CN109671233B - 一种基于光纤探测的周界围栏 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于长距离大范围监测，基于光纤应力探测的周界围栏，包括设置在线桩上的应力光缆，该应力光缆连接到分布式光纤探测器，当所述应力光缆受到强烈扰动或破坏时，分布式光纤探测器能够即时发现并进行告警，并计算输出上述位置。另外，单台分布式光纤探测器即可对至多长达80公里长的防护范围进行监测，在大大增加探测距离的同时，还具有误报率大大降低、无需高压点输入、成本低、安全性高、维护简便和探测准确等优点。

Description

一种基于光纤探测的周界围栏

技术领域

本发明属于安防技术领域，特别是涉及一种基于光纤探测的周界围栏。

背景技术

在现有技术中，周界围栏主要包括高压式电子围栏、感应式电子围栏。其中高压式电子围栏是通过向电子围栏上的金属线施加电信号和探测器来进行电子防护探测，感应式电子围栏包括利用红外、激光、震动、静电等原理进行电子防护探测。

现有技术中的这些电子围栏主要存在的不足有：一是要分段防护，由于电子围栏中使用的探测传感器的探测距离有限，通常需要将电子围栏按距离分成多个防护段，每一个防护段设置一套相应的探测传感器，然后再将这些探测器进行组网汇聚，因此电子围栏的设备组成多，建设成本高，同时也限制了这些电子围栏的有效监测距离受限；二是电子围栏建成以后，需要进行长时间不间断加电工作，供电耗能多，电子围栏的运营成本也很高；三是电子围栏的维护维修任务重，这些电子设备长期安装在户外运行，电子元器件老化速度快，后期运行的故障率高，维护维修的用工需求大，进一步增加了系统运行维护的人工成本。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种基于光纤探测的周界围栏，解决现有技术中电子围栏的建造成本随监控距离增加而明显增大、设备组成多、工作耗电量大等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是提供一种基于光纤探测的周界围栏，所述电子围栏包括设置在线桩上的应力光缆，所述应力光缆连接到分布式光纤探测器，当所述应力光缆强烈扰动或破坏，所述分布式光纤探测器即时发现并报警，并计算输出所述应力光缆所受外力影响区的位置。

在本发明基于光纤探测的周界围栏的另一实施例中，所述应力光缆包括纤芯和裹敷在所述纤芯外围的金属网或金属套。

在本发明基于光纤探测的周界围栏的另一实施例中，所述线桩上设置有用于固定所述应力光缆的固定装置，并且所述固定装置还用于调节相邻线桩之间的应力光缆的拉伸应力。

在本发明基于光纤探测的周界围栏的另一实施例中，在所述应力光缆中仅传输来自所述分布式光纤探测器产生的激光，所述分布式光纤探测器还接收所述激光的后向散射光，并据此计算所述应力光缆发生扰动或被破坏的位置。

在本发明基于光纤探测的周界围栏的另一实施例中，所述分布式光纤探测器还对所述应力光缆探测感应到由风雨产生的晃动进行识别。

在本发明基于光纤探测的周界围栏的另一实施例中，所述分布式光纤探测器还对鸟类驻停扰动进行识别。

在本发明基于光纤探测的周界围栏的另一实施例中，单台所述分布式光纤探测器至少接两根所述应力光缆，所述应力光缆单向设置或者双向设置。

在本发明基于光纤探测的周界围栏的另一实施例中，所述分布式光纤探测器探测到所述应力光缆产生有效应力变化后，所述周界围栏还通过向所述应力光缆的纤芯外围的金属网或金属套施加电压和电流来进行入侵防护。

在本发明基于光纤探测的周界围栏的另一实施例中，所述应力光缆与电缆平行布设在线桩上，当所述分布式光纤探测器探测到所述应力光缆产生有效应力变化后，所述周界围栏还通过向电缆施加电压和电流来进行入侵防护。

