CN113916352A - 一种便携式光纤振动及声波探测报警设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种便携式的光纤振动及声波探测报警设备，包括：外部箱体以及内部的电池及电源管理模块，激光及光处理模块，数据采集处理模块和人机交互界面模块。本发明具有以下优点：(1)采用FPGA结构的数据采集处理模块取代了采集卡+PC机，同时将激光及光处理模块和数据采集处理模块集成于一体，减小设备的空间占用率，增强其便携性能；(2)采用减振器对设备进行振动隔离，提高了器件的探测精度和可靠性；(3)使用FPGA作为主控芯片来控制高速A/D转换芯片对信号高速转换采集，同时对信号进行缓存、滤波处理，并利用USB或以太网进行高速的数据传输，提升处理速度和处理量。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤振动及声波探测的设备，具体地说，涉及一种便携式的光纤振动及声波探测报警设备。
背景技术
随着光通信技术的发展，光纤传感技术的应用领域越来越广泛。与传统的传感通信技术相比，光纤传感技术具有定位准、精度高、数据处理简单、抗电磁干扰、耐腐蚀等特点。其中，基于相位敏感光时域反射（φ-OTDR）技术的光纤传感不仅具有分布式光纤传感的特征，还具有灵敏度高和响应速度快两个明显的优点，该技术通过探测传感光纤中后向瑞利散射光的相位等变化，来感知实现对外界干扰信号的定位与报警。近年来，基于相位敏感光时域反射（φ-OTDR）技术的分布式光纤传感探测技术被广泛的应用于长距离线缆、油气管道的监测预警和周界安防监测等。
分布式光纤探测报警系统作为新型的周界边防入侵检测系统，能够及时准确的感应和定位外界入侵振动信号，进行实时监测。但是，现有的传统分布式光纤探测报警系统大多是基于PC机+PCI数据采集卡实现的，设备体积较大且功耗高，一般安装在机房机柜中，环境适应性差，设备便携性低。
发明内容
本发明提供一种可克服现有传统技术的不足，检测光纤振动或声波对干扰位置信号的影响使其相位发生变化，并进行定位报警的一种便携式光纤振动及声波探测报警设备。
为了实现上述目的，本发明公开一种便携式光纤振动及声波探测报警设备,包括：外部箱体以及箱体内部的电池及电源管理模块，激光及光处理模块，数据采集处理模块和人机交互界面模块。本发明的设备中：所述电池及电源管理模块包括用于对其它各功能模块提供正常工作电源电压的电池管理系统和电压变换电路，所述激光及光处理模块包括窄线宽激光器、光耦合器、声光调制器、光纤放大器、平衡光电探测器和光环形器；所述光耦合器产生的探测光被声光调制器调制形成线性扫频光脉冲,经过光纤放大器放大后通过环形器进入待测光纤，用于振动或声波信号的探测；探测光在待测传感光纤中传输而产生的后向瑞利散射光经环形器输出与本征光发生拍频，由平衡光电探测器转换成光电信号来实现信号的调制；所述数据采集处理模块包括高速A/D转换器、逻辑门阵列芯片、调制器驱动、数据传输接口；所述调制器驱动使用逻辑门阵列芯片提供的控制信号来驱动经声光调制器调制而成为“携带”信息的调制波；所述平衡光电探测器转换成光电信号通过高速A/D转换器转换成电信号后经逻辑门阵列芯片进行数据采集处理转换，同时对转换后的数据进行高速采集缓存，并对缓存的数据进行预处理。然后读取预处理后的缓存数据，进行算法处理在时域或频域对信号进行特征量的提取分析，识别振动或声波信号并根据传感光纤的位置进行定位。本发明的窄线宽激光器生成连续的窄线宽激光并输出至光耦合器；由光耦合器将窄线宽激光分为探测光和本征光，其中探测光被所述声光调制器调制成窄线宽脉冲激光并输出至掺铒光纤放大器；所述掺铒光纤放大器对窄线宽激光进行功率放大并输出光信号，使其沿光环形器进入待测传感光纤中；所述平衡光电探测器进行信号调节；所述传感光纤用于对敷设环境中入侵，泄漏或破坏等信号进行感知探测并报警。进一步地，本发明所述耦合器产生的探测光在待测传感光纤中传输而产生的后向瑞利散射光与本征光发生拍频，然后由平衡探测器转换成光电信号。所述平衡探测器具有高增益、高灵敏度、高带宽、低噪声等优点，能有效地降低信号的噪声，提高信噪比。进一步地，所述声光调制器利用声光效应将信息加载于探测光波上，使探测光波受到调制而成为“携带”信息的调制波。将激光器发射出的激光调制成具有一定脉冲宽度和频率的光脉冲。所述声光调制器具有体积小、功耗低、上升时间快、调制脉冲过冲小、重复周期抖动小等优点。
