基于瑞丽散射原理的光纤安防系统在校园中的应用技术方案

本发明专利技术公开了一种基于瑞利散射的光纤安防系统的工作原理以及其在校园建设中的应用。其中，该系统的工作原理是：由激光器所产生的连续光通过声光调制器(AOM)调制为脉冲光。由于AOM 存在插入损耗，并且远距离传输对功率有较高要求，因此需要通过掺饵光纤放大器(EDFA)对光脉冲进行放大。光脉冲在光纤中传播时会因瑞利散射作用而产生背向散射光，背向散射光经光纤环形器后由光电探测器(PD)获取，控制现场的可编程门阵列(FPGA)作为同步触发采集以及声光调制器驱动的脉冲信号，能够根据探测距离的要求对调制脉冲频率进行调整。分析采集到的信号可以确定入侵位置以及入侵类型。由于光纤是无源的,不需要供电,使用安全;其铺设方便灵活，可以做到高隐蔽性,易于周围环境融于一体;这种光纤安防系统的误报和漏报明显优于常规的安防系统。

Application of optical fiber security system based on Rayleigh scattering principle in Campus

The invention discloses a fiber optic security system based on Rayleigh scattering and its application in campus construction. The working principle of the system is that the continuous light generated by the laser is modulated into a pulsed light by acoustooptic modulator (AOM). Because of the insertion loss in AOM and the high demand for long distance transmission, it is necessary to amplify the optical pulse through the bait fiber amplifier (EDFA). The backscattered light is generated by Rayleigh scattering when the optical pulse is propagated in the optical fiber. The backscattered light is obtained by the optical detector (PD) after the optical fiber ring device, and the programmable gate array (FPGA) is controlled as the synchronous trigger collection and the pulse signal driven by the acoustooptic modulator. It can be modulated according to the requirement of the detection distance. The pulse frequency is adjusted. The location and type of invasion can be determined by analyzing the collected signals. Because of the optical fiber is passive, it does not need power supply, and it is safe to use. It is convenient and flexible in laying. It can be high concealment and easy to integrate around the environment. The false alarm and misreporting of this fiber security system are obviously superior to the conventional security system.

【技术实现步骤摘要】
基于瑞丽散射原理的光纤安防系统在校园中的应用
本专利技术涉及一种用于一些重要区域的周边安全保护的光纤振动预警系统，属光纤传感器、光电信号的转换和周界安防等