本发明的有益效果是：本发明公开了一种基于光纤探测的周界围栏，包括设置在线桩上的多根应力光缆，应力光缆连接到分布式光纤探测器，当所述应力光缆被扰动或剪断时，分布式光纤探测器即时发现并报警，并计算输出所述应力光缆被扰动或剪断的位置。另外，一台分布式光纤探测器即可对40公里长的应力光缆进行防护监测，在大大增加探测距离的同时，还具有节省电能、降低成本、探测准确以及可以定位等优点，还可以与现有护栏设施结合使用，以及在现有电子围栏上进行加改装，增强综合防护能力，适用范围广。

附图说明

图1是本发明基于光纤探测的周界围栏一实施例组成示意图；

图2至图6是本发明基于光纤探测的周界围栏另一实施例中固定装置结构组成图；

图7是本发明基于光纤探测的周界围栏另一实施例中分布式光纤探测器组成示意图；

图8是本发明基于光纤探测的周界围栏另一实施例组成示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。

下面结合附图，对本发明的各实施例进行详细说明。图1是本发明基于光纤探测的周界围栏一实施例组成示意图。如图1所示，所述电子围栏包括架设在墙体或地面的线桩1，在所述线桩横向布设有应力光缆2，所述应力光缆2固定卡接在所述线桩1上。可以看出，所述电子围栏包括设置在线桩1上的应力光缆2，所述应力光缆2连接到分布式光纤探测器3，当所述应力光缆2强烈扰动或破坏，所述分布式光纤探测器3即时发现并报警，并计算输出所述应力光缆2所受外力影响区的位置。

进一步优选的，对于本发明中的应力光缆2而言，所述应力光缆包括纤芯和裹敷在所述纤芯外围的金属网或金属套，也就是在其纤芯的外围还敷设一层金属防护层，例如由金属网线编织的金属防护网层，通过设置金属防护层可以增强应力光缆的强度和韧性，另外也可以作为电磁屏蔽层，减少外部电磁信号对内部光信号的辐射影响。优选的，在所述金属防护层的外层还进一步敷设一层橡皮层，通过该橡皮层来减少阳光对应力光缆的照射，进而增强应力光缆的使用寿命。

优选的，该应力光缆2横向平行设置有多根，上下相隔的间距为10cm-50cm。进一步的，这些应力光缆上下等间隔设置，或者下部的应力光缆间隔小，而上部的应力光缆间隔大，这样可以防止在一些应用场景中可以阻挡探测一些动物从底部爬行通过应力光缆时能够加强防护并准确判断。因此，可以看出应力光缆设置密度与具体应用场景有关。

进一步优选的，所述线桩上设置有用于固定所述应力光缆的固定装置，并且所述固定装置还用于调节相邻线桩之间的应力光缆的拉伸应力。

图2至图6显示了一个优选的固定装置实施例。该固定装置包括带孔弹簧11，内齿状套筒12，螺钉13。其中，所述带孔弹簧11包括弹簧杆111，弹簧体112，杆上通孔113；所述内齿状套筒12包括四个以该套筒中心轴线对称设置的承力钩121，套筒内齿122，筒体123；所述螺钉13用以紧固立柱10和所述弹簧杆111。

所述带孔弹簧11可以无缝套接在所述内齿状套筒12上，并能够沿着所述内齿状套筒12旋转，带动所述弹簧杆111旋转用以确定紧固方向，所述弹簧杆111与所述弹簧体112为一体，所述内齿状套筒12套接在应力光缆9外皮上，因所述套筒内齿122作用，所述套筒12与应力光缆9存在较大摩擦力，所述带孔弹簧11压缩时，为防止所述套筒12与所述弹簧11分离，套筒12上承力钩121卡钩住所述弹簧11，并承受弹簧11弹力，又因所述承力钩121与套筒12为一体，即套筒受到弹簧11弹力，使得所述套筒12有向弹力方向运动的趋势，又因所述内齿122作用，可使得应力光缆9受到拉伸力作用，从而起到应力光缆9拉伸的作用。所述光缆弹簧拉紧装置为对称设置，即左右对称，即应力光缆9可受到左右拉伸力，从而达到伸张拉紧的目的。