优选地，本发明的便携式光纤振动及声波探测报警设备,其特征在于激光及光处理模块和数据采集处理模块集成于一体，且采用USB接口或以太网接口进行数据传输。
优选地，本发明的便携式光纤振动及声波探测报警设备中所述的逻辑门阵列芯片为现场可编程逻辑门阵列芯片FPGA。FPGA中的硬件与软件具有并行性，且具备开发周期短，集成度高，体积小，功耗低，高速等优点，通过FPGA芯片实现本设备中数据的采集、存储、处理、传输等功能。
优选地，本发明的便携式光纤振动及声波探测报警设备,其特征在于所述激光及光处理模块中接入反向泵浦结构的拉曼光纤放大器。本发明中激光及光处理模块中接入拉曼光纤放大器。所述拉曼光纤放大器采用反向泵浦结构，在本发明的实施例中输出500mW的拉曼泵浦光，实现长距离高速通信的场合的应用，提高光线路的传输光功率。
优选地，本发明的便携式光纤振动及声波探测报警设备,其电池及电源管理模块由保护电路、电池组和充电电路构成，并采用安全阀和热敏电阻设计对电池进行保护。通过锂电池组进行各模块的供电，无需外接电源，实现其便携使用。
优选地，本发明的便携式光纤振动及声波探测报警设备,其特征在于所用的光电探测器采用PIN光电二极管，因为PIN光电二极管具有体积小、响应速度快、噪声特性好、 供电电压低、输出功率稳定、响应带宽适中的优点。
更优选地，本发明的便携式光纤振动及声波探测报警设备整个设备设置于用抗辐射耐强力冲击的密封材构成的防护等级IP68的箱体，箱体内部配有海绵增强防护层，箱体的把手为包胶结构，因此本发明在运动状态下可避免因振动对设备的影响，且更于携行；由于在箱体中设置触摸屏，在箱盖处设置有键盘，更便于设备的使用和收纳。
本发明的设备数据采集处理模块用于实现传感信号的采集处理及传输，包括高速A/D转换器、现场可编程逻辑门阵列(FPGA)芯片、调制器驱动、数据传输接口。其中，所述平衡光电探测器作为所述激光及光处理模块和数据采集处理模块的纽带，将光信号转换为电信号；所述调制器驱动使用FPGA提供的控制信号来驱动所述激光及光处理模块中的声光调制器；所述高速A/D转换器用来将光电探测器输出的模拟电信号转换为数字信号传输至FPGA完成数字信号的采集处理；所述数据传输接口用于将采集处理后的数据传输至所述人机交换界面模块进行显示监测。
本发明中的触摸屏及键盘等构成的人机交互界面模块用于实现人机交互并对振动入侵，泄漏或破坏等信号实时监测，包括指示灯、触摸屏、光纤电源接口及键盘等。其中，所述人机交互界面模块与数据采集处理模块通过数据传输接口连接，所述数据传输接口包括：USB接口，以太网接口等。所述指示灯用于指示本发明设备的各种不同情形时的状态，从上至下分别用来指示电源、报警提醒、电池充电状态；所述触摸屏采用内部自带开关稳压电路的，用于显示分析界面，实时监测外界状况；所述光纤接口用于连接外界敷设的传感光缆来探测振动入侵，泄漏或破坏等信号。
本发明相对于现有技术，具有以下优点：(1)采用FPGA结构的数据采集处理模块取代了采集卡+PC机，同时将激光及光处理模块和数据采集处理模块集成于一体，减小设备的空间占用率，增强其便携性能；(2)采用减振器对设备进行振动隔离，同时加强内部各模块的固定，避免影响光器件的探测精度和设备的光电性能及可靠性；(3)使用FPGA作为主控芯片来控制高速A/D转换芯片对信号高速转换采集，同时对信号进行缓存、滤波处理，并利用USB或以太网进行高速的数据传输，提升处理速度和处理量。
附图说明
图1为便携式光纤振动探测报警系统设备外部示意图。
图2为人机交互界面模块示意图。
图3为电池及电源管理模块结构图。
