CN110969790A - 一种大规模远距离周界安防系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感探测技术领域，特别涉及一种基于光纤光栅震动传感的大规模远距离周界安防系统及其使用方法，包括光纤光栅震动传感阵列、光纤光栅波长解调系统、信号处理和管控系统，光纤光栅震动传感阵列包括一条16芯单模且长度为25千米的光缆和光纤光栅震动传感器；光纤光栅波长解调系统包括用来发出宽带光的宽带光源；信号处理和管控系统包括信号处理和融合模块、主控器模块和报警信息模块。本发明的有益效果是：解决边境安防预警系统的光纤传感器感知距离短，无法大规模隐蔽布阵的问题，实现边境远距离大范围的预警。

Description

一种大规模远距离周界安防系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及传感探测技术领域，特别涉及一种基于光纤光栅震动传感的大规模远距离周界安防系统及其使用方法。

背景技术

传统的安防监测技术主要基于电式传感器，由于供电、易受电磁干扰等原因，已不能满足人们对安防监测的要求。光纤入侵监测系统具有抗电磁干扰、电绝缘性好、耐腐蚀、可实现大范围监测等优点，具有很好的隐蔽性，可用于监测保护国境、军事基地、发电厂、核设计、监狱、机场、石油管道等重要设施。随着市场的需求和国内外科研人员对光纤安防监测技术的努力，光纤安防监测技术得到了快速发展。采用复用的方式将单点光纤传感器阵列化构成隐蔽式光纤传感网络，是当今光纤传感发展的一个重要趋势。

上世纪90年代中期，发达国家已率先将光纤的传输与传感应用到安防入侵监测领域当中，目前全球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，如美国、以色列、澳大利亚等。美国Fiber Sensys公司生产的光纤安全防护网络（FSN）是一种用光纤连接、允许多个设备彼此通信的网络。FSN的网络最多可允许接入127个光纤传感器，连接长度最多可达100英里。以色列Magal安全系统有限公司开发的Inteli-FIBER震动传感光缆探测系统，是采用Michelson光纤干涉技术的入侵探测系统。单防区最长1000米，可以独立布防也可以联合组网。澳大利亚未来光纤科技有限公司（FFT）研发的FFT Secure FenceTMsystem系列，采用M-Z光纤干涉技术原理。由微应变传感器和定位器组成传感模块，具有世界领先的安防入侵监测技术，目前已安装了数千公里。

在国内，基于光纤安防入侵监测技术，已经有一些专利，CN201710313008.7公开了一种基于光纤光栅应变传感的安防系统，采用挂网的方式。CN201811262549.2公开了一种基于光纤光栅位移传感的周界安防预警系统，将光纤光栅传感器布设在防护钢缆上，入侵行为会拉伸防护光缆，导致位移传感器的传感光信号发生变化，从而产生预警。以上系统大都采用挂网或地面布设的方式，隐蔽性差，传感器灵敏度低，不能满足对单点探测距离的要求，不适合大规模布阵。

为此，需要设计一种可以实现边境远距离大范围预警的新式安防系统，以解决上述问题。

发明内容

本发明为了弥补现有技术中边境安防预警系统的光纤传感器感知距离短、无法大规模隐蔽布阵的不足，提供了一种基于光纤光栅震动传感的大规模远距离周界安防系统。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种大规模远距离周界安防系统，包括光纤光栅震动传感阵列、光纤光栅波长解调系统、信号处理和管控系统，其特征在于：

所述光纤光栅震动传感阵列包括一条16芯单模且长度为25千米的光缆和光纤光栅震动传感器；所述光缆中的每芯光纤中串联16个光纤光栅震动传感器，每个光纤光栅震动传感器的间距为100米，光纤光栅震动传感阵列中的光纤光栅震动传感器的数量为256个；

所述光纤光栅波长解调系统包括用来发出宽带光的宽带光源，宽带光源通过光纤连接环形器，环形器通过光纤连接光开关和迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪通过光纤连接密集波分复用器；

所述信号处理和管控系统包括信号处理和融合模块、主控器模块和报警信息模块；所述信号处理和融合模块通过网线连接光纤光栅波长解调系统，主控器模块根据信号处理和融合模块处理的信息控制报警信息模块发出报警信号。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述光纤光栅震动传感阵列通过地埋深埋的方式进行布设。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述每芯光纤中串联的16个光纤光栅震动传感器采用波分复用的方式，每一个光纤光栅震动传感器对应一个ITU通道。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述光纤光栅波长解调系统中的光开关连接光纤光栅震动传感阵列的光缆。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述光纤光栅波长解调系统中的密集波分复用器还连接有16道前置放大和光电检测阵列，检测阵列连接有同步AD数据采集模块，同步AD数据采集模块连接有FPGA模块。