当所述弹簧11带动所述套筒12达到应力光缆光纤9张紧目的后，所述螺钉13即可通过所述弹簧杆111上通孔113与立柱10上对应设置的螺钉孔进行紧固连接。通过不同的通孔113位置选择，即可实现对所述应力光缆9的不同程度的拉伸张紧力，进而实现对应力光缆9的不同程度的应力拉紧。

通过该固定装置可以对应力光缆的张紧应力进行调整，通过调整应力的大小有利于调整应力光缆对外部应力探测的灵敏度，从而便于区分干扰性的扰动和实际扰动。例如，应力光缆可能会受到鸟类的驻停干扰，若干应力光缆的张力过松的话会引起应力光缆局部明显的扰动，造成误判。而当把应力光缆的张力调整的较紧时，则不会造成这种明显扰动，避免了对鸟类驻停干扰的虚警探测。

优选的，在所述应力光缆中仅传输来自所述分布式光纤探测器产生的激光，所述分布式光纤探测器还接收所述激光的后向散射光，并据此计算所述应力光缆发生扰动或被破坏的位置。由此可见，在本发明中应力光缆传输的只有光信号，而没有电信号，而激光在光纤中的传输损耗极低，因此本发明具有节省功耗的明显优势，也不具有一般电子围栏产生的高电压，具有更好的安全性。

优选的，如图7所示，该分布式光纤探测器的内部组成包括窄脉宽激光器101，该激光器101发出的激光经过环形器102的第二端口输入到应力光缆105中，而从应力光缆105反射回来的背向散射光则从环形器102的第三端口输出到光电探测器103，由光电探测器103进行光电转换，输出电信号到信号采集处理器104中进行计算。当应力光缆作为周界围栏的防护线被扰动或剪断后，将会导致背向散射光中的布里渊散射光中心频率发生明显改变，而该中心频率的变化量与应力变化成正比。

进一步优选的，分布式光纤探测器对扰动位置的探测是基于当应力光缆发生扰动时，由于弹光效应，光纤相应位置的布里渊散射光功率和中心频率将发生变化，布里渊散射光功率和频移与被测量的温度和应变成线性关系，如下面公式所示：

其中，z为沿应力光缆的位置，P_B(T,ε)为分布式布里渊散射光功率，ν_B(T,ε)为分布式布里渊散射光频移，其中T表示温度，ε表示应变量，P_B(T₀,ε₀)为通过实验在z₀位置处标定的参考布里渊散射光功率，ν_B(T₀,ε₀)为通过实验在z₀位置处标定的参考布里渊散射光频移。C_P,T、C_P,ε、C_ν,T和C_ν,ε为通过实验标定出来的线性系数，对于1550nm的泵浦光波长，通过实验得到的经验数据如表1所示：

表1布里渊散射光强度和频移与温度和应变的线性系数关系

得到这些线性系数C_P,T、C_P,ε、C_ν,T和C_ν,ε，对上述公式(1)进行求解，可以得到温度和应变传感量如下所示：

其中，ΔT为温度变化量，Δε为应变变化量。

基于上述分析，可见通过该分布式光纤探测器3不仅能够快速识别出应力光缆2发生扰动的时机，还能够进一步计算出扰动产生的位置。

优选的，所述分布式光纤探测器还对所述应力光缆探测感应到由风雨产生的晃动进行识别。这是由于风雨对应力光缆产生的扰动通常不是局部性的，而是带有连续性和稳定性，并且在产生的时间上有具有一定持续时长，因此可以根据这些特征建立对风雨扰动的识别模式，可以避免对风雨扰动的虚警监测。优选的，当检测到应力光缆发生应力改变的位置分布的距离沿应力光缆延伸方向大于预设的长度值，并且应力改变的值也小于预设的门限值时，则认为属于风雨扰动造成的应力改变，这是因为风雨扰动通常是对应力光缆作用的距离较长，而同时对应力光缆的应力改变也较小，由此可以建立对风雨扰动的模式识别。

