CN113756218B - 一种用于高速公路护栏碰撞的光纤传感预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种用于高速公路护栏碰撞的光纤传感预警系统，属于分布式光纤传感技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种用于高速公路护栏碰撞的光纤传感预警系统硬件结构的改进；解决上述技术问题采用的技术方案为：通过单根四芯光纤构成双马赫泽德干涉结构与预警光信号远端传输结构，实现对护栏振动信号的拾取与预警信号的传输，通过光开关、宽带光源与窄带滤光片组合实现左右护栏预警，通过控制声光调制器对连续光进行调制来生成含有位置信息的预警光脉冲串，实现对碰撞位置信息传递，信号处理装置根据传递过来的预警光脉冲串下降沿的计数来判断前方碰撞事故的发生位置并通过报警指示牌显示事故位置；本发明应用于高速公路护栏。

Description

一种用于高速公路护栏碰撞的光纤传感预警系统

技术领域

本发明一种用于高速公路护栏碰撞的光纤传感预警系统，属于分布式光纤传感预警系统技术领域。

背景技术

车辆碰撞护栏是高速公路上常见的安全事故之一，当前对高速公路护栏碰撞监测主要是依靠监控摄像或受害人员主动报警等方式，难以对事故发生位置快速准确定位，因而导致救援响应滞后，造成严重的经济损失和人员伤亡。因此，加强高速公路护栏碰撞监测是提升高速公路应对突发事件能力的现实需要，也是确保高速公路交通更安全、更畅通、更高效，提高高速公路网络运行效率和服务水平的迫切需要。

随着光纤通信技术的不断发展，光纤传感技术日趋成熟。光纤传感技术使用光以及光纤作为传感系统的主要支撑使其具有灵敏度高、抗电磁干扰、环境适应性好、价格低廉等优点，一经开发便受到了广泛的关注，并在军事国防、工业生产、航天航空等领域有着广泛的应用前景。其中，基于马赫泽德干涉的分布式光纤振动检测装置具有结构简单、检测灵敏度高、系统响应速度快等优点，可实现对护栏碰撞信号的实时监测。但传统的基于马赫泽德干涉的分布式光纤振动检测装置只能拾取单侧护栏内的振动信号，且无法定位出具体碰撞位置，无法在护栏受到碰撞后通过系统光路传递指令信息，不能实现在单根光缆中完成检测、定位、预警功能，在实际应用中存在较大问题。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种用于高速公路护栏碰撞的光纤传感预警系统硬件结构的改进。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种用于高速公路护栏碰撞的光纤传感预警系统，包括宽带光源、调制模块、混合模块、第一振动监测模块、第二振动监测模块、分析处理模块，所述宽带光源发出的连续光经过调制模块调制后分为三路输入混合模块，混合模块将其中的两路光经过不同波长的窄带滤光片后与剩余的一路光混合后输出探测光，探测光等比例分为两路分别输入第一振动监测模块的输入端、第二振动监测模块的输入端，其中第一振动监测模块、第二振动监测模块分别通过构造双马赫泽德干涉结构计算两路干涉信号的之间的时间延迟实现对振动信号的定位，实现对高速公路两侧的护栏内的碰撞情况进行振动监测，并通过分别设置的报警指示牌进行显示；

当护栏受到碰撞时，第一振动监测模块、第二振动监测模块将碰撞后的振动信息发送至分析处理模块，进行互相关时延运算，计算出碰撞位置距信号指示牌的距离，分析处理模块根据碰撞情况发出指令，通过控制调制模块，输出带有位置信息的预警光脉冲串；

通过预警光脉冲串下降沿的计数来判断前方碰撞事故的发生位置并通过报警指示牌显示事故位置。

所述调制模块包括隔离器、第一偏振控制器、声光调制器、光开关，所述宽带光源的输出端连接到隔离器的输入端，使光源单方向通过；

所述隔离器的输出端连接到第一偏振控制器输入端；

所述第一偏振控制器的输出端连接到声光调制器的a输入端，对激光进行调制；所述声光调制器的b输出端连接光开关的a输入端；

所述光开关的三个输出端分别输出三路光输入至混合模块。

所述混合模块包括第一窄带滤光片、第二窄带滤光片、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器，所述第一窄带滤光片的输入端连接光开关的d输出端，所述第一窄带滤光片的输出端连接第一光纤耦合器的b输入端；

所述第二窄带滤光片的输入端连接光开关的c输出端，第二窄带滤光片的输出端连接第一光纤耦合器的c输入端；

所述第二光纤耦合器的c输入端连接光开关的b输出端，所述第二光纤耦合器的b输入端连接第一光纤耦合器的a输出端；

所述第二光纤耦合器的a输出端连接到第三光纤耦合器的a输入端，所述第三光纤耦合器的b输出端连接第一振动监测模块的输入端；

所述第三光纤耦合器的c输出端连接第二振动监测模块的输入端。

所述第一振动监测模块包括第三窄带滤光片、第二偏振控制器、第一始端处理盒、第一尾端处理盒、第一报警指示牌、第一双路光电探测器、第一四芯光纤，其中所述第一始端处理盒由第四光纤耦合器、第一光纤多路耦合器、第一环形器组成；所述第一尾端处理盒由第五光纤耦合器、第一单路光电探测器、第一信号处理装置组成；

