CN113776644B - 基于马赫-曾德尔干涉仪的光纤围栏入侵信号模拟设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于马赫‑曾德尔干涉仪的光纤围栏入侵信号模拟设备，其特征在于，包括依次连接的窄线宽激光器、基于1×2光纤耦合器和3×3光纤耦合器的马赫‑曾德尔光纤干涉仪、第一波分复用器WDM‑1、第二波分复用器WDM‑2、缠绕光纤的压电陶瓷PZT和设有第一光电探测器PD1及第二光电探测器PD2解调电路板。这种装置采用光纤干涉仪检测和解调传感光缆上的入侵行为振动信号并采用PZT模拟输出该振动信号，能实现分布式光纤振动传感器模式识别训练更好的数据源覆盖性。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术，尤其涉及用于分布式光纤振动传感器入侵信号模式识别训练的辅助设备，具体是一种基于马赫-曾德尔干涉仪的光纤围栏入侵信号模拟设备。
背景技术
分布式光纤振动传感器设备可用于光纤围栏、光缆物理安全监控等领域，可极大降低安全巡查的难度。光纤围栏设备最受关注的性能主要集中在预警监测的虚警率，目前普遍采用场景模式识别技术降低周界安防设备的虚警率。模式识别软件的性能提升和验证方法一般是通过外场采集入侵信号和环境噪声信号进行现场验证，或对存储的采集信号进行模式识别训练；采用外场模式识别训练的方式在时间上往往难以长期保障，采用存储的采集信号进行模式识别训练的方式又存在信息量有限、模式识别训练覆盖性不好的问题，使得光纤围栏模式识别训练条件得不到有效保障。
发明内容
本发明的目的是针对光纤围栏现有模式识别训练条件保障技术的不足，而提供一种基于马赫-曾德尔干涉仪的光纤围栏入侵信号模拟设备。这种设备能实现将外场传感光缆上的入侵信号保真复制，接入待测传感光缆的任意位置模拟输出入侵信号用于模式识别训练。
实现本发明目的的技术方案是：
一种基于马赫-曾德尔干涉仪的光纤围栏入侵信号模拟设备，包括依次连接的窄线宽激光器、基于1×2光纤耦合器和3×3光纤耦合器的马赫-曾德尔光纤干涉仪、第一波分复用器WDM-1、第二波分复用器WDM-2、缠绕光纤的压电陶瓷PZT和设有第一光电探测器PD1及第二光电探测器PD2的解调电路板，其中，窄线宽激光器输出高相干的激光，高相干的窄线宽激光接入1×2光纤耦合器的1端口并分成两束激光，两束激光分别由1×2光纤耦合器的2、3端口输出，1×2光纤耦合器的2端口连接第一波分复用器WDM-1的透射端口，第一波分复用器WDM-1的反射端与第一光接口X1连接，第一波分复用器WDM-1的公共端与第二光接口X2连接，第二光接口X2通过外置传感光缆或光纤跳线连接第三光接口X3，第三光接口X3与缠绕光纤的压电陶瓷PZT的光输入端连接，缠绕光纤的压电陶瓷PZT的光输出端与第二波分复用器WDM-2的公共端连接，第二波分复用器WDM-2的反射端连接第四光接口X4，第二波分复用器WDM-2的透射端与3×3光纤耦合器的1端口连接，1×2光纤耦合器的3端口连接3×3光纤耦合器的2端口作为马赫-曾德尔的参考臂，3×3光纤耦合器的4、5端口分别与解调板上的第一光电探测器PD1、第二光电探测器PD2连接，第一光电探测器PD1、第二光电探测器PD2均与与缠绕光纤的压电陶瓷PZT的第二光输入端连接，由3×3光纤耦合器的4、5端口输出相干激光信号分别进入解调板上的第一光电探测器PD1、第二光电探测器PD2，设有第一光电探测器PD1、第二光电探测器PD2的解调电路板输出电压信号端与缠绕光纤的压电陶瓷PZT的电接口连接。
所述窄线宽激光器的工作波长与第一光接口X1或第四光接口X4外接的光纤振动传感器内置激光器的工作波长至少相差0.8nm、频率间隔在100GHz以上。
