字信号处理器的集成芯片，该传感器目前市场最大的应用是光学鼠标。它是用利用传感器捕捉到的工作面的图像来获得工作面相对于传感器的位移。在本发明中，光学导航传感器5会将光源4当作一个虚拟的工作面，光源4的明暗变化将转化为该虚拟工作面的二维方向的位移变化。这些位移信息（必要时，同时传输图像信息）将被送入微处理器6进一步分析得到光缆的振动频率和振动强度信息。
本发明实施时可以选择目前市场上的两个高端传感器：分别是安华高AVAGO公司的ADNS-9800（分辨率为8200 cpi，图像帧频12000 fps，加速度最大30 g，侦测速度150ips）和原相PixArt公司的PMW3360DM-T2QU（分辨率12000 cpi，图像刷新帧频12000 fps，检测加速度最大值50 g，移动速度最大250 ips）。这些传感器具有非常高的分辨率、采样频率及快速且先进的图像处理能力，能有效剔除噪音信号，给出准确的“位移”结果。
图2显示的是以双路等臂单模光纤干涉器为感应光缆的振动探测系统。等臂马赫-泽德干涉仪在振动测量中大量使用，图2所示的较佳实施例也是以它为感应部件，第一光源激光（LD）1由单模引导光纤101引出，经3dB分光器105分成同源的两路相干光，它们在耦合器106汇合成一路光，经引导光纤102输出。输出的激光经光电探测器2获得电信号，再经放大模块3放大后驱动第二光源4。在无外界干扰情况下，激光分两路在耦合后的光是稳定的，因此光源4发出的光也是稳定不变的；而当感应光缆的任一臂受振动或者挤压变形时，光路发生变化，则两路光在末端耦合处因为相位发生变化，而使得合并的光强度发生变化，因此驱动第二光源4的亮度发生变化。这种变化的光经光学导航传感器5和微处理器6处理后将得到振动信息。
目前已公开的光纤干涉仪的光路部分有多种结构，除了图2所示的等臂马赫-泽德干涉型，还有迈克尔逊型，萨格纳克型或法布里-珀罗型等，这些结构都可以用于本发明的感应光缆部分。
图3显示的是本发明一实施中用示波器捕捉的光电探测器2输出的电信号，在光缆受振动时，出现明显的信号波动。而图4显示的是不同强度的力拍打感应光缆由光电导航传感器输出的X方向的位移量值（横坐标为时间 mS）。图4很好地反映了振动的强弱变化，对位移值报告的时间的分析，还可以得到振动的频率信息。
本发明中，感应光缆的结构可以采用各种已公开的形式，只要输出的光强度随振动或者挤压发生变化。本发明的要点在于，将经过光缆调制的长波长光（如：1310 nm或1550nm）转换成较短的可成像光（普通成像设备CCD或者CMOS的感应波长范围为350nm – 1000nm），同时利用光学导航传感器进行处理，得到振动或者挤压信息。具体实施时，第二光源可选择LED和激光二极管，波长范围包括可见光到近红外（要求能在光学导航传感器内实现成像即可）。本发明首先用光电探测器将长波长光转换成电信号，这样处理的好处是可以用非常长的单模光缆（长波长光在单模光缆中不受振动或者挤压的影响）作为首末端引导光缆，既感应部分和信号处理部分可以长距离分开，因而实现远程无电探测。调制光转换成电信号后经放大后驱动较短波长的光源，使其能在普通的成像系统中成像。本发明采用光学导航传感器作为成像系统，它不仅集成了成像系统，而且还集成了高性能的数字处理器。
由于光学导航传感器内置了高速数字处理器，因此本发明实质上存在两级的信号处理，第一级在光学导航传感器5中完成，第二级在微处理器6中完成。由于光学导航传感器为集成芯片产品，内置了非常先进的图像算法，因此它实质上是可以看作是一种信号过滤器，用于取代传统的振动光缆对光电探测器信号的直接过滤（硬件电路过滤或者软件过滤）。光学导航传感器的高度集成和先进性，保证了本发明系统结构的简化和信号处理的高效，因此可以获得更好的处理效果，再加上第二级的信号处理，大大降低系统的误报。
具体实施中，光学导航传感器可以选择带有USB接口的型号（如：安华高的ADNS-2700），这时光学导航传感器的信号可以直接输入到电脑，即电脑的CPU作为本发明的微处理器6使用。在安防行业工程实施时，周界探测器的信号通常要给到摄像头或者广播等系统进行联动，因此需要第三方设备或者服务器进行信号采集和处理。当本发明采用电脑（或者服务器）作为微处理器6的替代方式时，报警信号可以直接在电脑（或者服务器）中产生，便于和安防系统的其他设备实现集成联动，大大简化了系统的结构。
