CN111192424A - 一种基于光纤传感技术的光缆入侵监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光纤传感技术的光缆入侵监测系统及方法，该系统包括传感光缆、振动传动装置、分布式光纤传感系统，所述振动传动装置将待测井盖与传感光缆连接，所述分布式光纤传感系统与所述传感光缆中的一芯冗余光纤相连接，所述振动传动装置用于将待测井盖开启时产生的振动信号传递给所述传感光缆，所述分布式光纤传感系统用于监测所连接光纤中的光缆信号，通过分析所述光缆信号中所携带的振动信号的频域信号诊断所述待测井盖是否被非法开启，亦即判断光缆是否遭到入侵。本发明可建立人手井盖状态与光缆入侵状态之间的联系，从而达到监测光缆是否受到入侵的目的，该系统实用性高，安装方便，用于光缆沿线人手井盖发生非法搬移时的精准定位。

Description

一种基于光纤传感技术的光缆入侵监测系统及方法

技术领域

本发明涉及光缆入侵监测技术领域，具体是一种基于光纤传感技术的光缆入侵监测系统及方法。

背景技术

目前随着现代城市的飞速发展，通讯网络的覆盖范围不断扩大，各大城市都形成了错综复杂的地下光缆分布网。这些地下光缆线路分布的范围越广，为了检修维护方便，地上的人手井数量也会随之增加。另一方面，市政建设和道路维修等导致了路面施工场地的增多，这样就增大了光缆井盖被搬动甚至被偷盗的可能性，一旦人手井盖被打开则会给光缆带来被破坏的隐患。

目前各大运营商会或者供电公司针对该情况会安排巡线人员参照光缆地图进行日常巡线，确保线路安全，检查井盖的安防，但是这样的人力监测存在诸多局限性：1.一些市政施工事前无报备，施工事件预警不及时，当巡线人员达到现场后，井盖可能已经遭到搬移或者破坏；2.人力有限，一组巡视人员监管的范围比较小，对于长线路光缆光靠人力无法做到全面监控。

目前针对这些问题，还没有一套完整的监测系统能够全面监测整条光缆线路上的人手井盖状态，如何对一整条光缆线路井盖进行实时监测，确保井盖被搬移或者破坏的第一时间相关巡视人员能收到告警信息是当前各大运营商或者供电公司需要解决的问题。

发明内容

有鉴以此，本发明提出一种基于光纤传感技术的光缆入侵监测系统及方法，采用振动传动监测装置与待测光缆相连接，再利用分布式光纤传感系统构建一套完整的光缆入侵监测系统及方法，该系统实用性高，安装方便，用于光缆沿线人手井盖发生非法搬移时的精准定位。

一种基于光纤传感技术的光缆入侵监测系统及方法，包括传感光缆、振动传动装置、分布式光纤传感系统，所述振动传动装置将待测井盖与传感光缆连接，所述分布式光纤传感系统与所述传感光缆中的一芯冗余光纤相连接，所述振动传动装置用于将待测井盖开启时产生的振动信号传递给所述传感光缆，所述分布式光纤传感系统用于监测所连接光纤中的光缆信号，通过分析所述光缆信号中所携带的振动信号的频域信号诊断所述待测井盖是否被非法开启，亦即判断光缆是否遭到入侵。

进一步的，所述振动传动装置包括磁铁、弹性拉伸件、第一连接件、第二连接件、套箍，第一连接件通过磁铁安装在待测井盖上，第二连接件通过套箍安装在传感光缆上，弹性拉伸件的一端与第一连接件连接，另一端与第二连接件连接。

进一步的，所述弹性拉伸件为软弹簧。

进一步的，所述分布式光纤传感系统包括脉冲发生器、驱动器、超窄线宽激光器、声光调制器、掺铒光纤放大器、环形器、探测器、采集卡、主机端，超窄线宽激光器与声光调制器连接，脉冲发生器通过驱动器与声光调制器连接，声光调制器通过掺铒光纤放大器与环形器连接，环形器与传感光缆中的冗余光纤连接，环形器、探测器、采集卡主机端依次连接。