所述第二振动监测模块包括第四窄带滤光片、第三偏振控制器、第二始端处理盒、第二尾端处理盒、第二报警指示牌、第二双路光电探测器、第二四芯光纤，其中所述第二始端处理盒由第六光纤耦合器、第二光纤多路耦合器、第二环形器组成；所述第二尾端处理盒由第七光纤耦合器、第二单路光电探测器、第二信号处理装置组成；

所述第一四芯光纤和第二四芯光纤均由传输光纤a、传感光纤b、参考光纤c、导引光纤d组成；

高速公路两侧护栏上分别布设第一四芯光纤和第二四芯光纤，第一四芯光纤首端与第一始端处理盒连接，尾端与第一尾端处理盒连接，第一尾端处理盒连接到第一报警指示牌；第二四芯光纤首端与第二始端处理盒连接，尾端与第二尾端处理盒连接，第二尾端处理盒连接到第二报警指示牌。

所述第三光纤耦合器的b输出端经第三窄带滤光片后连接到第二偏振控制器的输入端；

所述第二偏振控制器的输出端连接到第四光纤耦合器的a输入端；所述第四光纤耦合器的c输出端连接到第一光纤多路耦合器的a输入端；

为了感知振动信号，将第一光纤多路耦合器的b、c、d三个端口输出的探测光构造为两路马赫泽德干涉光路：

第一路干涉光路为：所述第一光纤多路耦合器的b、c端口输出的两路探测光分别经第一四芯光纤的传感光纤b、参考光纤c连接到第五光纤耦合器的c、b端口，进而在第五光纤耦合器处发生干涉，干涉返回光从第五光纤耦合器的a端口输出经第一四芯光纤的导引光纤d连接到第一环形器的b端口，所的第一环形器将干涉返回光沿环形器方向从c端口输出连接到第一双路光电探测器的c输入端；

第二路干涉光路为：所述第一光纤多路耦合器的d端口输出的探测光经第一环形器后通过第一四芯光纤的导引光纤d连接到第五光纤耦合器的a端口，所述第五光纤耦合器将a端口输入的探测光分为两部分，分别从c、b端口输出，经第一四芯光纤的传感光纤b、参考光纤c连接到第一光纤多路耦合器的b、c端口，进而在第一光纤多路耦合器处发生干涉，干涉返回光从第一光纤多路耦合器的e端口输出连接到第一双路光电探测器的b端口；

所述第四光纤耦合器的b输出端经第一四芯光纤的传输光纤a连接到第一单路光电探测器后将输入连续光信号转换为电信号接入第一信号处理装置，第一信号处理装置连接第一报警指示牌来控制报警指示牌显示。

所述第三光纤耦合器的c端口经第四窄带滤光片后连接到第三偏振控制器的输入端；

所述第三偏振控制器的输出端连接到第六光纤耦合器的a输入端；所述第六光纤耦合器的b输出端连接到第二光纤多路耦合器的e输入端；

为了感知振动信号，将第二光纤多路耦合器的b、c、d三个端口输出的探测光构造为两路马赫泽德干涉光路；

第一路干涉光路为：所述第二光纤多路耦合器的c、d端口输出的两路探测光分别经第二四芯光纤的参考光纤c、传感光纤b连接到第七光纤耦合器的c、b端口，进而在第七光纤耦合器处发生干涉，干涉返回光从第七光纤耦合器的a端口输出经第二四芯光纤的导引光纤d连接到第二环形器的c端口，所述第二环形器将干涉返回光沿环形器方向从b端口输出连接到第二双路光电探测器的b输入端；

第二路干涉光路为：所述第二光纤多路耦合器的b端口输出的探测光经第二环形器后通过第二四芯光纤的导引光纤d连接到第七光纤耦合器的a端口，所述第七光纤耦合器将a端口输入的探测光分为两部分，分别从b、c端口输出，经第二四芯光纤的传感光纤b、参考光纤c连接到第二光纤多路耦合器的d、c端口，进而在第二光纤多路耦合器处发生干涉，干涉返回光从第二光纤多路耦合器的a端口输出连接到第二双路光电探测器的c端口；

所述第六光纤耦合器的c输出端经第二四芯光纤的传输光纤a连接到第二单路光电探测器后将输入连续光信号转换为电信号接入第二信号处理装置；

所述第二信号处理装置连接第二报警指示牌来控制报警指示牌显示。

所述分析处理模块包括数据采集卡、计算机、第三信号处理装置，所述第一双路光电探测器将由c、b输入端进入的光信号转换为电信号由a输出端传输至数据采集卡的b输入端；

所述第二双路光电探测器将由c、b输入端进入的光信号转换为电信号由a输出端连接至数据采集卡的a输入端；

所述数据采集卡的c输出端连接计算机的输入端进行显示，所述计算机的输出端连接第三信号处理装置的b输入端；所述第三信号处理装置的a输出端和c输出端分别连接光开关的e控制端和声光调制器的c控制端。