图4为激光及光处理模块结构图。
图5为数据采集处理模块结构图。
图中：1为装置的箱体，2为箱体的底面，3为箱体设置功能模块的部分，4为箱盖，5为触摸显示屏，6为指示信号灯，7为光纤接口，8为电源插口，7为设置于箱盖内的键盘。
具体实施方式
附图给出本发明的一个实施例，以下结合实施例对本发明设备的特征更详细的解说。
附图给出的本发明实施例设备中包括：外部的箱体1和内部的功能模块构成，其中：
外部的箱体1和箱盖4均为采用耐强力冲击的密封材制成的防护等级IP68的箱体，在箱体1和箱盖4内部配有海绵增强防护层，箱体的把手为包胶结构，符合人体工学，在箱体中设置触摸屏5，并在箱盖4内设置有键盘9，当打开箱盖4即可使用键盘操作，参见附图1；
内部的功能模块，参见附图2至5，由：电池及电源管理模块，激光及光处理模块，数据采集处理模块和人机交互界面模块组成，其中：
电池及电源管理模块，参见附图3，包括用于对其它各功能模块提供正常工作电源电压的电压变换电路和由保护电路、锂电池组及充电电路构成的电池管理系统组成。电池及电源管理模块由保护电路、电池组和充电电路中采用安全阀和热敏电阻设计对电池进行保护。通过锂电池组进行各模块的供电，无需外接电源，实现其便携使用。本发明的充电器采用较为常见的直流12V电源适配器作为系统外部电源；
激光及光处理模块，参见附图4，包括窄线宽激光器、光耦合器、声光调制器、光纤放大器、平衡光电探测器和光环形器组成。所述光耦合器产生的探测光被声光调制器调制形成线性扫频光脉冲,经过光纤放大器放大后通过环形器2进入待测光纤，用于振动或声波信号的探测；探测光在待测传感光纤中传输而产生的后向瑞利散射光经环形器输出与本征光发生拍频，由平衡光电探测器转换成光电信号来实现信号的调制。激光及光处理模块中设计低功耗光路，选择体积较小的光器件。其中光源选用低功耗、尺寸小、集成度高的一体化光模块，其中激光器选波长为1550nm、高稳定性的窄线宽激光器作为信号光源；为使本发明设备能够检测到的微弱的背向瑞利散射信号，选择体积小响应快、噪声特性好、输出功率稳定的PIN光电二极管作为光探测器；
数据采集处理模块，参见附图5，包括高速A/D转换器、调制器驱动电路、现场可编程逻辑门阵列(FPGA)芯片、以及数据传输接口。FPGA集将数据采集、缓存和处理为一体对信号进行处理：通过利用FPGA来控制高速A/D转换器，将模拟电信号快速转换为数字信号进行高速采集。由于采集数据过程中速度非常快，单位时间内的数据量很大，为了减小数据处理模块的压力，对本发明设备采集的信号进行缓存以便数据处理模块调用。传感信号非常的微弱，外界及系统自身的噪声会对其产生干扰，因此对FPGA采集到的信号进行算法处理提取特征量，将入侵，泄漏或破坏等信号从噪声中提取出来，从而产生报警。
本发明通过以下技术方案来具体实施：
本发明的设备，基于FPGA其内部结构模块化集成，所述电池及电源管理模块为各模块提供正常工作的电压，所述激光及光处理模块中产生的探测光脉冲经过光环形器入射到传感光纤中，同时携带传感信息的后向瑞利散射信号从环形器输出被所述数据采集处理模块中光电探测器转换为电信号，经高速A/D转换为数字信号，最后经FPGA采集、处理等一系列操作后传输到所述人机交互界面模块进行显示。
本发明设备以FPGA作为主控器件，进行数据的采集缓存处理。步骤如下：
步骤1：利用FPGA对传感光纤中的后向瑞利散射信号进行实时高速采集。根据高速A/D芯片的相关参数及时序，用FPGA对A/D芯片进行时序逻辑控制，并对转换后的数据进行高速采集。在脉冲宽度及光电探测器响应时间一定的情况下，A/D转换芯片的采样速率直接决定了分布式光纤传感系统的空间分辨率，本发明选用高精度、高带宽、低功耗、高性能的A/D转换芯片。
步骤2：对经过A/D转换的数据高速采集后，对数据进行预处理。采用多次累加的方式进行去噪滤波，以减轻后续处理的压力。
步骤3：数据高速采集过程中单位时间内产生的数据量巨大，为保证数据的准确性与实时处理，对上述处理后的数据进行一定的缓存。本发明采用存储速度快、容量大、功耗低的SDRAM（同步动态随机存储器）进行数据缓存。