所述第一波分复用器WDM-1和第二波分复用器WDM-2均设有公共端、透射端、反射端三个光纤端口，其中第一波分复用器WDM-1和第二波分复用器WDM-2的透射端的工作带宽覆盖窄线宽激光器的工作波长、反射端的工作带宽覆盖分别通过第一光接口X1、第四光接口X4外接分布式光纤振动传感器的工作波长；或第一波分复用器WDM-1和第二波分复用器WDM-2的反射端的工作带宽覆盖窄线宽激光器的工作波长、透射端的工作带宽覆盖分别通过第一光接口X1、第四光接口X4外接分布式光纤振动传感器的工作波长，此时1×2光纤耦合器的2端口连接第一波分复用器WDM-1的反射端口，第一波分复用器WDM-1的透射端与第一光接口X1连接，第二波分复用器WDM-2的透射端连接第四光接口X4，第二波分复用器WDM-2的反射端与3×3光纤耦合器的1端口连接。
所述3×3光纤耦合器的两侧端分别设有1、2、3端口和4、5、6端口，其中，1、2、3端口可互换且都位于3×3光纤耦合器的同一侧， 4、5、6端口也可互换且都位于3×3光纤耦合器的另一侧。
本技术方案光纤围栏入侵信号模拟设备提供4个光接口X1、X2、X3、X4，其中光接口X2、光接口X3用于接入传感光缆进行光纤围栏入侵信号复制或接入光纤跳线直通光纤传感信号，光接口X1、光接口X4用于将光纤围栏入侵信号模拟设备接入光纤围栏待测光链路中进行光纤围栏入侵信号模拟输出以进行模式识别训练。
上述设备有两个工作模式，分别为入侵信号复制模式和入侵信号模拟输出模式，其中，入侵信号复制工作模式的工作过程为：
第一步：将待测传感光缆两端分别接入第二光接口X2和第三光接口X3，设备设置为入侵信号复制工作模式；
第二步：人为复现传感光缆的入侵行为，采用攀爬光纤围栏/围墙、踩踏光缆入侵防护区域、在待测埋地光缆附近进行机械施工，解调板实时记录和保存相位解调后的传感光缆入侵行为振动信号的幅度、波形、持续时间信息；
第三步：拆除待测传感光缆，采用光纤跳线连接第二光接口X2和第三光接口X3，解调板驱动缠绕光纤的压电陶瓷PZT通过多次校准实现输出与入侵行为振动信号幅度、波形、持续时间一致的机械波，保存该波形输出设置并编号和附加说明；
入侵信号模拟输出模式的工作过程为：
第一步：采用光纤跳线连接第二光接口X2和第三光接口X3，将第一光接口X1、第四光接口X4串联接入分布式光纤振动传感器模式识别训练光缆中间的任意一点；
第二步：调用所需入侵行为对应的设置，输出入侵行为模拟信号，开展分布式光纤振动传感器模式识别训练；
第三步：更换调用所需入侵行为对应的设置，或更换光纤振动传感入侵信号复制及模拟设备在模式识别训练光缆的位置，继续开展分布式光纤振动传感器模式识别训练。
所述PZT由解调电路板控制，用于模拟输出马赫-曾德尔干涉仪检测到的光纤围栏入侵信号，包括入侵信号的波形、振幅、持续时间信息的模拟。
与现有技术相比，本技术方案采用窄线宽激光器作为光源、光纤干涉仪进行入侵信号的振动波形及幅度测量、压电陶瓷模拟输出入侵信号的振动波形和幅度，能实现将外场传感光缆上的入侵信号保真复制、接入待测传感光缆的任意位置模拟输出入侵信号用于模式识别训练，解决了外场模式识别训练难以长期保障、采用固定数据库进行模式识别训练的方式又存在信息量有限、模式识别训练覆盖性不好的问题，改善了分布式光纤振动传感模式识别训练保障条件。
这种设备能实现将外场传感光缆上的入侵信号保真复制，接入待测传感光缆的任意位置模拟输出入侵信号用于模式识别训练。
附图说明
图1为实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：