所述第一窄带滤光片与第三窄带滤光片所通过的光波长范围相同，能够使设定波长范围的窄带光通过，滤除其他不用范围波长的光。

所述第二窄带滤光片与第四窄带滤光片所通过的光波长范围相同，能够使设定波长范围的窄带光通过，滤除其他不用范围波长的光。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：

一、本发明在单根四芯光纤上利用空分复用技术实现了双马赫泽德干涉传感结构与预警脉冲光信号传输结构的融合。等长的四芯光纤保障了干涉结构中传感光纤、参考光纤与导引光纤长度的相等，且无需额外铺设预警信号传输光纤，从而可显著提升系统结构的自由度与灵活性，便于高速公路现场铺设。

二、本发明通过宽带光源与窄带滤光片的组合，实现了不同波长探测光的分离，并利用光开关的切换控制，实现了高速公路左护栏与右护栏上分别铺设的两路双马赫泽德干涉传感结构对于碰撞振动信号的协同监测与联合定位。

三、本发明可在碰撞事故发生并定位成功后，控制声光调制器对连续光进行强度调制来生成预警光脉冲串，并通过预警信号传输光纤传送至光电探测器。由于预警光脉冲串的脉冲个数与碰撞事故位置相对应，信号处理装置可通过对预警光脉冲下降沿的计数操作来确定前方碰撞事故的发生位置，进而通过报警指示牌显示碰撞事故位置。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明在高速公路护栏上的布设结构示意图；

图中：1为宽带光源、2为隔离器、3为第一偏振控制器、4为声光调制器、5为光开关、6为第一窄带滤光片、7为第二窄带滤光片、8为第一光纤耦合器、9为第二光纤耦合器、10为第三光纤耦合器、11为第三窄带滤光片、12为第二偏振控制器、13为第四光纤耦合器、14为第一光纤多路耦合器、15为第一环形器、16为第一始端处理盒、17为第五光纤耦合器、18为第一单路光电探测器、19为第一信号处理装置、20为第一尾端处理盒、21为第一报警指示牌、22为第一双路光电探测器、23为第四窄带滤光片、24为第三偏振控制器、25为第六光纤耦合器、26为第二光纤多路耦合器、27为第二环形器、28为第二始端处理盒、29为第七光纤耦合器、30为第二单路光电探测器、31为第二信号处理装置、32为第二尾端处理盒、33为第二报警指示牌、34为第二双路光电探测器、35为采集卡、36为计算机、37为第三信号处理装置、38为第一四芯光纤、39为第二四芯光纤。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的用于高速公路护栏碰撞的光纤传感预警系统，其目的在于克服传统的基于马赫泽德干涉的分布式光纤振动检测装置的不足，通过单根四芯光纤构成双马赫泽德干涉结构与预警光信号远端传输结构，实现对护栏振动信号的拾取与预警信号的传输，通过光开关、宽带光源与窄带滤光片组合实现左右护栏预警，通过控制声光调制器对连续光进行调制来生成含有位置信息的预警光脉冲串，实现对碰撞位置信息传递，第一信号处理装置、第二信号处理装置根据传递过来的预警光脉冲串下降沿的计数来判断前方碰撞事故的发生位置并通过报警指示牌显示事故位置。整体结构利于铺设，抗干扰能力强。当某一护栏遭到碰撞时，系统能够及时反应，通过指令控制实现对应指示牌显示前方碰撞事故位置。

图1是本发明一种高速公路护栏碰撞光纤传感预警系统的结构示意图，包括宽带光源1、调制模块、混合模块、第一振动监测模块、第二振动监测模块、分析处理模块，所述宽带光源1发出的连续光经过调制模块调制后分为三路输入混合模块，混合模块将其中的两路光经过不同波长的窄带滤光片后与剩余的一路光混合后输出探测光，探测光等比例分为两路分别输入第一振动监测模块的输入端、第二振动监测模块的输入端，其中第一振动监测模块、第二振动监测模块分别通过构造双马赫泽德干涉结构计算两路干涉信号的之间的时间延迟实现对振动信号的定位，实现对高速公路两侧的护栏内的碰撞情况进行振动监测，并通过分别设置的报警指示牌进行显示；

当护栏受到碰撞时，第一振动监测模块、第二振动监测模块将碰撞后的振动信息发送至分析处理模块，进行互相关时延运算，计算出碰撞位置距信号指示牌的距离，分析处理模块根据碰撞情况发出指令，通过控制调制模块，输出带有位置信息的预警光脉冲串；