进一步的，所述超窄线宽激光器用于产生强相干连续光，经过声光调制器的调制后，得到峰值功率放大的脉冲光，然后该脉冲光信号会经过环形器注入到传感光缆的冗余光纤中；

所述光电探测器用于探测传感光缆中冗余光纤的光缆信号，所述采集卡用于采集所述光缆信号并传送至主机端；

所述主机端用于将所述光缆信号中所携带的振动信号经过频域变换转换为振动频域信号，根据不同的扰动事件对应的频域信号特征不同判断井盖处于何种状态，进而判断光缆是否遭到入侵。

一种基于光纤传感技术的光缆入侵监测方法，采用上述系统进行，所述方法包括如下步骤：

步骤一：将分布式光纤传感系统安装在机房或变电站里，环形器中的环形器与待传感光缆的一芯冗余光纤相连接；

步骤二：分布式光纤传感系统中的超窄线宽激光器产生强相干连续光，经过声光调制器的调制后，得到峰值功率放大的脉冲光，然后该脉冲光信号会经过环形器注入到传感光缆的冗余光纤中；

步骤三：待测井盖通过振动传动装置与传感光缆相连接，使用易于拉伸的弹性拉伸件分别连接在传感光缆和待测井盖之间，当待测井盖遭受外力搬动时，弹性拉伸件将待测井盖上的机械振动传递至传感光缆上，引起传感光缆振动，所述振动传动装置用于将待测井盖开启时产生的振动信号传递给所述传感光缆；

步骤四：分布式光纤传感系统采集传感光缆中冗余光纤的光缆信号，通过分析所述光缆信号中所携带的振动信号的频域信号诊断所述待测井盖是否被非法开启，即判断光缆是否遭到入侵，其中不同的扰动事件对应的频域信号特征不同。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明能够采用一台光缆入侵检测系统同时监测一条传感光缆上的所有待测井盖，即对所有井盖的监测是并行进行的，对某一处井盖的监测不影响对其他井盖的监测。

2.本监测系统无需铺设额外的传感光缆，监测设备安装在机房或变电站里，与待传感光缆的一芯冗余光纤相连接，方便快捷。

3.本系统中的振动传动装置采用机械振动传动方式，利用弹性拉伸件传导和放大振动信号，即使在外力破坏井盖后传动装置受到破坏，整个传感系统其他位置的监测不受影响，仍然正常运行。

附图说明

图1为本发明基于光纤传感技术的光缆入侵监测系统其中一个实施例的结构示意图；

图2为本发明中振动传动装置的结构示意图；

图3为本发明的振动传动装置中弹性拉伸件的受力分析图；

图4为本发明基于光纤传感技术的光缆入侵监测方法其中一个实施例的结构示意图；

图5为本发明实验中一条光缆皮长为8.3km左右的光纤监测情况；

图6为在皮长1.1km处人工拉拽光缆得到的频域信号；

图7为在光缆0.6km附近放置振动源后得到的频域信号。

图中附图标记分述如下：

1—分布式光纤传感系统，2—脉冲发生器，3—驱动器，4—超窄线宽激光器，5—声光调制器(AOM)，6—掺铒光纤放大器(EDFA)，7—环形器，8—探测器，9—采集卡，10—主机端，11—传感光缆，12—待测井盖，13—振动传动装置；14—磁铁，15—弹性拉伸件，16—第一连接件，17—第二连接件，18—套箍。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参阅图1，本发明实施例提供一种基于光纤传感技术的光缆入侵监测系统，包括传感光缆11、振动传动装置13、分布式光纤传感系统1，所述振动传动装置13将待测井盖12与传感光缆11连接，所述分布式光纤传感系统1与所述传感光缆11中的一芯冗余光纤相连接，所述振动传动装置13用于将待测井盖12开启时产生的振动信号传递给所述传感光缆11，所述分布式光纤传感系统1用于监测所连接光纤中的光缆信号，通过分析所述光缆信号中所携带的振动信号的频域信号诊断所述待测井盖12是否被非法开启，亦即判断光缆是否遭到入侵。

