CN115019458A - 一种能感知入侵目标的分布式光纤传感系统及感知方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能感知入侵目标的分布式光纤传感系统及感知方法，所述系统为包括主机和一组传感光纤，系统采用分布式光纤传感方式，一组传感光纤呈交错状连接的网状，其中，呈横向状的传感光纤依次标记为H1、H2、H3……Hn，呈纵向状的传感光纤依次标记为V1、V2、V3……Vm。这种系统成本低、性能可靠、适应性强、维护简单，可扩展性强、反应速度快，这种方法不用复杂的模式识别算法即可判断出入侵目标的行动方向、行进速度，能极大提升光纤传感系统的模式识别能力。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感、模式识别等领域，具体是一种能感知入侵目标的分布式光纤传感系统及感知方法。
背景技术
分布式光纤传感技术是光纤传感领域的重要组成部分，所用光纤集传感与传输于一体，可以实现远距离、大范围的传感，主要工作原理是：当激光脉冲在光纤中传输时，由于光纤中含有各种杂质，会导致激光和光纤分子的相互作用，从而会产生的瑞利、拉曼和布里渊三种散射光，通过监测这些散射光，就能获得光纤传输链路上空间、时间多维分布信息，包括但不限于压力、振动、形变、温度等。
常见的分布式光纤传感系统主要有后向散射型和干涉型。其中后向散射型又分为以监控瑞利散射光为手段的瑞利散射型、以监控拉曼频移信号为手段的拉曼型、和以监控布里渊散射信号为手段的布里渊型。瑞利散射型主要包括OTDR、POTDR、Φ-OTDR、COTDR、OFDR等几种。因为瑞利散射光是弹性散射光，对光纤周围的温度不敏感，一般只用来检测光纤沿程的损耗分布。其中采用强度解调方式OTDR的POTDR具有定位精确、信号算法简单等优点，但灵敏度难以提高，而且OTDR只能检测出弯曲、折断这种比较大的损耗，对扰动几乎捕捉不到。Φ-OTDR、COTDR、OFDR等又是采用的相干探测法，要求使用窄线宽激光器，成本高，解调复杂。而拉曼型主要用于检测光纤周围的温度，用来检测扰动信号的报道几乎查不到。布里渊型主要包括布里渊光时域反射技术（BOTDR）、布里渊光时域分析技术（BOTDA）、布里渊光频域分析技术（BOFDA）及布里渊相关连续波技术（BOCDA）。其中BOTDA采用双端输入且光路较复杂，系统成本较高，尤其双端泵浦-探测结构限制了该方案的应用。而 BOFDA的空间分辨率和传感距离分别由频率扫描的范围和频率扫描步长决定，想要获得更高的性能指标，需要的测量时间也较长。BOCDA需要保证一次测量中传感光纤上只能存在一个相关峰，所以感知距离较短。
干涉型光纤传感系统主要包括Michelson干涉型、Mach-Zehnder干涉型、Sagnac干涉型和复合结构干涉型等几种。其中Michelson干涉型需对参考臂进行隔声隔振防护，难以实现多点扰动的同时测量，系统成本也很高。Mach-Zehnder干涉型起步价要16万元左右，Michelson干涉型稍微便宜点，但也要上万元价格。
因为这些光纤传感系统都有着各种各样的问题，使得分布式光纤传感系统给人的印象就是环境适应性差、价格高、解调困难。且因为光纤传感系统仅能检测入侵目标扰动的强度、频率、位置等信息，即使后期加入了大量的模式识别算法，但受限于各种原因，如：①采样点单一，不具有代表性重复性，通常扰动行为都是单次发生的，很少会有人或物在无意识的情况下会持续扰动同一根光纤；②扰动信号的行为模式特征本身就不明显，比如一个人和一个体重相当的动物，比如羊、鹿、狗、跳鼠等动物，踩到某一根传感光纤上时，引起的扰动不论是强度还是频率都不会有太大区别；③受监测环境影响较大，比如树枝、风、雨等都会引起光纤的扰动等。实际应用中，很难通过单一的分布式光纤传感系统判断出具体是由什么事物引起的扰动，导致漏报率、误报率居高不下，更无法预测该事物下一步的行动路线或行动速度等，难以对入侵事件做出准确有效的预估。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种能感知入侵目标的分布式光纤传感系统及感知方法。这种系统成本低、性能可靠、适应性强、维护简单，可扩展性强、反应速度快，这种方法不用复杂的模式识别算法即可判断出入侵目标的行动方向、行进速度，能极大提升光纤传感系统的模式识别能力。