通过预警光脉冲串下降沿的计数来判断前方碰撞事故的发生位置并通过报警指示牌显示事故位置。

所述调制模块包括隔离器2、第一偏振控制器3、声光调制器4、光开关5， 所述混合模块包括第一窄带滤光片6、第二窄带滤光片7、第一光纤耦合器8、第二光纤耦合器9、第三光纤耦合器10， 所述第一振动监测模块包括第三窄带滤光片11、第二偏振控制器12、第一始端处理盒16、第一尾端处理盒20、第一报警指示牌21、第一双路光电探测器22、第一四芯光纤38；所述第二振动监测模块包括第四窄带滤光片23、第三偏振控制器24、第二始端处理盒28、第二尾端处理盒32、第二报警指示牌33、第二双路光电探测器34、第二四芯光纤39。

其中，所述第一始端处理盒16由第四光纤耦合器13、第一光纤多路耦合器14、第一环形器15组成；所述第一尾端处理盒20由第五光纤耦合器17、第一单路光电探测器18、第一信号处理装置19组成；所述第二始端处理盒28由第六光纤耦合器25、第二光纤多路耦合器26、第二环形器27组成；所述第二尾端处理盒32由第七光纤耦合器29、第二单路光电探测器30、第二信号处理装置31组成；所述第一四芯光纤38和第二四芯光纤39均由传输光纤a、传感光纤b、参考光纤c、导引光纤d组成。

图2是本发明一种高速公路护栏碰撞光纤传感预警系统的布设方案图。在高速公路左右护栏上分别布设第一四芯光纤38和第二四芯光纤39，第一四芯光纤38首端与第一始端处理盒16连接，尾端与第一尾端处理盒20连接，第一尾端处理盒20连接到第一报警指示牌21；第二四芯光纤39首端与第二始端处理盒28连接，尾端与第二尾端处理盒32连接，第二尾端处理盒32连接到第二报警指示牌33。下面结合图1和图2说明本发明的具体实施方式。

宽带光源1输出波长为1520-1560nm的连续光连接到隔离器2的输入端；隔离器2用来使光源单方向通过；隔离器2的输出端连接到第一偏振控制器3输入端；第一偏振控制器3用来调节宽带光源1的光偏振态；第一偏振控制器3的输出端连接到脉冲调制器4的a输入端，未发生碰撞时不进行调制，输出光仍为连续光；之后，探测光经声光调制器4的b端输出后进入光开关5的a输入端，未发生碰撞时第三信号处理装置37发出指令由a输出端输出到光开关5的控制端e，控制光开关5接通d、c、b输出端，将进入光开关5输入端a的探测光分为1：1：1三部分，分别从光开关5的d、c、b三个端口输出。

光开关5的d、c输出端分别经第一窄带滤光片6、第二窄带滤光片7连接到第一光纤耦合器8的b、c输入端；光开关5的b输出端连接到第二光纤耦合器9的c输入端；第一窄带滤光片6和第二窄带滤光片7分别吸收不同波长范围的光，使某一特定波长的窄带光通过；第一光纤耦合器8的a输出端连接到第二光纤耦合器9的b输入端，将两路特定波长范围的光输入第二光纤耦合器9；第二光纤耦合器9的a输出端连接到第三光纤耦合器10的a输入端，将一路未经滤波的光和两路经滤波包含特定波长范围的光输入第三光纤耦合器10；第三光纤耦合器10将信号分为1:1两部分，分别从b、c两个端口输出。

第三光纤耦合器10的b端口经第三窄带滤光片11后连接到第二偏振控制器12的输入端；第三窄带滤光片11与第一窄带滤光片6所通过的光波长范围相同，可使某一特定波长范围的窄带光通过，滤除其他不用范围波长的光；第二偏振控制器12用来调节第三光纤耦合器10分出光的光偏振态；第二偏振控制器12的输出端连接到第四光纤耦合器13的a输入端；第四光纤耦合器13的c输出端连接到第一光纤多路耦合器14的a输入端；第一光纤多路耦合器14将信号分为1：1：2三部分，分别从b、c、d三个端口输出，确保两路干涉返回光光强相等。

为了感知振动信号，将第一光纤多路耦合器14的b、c、d三个端口输出的探测光构造为两路马赫泽德干涉光路，第一路干涉光路为：第一光纤多路耦合器14的b、c端口输出的两路探测光分别经第一四芯光纤38的传感光纤b、参考光纤c连接到第五光纤耦合器17的c、 b端口，进而在第五光纤耦合器17处发生干涉，干涉返回光从第五光纤耦合器17的a端口输出经第一四芯光纤38的导引光纤d连接到第一环形器15的b端口，第一环形器15将干涉返回光沿环形器方向从c端口输出连接到第一双路光电探测器22的c输入端；第二路干涉光路为：第一光纤多路耦合器14的d端口输出的探测光经第一环形器15后通过第一四芯光纤38的导引光纤d连接到第五光纤耦合器17的a端口，第五光纤耦合器17将a端口输入的探测光分为1：1两部分，分别从c、b端口输出，经第一四芯光纤38的传感光纤b、参考光纤c连接到第一光纤多路耦合器14的b、c端口，进而在第一光纤多路耦合器14处发生干涉，干涉返回光从第一光纤多路耦合器14的e端口输出连接到第一双路光电探测器22的b端口；第一光纤多路耦合器14的f端口不接任何器件；第四光纤耦合器13的b输出端经第一四芯光纤38的传输光纤a连接到第一单路光电探测器18后连接第一信号处理装置19；第一单路光电探测器18将输入连续光信号转换为电信号接入第一信号处理装置19；第一信号处理装置19连接第一报警指示牌21来控制报警指示牌显示。