所述分布式光纤传感系统1可以监测整条传感光缆11上各处受到的振动情况，其安装在机房或变电站里，与待传感光缆1111的一芯冗余光纤相连接，不需要额外铺设光缆。

请参图2，所述振动传动装置13包括磁铁14、弹性拉伸件15、第一连接件16、第二连接件17、套箍18，第一连接件16通过磁铁14安装在待测井盖12上，第二连接件17通过套箍18安装在传感光缆11上，套箍18之间套设在传感光缆11上，弹性拉伸件15的一端与第一连接件16连接，另一端与第二连接件17连接。

所述弹性拉伸件15可采用软弹簧等易于拉伸的绳状物体，两端分别连接在传感光缆11和待测井盖12之间，当待测井盖12遭受外力搬动时，易于拉伸的弹性拉伸件15势必会发生形变，这样振动传动装置13就通过弹性拉伸件15的弹性势能将振动传递到传感光缆11上，即将待测井盖12上的机械振动传递至传感光缆11上，引起传感光缆11振动，传感光缆11中的光纤受到振动时，分布式光纤传感系统1就能监测到该点的振动情况，而分布式光纤传感系统1则能够定位该振动所对应的光缆皮长，从而确定对应的人手井盖位置。通过分布式光纤传感系统1，能建立人手井盖状态与光缆入侵状态之间的联系，从而达到传感光缆11是否受到入侵的目的。

所述分布式光纤传感系统1包括脉冲发生器2、驱动器3、超窄线宽激光器4、声光调制器5、掺铒光纤放大器6、环形器7、探测器8、采集卡9、主机端10，超窄线宽激光器4与声光调制器5连接，脉冲发生器2通过驱动器3与声光调制器5连接，声光调制器5通过掺铒光纤放大器6与环形器7连接，环形器7与传感光缆11中的冗余光纤连接，环形器7、探测器8、采集卡9、主机端10依次连接。

本发明在待测井盖12上安装所述振动传动装置13，可将触碰、非法搬动、强力破坏井盖的机械振动传递到传感光缆11上，增强和放大振动信号，再由分布式光纤传感系统1感知。

在待测井盖12受到微小振动形式的扰动时，弹性拉伸件15通过连接件(16、17)及磁铁14，与待测井盖12保持良好连接，能有效传递振动信号至传感光缆11；在待测井盖12开启时受到较大扰动，井盖产生较大范围运动，传感光缆11受到较大冲击信号，弹性拉伸件15通过连接件(16、17)及磁铁14，与井盖保持有效连接，能有效传递井盖开启的振动信号；在待测井盖12受到破坏性扰动后，井盖产生较大范围运动，磁铁14与井盖之间的连接脱落，传感光缆11受到较大冲击信号，但不致拉断传感光缆11，整个监测系统能保持正常运行。

振动传动装置13中弹性拉伸件15的受力分析如图3所示：对振动传动装置13而言，以弹性拉伸件15为例，假定其为如图所示的单质点弹簧振子，其在外界激励较小的情况下，在小范围运动的条件下，其自由振动方程为

其自由振动的周期为

基于上面的理论，与井盖12和传感光缆11连接的弹性拉伸件15，在井盖受到微小扰动时(如周围汽车行驶)，井盖下的弹性拉伸件15将引起传感光缆11产生周期性的扰动，周期为

而在井盖开启时，上面的弹簧振子不再满足小范围运动的限制，其振动频率将发生较大变化，其振动强度也会成倍增加；井盖受到破坏性扰动时，振动强度进一步增加，然后井盖破坏后弹簧脱落，此处的振动突变为静止。

上面是以单质点弹簧振子作为传动装置的物理模型，根据弹性拉伸件15的长度及质量分布，可以结合监测数据建立更符合实际情况的多质点振动方程或连续体振动方程，分析传动装置的振动特性，将扰动井盖作为激励加载到上述模型中，分析其传递到传感光缆11的振动频率及强度。

待测井盖11在接受设备监测时，会有3种状态变化：

1.待测井盖11处于未打开状态，此时分布式光纤传感系统1会接收到正常的光缆信号。

2.待测井盖11处于正常开启状态，当井盖开启后会通过振动传动装置13向传感光缆11传递一种瞬时振动信号，传感光缆11接收这种振动信号并通过解析软件得到其频域信号，当井盖被开启时在频域上该区域的频率强度会明显增加但不会出现倍频信号，则判断此处井盖被开启。

