CN114593812A - 一种基于分布式光纤振动传感的监控系统及实现方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于分布式光纤振动传感的监控系统及实现方法，涉及电子信息科学与技术领域，特别是属于一种基于分布式光纤振动传感的监控系统及实现方法。包括监控室内的激光源、光纤探测器、数据采集单元、信号处理单元、显示单元以及防区的干涉仪以及铺设在防区待测物体处的光纤，激光源通过光纤与干涉仪连接，干涉仪一方面通过光纤与防区的待测物体连接，干涉仪另一方便又通过光纤与光电探测器连接，所述的光电探测器通过信号线连接数据采集单元、信号处理单元后，通过信号线与显示单元相连接。本发明的应用，能够有效提高防区监控系统的探测灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及电子信息科学与技术领域，特别是属于一种基于分布式光纤振动传感的监控系统及实现方法。
背景技术
光纤传感技术以光纤作为传感媒介，具有抗电磁干扰能力强、安全、铺设方便、隐蔽性好以及可以在恶劣情况下使用的优点，已被广泛应用于工业、市政交通、航空航天以及军事等诸多领域。其中，分布式光纤传感因其定位精确、灵敏度高、实时性强、传感距离长等特点，在周界安防、能源输送管道等应用中能够有效检测防区的非法入侵。通过探测传感光纤周围因第三方入侵所产生的振动信号，来精确定位入侵事件，同时产生报警信号，防患于未然。然而，现有的传感系统感知入侵信号不灵敏，亟需进一步的改进和提升。
发明内容
本发明的目的即在于提供一种基于分布式光纤振动传感的监控系统及实现方法，以达到能够有效提高防区监控系统的探测灵敏度的目的。
本发明所提供的一种基于分布式光纤振动传感的监控系统，其特征在于，包括监控室内的激光源、光纤探测器、数据采集单元、信号处理单元、显示单元以及防区的干涉仪以及铺设在防区待测物体处的光纤，激光源通过光纤与干涉仪连接，干涉仪一方面通过光纤与防区的待测物体连接，干涉仪另一方便又通过光纤与光电探测器连接，所述的光电探测器通过信号线连接数据采集单元、信号处理单元后，通过信号线与显示单元相连接。
进一步的，数据采集单元对光电探测器的电信号进行采集；信号处理单元对采集的电信号进行跨阻放大，跨阻放大的信号经低通滤波器输出后进行差分放大，差分放大后的信号进行模数转换，与系统预设的振动位置参数进行匹配并确认待测物体的振动位置；显示单元用于将防区待测物体发生振动的位置的直观显示。
进一步的，所述的数据采集单元、信号处理单元为基于STM32单片机的信号高速采集和处理模块；所述的显示单元为监控室内的主机。
进一步的，激光源由激光器及激光器的驱动单元构成，为光纤提供初始光信号，所述的光纤采用单模光纤。
进一步的，光电探测器选用工作波长为1000-1650nm的PIN型光电探测器；选用2×2单模光纤耦合器构成的干涉仪。
本发明所提供的一种基于分布式光纤振动传感的监控系统的实现方法，其特征在于，包括以下过程：
激光源为光纤提供光源，光通过光纤传输至干涉仪中，当有声音或者物体振动产生的压力值施加于光纤时，光纤感受到振动信号后，光纤内部传输的光的相位发生变化，通过干涉测量将相位的变化转换为光强的变化，干涉后的光信号进入光电探测器，完成光电转换并输出光电流，通过前置放大电路进行放大，并转换成与进入光功率成正比的电信号输出，输出的电信号由数据采集单元采集，经信号处理单元对采集的电信号进行跨阻放大，跨阻放大的信号经低通滤波器输出后进行差分放大，差分放大后的信号进行模数转换，与系统预设的振动位置参数进行匹配并确认待测物体的振动位置，将振动的位置显示在主机的屏幕上。
进一步的，光电探测器输出电流的变化取决于干涉仪的两相干光束的初始相位和相位变化。
本发明所提供的一种基于分布式光纤振动传感的监控系统及实现方法，采用相干激光动态调制技术，将探测灵敏度锁定在最高位置，使得探测均匀性得到保障。本系统中的干涉仪通过铺设在被测物体处的单模光纤实现对待测物体内外振动信号的测量传感，利用光波在光纤中传输的特性，当有声音或者物体振动产生的压力值施加于光纤时，光纤将外界振动信号转换为光信号，并通过光电探测器传输至系统的数据采集单元以及数据处理单元进行数据的采集和处理，最终将外界入侵所在防区的待测物体的振动位置显示在主机屏幕上，以实现防区的实时监测、实时预警的技术效果。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明干涉仪的原理图。
具体实施方式
如图1-2所示，本发明所提供的一种基于分布式光纤振动传感的监控系统，是由设置在监控室内的激光源、光纤探测器、数据采集单元、信号处理单元、显示单元以及设置在防区的干涉仪以及铺设在防区待测物体处的光纤共同组成的。激光源又是由激光器及激光器的驱动单元构成的，为光纤提供初始光信号，本发明的光纤采用单模光纤。优选地，本系统选用G.652光纤。G.652光纤作为使用最广泛的光纤，属于二氧化硅B1.1单模光纤，是典型的非色散位移单模光纤，其零色散波长在1310nm处。其光纤涂覆层与光纤表面紧密接触不退色、不迁染，涂覆层易剥离，方便接续。根据单模光纤在1310nm处色散值最小的特性，本系统选用输出中心波长为1310nm，最大功率输出为2mw的激光器。光电探测器选用PIN型光电探测器，其工作波长为1000-1650nm，适合1310nm单模光纤的光信号检测，且具有灵敏度高、响应速度快、噪声低、无需高的工作电压、温度稳定性高等优点。另外，本系统选用带有2×2单模光纤耦合器的干涉仪。由于本系统使用的是单模光纤，所以2×2单模光纤耦合器不论是损耗、分光比还是方向性都是系统的最佳选择。