第三光纤耦合器10的c端口经第四窄带滤光片23后连接到第三偏振控制器24的输入端；第四窄带滤光片23与第二窄带滤光片7所通过的光波长范围相同，可使某一特定波长范围的窄带光通过，滤除其他不用范围波长的光；第三偏振控制器24用来调节第三光纤耦合器10分出光的光偏振态；第三偏振控制器24的输出端连接到第六光纤耦合器25的a输入端；第六光纤耦合器25的b输出端连接到第二光纤多路耦合器26的e输入端；第二光纤多路耦合器26将信号分为2：1：1三部分，分别从b、c、d三个端口输出，确保两路干涉返回光光强相等。

为了感知振动信号，将第二光纤多路耦合器26的b、c、d三个端口输出的探测光构造为两路马赫泽德干涉光路，第一路干涉光路为：第二光纤多路耦合器26的c、d端口输出的两路探测光分别经第二四芯光纤39的参考光纤c、传感光纤b连接到第七光纤耦合器29的c、 b端口，进而在第七光纤耦合器29处发生干涉，干涉返回光从第七光纤耦合器29的a端口输出经第二四芯光纤39的导引光纤d连接到第二环形器27的c端口，第二环形器27将干涉返回光沿环形器方向从b端口输出连接到第二双路光电探测器34的b输入端；第二路干涉光路为：第二光纤多路耦合器26的b端口输出的探测光经第二环形器27后通过第二四芯光纤39的导引光纤d连接到第七光纤耦合器29的a端口，第七光纤耦合器29将a端口输入的探测光分为1：1两部分，分别从b、c端口输出，经第二四芯光纤39的传感光纤b、参考光纤c连接到第二光纤多路耦合器26的d、c端口，进而在第二光纤多路耦合器26处发生干涉，干涉返回光从第二光纤多路耦合器26的a端口输出连接到第二双路光电探测器34的c端口；第二光纤多路耦合器26的f端口不接任何器件；第六光纤耦合器25的c输出端经第二四芯光纤39的传输光纤a连接到第二单路光电探测器30后连接第二信号处理装置31；第二单路光电探测器30将输入连续光信号转换为电信号接入第二信号处理装置31；第二信号处理装置31连接第二报警指示牌33来控制报警指示牌显示。

当图2所示的第一四芯光纤38所布设护栏发生碰撞时，图1第一四芯光纤38中的传感光纤b检测到振动信号，经第一光纤多路耦合器14的b、c端口输出的两路探测光分别经第一四芯光纤38中的传感光纤b、参考光纤c，将携带振动信号的返回光在第五光纤耦合器17发生干涉并通过第五光纤耦合器17的a端口输出；干涉后的光信号通过第一四芯光纤38中的导引光纤d传输到第一环形器15的b端口；第一环形器15将返回光沿环形器方向从c端口输出连接到第一双路光电探测器22的c输入端；经第一光纤多路耦合器14的d端口输出的一路探测光通过第一环形器15的b端输出，输出探测光经第一四芯光纤38中的导引光纤d进入到第五光纤耦合器17的a端口将探测光分为1：1两部分，分别从第五光纤耦合器17的b、c两个端口输出；经第五光纤耦合器17的c、b端口输出的两路探测光分别经第一四芯光纤38中的传感光纤b、参考光纤c，将携带振动信号的返回光在第一光纤耦合器14发生干涉并通过第一光纤多路耦合器14的e端口将干涉后的光信号传输到第一双路光电探测器22的b输入端；第一双路光电探测器22将由c、b输入端进入的光信号转换为电信号由a输出端传输至数据采集卡35的b输入端；数据采集卡35将采集到的信号送至计算机36进行互相关时延运算，换算出碰撞位置距离第一信号指示牌21的距离；计算机36显示图2所示第一四芯光纤38所在护栏有碰撞并显示出碰撞位置距第一信号指示牌21的距离，做出相应指令并将指令送入第三信号处理装置37的b输入端；第三信号处理装置37发出指令由c输出端传送到声光调制器4的c控制端，控制声光调制器4对连续激光进行调制，将连续激光调制成脉冲序列的预警光脉冲串，其中碰撞位置信息由脉冲串个数传递；由声光调制器4调制出的脉冲光，经声光调制器4的b输出端传送到光开关5的a输入端；与此同时，第三信号处理装置37发出指令由其a输出端输出到光开关5的e控制端，控制光开关5断开b、c输出端，接通d输出端；声光调制器4调制出的脉冲光由光开关5的d端输出，经第一窄带滤光片6、第一光纤耦合器8、第二光纤耦合器9到达第三光纤耦合器10，由于第一窄带滤光片6与第三窄带滤光片11所通过光的波长范围相同，而与第四窄带滤光片23所通过光的波长范围不同，所以此时到达第三光纤耦合器10的脉冲光不能通过第四窄带滤光片23，只能通过第三窄带滤光片11并通过第二偏振控制器12将脉冲光传输至第四光纤耦合器13；第四光纤耦合器13将脉冲光分别从b、c端口输出；第一单路光电探测器18检测到对应调制脉冲光，将光信号转换为电信号输入第一信号处理装置19；第一信号处理装置19通过对预警光脉冲串下降沿的计数来判断前方碰撞事故的发生位置并通过第一报警指示牌21显示事故位置。