参照图1，一种基于马赫-曾德尔干涉仪的光纤围栏入侵信号模拟设备，包括依次连接的窄线宽激光器、基于1×2光纤耦合器和3×3光纤耦合器的马赫-曾德尔光纤干涉仪、第一波分复用器WDM-1、第二波分复用器WDM-2、缠绕光纤的压电陶瓷PZT和设有第一光电探测器PD1及第二光电探测器PD2的解调电路板，其中，窄线宽激光器输出高相干的激光，高相干的窄线宽激光接入1×2光纤耦合器的1端口并分成两束激光，两束激光分别由1×2光纤耦合器的2、3端口输出，1×2光纤耦合器的2端口连接第一波分复用器WDM-1的透射端口，第一波分复用器WDM-1的反射端与第一光接口X1连接，第一波分复用器WDM-1的公共端与第二光接口X2连接，第二光接口X2通过外置传感光缆或光纤跳线连接第三光接口X3，第三光接口X3与缠绕光纤的压电陶瓷PZT的光输入端连接，缠绕光纤的压电陶瓷PZT的光输出端与第二波分复用器WDM-2的公共端连接，第二波分复用器WDM-2的反射端连接第四光接口X4，第二波分复用器WDM-2的透射端与3×3光纤耦合器的1端口连接，1×2光纤耦合器的3端口连接3×3光纤耦合器的2端口作为马赫曾德尔的参考臂，3×3光纤耦合器的4、5端口分别与解调板上的第一光电探测器PD1、第二光电探测器PD2连接，由3×3光纤耦合器的4、5端口输出相干激光信号分别进入解调电路板上的第一光电探测器PD1、第二光电探测器PD2，经解调电路板输出电压控制信号到缠绕光纤的压电陶瓷PZT。
本例中窄线宽激光器的工作波长与第一光接口X1或第四光接口X4外接的光纤振动传感器内置激光器的工作波长至少相差0.8nm、频率间隔在100GHz以上。
本例中第一波分复用器WDM-1和第二波分复用器WDM-2均设有公共端、透射端、反射端三个光纤端口，其中第一波分复用器WDM-1和第二波分复用器WDM-2的透射端的工作带宽覆盖窄线宽激光器的工作波长、反射端的工作带宽覆盖分别通过第一光接口X1、第四光接口X4外接分布式光纤振动传感器的工作波长。
本例中3×3光纤耦合器的两侧端分别设有1、2、3端口和4、5、6端口，其中，1、2、3端口可互换且都位于3×3光纤耦合器的同一侧， 4、5、6端口也可互换且都位于3×3光纤耦合器的另一侧。
本例中设备有两个工作模式，分别为入侵信号复制模式和入侵信号模拟输出模式，其中，入侵信号复制工作模式的工作过程为：
第一步：将待测传感光缆两端分别接入第二光接口X2和第三光接口X3，设备设置为入侵信号复制工作模式；
第二步：人为复现传感光缆的入侵行为，采用攀爬光纤围栏/围墙、踩踏光缆入侵防护区域、在待测埋地光缆附近进行机械施工等，解调板实时记录和保存相位解调后的传感光缆入侵行为振动信号的幅度、波形、持续时间信息；
第三步：拆除待测传感光缆，采用光纤跳线连接第二光接口X2和第三光接口X3，解调板驱动缠绕光纤的压电陶瓷PZT通过多次校准实现输出与入侵行为振动信号幅度、波形、持续时间一致的机械波，保存该波形输出设置并编号和附加说明；
入侵信号模拟输出模式的工作过程为：
第一步：采用光纤跳线连接第二光接口2和第三光接口3，将第一光接口1、第四光接口4串联接入分布式光纤振动传感器模式识别训练光缆中间的任意一点；
第二步：调用所需入侵行为对应的设置，输出入侵行为模拟信号，开展分布式光纤振动传感器模式识别训练；
第三步：更换调用所需入侵行为对应的设置，或更换光纤振动传感入侵信号复制及模拟设备在模式识别训练光缆的位置，继续开展分布式光纤振动传感器模式识别训练。
本例中PZT由解调电路板控制，用于模拟输出马赫-曾德尔干涉仪检测到的光纤围栏入侵信号，包括入侵信号的波形、振幅、持续时间信息的模拟。
Claims (6)
1.一种基于马赫-曾德尔干涉仪的光纤围栏入侵信号模拟设备，其特征在于，包括依次连接的窄线宽激光器、基于1×2光纤耦合器和3×3光纤耦合器的马赫-曾德尔光纤干涉仪、第一波分复用器WDM-1、第二波分复用器WDM-2、缠绕光纤的压电陶瓷PZT和设有第一光电探测器PD1及第二光电探测器PD2的解调电路板，其中，1×2光纤耦合器的2端口连接第一波分复用器WDM-1的透射端口，第一波分复用器WDM-1的反射端与第一光接口X1连接， 第一波分复用器WDM-1的公共端与第二光接口X2连接，第二光接口X2通过外置传感光缆或光纤跳线连接第三光接口X3， 第三光接口X3与缠绕光纤的压电陶瓷PZT的光输入端连接，缠绕光纤的压电陶瓷PZT的光输出端与第二波分复用器WDM-2的公共端连接，第二波分复用器WDM-2的反射端连接第四光接口X4，第二波分复用器WDM-2的透射端与3×3光纤耦合器的1端口连接，1×2光纤耦合器的3端口连接3×3光纤耦合器的2端口作为马赫-曾德尔的参考臂，3×3光纤耦合器的4、5端口分别与解调板上的第一光电探测器PD1、第二光电探测器PD2连接，设有第一光电探测器PD1、第二光电探测器PD2的解调电路板输出电压信号端与缠绕光纤的压电陶瓷PZT的电接口连接。