优选的，如图1所示，一台分布式光纤探测器连接一根应力光缆，从而实现对一根应力光缆的扰动情况进行探测，也可以是一台分布式光纤探测器同时连接多根应力光缆，也就是单台所述分布式光纤探测器至少接两根所述应力光缆，所述应力光缆单向设置或者双向设置，从而实现对多根应力光缆的扰动情况进行探测。

优选的，一台分布式光纤探测器可以监测的应力光缆的长度是40千米，当一台分布式光纤探测器同时可以检测两根应力光缆时，可以将这两根应力光缆分别设置在该分布式光纤探测器的左右两侧，即双向设置，这样可以实现一台分布式光纤探测器可以探测80公里长的应力光缆长度，大大增强了该分布式光纤探测器的探测范围。另外，在应力光缆中传播的是光信号，信号损耗小，因此对于本发明实施例的整体节能特性是其明显优势。

优选的，为了增强该分布式光纤探测器3对应力光缆扰动探测的准确性，该分布式光纤探测器3对线桩上的至少两根应力光缆发生扰动以及发生扰动的位置进行一致性判断后，才认为是应力光缆在该位置发生了有效扰动。通过这种方式，可以减少鸟类落线带来的扰动虚警判别，以及其他小动物碰触或树枝晃动碰触带来的虚警扰动。

优选的，鸟类驻停扰动带来的应力光缆的应力变化通常较小，这是由于鸟类本身的体重较小的原因，因此可以对扰动带来的应力改变设置门限值，当检测的应力变化小于或等于该门限值时，则认为是鸟类驻停扰动干扰，可以不必进行报警，而当检测的应力变化大于该门限值时，则认为恶意扰动，需要进行报警。

因此，优选的，该分布式光纤探测器3同时至少接入两根相邻的应力光缆，并可以对相邻的应力光缆进行同步分析和比较。

进一步优选的，如图8所示，该分布式光纤探测器3包括上下方向两个端口，因此可以接入两个方向的应力光缆，使得单台分布式光纤探测器3的监测距离扩大两倍，例如可以最大探测距离为80公里。

可以看出，通过本发明采用的电子围栏实施例可以实现单一的分布式光纤探测器3就可以进行长远距离的防护监控，大大延长了单一监控设备的有效监控距离，并且光纤中传输的是光信号，信号传输消耗少，而分布式光纤探测器3本身的耗能也很低，由此大大降低了整个电子围栏的成本。

所述应力光缆连接到分布式光纤探测器，当所述应力光缆被扰动或破坏，所述分布式光纤探测器即时发现并报警，并计算输出所述受外力影响区的位置。

优选的，相邻线桩1的距离为20m，同一个线桩1上的应力光缆2上下之间的平行间隔为20cm。

优选的，作为本发明基于光纤探测的周界围栏的应用场景，在铁路、城铁、高速公路、南水北调河流沿岸、边海防等长距离护栏上可以架设该电子围栏，并且可以根据探测距离的需求而改进分布式光纤探测器的组成，以及改进应力光缆的结构，使得单个分布式光纤探测器监控探测的距离更长。

优选的，所述应力光缆和电缆平行交替设置在线装上，当应力光缆探测到扰动并提出报警后，再向所述电缆提供高电压低电流供电，用以对入侵进行防护。并且，所述应力光缆的外层包裹有金属皮层，与同等粗细的电缆在外观上相同，难以区分应力光缆和电缆，有助于提高隐形防护能力。