当图2所示的第二四芯光纤39所布设护栏发生碰撞时，图1第二四芯光纤39中的传感光纤b检测到振动信号，经第二光纤多路耦合器26的d、c端口输出的两路探测光分别经第二四芯光纤39中的传感光纤b、参考光纤c，将携带振动信号的返回光在第七光纤耦合器29发生干涉并通过第七光纤耦合器29的a端口输出；干涉后的光信号通过第二四芯光纤39中的导引光纤d传输到第二环形器27的c端口；第二环形器27将返回光沿环形器方向从b端口输出连接到第二双路光电探测器27的b输入端；经第二光纤多路耦合器26的b端口输出的一路探测光通过第二环形器27的c端输出，输出探测光经第二四芯光纤39中的导引光纤d进入到第七光纤耦合器29的a端口将输入光分为1：1两部分，分别从第七光纤耦合器29的b、c两个端口输出；经第七光纤耦合器29的b、c端口输出的两路探测光分别经第二四芯光纤39中的传感光纤b、参考光纤c，将携带振动信号的返回光在第二光纤耦合器26发生干涉并通过第二光纤多路耦合器26的a端口将干涉后的光信号传输到第二双路光电探测器34的c输入端；第二双路光电探测器34将由c、b输入端进入的光信号转换为电信号由a输出端连接至数据采集卡35的a输入端；数据采集卡35将采集到的信号送至计算机36进行互相关时延运算，换算出碰撞位置距离第二信号指示牌33的距离；计算机36显示图2所示第二四芯光纤39所在护栏有碰撞并显示出碰撞位置距第二信号指示牌33的距离，做出相应指令并将指令送入第三信号处理装置37的b输入端；第三信号处理装置37发出指令由c输出端传送到声光调制器4的c控制端，控制声光调制器4对连续激光进行调制，将连续激光调制成脉冲序列的预警光脉冲串，其中碰撞位置信息由脉冲串个数传递；由声光调制器4调制出的脉冲光，经声光调制器4的b输出端传送到光开关5的a输入端；与此同时，第三信号处理装置37发出指令由其a输出端输出到光开关5的e控制端，控制光开关5断开b、d输出端，接通c输出端；声光调制器4调制出的脉冲光由光开关5的c端输出，经第二窄带滤光片7、第一光纤耦合器8、第二光纤耦合器9到达第三光纤耦合器10、由于第二窄带滤光片7与第四窄带滤光片23所通过光的波长范围相同，而与第三窄带滤光片11所通过光的波长范围不同，所以此时到达第三光纤耦合器10的脉冲光不能通过第三窄带滤光片11，只能通过第四窄带滤光片23并通过第三偏振控制器24将脉冲光传输至第六光纤耦合器25；第六光纤耦合器25将脉冲光分别从b、c端口输出；第二单路光电探测器30检测到对应调制脉冲光，将光信号转换为电信号输入第二信号处理装置31；第二信号处理装置31通过对预警光脉冲串下降沿的计数来判断前方碰撞事故的发生位置并通过第二报警指示牌33显示事故位置。

本发明的用于高速公路护栏碰撞的光纤传感预警系统是将宽带光源发出的1520-1560nm连续激光经调制后分为三路，两路光经不同波长窄带滤光片，使波长范围不同的三路光混合注入光路，探测光经过第三光纤耦合器等比例分为两路连接布设在左右护栏内的四芯光纤，分别监测左右护栏内的碰撞情况。当护栏受到碰撞，光路将碰撞后的振动信息送入计算机，进行互相关时延运算，换算出碰撞位置距信号指示牌的距离，根据碰撞情况发出指令，通过信号处理装置控制声光调制器与光开关，输出带有位置信息的预警光脉冲串。通过信号传输光纤传输到对应护栏的光电探测器，完成光电转换后信号处理装置通过预警光脉冲串下降沿的计数来判断前方碰撞事故的发生位置并通过报警指示牌显示事故位置。本发明通过构造双马赫泽德干涉结构计算两路干涉信号的之间的时间延迟实现对振动信号的定位，通过光开关、宽带光源与窄带滤光片组合实现左右护栏预警，通过控制声光调制器对连续光进行调制来生成含有位置信息的预警光脉冲串，最终通过报警指示牌显示碰撞事故位置。