3.待测井盖11遭遇非法、暴力开盖状态，此时井盖和振动传动装置13会分离，弹性拉伸件15下落后会进行简谐振动，该简谐振动能够引起该处频域信号增强并同时出现有规律的倍频信号形成频谱线，此时则判定井盖遭遇非法入侵。

如图4所示，本发明实施例还提供一种基于光纤传感技术的光缆入侵监测方法，其采用上述监测装置进行，包括如下步骤：

步骤一：将分布式光纤传感系统1安装在机房或变电站里，环形器中的环形器7与待传感光缆11的一芯冗余光纤相连接，因此不需要额外铺设光缆，并进行部署调试；

步骤二：分布式光纤传感系统1中的超窄线宽激光器4产生强相干连续光(例如波长为1550nm的强相干连续光)，经过声光调制器(AOM)5的调制后，得到峰值功率放大的脉冲光，然后该脉冲光信号会经过环形器7注入到传感光缆11的冗余光纤中；

步骤三：待测井盖12通过振动传动装置13与传感光缆11相连接，使用易于拉伸的弹性拉伸件15分别连接在传感光缆11和待测井盖12之间，当待测井盖12遭受外力搬动时，弹性拉伸件15将待测井盖12上的机械振动传递至传感光缆11上，引起传感光缆11振动，所述振动传动装置13用于将待测井盖12开启时产生的振动信号传递给所述传感光缆11。

振动传动装置13的作用是将井盖上的振动传递到传感光缆11上，要求其在井盖受到微小扰动时，其与井盖和传感光缆11比较牢固连接；在井盖开启时受到较大扰动，传感光缆受到较大冲击信号；在井盖受到破坏性扰动时，振动传动装置13能与井盖及时脱离，不致引起光缆受强力拉断，而导致整个监测系统受到影响。

步骤四：分布式光纤传感系统1采集传感光缆11中冗余光纤的光缆信号，通过分析所述光缆信号中所携带的振动信号的频域信号诊断所述待测井盖12是否被非法开启，即判断光缆是否遭到入侵。

由于光纤不同位置产生的瑞利后向散射光受到该位置外界振动信号的调制，其相位信号携带了外部振动信号的信息，该光缆的振动信号会通过环形器7进入光电探测器8，并经采集卡9采集信号后交由主机端10进行算法处理，如图5所示为系统实验中一条光缆皮长为8.3km左右的光纤监测情况，无外破事件发生时设定该监测情况为初始状态，纵轴电压表示反射强度，横轴表示皮长。当光纤某处发生扰动时，该处的反射信号会受到改变，用振动后的光纤信号减去初始状态下的信号就得到了振动信号。

主机端10内结合短时傅里叶变换等时频域数据分析方法，对井盖所受扰动信号进行分析，也可对不同的扰动产生的信号特征予以分类，最终判断井盖是否收到非法入侵，图6图7显示的是前期实验得到两类频域扰动信号，图6为在皮长1.1km处人工拉拽光缆得到的频域信号，图7为在光缆0.6km附近放置振动源后得到的频域信号。可以看出不同扰动事件经过主机端内算法分析后，可将其时域信号经过频域变换等方法转换为振动频域信号，不同的扰动事件对应的频域信号特征不同。

当待测井盖12未打开时，频域无明显特征变化；当井盖处于正常开启状态，井盖打开的同时会拉拽振动传动装置13，等同于连接的传感光缆11受到拉拽，因此该处会产生与图6相类似的拉拽振动信号；当井盖遭受到暴力开盖时，此时井盖和振动传动装置会分离，弹性拉伸件15下落后会进行简谐振动从而牵引传感光缆11产生振动，该振动具有一定的规律性，经过主机端10分析后其频谱信号与图7类似。因此三种井盖状态会产生不同的频域信号，本发明装置通过频域信号来判断井盖处于何种状态。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于光纤传感技术的光缆入侵监测系统，其特征在于：包括传感光缆(11)、振动传动装置(13)、分布式光纤传感系统(1)，所述振动传动装置(13)将待测井盖(12)与传感光缆(11)连接，所述分布式光纤传感系统(1)与所述传感光缆(11)中的一芯冗余光纤相连接，所述振动传动装置(13)用于将待测井盖(12)开启时产生的振动信号传递给所述传感光缆(11)，所述分布式光纤传感系统(1)用于监测所连接光纤中的光缆信号，通过分析所述光缆信号中所携带的振动信号的频域信号诊断所述待测井盖(12)是否被非法开启，亦即判断光缆是否遭到入侵。

