CN201637908U - 埋地式宽域全光纤扰动传感与定位网络系统中的光缆敷设结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种埋地式全光纤扰动传感与定位网络系统的光缆敷设，采用上中下三层敷设的方式，中间层为埋地传感光缆，其特征在于：所述的埋地传感光缆周期性的敷设，其宽度为H＝2·f+L，敷设周期为T＝2·f+L，其中：f为人脚的长度即步长，L为前后两只脚的跨距；所述的埋地传感光缆为S型的敷设方式、Z型的敷设方式、V型的敷设方式、上下S型的敷设方式或双S型叠加的敷设方。埋地传感光缆采用周期性的敷设方式，有效的提高系统的探测灵敏度，按照制定的敷设宽度和间距，可以使探测信号的幅频特性得到明显的提高。

Description

埋地式宽域全光纤扰动传感与定位网络系统中的光缆敷设结构

技术领域

本实用新型涉及光纤传感灵敏检测和安防监控领域，具体是埋地式宽域全光纤扰动传感与定位网络系统中的光缆敷设结构。

背景技术

埋地光缆的宽域全光纤扰动传感与定位网络系统主要用于各类需要隐蔽监控或围栏围墙式难以架设的区域，如用于各类输送危险或高价值化工品管道安全监测监控等的管道监控，以及重要仓库、重要航站库、机库、爆炸品库、国境线、航空、航天基地、导弹基地、银行、博物馆、监狱等的监控；城市自来水、煤气、天然气、供热管道安全监测监控。光缆敷设方式对于埋地式宽域全光纤扰动传感与定位网络系统中的信号检测的灵敏性探测起着重要作用。

在过去的几年里，人们对于公共部门和私人部门的安全防护有了越来越高的要求。最近科学技术的发展对于周界安全防护发挥了重要的作用，而光纤传感技术也许会引领周界安全防护的潮流。由于光学设备诸如光源和光放大器的优越性能，埋地式的光纤侵入探测器在周界监控领域起着重要的作用。

现在在安全监控领域应用较多的有基于振动的，声音传感的，红外的，电磁场的传感技术，但这些技术受限于监测范围小，又需要无线传输数据。而埋地式的光纤侵入探测器是隐蔽的，可以长距离探测，因此，相对于以前的技术，它有很强的优越性：现在的周界监控系统通过可以观察的装在地面上的组成部件进行探测，而埋地式宽域全光纤扰动传感与定位网络系统通过把传感光缆埋在地下进行探测，是一种隐蔽式的探测方式。

光纤作为一种物理介质，在受到扰动的时候很容易发生几何形状和光学性质的变化，比如长短，形变，折射率，传输模式的变化等。在光纤传感系统中这些变化可以用来探测外界的扰动。在过去的几年里，光纤传感已被用来测量温度，声压，静态压力，测速，液体流速等。光纤传感器可以分为三种：强度，偏振态，干涉式的传感器。光纤传感器由于其体积小，重量轻，能量消耗低，抗电磁辐射，灵敏度高，带宽宽，损耗低而受到广泛应用。

光纤传感系统通过单根光纤的分布式探测，可以代替以往传统的点式探测器，这在长距离周界安防探测中可节约很多成本。

对于国民财产，最近世界上发生的一些重大事故证明了加强安全防护的必要性。光纤传感系统在私人家庭安全监控和国家周界防护方面几乎不受限制。现在周界防护的一些措施经常由于是点式操控和人工巡逻而受到限制，特别是在周界有上千公里的时候，这些方式就不是一种很有效的探测手段。例如，我国陆地上的边界线就有2.28万公里，这么长的距离对于用人工巡逻和目前的探测手段是很有困难的。而埋地式宽域全光纤扰动传感与定位网络系统除了用在周界防护上，还可用在军事基地，监狱，核设施和其他一些敏感地区的监测上。

发明内容

技术问题：本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种提高光纤传感探测灵敏度的埋地式宽域全光纤扰动传感与定位网络系统光缆敷设结构。这些光缆敷设结构采用的是一种周期性的敷设方式，按照系统制定的传感光缆敷设宽度和间距，可以有效的提高系统探测的灵敏度；能够有效的将应力、振动等扰动信号传递给光缆，结构简单；采用周期性结构，能够使系统进行精确定位；监测距离长，抗电磁干扰，抗腐蚀，能在恶劣的环镜下工作；成本低廉。

技术方案：本实用新型采用如下技术方案：一种埋地式全光纤扰动传感与定位网络系统的光缆敷设，采用上中下三层敷设的方式，中间层为埋地传感光缆，其特征在于：所述的埋地传感光缆周期性的敷设，其宽度为H＝2·f+L，敷设周期为T＝2·f+L，其中：f为人脚的长度即步长，L为前后两只脚的跨距。

所述的埋地传感光缆为S型的敷设方式、Z型的敷设方式、V型的敷设方式、上下S型的敷设方式或双S型叠加的敷设方。

所述的上下两层为硬质网格。

所述的上下两层为砾石。

所述的上层为硬质板，在硬质板的下表面设置有周期性排布的凸起。

所述的凸起为三角形、梯形、半圆形、或圆形。

本实用新型的埋地式宽域全光纤扰动传感与定位网络系统光缆敷设采用埋地传感光缆周期性的敷设方式：一种类似S型的敷设方式；或是其他的周期性敷设方式：比如类似Z型的敷设方式；类似V型的敷设方式；上下S型的敷设方式；双S型叠加的敷设方式等等。通常，由于系统灵敏度的要求，光缆的敷设应该能够有效地将应力或振动作用传递到光缆上。由于作用到光缆上的扰动信号多数是低频信号，而且时间持续很短，通常转瞬即逝，埋地的光缆要尽可能多的把扰动信号传递给系统终端；同时，为提高警戒的级别，捕捉扰动信号，光缆敷设的宽度也有一定的规则要求，根据系统的要求，传感光缆的敷设宽度和间距应能满足系统采集完整有效信号的要求。

国外的一些研究机构也提出了一些为增加光缆探测效果而设计的三层结构形式，由于其三层结构中的传感光缆是直线型的，探测灵敏度虽然有一定的提高，但采用本实用新型所提出的把传感光缆敷设成周期性结构的方式用在三层结构中会使系统的探测灵敏度大大增强。频率响应特性也更好，非常适合于埋地系统扰动信号的探测。

结合埋地式宽域全光纤扰动传感与定位网络系统中传感光缆对扰动信号的探测接收特点，本文也给出了一些把本实用新型所提出的传感光缆周期性敷设的结构形式应用于经过优化的三层结构实施方案，并进行了实验，得到了很好的实验效果，也给出了具体的实验结果。

由于传感光缆埋地安装用于开阔的没有围栏的边界或地区，传感光缆埋在地面介质下(如砾石、草地等)，走过或进入该周界的入侵者会对地面施加一定的压力或振动信号，传感光缆可探测到这个压力或振动信号。在这些开阔的地区和边界上，埋地的传感光缆要能够经受一些大型重量的物体(如汽车，大卡车等)的压力而不发生局部过度变形。本文给出的应用本实用新型所提出的传感光缆周期性敷设结构形式的三层结构，上下层硬质的网格可以是一种硬质的复合材料，如土工格材质，也可以使钢性或半钢性的硬质材料；砾石的边缘必须光滑的，圆状的，直径要求大于2cm，以防止砾石受挤压时损害光缆；砾石必须干净，以防止砾石积水结冰，影响设备性能；特制板用硬质的复合材料制作，可以是一种一般的结构形式，如上下表面光滑的硬质复合板；也可以是一种特殊的结构形式：特制板下表面设置有周期性排布的凸起，如做成下表面的凸起是三角形的周期性形式，或是做成下表面的凸起是梯形的周期性形式，或是做成下表面的凸起是半圆形的周期性形式；或是做成下表面的凸起是圆形的周期性形式，下面垫板是一种硬质复合材料的垫板，也可以用特制板作为下层的垫板；制作成的网格或特制板必须要有足够的硬度，可以防止由于入侵者的体重或大型车辆经过时光缆不会发生过度形变而损坏。光缆敷设宽度有一定的规则要求，这样可以将作用于光缆的应力扰动信号有效传给系统终端处理。

有益效果：本实用新型采用上述技术方案，具有如下优点：

1、埋地传感光缆采用周期性的敷设方式，有效的提高系统的探测灵敏度，按照制定的敷设宽度和间距，可以使探测信号的幅频特性得到明显的提高。

2、传感光缆采用周期性敷设的结构方式，如Z型和S型，V型，双S型等结构形式使系统的定位算法便于实现，可以实现系统定位的要求。

3、传感光缆的敷设宽度和间距有一定的规则要求，根据不同的警戒级别，制定敷设宽度和间距，达到探测完整信号和提高探测灵敏度的目的。

4、根据不同的地质特点可以选用不同的敷设方式，经济成本低廉。

5、在传感光缆埋地后，光缆上面敷设的介质与周围地表介质是相同的，是一种隐蔽式的监测方式，与围栏式的传感结构相比，由于是隐蔽式探测，传感光缆不会轻易受到损害；不会受到天气、磁场的干扰，大大提高了探测的效果和使用场合；抗电磁干扰、抗腐蚀能力强，能在恶劣的环境下工作，探测监测距离长；探测灵敏度高，结构简单，施工方便。

附图说明

图1是本实用新型埋地式宽域全光纤扰动传感与定位网络系统中的光缆敷设三层结构示意图。

图2是图1中光缆的3种敷设方式，其中2a是S型，2b是Z型，2c是V型，2d是对称设置的双S型，2e是相互叠加的双S型。

图3是传感光缆敷设系统终端对扰动信号的实验结果图，其中3a是采用直线光缆的实验结果图，3b是采用S型光缆的实验结果图，3c是采用Z型光缆的实验结果图。

图4是传感光缆加装上下特制板的三层结构的受力图。

图5是单层光缆的受力图。

图6是上下两层为砾石的敷设方式图，其中6a是采用S型的周期性敷设的三层结构形式，6b是其截面示意图，6c是采用本实用新型此种结构形式的光缆周期性敷设的实验数据处理结果，6d是在三层结构中采用单根直线型敷设的实验数据处理结果。

图7是硬质网格的三层敷设方式图，其中7a是采用S型的硬质网格+光缆+硬质网格周期性敷设的三层结构形式，图7b是采用本实用新型的光缆周期性敷设结构形式的实验数据处理结果，图7c是在三层结构中采用单根直线型敷设的实验数据处理结果。

图8是特制板和塑料泡沫的三层敷设方式图，其中8a是采用S型的特制板+光缆+塑料泡沫的结构形式，8b是其截面结构，图8c是采用本实用新型此种结构形式的光缆周期性敷设的实验数据处理结果，图8d是在三层结构中采用单根直线型敷设的实验数据处理结果。

图9是采用传感光缆加装特制板的三层敷设方式图，其中9a是一种特制板下表面的凸起是三角形的周期性光缆敷设结构形式，9b是另外一种特制板下表面的凸起是梯形的周期性光缆敷设结构形式，9c是另外一种特制板下表面的凸起是半圆形的周期性光缆敷设结构形式，9d是另外一种特制板下表面的凸起是圆形的周期性光缆敷设结构形式，9e是采用9a结构形式的实验数据处理结果，9f是在三层结构中采用单根直线型敷设的实验数据处理结果。

图中：1是上层板，2是传感光缆，3是下层板，4是砾石层，5是地表介质，6是硬质网格，7是硬质复合材料板，8是排水孔，9是塑料泡沫，10是上层硬质板底面周期性排布的凸起是三角形的结构，11是下层垫板，12是上层硬质板底面周期性排布的凸起是梯形的结构，13是上层硬质板底面周期性排布的凸起是半圆形的结构，14是上层硬质板底面周期性排布的凸起是圆形的结构。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细的表述：

图1是本实用新型埋地式宽域全光纤扰动传感与定位网络系统中的光缆敷设三层结构示意图。中间层为埋地传感光缆，上下层是硬质网格，或是砾石，或是硬质板。

图2是图1中光缆的3种敷设方式，其中2a是S型的传感光缆周期性敷设方式，2b是Z型的传感光缆周期性敷设方式，2c是V型的传感光缆周期性敷设方式，2d是对称设置的双S型的传感光缆周期性敷设方式，2e是相互叠加的双S型的传感光缆周期性敷设方式。

在图2a中，设传感光缆敷设宽度为H，敷设周期长度为T，设人脚的长度即步长为f，前后两只脚的跨距为L，设采用光缆平行叠加的敷设方式相邻两光缆的间距为d，按照系统和警戒的一般要求，满足采集完整扰动信号的传感光缆敷设宽度：

H＝2·f+L

敷设周期  T＝2·f+L

相邻两光缆的间距 $d=\frac{f}{2}$

按照H，T，d的计算方法，可以对其他的埋地传感光缆的周期性敷设方式的敷设宽度，周期和间距进行定制。

还可以提出其他一些有益的光缆周期性敷设方式。埋地传感光缆采用本实用新型提出的周期性敷设方式，按照本文给出的计算敷设宽度，敷设周期和间距的近似计算公式，不仅能达到有效提高系统探测灵敏度的要求，还能节约材料成本，提高整个传感系统的性价比。

图3是传感光缆敷设系统终端对扰动信号的实验结果图，其中3a是采用直线光缆的实验结果图，3b是采用S型光缆的实验结果图，3c是采用Z型光缆的实验结果图。通过对图3a、图3b和图3c的数据处理结果分析，可以得到以下明显的结论：光缆的周期性敷设对扰动信号的探测效果比单根光缆的直线型敷设形式要好的多，表现在信号幅度方面，光缆的周期性敷设方式对扰动信号的探测幅值更大，持续时间更长，对扰动信号的响应频带更宽，所以探测的更灵敏。可以看到：采用本实用新型提出的传感光缆周期性敷设方式可以得到更好的探测效果。即传感光缆采用周期性结构的敷设方式可以明显提高探测效果。

下面给出一些把发明提出的传感光缆周期性敷设方式应用于三层结构的一些优化的设计方案。这些三层结构形式中的传感光缆采用周期性敷设方式，并且根据埋地式传感系统的特点以及传感光缆对扰动信号接收探测的特点，优化设计了上层结构和下层结构，使整个实验方案的性能得到大大提高。

对埋地传感光缆进行加装特制板和没有加装特制板的情况进行模型对比分析：

(1)、图4是给传感光缆加装上下特制板的三层结构的受力分析模型，考虑在传感光缆加装特制板的结构，如图1所示：假设上下两层都是特制板，上下板的面积相同，均为S，设施加的压强为P，则压力F＝P·S；设光缆埋地深度为h，位于A点；设压强P作用于离缆正上方O距离为L₀的B点上，AB的距离为L；设OA与AB的夹角为θ。作用于AB方向上的压强P′＝P·cosθ，用岩土力学的知识进行近似，经过距离L作用在A的压力为：

$F=k\·\frac{P^{\′}}{L^2}\·S\·\cos \mathrm{\θ}=\frac{k\·P\·\cos \mathrm{\θ}}{L^2}\·S\·\cos \mathrm{\θ}---\left(1\right)$

其中，k是衰减系数。又因为 $L=\frac{h}{\cos \mathrm{\θ}},$ 所以(1)式化简为：

$F=\frac{k\·P\·{\cos }^3\mathrm{\θ}}{h^2}S\·\cos \mathrm{\θ}---\left(2\right)$

则水平分量压力 $F_h^{\′}=\frac{k\·P\·{\cos }^3\mathrm{\θ}}{h^2}S\·\cos \mathrm{\θ}\·\sin \mathrm{\θ}---\left(3\right)$

垂直分量压力 $F_v^{\′}=\frac{k\·P\·{\cos }^3\mathrm{\θ}}{h^2}S\·\cos \mathrm{\θ}\·\cos \mathrm{\θ}---\left(4\right)$

(2)、考虑没有给传感光缆加装特制板的结构，如图5所示：采用与上面类似的分析，可得：

水平分量压力 $F_h=S_v\·\frac{k\·P}{h^2}{\cos }^3\mathrm{\θ}\·\sin \mathrm{\θ}---\left(5\right)$

垂直分量压力 $F_v=S_h\·\frac{k\·P}{h^2}{\cos }^4\mathrm{\θ}---\left(6\right)$

其中：S_v为水平分量压强作用的垂直面积，S_h为垂直分量压强作用的水平面积。

把(3)、(4)式与(5)、(6)式相比较，由于S·cosθ＞＞S_h，S_v，所以

F′_h＞F_h，F′_v＞F_v  (7)

当θ＝0，即在光缆正上方作用时，(3)，(4)，(5)，(6)式分别变为：

F′_h＝0             (3′)

$F_v^{\′}=S\·\frac{k\·P}{h^2}---\left(4^{\′}\right)$

F_h＝0               (5′)

$F_v=S_h\·\frac{k\·P}{h^2}---\left(6^{\′}\right)$

由(4′)、(6′)式也可以得出：S＞＞S_h，所以F′_v＞＞F_v，可以明显看到在传感光缆加板后，应力的传感效果明显得到加强。

由上面的分析可以看到：(1)传感光缆埋的越深，力作用到传感光缆的效果就越差，成平方反比的关系；(2)作用力越大，作用到传感光缆的效果就越好：实验发现，两个不同重量的人站在同一位置，传感光缆测得的效果是不同的，人的重量越大，系统测得的效果就越好，测得效果与人的重量存在一种线性关系；(3)θ角越大，即距离A点越远，压强T越小。由以上结果，发现采用给传感光缆加装特制板的结构可以明显的增强传感效果，同时增大作用面积，有效传递应力和振动。

图6是上下两层为砾石的敷设方式图，其中图6a是采用S型的周期性敷设的三层结构形式，也可采用本实用新型提出的其他周期性敷设方式。这种整体结构形式在对警戒级别要求不是很高的情况下适用，敷设容易，图6b是其截面示意图，图6c是采用本实用新型此种结构形式的光缆周期性敷设的实验数据处理结果，图6d是在三层结构中采用单根直线型敷设的实验数据处理结果。图6c与图6d的数据处理结果对比分析，可以得出：采用本实用新型提出的此种光缆敷设形式可以使信号幅度得到明显的加强，探测灵敏度更高，施工便捷，砾石层的厚度可根据实际要求制定。此种结合光缆周期性敷设的整体结构形式比普通三层结构形式的探测效果更好。

图7是硬质网格的三层敷设方式图，其中图7a是采用的是硬质网格+光缆+硬质网格的结构形式，也可以采用土质+硬质网格扎光缆+土质的结构形式；或是采用网格与砾石相结合的结构形式：砾石+光缆+网格+砾石和砾石+网格+光缆+网格+砾石的结构形式。三层结构之间的传感光缆采用S型的周期性敷设，也可采用本实用新型提出的其他周期性敷设方式。要求网格是硬质的复合材料，或是钢性、半钢性的材料，需将光缆固定在网格上。图7b是采用本实用新型的光缆周期性敷设结构形式的实验数据处理结果，图7c是在三层结构中采用单根直线型敷设的实验数据处理结果，由图7b和7c的对比分析可以得出：采用本实用新型提出的光缆周期性敷设形式可以使信号幅度得到明显的加强，持续时间更长，对扰动信号的响应频带更宽，所以探测的更灵敏，明显提高了探测效果。此种结构形式施工方便，效果十分显著。这也是一种非常实用的整体结构形式，比普通三层结构形式的探测灵敏度更高。

图8a是采用特制板+光缆+塑料泡沫的结构形式，要求特制板是硬质的复合材料，将传感光缆用对压力敏感的胶合剂粘在特制板和塑料泡沫之间，碾压在一起，塑料泡沫起到保护光缆的目的。后打上排水孔以利于排水，板宽可以根据本文给出的计算公式和警戒级别合理定制。三层结构之间的传感光缆采用S型的周期性敷设，也可采用本实用新型提出的其他周期性敷设方式。图8b是其截面结构，图8c是采用本实用新型此种结构形式的光缆周期性敷设的实验数据处理结果，图8d是在三层结构中采用单根直线型敷设的实验数据处理结果。图8c和图8d的数据处理结果对比分析，可以得出：采用本实用新型提出的此种光缆敷设形式可以使信号幅度得到非常明显的加强，信号持续时间变长，响应频带也变宽，探测灵敏度得到明显的提高。采用这种整体结构形式施工方便，效果明显。

图9是采用传感光缆加装特制板的结构形式，图9a是一种特制板下表面的凸起是三角形的光缆敷设结构形式，下面垫板是一种硬质复合材料的平滑垫板，也可以用特制板作为下面的垫板。三层结构之间的传感光缆采用S型的周期性敷设，也可采用本实用新型提出的其他周期性敷设方式。采用此种结构可以将微弱扰动信号有效的作用到传感光缆上。图9b是另外一种特制板下表面的凸起是梯形的光缆敷设结构形式，下面垫板是一种硬质复合材料的垫板，也可以用特制板作为下面的垫板。三层结构之间的传感光缆采用S型的周期性敷设，也可采用本实用新型提出的其他周期性敷设方式。采用此种结构可以有效传递压力或振动等的扰动信号。图9c特制板下表面的凸起是半圆形的光缆敷设结构形式，下面垫板是一种硬质复合材料的垫板，也可以用特制板作为下面的垫板。三层结构之间的传感光缆采用S型的周期性敷设，也可采用本实用新型提出的其他周期性敷设方式。采用此种结构可以将入侵的应力变为很多的压强很大的效果作用到传感光缆上。图9d是另外一种特制板下表面的凸起是圆形的光缆敷设结构形式，这些圆柱型的长条是硬质的复合材料，下面垫板是一种硬质复合材料的垫板，也可以用特制板作为下面的垫板。三层结构之间的传感光缆采用S型的周期性敷设，也可采用本实用新型提出的其他周期性敷设方式。采用此种结构可以将作用到板上的应力或振动信号有效的传递给传感光缆，有很好的灵敏效果。图9e是采用图9a结构形式的实验数据处理结果，图9f是在三层结构中采用单根直线型敷设的实验数据处理结果。图9e与图9f的数据处理结果对比分析，可以得出：采用本实用新型提出的此种光缆敷设形式可以使信号幅度得到有效的加强，信号持续时间更长，响应频带宽，探测灵敏度得到很大的提高。采用这种整体结构施工方便，效果明显。

本实用新型提出的传感光缆周期性的敷设方式还可以应用在其他一些有益的三层结构方案中。

Claims (6)

1.一种埋地式宽域全光纤扰动传感与定位网络系统中的光缆敷设结构，采用上中下三层敷设的方式，中间层为埋地传感光缆，其特征在于：所述的埋地传感光缆周期性的敷设，其宽度为H＝2·f+L，敷设周期为T＝2·f+L，其中：f为人脚的长度即步长，L为前后两只脚的跨距。

2.根据权利要求1所述的埋地式宽域全光纤扰动传感与定位网络系统的光缆敷设结构，其特征在于：所述的埋地传感光缆为S型的敷设方式、Z型的敷设方式、V型的敷设方式、上下S型的敷设方式或双S型叠加的敷设方式。

3.根据权利要求1或2所述的埋地式宽域全光纤扰动传感与定位网络系统的光缆敷设结构，其特征在于：所述的上下两层为硬质网格。

4.根据权利要求1或2所述的埋地式宽域全光纤扰动传感与定位网络系统的光缆敷设结构，其特征在于：所述的上下两层为砾石。

5.根据权利要求1或2所述的埋地式宽域全光纤扰动传感与定位网络系统的光缆敷设结构，其特征在于：所述的上层为硬质板，在硬质板的下表面设置有周期性排布的凸起。

6.根据权利要求5所述的埋地式全宽域光纤扰动传感与定位网络系统的光缆敷设结构，其特征在于：所述的凸起为三角形、梯形、半圆形、或圆形。

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