关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种用于高速公路护栏碰撞的光纤传感预警系统，包括宽带光源、调制模块、混合模块、第一振动监测模块、第二振动监测模块、分析处理模块，其特征在于：所述宽带光源发出的连续光经过调制模块调制后分为三路输入混合模块，混合模块将其中的两路光经过不同波长的窄带滤光片后与剩余的一路光混合后输出探测光，探测光等比例分为两路分别输入第一振动监测模块的输入端、第二振动监测模块的输入端，其中第一振动监测模块、第二振动监测模块分别通过构造双马赫泽德干涉结构计算两路干涉信号的之间的时间延迟实现对振动信号的定位，实现对高速公路两侧的护栏内的碰撞情况进行振动监测，并通过分别设置的报警指示牌进行显示；

当护栏受到碰撞时，第一振动监测模块、第二振动监测模块将碰撞后的振动信息发送至分析处理模块，进行互相关时延运算，计算出碰撞位置距信号指示牌的距离，分析处理模块根据碰撞情况发出指令，通过控制调制模块，输出带有位置信息的预警光脉冲串；

通过预警光脉冲串下降沿的计数来判断前方碰撞事故的发生位置并通过报警指示牌显示事故位置；

所述第一振动监测模块包括第三窄带滤光片（11）、第二偏振控制器（12）、第一始端处理盒（16）、第一尾端处理盒（20）、第一报警指示牌（21）、第一双路光电探测器（22）、第一四芯光纤（38），其中所述第一始端处理盒（16）由第四光纤耦合器（13）、第一光纤多路耦合器（14）、第一环形器（15）组成；所述第一尾端处理盒（20）由第五光纤耦合器（17）、第一单路光电探测器（18）、第一信号处理装置（19）组成；

所述第二振动监测模块包括第四窄带滤光片（23）、第三偏振控制器（24）、第二始端处理盒（28）、第二尾端处理盒（32）、第二报警指示牌（33）、第二双路光电探测器（34）、第二四芯光纤（39），其中所述第二始端处理盒（28）由第六光纤耦合器（25）、第二光纤多路耦合器（26）、第二环形器（27）组成；所述第二尾端处理盒（32）由第七光纤耦合器（29）、第二单路光电探测器（30）、第二信号处理装置（31）组成；

所述第一四芯光纤（38）和第二四芯光纤（39）均由传输光纤a、传感光纤b、参考光纤c、导引光纤d组成；

高速公路两侧护栏上分别布设第一四芯光纤（38）和第二四芯光纤（39），第一四芯光纤（38）首端与第一始端处理盒（16）连接，尾端与第一尾端处理盒（20）连接，第一尾端处理盒（20）连接到第一报警指示牌（21）；第二四芯光纤（39）首端与第二始端处理盒（28）连接，尾端与第二尾端处理盒（32）连接，第二尾端处理盒（32）连接到第二报警指示牌（33）；

所述第三窄带滤光片（11）的输入端连接混合模块的一个输出端，所述第三窄带滤光片（11）的输出端连接第二偏振控制器（12）的输入端；

所述第二偏振控制器（12）的输出端连接到第四光纤耦合器（13）的a输入端；所述第四光纤耦合器（13）的c输出端连接到第一光纤多路耦合器（14）的a输入端；

为了感知振动信号，将第一光纤多路耦合器（14）的b、c、d三个端口输出的探测光构造为两路马赫泽德干涉光路：

第一路干涉光路为：所述第一光纤多路耦合器（14）的b、c端口输出的两路探测光分别经第一四芯光纤（38）的传感光纤b、参考光纤c连接到第五光纤耦合器（17）的c、b端口，进而在第五光纤耦合器17处发生干涉，干涉返回光从第五光纤耦合器（17）的a端口输出经第一四芯光纤（38）的导引光纤d连接到第一环形器（15）的b端口，所的第一环形器（15）将干涉返回光沿环形器方向从c端口输出连接到第一双路光电探测器（22）的c输入端；

第二路干涉光路为：所述第一光纤多路耦合器（14）的d端口输出的探测光经第一环形器（15）后通过第一四芯光纤（38）的导引光纤d连接到第五光纤耦合器（17）的a端口，所述第五光纤耦合器（17）将 a端口输入的探测光分为两部分，分别从c、b端口输出，经第一四芯光纤（38）的传感光纤b、参考光纤c连接到第一光纤多路耦合器（14）的b、c端口，进而在第一光纤多路耦合器（14）处发生干涉，干涉返回光从第一光纤多路耦合器（14）的e端口输出连接到第一双路光电探测器（22）的b端口；

所述第四光纤耦合器（13）的b输出端经第一四芯光纤（38）的传输光纤a连接到第一单路光电探测器（18）后将输入连续光信号转换为电信号接入第一信号处理装置（19），第一信号处理装置（19）连接第一报警指示牌（21）来控制报警指示牌显示；