基于上述的大规模远距离周界安防系统，其使用方法具体如下：

S1，光纤光栅震动传感阵列埋设在地下，光纤光栅波长解调系统内的宽带光源发出一段宽谱光，发射光传输到光纤光栅震动探测器阵列，进入警戒状态，每个光纤光栅震动传感器内的光纤光栅都选择反射回一个标准波长信号；

S2，当光纤光栅震动探测器周围有活动目标时，大地震动信号引起光纤光栅震动传感器内光栅栅距发生变化，对应的反射光的波长也发生变化；

S3，变化的波长信号被光纤光栅数据解调系统实时解调为震动的数字信号；

S4，信号处理及管控系统对震动数字信号进行处理分析。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述S1具体为，宽带光源发出的宽带光经环形器进入光开关，光开关受控制信号控制选通光路，控制宽带光传输到16芯光缆的各芯光纤中，各芯光纤中的震动传感器的光栅反射信号经光开关和环形器进入迈克尔逊干涉仪。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述S3具体为，当有外部入侵时，光纤光栅震动传感器的波长会产生变化，反射光经干涉仪后，输出相位会发生相应变化，根据各个光纤光栅震动传感器的波长不同，从干涉仪出来的反射光经过密集波分复用器被分为16道光，进入16道前置放大和光电检测阵列转换成电信号，电信号经同步AD采集后由FPGA进行并行PGC解调出传感器的相对波长变化信息。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述S4具体为，信号处理及管控系统中的信号处理和融合模块对256路数字信号进行特征提取，初步判断目标属性，经信息融合后，形成目标运动轨迹，并进一步确定目标类型，主控器根据目标运动轨迹和类型等信息，产生报警信息。

本发明的有益效果是：

本发明的光纤光栅震动传感器阵列通过地埋深埋的方式进行布设，在光纤对突发事件实行远程和实时的监测中具有隐蔽性好、防水防雷击，抗电磁干扰的优点。系统采用光纤光栅的波长选择反射技术原理，实现对监控区域活动目标震动信号的采集、处理、识别、跟踪、定位，可以实现边境远距离大范围的预警。

附图说明

图1为本发明基于光纤光栅震动传感的大规模远距离周界安防系统的系统构成图；

图2为本发明基于光纤光栅震动传感的大规模远距离周界安防系统的光纤光栅波长解调系统组成框图；

图3为本发明基于光纤光栅震动传感的大规模远距离周界安防系统的信号处理和管控系统组成框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中”、“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电性连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

图1-图3为本发明的一种具体实施例，该实施例为一种大规模远距离周界安防系统，主要由光纤光栅震动传感阵列、光纤光栅波长解调系统、信号处理和管控系统组成。

如图1所示，本实施例采用光纤光栅的波长选择反射技术原理，实现对监控区域活动目标震动信号的采集、处理、识别、跟踪、定位。工作时，光纤光栅波长解调系统内部光源部分发出一段宽谱光，发射光传输到光纤光栅震动探测器阵列，即进入警戒状态，此时每个光纤光栅震动传感器内的光纤光栅都选择反射回一个标准波长信号。当光纤光栅震动探测器周围有活动目标时，大地震动信号引起光纤光栅震动传感器内光栅栅距发生变化，对应的反射光的波长也发生变化，此波长信号被光纤光栅数据解调系统实时解调为震动的数字信号，信号处理及管控系统对震动数字信号进行处理分析，根据目标震动声纹特征初步确定目标，根据振动信号的能量变化和相邻震动探测器信号关系，形成目标运动轨迹，并根据目标态势进一步确定目标，发出报警信息。同时，信号处理及管控系统还可以对整个系统的工作状态进行监控和设置，确保系统工作正常。

本实施例中的光纤光栅震动传感器阵列由一条16芯单模、长度为25千米的光缆和光纤光栅震动传感器组成，每芯光纤中串联16个光纤光栅震动传感器，间距为100米，光纤光栅震动传感器阵列中震动传感器的总数量为256个。每一芯光纤中的16个光纤光栅震动传感器采用波分复用的方式，每一个传感器对应一个ITU通道。利用上述方式实现16个波长的光纤光栅震动传感器大规模布阵。光纤光栅震动传感器阵列通过地埋深埋的方式进行布设，在光纤 对突发事件实行远程和实时的监测，具有隐蔽性好、防水防雷击，抗电磁干扰等优点。