实现本发明目的的技术方案是：
一种能感知入侵目标的分布式光纤传感系统，包括主机和一组传感光纤，系统采用分布式光纤传感方式， 所述一组传感光纤呈交错状连接的网状，其中，呈横向状的传感光纤依次标记为H1、H2、H3……Hn，呈纵向状的传感光纤依次标记为V1、V2、V3……Vm。
所述传感光纤可以任意选择市面上的绝大多数光纤，包括皮线光纤、光缆、通信光纤等，但单根光纤在敷设时可以根据需要监控目标的不同选择不同的铺设方案，比如之字形或S形等。
一种能感知入侵目标的分布式光纤传感系统的感知方法，包括上述的能感知入侵目标的分布式光纤传感系统，所述方法包括如下步骤：
1）记录：将呈交错状的传感光纤中呈横向状的传感光纤依次标记为H1、H2、H3……Hn，呈纵向状的传感光纤依次标记为V1、V2、V3……Vm，记录呈交错状的传感光纤被入侵目标扰动的顺序和时间；
2）判断：假设在时刻t1同时有H1、V1两根光纤产生了扰动，就标定入侵目标扰动发生在H1和V1的交界点A上，依此类推，设时刻t2同时发现有H2、V3两根光纤发现扰动，则标定此次扰动发生在H2和V3的交界点B上；若时刻t3同时发现有H3、V5两根光纤发现了扰动，则标定此次扰动发生在H3和V5的交界点C上，连接A点和C点画线，则判断出入侵目标运动方向为A点朝C点方向，入侵目标的运动速度为A点到C点间的距离除以t3-t1；
3）针对入侵目标为人的判断：传感光纤呈交错状连接的网状，为降低漏报率，单根传感光纤的铺设建议采用之字形或者S形、宽度为65cm-80cm，为增大监控范围，每根光纤长度为20km。
现有技术中，分布式光纤传感系统只能对传感光纤上出现的扰动做出报警，但难以感知入侵目标的种类、更难以预测其运行速度和行动方向，不利于监控人员及时做出下一步的监控部署。以单环Sagnac分布式光纤传感系统为例：现有技术，只能对整根传感光纤上出现的扰动做出一个单一的反应，无法感知扰动位置，也无法区分短时间内的多次扰动，也无法显示不同位置点的同时扰动，但单环Sagnac分布式光纤传感系统技术成熟、原理简单，对光源和使用环境没有特殊要求；价格十分便宜，其主体部分一个板卡或者模块就能实现，整体硬件成本不超过2000元（不含传感光纤）；体积小，集成方便，十分容易扩展，正常4U机箱就可以集成至少16个传感模块主体，每个传感模块主体都可以监测1条长度不超过20km的传感光纤，还不会因为传感模块主体数量的增加影响系统整体的反应速度，十分适合组网使用；主机和传感光纤独立配置，用户可以随时、随地更换传感光纤，采用的传感光纤也是市面上的绝大多数光纤，容易获得，适应性强，维护方便；对扰动信号反应灵敏、迅速、可靠性高、应用范围广；对敷设工艺没有特殊要求，可随意悬挂在电网、铁艺、铁丝网、栅栏、围墙等地表围栏，还可浅埋于草坪、沙砾层、地砖、地板、水泥地面、普通土壤下，无需提前施工，操作方便，开通便捷。采用本技术方案，既保留了单环Sagnac分布式光纤传感系统原有优点，又解决了其技术短板，并且不用进行复杂的模式识别算法，就可判断出入侵目标的行动方向、行进速度、重量等运动参数，极大地提升了单环Sagnac分布式光纤传感系统的入侵目标感知能力和应用范围，且成本相比于其它光纤传感系统仍具有明显优势。
本技术方案也可广泛应用到除单环Sagnac分布式光纤传感系统以外的其它光纤传感系统中，既保留了光纤传感系统的优点：包括电绝缘、体积小、易弯曲、布线简单，方便灵活，特别适宜在地形复杂、视线被遮挡、供电不方便等不规则周界区域等场所安装使用；抗电磁干扰，抗辐射，耐压，耐腐蚀，能适应各种恶劣的自然环境；不含金属，很难被现有仪器设备探测出；不需供电，环境适应性极强等优点。又具有扩展能力强，维修、替换方便等特点，并且能极大增强分布式光纤传感系统对入侵目标的感知能力，还能判断出入侵目标的行动方向、行进速度等现有分布式光纤传感系统难以获得的运动参数，极大扩展了分布式光纤传感系统的应用范围，可广泛应用于安防、国防、军事等特殊领域。