所述第四窄带滤光片（23）的输入端连接混合模块的另一个输出端，所述第四窄带滤光片（23）的输出端连接第三偏振控制器（24）的输入端；

所述第三偏振控制器（24）的输出端连接到第六光纤耦合器（25）的a输入端；所述第六光纤耦合器（25）的b输出端连接到第二光纤多路耦合器（26）的e输入端；

为了感知振动信号，将第二光纤多路耦合器（26）的b、c、d三个端口输出的探测光构造为两路马赫泽德干涉光路；

第一路干涉光路为：所述第二光纤多路耦合器（26）的c、d端口输出的两路探测光分别经第二四芯光纤（39）的参考光纤c、传感光纤b连接到第七光纤耦合器（29）的c、b端口，进而在第七光纤耦合器（29）处发生干涉，干涉返回光从第七光纤耦合器（29）的a端口输出经第二四芯光纤（39）的导引光纤d连接到第二环形器（27）的c端口，所述第二环形器（27）将干涉返回光沿环形器方向从b端口输出连接到第二双路光电探测器（34）的b输入端；

第二路干涉光路为：所述第二光纤多路耦合器（26）的b端口输出的探测光经第二环形器（27）后通过第二四芯光纤（39）的导引光纤d连接到第七光纤耦合器（29）的a端口，所述第七光纤耦合器（29）将a端口输入的探测光分为两部分，分别从b、c端口输出，经第二四芯光纤（39）的传感光纤b、参考光纤c连接到第二光纤多路耦合器（26）的d、c端口，进而在第二光纤多路耦合器（26）处发生干涉，干涉返回光从第二光纤多路耦合器（26）的a端口输出连接到第二双路光电探测器（34）的c端口；

所述第六光纤耦合器（25）的c输出端经第二四芯光纤（39）的传输光纤a连接到第二单路光电探测器（30）后将输入连续光信号转换为电信号接入第二信号处理装置（31）；

所述第二信号处理装置（31）连接第二报警指示牌（33）来控制报警指示牌显示。

2.根据权利要求1所述的一种用于高速公路护栏碰撞的光纤传感预警系统，其特征在于：所述调制模块包括隔离器（2）、第一偏振控制器（3）、声光调制器（4）、光开关（5），所述宽带光源（1）的输出端连接到隔离器（2）的输入端，使光源单方向通过；

所述隔离器（2）的输出端连接到第一偏振控制器（3）输入端；

所述第一偏振控制器（3）的输出端连接到声光调制器（4）的a输入端，对激光进行调制；所述声光调制器（4）的b输出端连接光开关（5）的a输入端；

所述光开关（5）的三个输出端分别输出三路光输入至混合模块。

3.根据权利要求2所述的一种用于高速公路护栏碰撞的光纤传感预警系统，其特征在于：所述混合模块包括第一窄带滤光片（6）、第二窄带滤光片（7）、第一光纤耦合器（8）、第二光纤耦合器（9）、第三光纤耦合器（10），所述第一窄带滤光片（6）的输入端连接光开关（5）的d输出端，所述第一窄带滤光片（6）的输出端连接第一光纤耦合器（8）的b输入端；

所述第二窄带滤光片（7）的输入端连接光开关（5）的c输出端，第二窄带滤光片（7）的输出端连接第一光纤耦合器（8）的c输入端；

所述第二光纤耦合器（9）的c输入端连接光开关（5）的b输出端，所述第二光纤耦合器（9）的b输入端连接第一光纤耦合器（8）的a输出端；

所述第二光纤耦合器（9）的a输出端连接到第三光纤耦合器（10）的a输入端，所述第三光纤耦合器（10）的b输出端连接第三窄带滤光片（11）的输入端；

所述第三光纤耦合器（10）的c输出端连接第四窄带滤光片（23）的输入端。

4.根据权利要求1所述的一种用于高速公路护栏碰撞的光纤传感预警系统，其特征在于：所述分析处理模块包括数据采集卡（35）、计算机（36）、第三信号处理装置（37），所述第一双路光电探测器（22）将由c、b输入端进入的光信号转换为电信号由a输出端传输至数据采集卡（35）的b输入端；

所述第二双路光电探测器（34）将由c、b输入端进入的光信号转换为电信号由a输出端连接至数据采集卡（35）的a输入端；

所述数据采集卡（35）的c输出端连接计算机（36）的输入端进行显示，所述计算机（36）的输出端连接第三信号处理装置（37）的b输入端；所述第三信号处理装置（37）的a输出端和c输出端分别连接光开关（5）的e控制端和声光调制器（4）的c控制端。

5.根据权利要求1所述的一种用于高速公路护栏碰撞的光纤传感预警系统，其特征在于：

所述第一窄带滤光片（6）与第三窄带滤光片（11）所通过的光波长范围相同，能够使设定波长范围的窄带光通过，滤除其他不用范围波长的光。

6.根据权利要求1所述的一种用于高速公路护栏碰撞的光纤传感预警系统，其特征在于：

所述第二窄带滤光片（7）与第四窄带滤光片（23）所通过的光波长范围相同，能够使设定波长范围的窄带光通过，滤除其他不用范围波长的光。

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