如图2所示，本实施中的光纤光栅波长解调系统由宽带光源、环形器、光开关、迈克尔逊干涉仪、密集波分复用器等组成。宽带光源发出的宽带光经环形器进入光开关，光开关受控制信号控制选通光路，控制宽带光传输到16芯光缆的各芯光纤中，各芯光纤中的震动传感器的光栅反射信号经光开关和环形器进入非平衡Michelson干涉仪。当有外部入侵时，光纤光栅震动传感器的波长会产生变化，反射光经干涉仪后，输出相位会发生相应变化，根据各个光纤光栅震动传感器的波长不同，从干涉仪出来的反射光经过密集波分复用器被分为16道光，进入16道前置放大和光电检测阵列转换成电信号，电信号经同步AD采集后由FPGA进行并行PGC解调出传感器的相对波长变化信息。 通过控制选通光开关信号的合理时序，实现对16芯光纤中256个光纤光栅震动传感器的快速解调。通过上述结构，利用光开关的快速切换，实现通过16道光纤光栅波长实时解调的硬件实现对256道光纤光栅波长的实时解调。

如图3所示，本实施例的信号处理及管控系统由信号处理和融合、主控器、报警信息等功能模块组成。由光纤光栅波长解调系统输出的256路震动传感器的震动数字信号传输到信号处理和管控系统。信号处理和融合模块对256路数字信号进行特征提取，初步判断目标属性，经信息融合后，形成目标运动轨迹，并进一步确定目标类型。主控器根据目标运动轨迹和类型等信息，产生报警信息。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种大规模远距离周界安防系统，包括光纤光栅震动传感阵列、光纤光栅波长解调系统、信号处理和管控系统，其特征在于：

所述光纤光栅震动传感阵列包括一条16芯单模且长度为25千米的光缆和光纤光栅震动传感器；所述光缆中的每芯光纤中串联16个光纤光栅震动传感器，每个光纤光栅震动传感器的间距为100米，光纤光栅震动传感阵列中的光纤光栅震动传感器的数量为256个；

所述光纤光栅波长解调系统包括用来发出宽带光的宽带光源，宽带光源通过光纤连接环形器，环形器通过光纤连接光开关和迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪通过光纤连接密集波分复用器；

所述信号处理和管控系统包括信号处理和融合模块、主控器模块和报警信息模块；所述信号处理和融合模块通过网线连接光纤光栅波长解调系统，主控器模块根据信号处理和融合模块处理的信息控制报警信息模块发出报警信号。

2.根据权利要求1所述的大规模远距离周界安防系统，其特征在于：所述光纤光栅震动传感阵列通过地埋深埋的方式进行布设。

3.根据权利要求1所述的大规模远距离周界安防系统，其特征在于：所述每芯光纤中串联的16个光纤光栅震动传感器采用波分复用的方式，每一个光纤光栅震动传感器对应一个ITU通道。

4.根据权利要求1所述的大规模远距离周界安防系统，其特征在于：所述光纤光栅波长解调系统中的光开关连接光纤光栅震动传感阵列的光缆。

5.根据权利要求1所述的大规模远距离周界安防系统，其特征在于：所述光纤光栅波长解调系统中的密集波分复用器还连接有16道前置放大和光电检测阵列，检测阵列连接有同步AD数据采集模块，同步AD数据采集模块连接有FPGA模块。

6.一种大规模远距离周界安防系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，光纤光栅震动传感阵列埋设在地下，光纤光栅波长解调系统内的宽带光源发出一段宽谱光，发射光传输到光纤光栅震动探测器阵列，进入警戒状态，每个光纤光栅震动传感器内的光纤光栅都选择反射回一个标准波长信号；

S2，当光纤光栅震动探测器周围有活动目标时，大地震动信号引起光纤光栅震动传感器内光栅栅距发生变化，对应的反射光的波长也发生变化；

S3，变化的波长信号被光纤光栅数据解调系统实时解调为震动的数字信号；

S4，信号处理及管控系统对震动数字信号进行处理分析。

7.根据权利要求6所述的大规模远距离周界安防系统的使用方法，其特征在于：所述S1具体为，宽带光源发出的宽带光经环形器进入光开关，光开关受控制信号控制选通光路，控制宽带光传输到16芯光缆的各芯光纤中，各芯光纤中的震动传感器的光栅反射信号经光开关和环形器进入迈克尔逊干涉仪。

8.根据权利要求6所述的大规模远距离周界安防系统的使用方法，其特征在于：所述S3具体为，当有外部入侵时，光纤光栅震动传感器的波长会产生变化，反射光经干涉仪后，输出相位会发生相应变化，根据各个光纤光栅震动传感器的波长不同，从干涉仪出来的反射光经过密集波分复用器被分为16道光，进入16道前置放大和光电检测阵列转换成电信号，电信号经同步AD采集后由FPGA进行并行PGC解调出传感器的相对波长变化信息。

9.根据权利要求6所述的大规模远距离周界安防系统的使用方法，其特征在于：所述S4具体为，信号处理及管控系统中的信号处理和融合模块对256路数字信号进行特征提取，初步判断目标属性，经信息融合后，形成目标运动轨迹，并进一步确定目标类型，主控器根据目标运动轨迹和类型等信息，产生报警信息。

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