这种系统成本低、性能可靠、适应性强、维护简单，可扩展性强、反应速度快，这种方法不用复杂的模式识别算法即可判断出入侵目标的行动方向、行进速度，能极大提升光纤传感系统的模式识别能力。
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独一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1，一种能感知入侵目标的分布式光纤传感系统，包括主机和一组传感光纤，系统采用分布式光纤传感方式， 所述一组传感光纤呈交错状连接的网状，其中，呈横向状的传感光纤依次标记为H1、H2、H3……Hn，呈纵向状的传感光纤依次标记为V1、V2、V3……Vm。
一种能感知入侵目标的分布式光纤传感系统的感知方法，包括上述的能感知入侵目标的分布式光纤传感系统，所述方法包括如下步骤：
1）记录：将呈交错状的传感光纤中呈横向状的传感光纤依次标记为H1、H2、H3……Hn，呈纵向状的传感光纤依次标记为V1、V2、V3……Vm，记录呈交错状的传感光纤被入侵目标扰动的顺序和时间；
2）判断：假设在时刻t1同时有H1、V1两根光纤产生了扰动，就标定入侵目标扰动发生在H1和V1的交界点A上，依此类推，设时刻t2同时发现有H2、V3两根光纤发现扰动，则标定此次扰动发生在H2和V3的交界点B上；若时刻t3同时发现有H3、V5两根光纤发现了扰动，则标定此次扰动发生在H3和V5的交界点C上，连接A点和C点画线，则判断出入侵目标运动方向为A点朝C点方向，入侵目标的运动速度为A点到C点间的距离除以t3-t1；
3）针对入侵目标为人的判断：传感光纤呈交错状连接的网状，单根传感光纤的铺设建议采用之字形或者S形、宽度为65cm-80cm。
所述传感光纤可以任意选择市面上的绝大多数光纤，包括皮线光纤、光缆、通信光纤等，但单根光纤的敷设时可以根据需要监控目标的不同选择不同的铺设方案。本例中，因为针对的入侵目标为人，为了降低漏报率，单根传感光纤铺设采用之字形、宽度为65cm-80cm，为增大监控范围，每根光纤长度为20km、选用通信光纤。
Claims (2)
1.一种能感知入侵目标的分布式光纤传感系统，包括主机和一组传感光纤，系统采用分布式光纤传感方式，其特征在于，所述一组传感光纤呈交错状连接的网状，其中，呈横向状的传感光纤依次标记为H1、H2、H3……Hn，呈纵向状的传感光纤依次标记为V1、V2、V3……Vm。
2.一种能感知入侵目标的分布式光纤传感系统的感知方法，包括权利要求1所述的能感知入侵目标的分布式光纤传感系统，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1）记录：将呈交错状的传感光纤中呈横向状的传感光纤依次标记为H1、H2、H3……Hn，呈纵向状的传感光纤依次标记为V1、V2、V3……Vm，记录呈交错状连接的传感光纤被入侵目标扰动的顺序和时间；
2）判断：假设在时刻t1同时有H1、V1两根光纤产生了扰动，就标定入侵目标扰动发生在H1和V1的交界点A上，依此类推，设时刻t2同时发现有H2、V3两根光纤发现扰动，则标定此次扰动发生在H2和V3的交界点B上；若时刻t3同时发现有H3、V5两根光纤发现了扰动，则标定此次扰动发生在H3和V5的交界点C上，连接A点和C点画线，则判断出入侵目标运动方向为A点朝C点方向，入侵目标的运动速度为A点到C点间的距离除以t3-t1；
3）针对入侵目标为人的判断：传感光纤呈交错状连接的网状，其中，单根传感光纤的铺设采用之字形或者S形、宽度为65cm-80cm。
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