优选的，由于应力光缆的外层包裹有金属皮层，也可利用该金属皮层作为供电体，当应力光缆探测到扰动并提出报警后，再向所述应力光缆的金属皮层提供高电压低电流供电，用以对入侵进行防护。这种方式既利用了应力光缆的扰动探测告警，同时也可以利用该应力光缆进行入侵防护，并且还具有省电效果，因为只有在应力光缆探测的有效扰动时才向应力光缆的金属皮层供电。

优选的，本发明实施例还可以用于对现有电子围栏进行加装，在既有电子围栏的基础上加装应力光缆和分布式光纤探测器，既可以是对现有电子围栏的补充和加强，进一步增强电子围栏的防护能力，也可以取代老化失修的电子围栏。

基于以上实施例，本发明公开了一种基于光纤探测的周界围栏，包括设置在线桩上的多根应力光缆，应力光缆连接到分布式光纤探测器，当所述应力光缆被扰动或剪断时，分布式光纤探测器即时发现并报警，并计算输出所述应力光缆被扰动或剪断的位置。另外，一台分布式光纤探测器即可对80公里长的应力光缆进行防护监测，在大大增加探测距离的同时，还具有节省电能、降低成本、探测准确以及可以定位等优点，还可以与现有护栏设施结合使用，以及在现有电子围栏上进行加改装，增强综合防护能力，适用范围广。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于光纤探测的周界围栏，其特征在于，所述周界围栏包括设置在线桩上横向布设的应力光缆，所述应力光缆横向平行设置有多根，所述应力光缆固定卡接在所述线桩上，所述应力光缆连接到分布式光纤探测器，当所述应力光缆强烈扰动或破坏，所述分布式光纤探测器即时发现并报警，并计算输出所述应力光缆所受外力影响区的位置；所述应力光缆包括纤芯和裹敷在所述纤芯外围的金属网或金属套；所述线桩上设置有用于固定所述应力光缆的固定装置，并且所述固定装置还用于调节相邻线桩之间的应力光缆的拉伸应力的大小，以调整应力光缆对外部应力探测的灵敏度;所述固定装置包括带孔弹簧、内齿状套筒、螺钉，所述带孔弹簧包括弹簧杆、弹簧体、杆上通孔，所述内齿状套筒包括承力钩、套筒内齿、筒体，所述螺钉用以紧固所述弹簧杆；所述内齿状套筒套接在应力光缆外皮上，所述带孔弹簧无缝套接在所述内齿状套筒上，并能够沿着所述内齿状套筒旋转，使得应力光缆受到拉伸力作用。

2.根据权利要求1所述的基于光纤探测的周界围栏，其特征在于，在所述应力光缆中仅传输来自所述分布式光纤探测器产生的激光，所述分布式光纤探测器还接收所述激光的后向散射光，并据此计算所述应力光缆发生扰动或被破坏的位置。

3.根据权利要求2所述的基于光纤探测的周界围栏，其特征在于，单台所述分布式光纤探测器至少接两根所述应力光缆，所述应力光缆单向设置或者双向设置。

4.根据权利要求3所述的基于光纤探测的周界围栏，其特征在于，所述分布式光纤探测器还对所述应力光缆探测感应到由风雨产生的晃动进行识别。

5.根据权利要求3所述的基于光纤探测的周界围栏，其特征在于，所述分布式光纤探测器还对鸟类驻停扰动进行识别。

6.根据权利要求3所述的基于光纤探测的周界围栏，其特征在于，所述分布式光纤探测器探测到所述应力光缆产生有效应力变化后，所述周界围栏还通过向所述应力光缆的纤芯外围的金属网或金属套施加电压和电流来进行入侵防护。

7.根据权利要求3所述的基于光纤探测的周界围栏，其特征在于，所述应力光缆与电缆平行布设在线桩上，当所述分布式光纤探测器探测到所述应力光缆产生有效应力变化后，所述周界围栏还通过向电缆施加电压和电流来进行入侵防护。

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