步骤4：利用FPGA对缓存的数据进行算法处理。读取缓存在SDRAM中的上述数据，在时域、频域等多个分析域对信号进行特征提取，并对其特征量（如：分布状态、背景噪声、边缘特性等）分析，选择合适的分类算法进行类型识别，判断干扰类型，从而识别出外界产生振动或声波信号的类型并通过传感光纤的位置定位振动或声波信号。
步骤5：选择高速数据传输接口进行数据传输，本发明选用以太网接口或USB 接口对数据采集处理模块处理后输出数据进行传输。千兆以太网通过UDP协议及MAC地址控制进行数据传输，其传输速率最高达256MB/s。USB接口通过其通信接口协议控制进行数据的传输，其数据传输稳定，最高可到480Mbps。
本发明工作时，窄线宽激光器生成连续的窄线宽激光并输出至光耦合器；由光耦合器将窄线宽激光分为探测光和本征光，其中探测光被所述声光调制器调制成窄线宽脉冲激光并输出至掺铒光纤放大器；所述掺铒光纤放大器对窄线宽激光进行功率放大并输出光信号，使其沿光环形器进入待测传感光纤中光耦合器产生的探测光被声光调制器调制形成线性扫频光脉冲,经过光纤放大器放大后通过环形器进入待测光纤，用于振动或声波信号的探测；探测光在待测传感光纤中传输而产生的后向瑞利散射光经环形器输出与本征光发生拍频，由平衡光电探测器转换成光电信号来实现信号的调制，经调制器驱动使用逻辑门阵列芯片提供的控制信号来驱动经声光调制器调制而成为“携带”信息的调制波，而平衡光电探测器转换成光电信号通过高速A/D转换器转换成电信号后经FPGA进行数据采集处理。传感光纤用于对敷设环境中入侵，泄漏或破坏等信号进行感知探测并报警。在激光及光处理模块中接入反向泵浦结构的拉曼光纤放大器,所述拉曼光纤放大器采用反向泵浦结构，输出500mW的拉曼泵浦光，以实现长距离高速通信的场合的应用，提高光线路的传输光功率。
本发明中激光及光处理模块和数据采集处理模块集成于一体，且采用USB接口或以太网接口进行数据传输。本发明的平衡探测器具有高增益、高灵敏度、高带宽、低噪声等优点，能有效地降低信号的噪声，提高信噪比。进一步地，所述声光调制器利用声光效应将信息加载于探测光波上，使探测光波受到调制而成为“携带”信息的调制波。将激光器发射出的激光调制成具有一定脉冲宽度和频率的光脉冲。所述声光调制器具有体积小、功耗低、上升时间快、调制脉冲过冲小、重复周期抖动小等优点。待测范围内环境的变化随机敷设传感光纤，本发明通过接口7实时接入光纤感应周围土壤中的振动或声波的实时信号，当监测区域内产生振动或声波时，所述人机交互界面中将会出现振动信号或声波信号，通过所述数据采集处理模块对振动信号或声波信号进行分析处理识别，将入侵，泄漏或破坏等信号位置传输至所述人机交互界面而产生报警。
在本发明的实施例中，本发明设备因其便携性及机动性，可由单人携带，随时随地随机地进行快速部署敷设光缆，通过观察光缆敷设范围内产生的振动信号或声波信号，实时监测入侵，泄漏或破坏等状况。同时，可以根据车辆等的行驶路线快速敷设光缆，并通过车辆的GPS实时路径定位生成GIS地图进行入侵，泄漏或破坏等状况的监测，有利于传输光缆的快速布线和转移。
在本发明的实施例中，除人机交互界面实时显示监测范围内的振动及声波信号，当产生入侵，泄漏或破坏等或破坏时及时报警，还可以通过GIS等进行准确定位并追踪入侵，泄漏或破坏等位置。本发明设备还可以配合客户端使用，将多个进行监测地区的设备与客户端通过物联网部署，使用以太网或无线路由器进行联网应用，客户端实时显示各设备端的监测信息，当接入的某一设备端产生报警时，客户端也会显示对应的报警信息及位置，方便监测观察与及时处理。
优选地，本发明设备对所述激光及光处理模块的减振措施有较高要求。由于光器件对振动比较敏感，在设备运输过程中，可能会由于路面的凹凸不平等引起振动或冲击，在某一频率下产生共振，使其超过设备所能承受的极限，影响光器件的探测精度和设备的光电性能及可靠性，甚至造成失效及破坏。为保证本发明设备在恶劣环境条件下能够正常工作，通过振动分析及减振设计，采用减振器进行振动隔离，且箱体内部垫有海绵；同时对所述激光及光处理模块进行加固，安装专用的安装件（底部增加减震胶垫和垫环），将光器件放入安装件凹槽内并固定在箱体上，以达到更好的减震效果。