具体地，激光源通过光纤与干涉仪连接，干涉仪一方面通过光纤与防区的待测物体连接，干涉仪另一方便又通过光纤与光电探测器连接。光电探测器通过信号线连接数据采集单元、信号处理单元后，通过信号线与显示单元相连接。其中，数据采集单元对光电探测器的电信号进行采集；信号处理单元对采集的电信号进行跨阻放大，跨阻放大的信号经低通滤波器输出后进行差分放大，差分放大后的信号进行模数转换，与系统预设的振动位置参数进行匹配并确认待测物体的振动位置；显示单元用于将防区待测物体发生振动的位置的直观显示。优选地，上述数据采集单元、信号处理单元采用基于STM32单片机的信号高速采集和处理模块；上述显示单元为监控室内的主机。
本发明还提供了一种基于分布式光纤振动传感的监控系统的实现方法，具体原理如下：
激光源为光纤提供光源，光通过光纤传输至干涉仪中，当有声音或者物体振动产生的压力值施加于光纤时，光纤感受到振动信号后，光纤因弹光效应，光纤材料受到外力作用产生应变时，因光纤折射率改变而导致光信号传播特性改变，光纤内部传输的光的相位发生变化，干涉仪中传感臂中的光信号与参考臂中的光信号在干涉仪的耦合器中发生干涉，通过干涉测量将相位的变化转换为光强的变化，干涉后的光信号进入光电探测器，光信号通过光纤入射到光电二极管的光敏面上，光电二极管完成光电转换并输出光电流，通过前置放大电路进行放大，并转换成与进入光功率成正比的电信号输出，输出的电信号由数据采集单元采集，经信号处理单元对采集的电信号进行跨阻放大，跨阻放大的信号经低通滤波器输出后进行差分放大，差分放大后的信号进行模数转换，与系统预设的振动位置参数进行匹配并确认待测物体的振动位置，将振动的位置显示在主机的屏幕上。其中，光电探测器输出电流的变化取决于干涉仪的两相干光束的初始相位和相位变化。
本系统采用相干激光动态调制技术，将探测灵敏度锁定在最高位置，使得探测均匀性得到保障。利用光波在光纤中传输的特性，当有声音或者物体振动产生的压力值施加于光纤时，光纤将外界振动信号转换为光信号，并通过光电探测器传输至系统的数据采集单元以及数据处理单元进行数据的采集和处理，最终将外界入侵所在防区的待测物体的振动位置显示在主机屏幕上，从而能够实现防区的实时监测和实时预警，有效提高了防区监控系统的探测灵敏度。
Claims (7)
1.一种基于分布式光纤振动传感的监控系统，其特征在于，包括监控室内的激光源、光纤探测器、数据采集单元、信号处理单元、显示单元以及防区的干涉仪以及铺设在防区待测物体处的光纤，激光源通过光纤与干涉仪连接，干涉仪一方面通过光纤与防区的待测物体连接，干涉仪另一方便又通过光纤与光电探测器连接，所述的光电探测器通过信号线连接数据采集单元、信号处理单元后，通过信号线与显示单元相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤振动传感的监控系统，其特征还在于，数据采集单元对光电探测器的电信号进行采集；信号处理单元对采集的电信号进行跨阻放大，跨阻放大的信号经低通滤波器输出后进行差分放大，差分放大后的信号进行模数转换，与系统预设的振动位置参数进行匹配并确认待测物体的振动位置；显示单元用于将防区待测物体发生振动的位置的直观显示。
3.根据权利要求2所述的一种基于分布式光纤振动传感的监控系统，其特征还在于，所述的数据采集单元、信号处理单元为基于STM32单片机的信号高速采集和处理模块；所述的显示单元为监控室内的主机。
4.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤振动传感的监控系统，其特征还在于，激光源由激光器及激光器的驱动单元构成，为光纤提供初始光信号，所述的光纤采用单模光纤。
5.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤振动传感的监控系统，其特征还在于，光电探测器选用工作波长为1000-1650nm的PIN型光电探测器；选用2×2单模光纤耦合器构成的干涉仪。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种基于分布式光纤振动传感的监控系统的实现方法，其特征在于，包括以下过程：
激光源为光纤提供光源，光通过光纤传输至干涉仪中，当有声音或者物体振动产生的压力值施加于光纤时，光纤感受到振动信号后，光纤内部传输的光的相位发生变化，通过干涉测量将相位的变化转换为光强的变化，干涉后的光信号进入光电探测器，完成光电转换并输出光电流，通过前置放大电路进行放大，并转换成与进入光功率成正比的电信号输出，输出的电信号由数据采集单元采集，经信号处理单元对采集的电信号进行跨阻放大，跨阻放大的信号经低通滤波器输出后进行差分放大，差分放大后的信号进行模数转换，与系统预设的振动位置参数进行匹配并确认待测物体的振动位置，将振动的位置显示在主机的屏幕上。
7.根据权利要求6所述的一种基于分布式光纤振动传感的监控系统的实现方法，其特征还在于，光电探测器输出电流的变化取决于干涉仪的两相干光束的初始相位和相位变化。
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