2.如权利要求1所述的基于光纤传感技术的光缆入侵监测系统，其特征在于：所述振动传动装置(13)包括磁铁(14)、弹性拉伸件(15)、第一连接件(16)、第二连接件(17)、套箍(18)，第一连接件(16)通过磁铁(14)安装在待测井盖(12)上，第二连接件(17)通过套箍(18)安装在传感光缆(11)上，弹性拉伸件(15)的一端与第一连接件(16)连接，另一端与第二连接件(17)连接。

3.如权利要求2所述的基于光纤传感技术的光缆入侵监测系统，其特征在于：所述弹性拉伸件(15)为软弹簧。

4.如权利要求1所述的基于光纤传感技术的光缆入侵监测系统，其特征在于：所述分布式光纤传感系统(1)包括脉冲发生器(2)、驱动器(3)、超窄线宽激光器(4)、声光调制器(5)、掺铒光纤放大器(6)、环形器(7)、探测器(8)、采集卡(9)、主机端(10)，超窄线宽激光器(4)与声光调制器(5)连接，脉冲发生器(2)通过驱动器(3)与声光调制器(5)连接，声光调制器(5)通过掺铒光纤放大器(6)与环形器(7)连接，环形器(7)与传感光缆(11)中的冗余光纤连接，环形器(7)、探测器(8)、采集卡(9)主机端(10)依次连接。

5.如权利要求4所述的基于光纤传感技术的光缆入侵监测系统，其特征在于：

所述超窄线宽激光器(4)用于产生强相干连续光，经过声光调制器(5)的调制后，得到峰值功率放大的脉冲光，然后该脉冲光信号会经过环形器(7)注入到传感光缆(11)的冗余光纤中；

所述光电探测器(8)用于探测传感光缆(11)中冗余光纤的光缆信号，所述采集卡(9)用于采集所述光缆信号并传送至主机端(10)；

所述主机端(10)用于将所述光缆信号中所携带的振动信号经过频域变换转换为振动频域信号，根据不同的扰动事件对应的频域信号特征不同判断井盖处于何种状态，进而判断光缆是否遭到入侵。

6.一种基于光纤传感技术的光缆入侵监测方法，其特征在于采用权利要求1-5中任一项所述系统进行，所述方法包括如下步骤：

步骤一：将分布式光纤传感系统(1)安装在机房或变电站里，环形器中的环形器(7)与待传感光缆(11)的一芯冗余光纤相连接；

步骤二：分布式光纤传感系统(1)中的超窄线宽激光器(4)产生强相干连续光，经过声光调制器(5)的调制后，得到峰值功率放大的脉冲光，然后该脉冲光信号会经过环形器(7)注入到传感光缆(11)的冗余光纤中；

步骤三：待测井盖(12)通过振动传动装置(13)与传感光缆(11)相连接，使用易于拉伸的弹性拉伸件(15)分别连接在传感光缆(11)和待测井盖(12)之间，当待测井盖(12)遭受外力搬动时，弹性拉伸件(15)将待测井盖(12)上的机械振动传递至传感光缆(11)上，引起传感光缆(11)振动，所述振动传动装置(13)用于将待测井盖(12)开启时产生的振动信号传递给所述传感光缆(11)；

步骤四：分布式光纤传感系统(1)采集传感光缆(11)中冗余光纤的光缆信号，通过分析所述光缆信号中所携带的振动信号的频域信号诊断所述待测井盖(12)是否被非法开启，即判断光缆是否遭到入侵，其中不同的扰动事件对应的频域信号特征不同。

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