所述数据采集处理模块选择FPGA对光纤传感信号进行高速采集处理，减小体积，增强便携性，保证低功耗。FPGA作为分布式光纤传感的主控制器，利用其高运行速率和控制能力对高速A/D转换芯片进行控制，提供高速的模拟信号转换能力，同时FPGA可以对转换后的数据进行高速采集，实时有效地把光纤传感的信号处理反馈到所述人机交互界面模块进行显示监测。
本发明具有较强的抗电磁干扰能力，由于本发明设备通过将所述内部各模块集成在密封的屏蔽金属盒内部，通过光纤、导线、网线、USB线等将模块连接，同时将设备中的各层模块设计的GND连接在铝合金型材料的外箱上，使设备满足抗电磁干扰要求。
本发明有极佳的环境耐受性，其箱体选用优质的铝合金型材料，结构坚固、散热性能好、抗震抗冲击，防电磁干扰，且各拼接面使用密封胶条，防尘防水。所述的内部各模块分别使用插件锁紧或者螺钉紧固，将其固定在箱体内部；模块间连接的光纤，导线等进行捆扎紧固，防止车载运输时产生振动，使设备内部的零部件松动相互碰撞而造成短路破坏，使设备无法正常使用。
Claims (7)
1.一种便携式光纤振动及声波探测报警设备, 包括：外部箱体以及箱体内部的电池及电源管理模块，激光及光处理模块，数据采集处理模块和人机交互界面模块，其特征在于：所述电池及电源管理模块包括用于对其它各功能模块提供正常工作电源电压的电池管理系统和电压变换电路，所述激光及光处理模块包括窄线宽激光器、光耦合器、声光调制器、光纤放大器、平衡光电探测器和光环形器；所述光耦合器产生的探测光被声光调制器调制形成线性扫频光脉冲,经过光纤放大器放大后通过环形器2进入待测光纤，用于振动或声波信号的探测；探测光在待测传感光纤中传输而产生的后向瑞利散射光经环形器3输出与本征光发生拍频，由平衡光电探测器转换成光电信号来实现信号的调制；所述数据采集处理模块包括高速A/D转换器、逻辑门阵列芯片、调制器驱动、数据传输接口；所述调制器驱动使用逻辑门阵列芯片提供的控制信号来驱动经声光调制器调制而成为“携带”信息的调制波；所述平衡光电探测器转换成光电信号通过高速A/D转换器转换成电信号后经逻辑门阵列芯片进行数据采集处理。
2.根据权利要求1所述的便携式光纤振动及声波探测报警设备,其特征在于激光及光处理模块和数据采集处理模块集成于一体，且采用USB接口或以太网接口进行数据传输。
3.根据权利要求2所述的便携式光纤振动及声波探测报警设备,其特征在于所述的逻辑门阵列芯片为现场可编程逻辑门阵列芯片。
4.根据权利要求3所述的便携式光纤振动及声波探测报警设备,其特征在于所述激光及光处理模块中接入反向泵浦结构的拉曼光纤放大器。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的任一便携式光纤振动及声波探测报警设备,其特征在于电池及电源管理模块由保护电路、电池组和充电电路构成，并采用安全阀和热敏电阻设计对电池进行保护。
6.根据权利要求5所述的便携式光纤振动及声波探测报警设备,其特征在于所用的光探测器为PIN光电二极管。
7.根据权利要求6所述的便携式光纤振动及声波探测报警设备,其特征在于整个设备设置于用抗辐射，耐强力冲击的密封材构成的防护等级IP68的箱体，箱体内部配有海绵增强防护层，箱体的把手为包胶结构，箱体中设置触摸屏，箱盖处设置有键盘。
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- 2021-11-19 CN CN202111372099.4A patent/CN113916352A/zh active Pending
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