以上仅以几个较佳实施例说明本发明的设计意图，本专业领域的技术人员可据此做出相应的调整或者修改，若这些修改在本发明权利要求书所述技术范围内，则这些修改依然属于本发明的权利范围。
Claims (9)
1.一种光纤振动探测系统，它包括：用于产生激光的第一光源，用于感应外界振动或挤压的感应光缆及必要时增加的用于引入或者导出激光的引导光缆，光电探测器，电信号放大模块，第二光源，集成图像采集系统和数字信号处理器的光学导航传感器，以及微处理器模块，其特征在于：第一光源的激光在引导光缆内以单模形式传播，激光经感应光缆调制后进入光电探测器获得电信号，该信号经放大模块增强放大后用于驱动第二光源，第二光源的光进入光学导航传感器实现成像并完成信号分析后输出二维的位移量信息及必要时的图像信息，这些信息被送入微处理器进一步分析以获得感应光缆的振动或挤压信息。
2.根据权利要求1所述的光纤振动探测系统，其特征在于：用于感应振动或挤压的感应光缆相对于第一光源为多模的光缆。
3.根据权利要求2所述的光纤振动探测系统，其特征在于：多模光缆两端以熔接方式连接引导光缆。
4.根据权利要求2或3所述的光纤振动探测系统，其特征在于：第一光源的波长为1310nm或1550 nm，多模光缆为50/125（μm）或62.5/125（μm）规格光缆，引导光缆为9/125（μm）光缆。
5.根据权利要求1所述的光纤振动探测系统，其特征在于：感应光缆相对于第一光源为单模光缆，感应光缆及必要的引导光缆构成马赫-泽德型，迈克尔逊型，萨格纳克型或法布里-珀罗型之任一多光路相位干涉仪的探测光路。
6.根据权利要求5所述的光纤振动探测系统，其特征在于：第一光源的波长为1310nm或1550nm，感应光缆和引导光缆均为为9/125（μm）光缆。
7.根据权利要求1-6任一项所述的光纤振动探测系统，其特征在于：第二光源为可在光学导航传感器内成像的可见光或近红外LED或者激光二极管。
8.根据权利要求1-6任一项所述的光纤振动探测系统，其特征在于：光学导航传感器带有USB接口，且微处理器模块为电脑的CPU。
9.根据权利要求1-6任一项所述的光纤振动探测系统，其特征在于：光学导航传感器为安华高的ADNS-9800或原相的PMW3360DM-T2QU。
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| CN201710185694.4A CN108627233A (zh) | 2017-03-26 | 2017-03-26 | 一种光纤振动探测系统 |
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|---|---|---|---|---|
| CN109471156A (zh) * | 2018-11-08 | 2019-03-15 | 桂林聚联科技有限公司 | 一种用于探测光缆路由走向的装置和方法 |
| CN111157102A (zh) * | 2020-01-02 | 2020-05-15 | 河海大学常州校区 | 一种分布式光纤传感系统中消除频率干扰的定位方法 |
| CN111462434A (zh) * | 2020-03-25 | 2020-07-28 | 杭州朗鸿科创科技有限公司 | 一种基于光信号的商品安全系统 |
| CN111623866A (zh) * | 2020-04-23 | 2020-09-04 | 山西大学 | 一种测量纳米光纤振动模式的装置及方法 |
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2017
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20181009 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |