CN105157874A - 一种分布式边界安防监测***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式边界安防监测***及其方法，***包括：窄线宽激光源，声光脉冲调制器，光纤放大器，两个光纤环形器，普通单模光纤，光电探测器，信号放大器，低通滤波器，同步信号控制器，声光调制驱动器，温度补偿封装的窄带光纤光栅，半导体温度控制器，一台计算机和一个数据采集卡。其中，计算机采用多点入侵解调算法是基于累加平均、减法操作、取绝对值、均衡功率、移动平均和小波去噪等多种子算法的组合，该解调算法有效提高了信号解调和定位的信噪比，扩大了***的有效监测距离。本发明具有精度高、误报率低、测量距离大、可实现多点同时解调等优点，适用于长距离周界/边界的实时安防监测。

Description

一种分布式边界安防监测***及方法

技术领域

本发明涉及安防技术领域，特别是涉及一种分布式边界安防监测***及方法。

背景技术

分布式光纤传感***的原理是同时利用光纤作为传感的敏感元件和信号传输介质，采用光时域反射(OTDR)技术，探测出沿着光纤不同位置的温度、应变、相位等待测参量的变化，实现真正分布式测量。作为一种新型分布式光纤传感技术，基于相位敏感的光时域反射计(Φ-OTDR)因可实现长距离分布式监测、耐腐蚀、高灵敏度、高隐蔽性、抗电磁干扰、实时主动监测等优点，在石油管道、边界周界等需要安防监测的领域具有广阔的应用前景，是当前安防领域的一个研究和应用热点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种分布式边界安防监测***及方法，能够实现实时、在线、长距离的边界安防监测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种分布式边界安防监测***，包括窄线宽激光源，所述窄线宽激光源的输出光经过声光脉冲调制器调制为具有重复频率的脉冲光；所述声光脉冲调制器输出的脉冲光进入光纤放大器进行功率放大，经第一光纤环形器进入窄带光纤光栅进行窄带滤波，经窄带光纤光栅滤波后的反射光再经所述第一光纤环形器后再经第二光纤环形器进入单模光纤；所述单模光纤用于探测扰动信号；所述单模光纤的后向散射的信号光经第二光纤环形器进入光电探测器，所述光电探测器的输出信号被信号放大器放大和并由低通滤波器滤波；所述低通滤波器的输出模拟电压信号由数据采集卡采集并模数转换后，由计算机进行数据的处理，并在入侵出现时发出实时报警信号。

所述窄带光纤光栅还设有半导体温度控制器，所述半导体温度控制器用于控制温度补偿封装的窄带光纤光栅的温度，以使得光纤光栅的反射波长稳定。

所述数据采集卡和声光调制驱动器由同步信号控制器控制进行同步工作。

所述的窄带光纤光栅由热膨胀系数为负值的材料封装。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种采用上述的分布式边界安防监测***进行监测的方法，所述计算机采用的信号解调算法包括以下步骤：

(1)先运用累加平均子算法对采集到的原始数据进行累加；

(2)对累加平均子算法得到的中间数据运用减法子算法进行处理，即用该时刻采集的光功率曲线减去无入侵时的参考光功率曲线；

(3)对减法子算法得到的中间数据运用取绝对值子算法进行处理；

(4)对取绝对值得到的中间数据运用累加平均子算法进行处理；

(5)对累加平均得到的中间数据运用均衡功率的子算法进行处理，以补偿传感光纤中光功率的损耗；

(6)对均衡功率得到的中间数据运用移动平均子算法进行处理；

(7)对移动平均得到的中间数据运用小波去噪子算法进行处理；

(8)根据预先设定的阈值，判定某位置是否存在入侵，并选择是否报警定位。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本发明实现的一种分布式边界安防监测***及其方法，将普通单模光纤铺设于待测目标，即可实现长距离分布式的边界/周界的入侵监测及定位，铺设部位和方向灵活；且因光纤尺寸小、无污染、防电磁干扰，对测量目标本身和周围环境的影响小。

本发明实现的一种分布式边界安防监测***及其方法，由于使用了被精确温度控制的一个温度补偿封装的窄带光纤光栅作为在线滤波器，可有效滤除由光纤放大器引起的自发辐射放大光等光谱成份的光，这提高了滤波的效果，并降低了信号滤波成本。且温度补偿封装的窄带光纤光栅的温度被半导体温度控制器控制，使得光纤光栅的滤波波长稳定，精度高(可达0.1pm)。

本发明实现的一种分布式边界安防监测***及其多点入侵信号解调算法，基于DLL文件开发了Labview平台下的数据采集和处理***，算法使用减法、累加平均、取绝对值、均衡功率、移动平均和小波去噪等多种子算法。这种些算法的组合提高了***监测精度和信号解调的信噪比，利用本发明实现的解调算法，能够实现传统算法中难以实现的多点入侵信号和光纤尾部信号的高精度解调。

本发明实现的一种分布式边界安防监测***及其多点入侵信号解调算法，得益于窄线宽的激光源，同一个光脉冲在不同空间位置的后向散射光之间有很高的相干性。当被测目标的某处光纤受到入侵等扰动时，该位置光的相位发生变化，基于各个散射光之间极高的相干性，使得解调功率曲线中出现明显的峰值。监测***信噪比高，测量准确可靠。

本发明实现的一种分布式边界安防监测***及其多点入侵信号解调算法，基于后向散射光之间的高度相干性和高速数据采集和处理***，使得该***可以测量光纤线路上所受到的任何扰动，包括低频的入侵事件，例如一个走动的非正常进入的人；也可以测量高频的振动信号，例如管道某位置的断裂等引起的振动信号。

附图说明

图1是本发明的***结构图；

图2是本发明的信号解调流程图；

图3是在2195m处对光纤加载扰动信号的***监测定位的信号解调结果图。其中，(A)是用传统信号解调方法得到的解调结果；(B)是用本发明的信号解调算法得到的解调结果；

图4是在1000m、3000m、8250m和10500m处同时对光纤加载多个扰动信号的***监测结果图。其中，(A)是用传统信号解调方法得到的解调和定位结果；(B)是用本发明的信号解调算法得到的解调和定位结果。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种分布式边界安防监测***，如图1所示，包括窄线宽激光源1，所述窄线宽激光源1的输出光经过声光脉冲调制器2调制为具有一定重复频率的脉冲光；所述声光脉冲调制器2输出的脉冲光进入光纤放大器3进行功率放大，经第一光纤环形器4进入窄带光纤光栅5进行窄带滤波，经窄带光纤光栅5滤波后的反射光再经所述第一光纤环形器4后再经第二光纤环形器7进入单模光纤8；所述单模光纤用于探测扰动信号；所述单模光纤8的后向散射的信号光经第二光纤环形器7进入光电探测器10，所述光电探测器10的输出信号被信号放大器11放大和并由低通滤波器12滤波；所述低通滤波器12的输出模拟电压信号由数据采集卡13采集并模数转换后，由计算机14进行数据的处理，并在入侵出现时发出实时报警信号。

其中，所述的窄带光纤光栅由热膨胀系数为负值的材料封装，封装后光纤光栅的温度-波长漂移系数低(仅为封装前的普通光纤光栅的温度-波长漂移系数的十分之一)。所述窄带光纤光栅5还设有半导体温度控制器6，所述半导体温度控制器6用于控制温度补偿封装的窄带光纤光栅5的温度，以使得光纤光栅5的反射波长稳定。其中，半导体温度控制器6的温度的精度为0.1℃，这使得窄带光纤光栅5的滤波波长稳定，精度为0.1pm。所述的同步信号控制器15用于控制数据采集卡13和声光调制驱动器16同步工作。

Φ-OTDR***中的超窄线宽连续激光通过脉冲调制器产生周期性短脉冲激光，经放大后从光环形器的一端进入铺设在待监测边界的传感光纤。光纤本身所具有的折射率不均匀性使脉冲激光发生瑞利散射，其后向瑞利散射光经光纤返回到光环形器，并被置于另一端的光电探测器接收，检测到光强p(t)，它包含两部分能量，记为p₁(t)和p₂(t)。其中p₁(t)表示各个散射中心产生的后向瑞利散射光在接收端独立叠加得到的光功率，它形成了常规OTDR接收端的光功率曲线。p₂(t)则表示光脉冲宽度内光纤上各个散射中心产生的后向散射光在接收端产生相干干涉而得到的光功率，它形成了Φ-OTDR接收端的锯齿状光功率曲线。当发生入侵事件时，由于弹光效应，对应位置传感光纤的折射率发生变化，导致该位置处后向瑞利散射光相位改变，进而造成干涉光强p₂(t)变化。

p(t)＝|e(t)|²＝p₁(t)+p₂(t)(1)

$p_1\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^2\exp (-2\mathrm{\α}\frac{c{\mathrm{\τ}}_i}{n_{\mathrm{\υ}}})\mathrm{rect}\left(\frac{t-{\mathrm{\τ}}_i}{W}\right)---\left(2\right)$

a_i和τ_i分别是第i个散射波的振幅和时间延迟，W为光脉冲宽度，N为散射中心个数，α是光纤衰减系数，c是真空中的光速，n_v是光纤折射率。当[(t-τ_i)/W]≤1时，矩形函数rect{[t-τ_i]/W}＝1，否则rect{[t-τ_i]/W}为零。时间延迟τ_i与第i个散射中心位置z_i的关系：τ_i＝2n_vz_i/c，为无扰动时第i个后向散射中心和第j个后向瑞利散射中心的相位差，它与z_ij的关系为其中，散射点间距离z_ij＝z_i-z_j。

将当前时刻采集到的后向散射光信号的光功率曲线与无入侵时采集到的后向散射光信号的光功率曲线相减，并结合本发明实现的信号解调算法，可得到含有明显功率峰值的解调曲线，根据峰值在曲线上的位置可定位入侵的空间位置。利用本发明的信号解调算法，可对单点入侵信号实时监测，也可对传统方法难以实现的多点入侵信号、尤其是光纤尾端的多点入侵信号进行实时监测。

本发明实现的一种分布式边界安防监测***及其方法，根据光脉冲宽度可计算分布式边界安防***入侵监测的空间分辨率：ΔL＝cΔt/2n_v，其中ΔL为空间分辨率，Δt光脉冲宽度，n_v为光纤折射率，c为真空中的光速。显然，减小光脉冲宽度，可提高***的空间分辨率。

本发明实现的一种分布式边界安防监测***及其方法，当发生入侵事件时，由于弹光效应，对应位置传感光纤的折射率发生变化，引起该位置处后向瑞利散射光的相位改变，进而引起干涉光强的变化。将当前时刻采集到的后向散射光信号的光功率曲线与无入侵时采集到的后向散射光信号的光功率曲线相减，得到含有明显功率峰值的解调曲线，根据峰值在曲线上的位置(与信号被接收的时间成正比关系)，可定位入侵的空间位置。

图2是本发明实现的一种分布式边界安防监测***及其多点入侵信号解调算法的信号解调算法流程图。信号解调算法遵循以下的数据处理步骤：①先运用累加平均算法对采集到原始数据进行处理；②对累加平均算法得到的中间数据运用减法的子算法进行处理，即用有入侵时刻采集的光功率曲线减去无入侵时的参考光功率曲线；③对减法子算法得到的中间数据运用取绝对值的子算法进行处理；④对取绝对值得到的中间数据运用累加平均的子算法进行处理；⑤对累加平均得到的中间数据运用均衡功率的子算法进行处理，对散射光信号的幅度进行补偿，即对信号乘以exp(αx)以补偿光脉冲传输过程中随距离增加而按照exp(-αx)规律的能量损耗，其中α为光纤的损耗系数，随着***所使用的光纤型号的不同而不同(例如对于普通单模光纤，α＝0.2dB/km)，x为光纤上某位置距脉冲入射端的距离。这实现检测信号的功率均衡，利于扰动信息的判定，特别有利于光纤传感光路的尾部信号的解调；⑥对均衡功率得到的中间数据运用移动平均的子算法进行处理；⑦对移动平均得到的中间数据运用小波去噪的子算法进行处理；⑧根据预先设定的阈值，判定某位置是否存在入侵，并选择是否报警定位。

本发明实现的一种分布式边界安防监测***及其多点入侵信号解调算法，进行了单点和多点的入侵监测试验。单点入侵监测中，模拟入侵的扰动被加载在光纤中2195m的位置。利用本发明一种分布式边界安防监测***及其多点入侵信号解调算法，成功监测和定位了该扰动，如图3所示。其中，(A)为用传统信号解调方法得到的解调结果，(B)为用本发明的信号解调算法得到的解调结果。多个入侵的监测中，模拟入侵的多个扰动信号分别被加载在光纤中的1000m、3000m、8250m和10500m处。利用本发明一种分布式边界安防监测***及其多点入侵信号解调算法，成功监测和定位了同时加载的四个扰动，如图4所示。其中，(A)为用传统信号解调方法得到的解调结果，(B)为用本发明的信号解调算法得到的解调结果。

显然，运用本发明一种分布式边界安防监测***及其多点入侵信号解调算法，实现了多个入侵信号的高精度、高信噪比解调。

Claims (5)

1.一种分布式边界安防监测***，包括窄线宽激光源(1)，其特征在于，所述窄线宽激光源(1)的输出光经过声光脉冲调制器(2)调制为具有重复频率的脉冲光；所述声光脉冲调制器(2)输出的脉冲光进入光纤放大器(3)进行功率放大，经第一光纤环形器(4)进入窄带光纤光栅(5)进行窄带滤波，经窄带光纤光栅(5)滤波后的反射光再经所述第一光纤环形器(4)后再经第二光纤环形器(7)进入单模光纤(8)；所述单模光纤用于探测扰动信号；所述单模光纤(8)的后向散射的信号光经第二光纤环形器(7)进入光电探测器(10)，所述光电探测器(10)的输出信号被信号放大器(11)放大和并由低通滤波器(12)滤波；所述低通滤波器(12)的输出模拟电压信号由数据采集卡(13)采集并模数转换后，由计算机(14)进行数据的处理，并在入侵出现时发出实时报警信号。

2.根据权利要求1所述的分布式边界安防监测***，其特征在于，所述窄带光纤光栅(5)还设有半导体温度控制器(6)，所述半导体温度控制器(6)用于控制温度补偿封装的窄带光纤光栅(5)的温度，以使得光纤光栅(5)的反射波长稳定。

3.根据权利要求1所述的分布式边界安防监测***，其特征在于，所述数据采集卡(13)和声光调制驱动器(16)由同步信号控制器(15)控制进行同步工作。

4.根据权利要求1所述的分布式边界安防监测***，其特征在于，所述的窄带光纤光栅(5)由热膨胀系数为负值的材料封装。

5.一种采用如权利要求1-4中任一权利要求所述的分布式边界安防监测***进行监测的方法，其特征在于，所述计算机采用的信号解调算法包括以下步骤：

(1)先运用累加平均子算法对采集到的原始数据进行累加；

(2)对累加平均子算法得到的中间数据运用减法子算法进行处理，即用该时刻采集的光功率曲线减去无入侵时的参考光功率曲线；

(3)对减法子算法得到的中间数据运用取绝对值子算法进行处理；

(4)对取绝对值得到的中间数据运用累加平均子算法进行处理；

(5)对累加平均得到的中间数据运用均衡功率的子算法进行处理，，以补偿传感光纤中光功率的损耗；

(6)对均衡功率得到的中间数据运用移动平均子算法进行处理；

(7)对移动平均得到的中间数据运用小波去噪子算法进行处理；

(8)根据预先设定的阈值，判定某位置是否存在入侵，并选择是否报警定位。