2.根据权利要求1所述的基于马赫-曾德尔干涉仪的光纤围栏入侵信号模拟设备，其特征在于，所述窄线宽激光器的工作波长与第一光接口X1或第四光接口X4外接的光纤振动传感器内置激光器的工作波长至少相差0.8nm、频率间隔在100GHz以上。
3.根据权利要求1所述的基于马赫-曾德尔干涉仪的光纤围栏入侵信号模拟设备，其特征在于，所述第一波分复用器WDM-1和第二波分复用器WDM-2均设有公共端、透射端、反射端三个光纤端口，其中第一波分复用器WDM-1和第二波分复用器WDM-2的透射端的工作带宽覆盖窄线宽激光器的工作波长、反射端的工作带宽覆盖分别通过第一光接口X1、第四光接口X4外接分布式光纤振动传感器的工作波长；或第一波分复用器WDM-1和第二波分复用器WDM-2的反射端的工作带宽覆盖窄线宽激光器的工作波长、透射端的工作带宽覆盖分别通过第一光接口X1、第四光接口X4外接分布式光纤振动传感器的工作波长，此时1×2光纤耦合器的2端口连接第一波分复用器WDM-1的反射端口，第一波分复用器WDM-1的透射端与第一光接口X1连接，第二波分复用器WDM-2的透射端连接第四光接口X4，第二波分复用器WDM-2的反射端与3×3光纤耦合器的1端口连接。
4. 根据权利要求1所述的基于马赫-曾德尔干涉仪的光纤围栏入侵信号模拟设备，其特征在于，所述3×3光纤耦合器的两侧端分别设有1、2、3端口和4、5、6端口，其中，1、2、3端口可互换且都位于3×3光纤耦合器的同一侧， 4、5、6端口也可互换且都位于3×3光纤耦合器的另一侧。
5.基于马赫-曾德尔干涉仪的光纤围栏入侵信号模拟设备的使用方法，包括权利要求1-4任意一项所述的基于马赫-曾德尔干涉仪的光纤围栏入侵信号模拟设备，
其特征在于，所述设备有两个工作模式，分别为入侵信号复制模式和入侵信号模拟输出模式，其中，入侵信号复制工作模式的工作过程为：
第一步：将待测传感光缆两端分别接入第二光接口X2和第三光接口X3，设备设置为入侵信号复制工作模式；
第二步：人为复现传感光缆的入侵行为，采用攀爬光纤围栏/围墙、踩踏光缆入侵防护区域、在待测埋地光缆附近进行机械施工，解调板实时记录和保存相位解调后的传感光缆入侵行为振动信号的幅度、波形、持续时间信息；
第三步：拆除待测传感光缆，采用光纤跳线连接第二光接口X2和第三光接口X3，解调板驱动缠绕光纤的压电陶瓷PZT通过多次校准实现输出与入侵行为振动信号幅度、波形、持续时间一致的机械波，保存该波形输出设置并编号和附加说明；
入侵信号模拟输出模式的工作过程为：
第一步：采用光纤跳线连接第二光接口X2和第三光接口X3，将第一光接口X1、第四光接口X4串联接入分布式光纤振动传感器模式识别训练光缆中间的任意一点；
第二步：调用所需入侵行为对应的设置，输出入侵行为模拟信号，开展分布式光纤振动传感器模式识别训练；
第三步：更换调用所需入侵行为对应的设置，或更换光纤振动传感入侵信号复制及模拟设备在模式识别训练光缆的位置，继续开展分布式光纤振动传感器模式识别训练。
6.根据权利要求5所述的基于马赫-曾德尔干涉仪的光纤围栏入侵信号模拟设备的使用方法，其特征在于，所述PZT由解调电路板控制，用于模拟输出马赫-曾德尔干涉仪检测到的光纤围栏入侵信号，包括入侵信号的波形、振幅、持续时间信息的模拟。
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