技术介绍
光纤预警系统中的分布式光纤传感技术按照不同机理可以分为：干涉型、光纤光栅型和光时域反射型（OTDR）光纤传感技术。干涉型光纤传感技术是通过测量干涉光光程差的变化所引起的光强的变化来对外界物理量进行测量。该技术虽然具有较高的灵敏度，然而定位精度却不尽如人意，因此制约了其在光纤预警系统中的应用。光纤光栅传感系统(FBG)是一种全光纤无源器件，通过在光纤中写入光栅反射或者透射Bragg波长的光谱，检测光谱的变化实现对被测量的测量。虽然其抗干扰等能力较强，但光纤光栅是以光栅的波长作为传感媒介，通过波长漂移来感知外界物理参量的变化；欲加宽测量范围就必须采用宽带光源，而欲提高分辨率就必须压窄反射线宽，这就大大降低了宽光源的功率利用率。光时域反射计(OTDR,OpticalTimeDomainReflectometer)主要利用了光纤在生产过程中拉制的不均匀性所导致的光波在光纤中传播时发生的散射，散射效应主要有布里渊散射、拉曼散射和瑞利散射三种。其中瑞利散射的强度相比于其他两种散射要大，瑞利散射使光波能量消耗较大，检测光纤中背向瑞利散射光波的光强变化即能反映出光纤的衰减特性。由单纵模超窄线宽激光器(Laser)所产生的连续光通过声光调制器(AOM)调制为脉冲光。由于AOM存在插入损耗，并且远距离传输对功率有较高要求，因此需要通过掺饵光纤放大器(EDFA)对光脉冲进行放大。光脉冲在光纤中传播时会因瑞利散射作用而产生背向散射光，背向散射光经光纤环形器后由光电探测器(PD)获取，控制现场的可编程门阵列(FPGA)作为同步触发采集以及声光调制器驱动的脉冲信号，通过相应的算法分析采集到的数据可以准确地推算出入侵位置以及入侵类型等。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题是提供校园周界的安防预警，且提高监测的可靠性和稳定性。为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：提供一种非法入侵校园范围的监测方法，包括：上位机获取到经过初步分析计算的数字信号进行分析，将分析结果发送到终端页面，并在终端页面实时显示入侵位置、入侵时间、入侵类型等非法入侵信息。其中，上述得到的初步处理过的数字信号是经过DSP将数字信号进行浮点运算得到的，其中数字信号有ADC将模拟信号转换而来。其中，上述模拟信号，有APD将光信号转换而来。其中APD与监测光纤相连，光纤振动产生的瑞丽散射会使APD内形成具有一定规律的电信号，由此达到光电信号的转变。其中，光波进入APD前还要有平方检波器、匹配滤波器等进行光波的筛选，去除噪声波等导致误报的无用信号。其中，上述的光纤是本系统的信号传输介质，埋于校园周围地下，每当有非法入侵，会导致光纤振动，光纤振动会产生基于瑞利散射、基于拉曼散射和基于布里渊散射几种散射，本专利技术则利用了其中散射效果最强，规律性最明显的瑞丽散射来作为信号的传输进行分析。其中上述在光纤的入口要有一个激光器向光纤中发射光波，每当有外界侵入导致光纤振动，从而光纤中折射率发生变化，产生瑞丽散射进入APD进行进一步处理。其中，由于AOM存在插入损耗，并且远距离传输对功率有较高要求，因此在激光器发光进入光纤之前需要通过掺饵光纤放大器(EDFA)对光脉冲进行放大。附图说明图1是光纤形变示意图；图2是光纤形变量与扰力作用有效长度之间关系曲线图；图3是系统简化图；图4是相干瑞利散射检测原理图；图5是入侵事件激振力的变化图；图6是大车行驶实验波形图；图7是人走动实验波形图；图8是人工挖掘实验波形图。具体实施方式由于入侵事件的作用，光纤会发生形变，如图1所示，图中：1为光纤上表面，2为光纤轴线，3为光纤下表面，a为光纤半径，当光纤受外力作用时，光纤的长度发生变化，以光缆轴线为界，轴线以上的部分缩短，而轴线以下的部分伸长，△x为光缆的原始长度，在受到外力作用后，光纤轴线长度保持不变，弯曲角度为θ，rf为曲率半径，则光纤的变形量为光纤缩短量和增长量的和，由于光缆的直径相对于光纤的长度较小，因此轴线上部分的缩短量用上表面的缩短量代替，轴线下部分的增长量用下表面的增长量代替，则有式中:1／rf=-α2y／αx2,θ=△x／rf。外部激振力在光纤上的作用范围l，由于振动波在土壤中的传播衰减较快，超出l范围的振动对l单元的形变没有贡献，假设外部激振力作用在光纤上的有效长度为x，x≤l，光纤总形变可以表示为式中光缆振动函数较为复杂，无法得到解析解，因此利用近似的方法得到光纤形变量与扰力作用于光纤上的有效长度x之间的关系，如图2所示。从图2中可以看出，扰力作用距离在x=0.5m处最小，在x=1m处为0，x>1m后光纤形变随作用距离的增大而增大，速率逐渐趋于稳定。这主要是由于在0~0.5m内，外扰力引起的光缆振动在轴向上方向相同，光纤形变逐渐增大，在0.5m时振动反向，在1m时，光纤形变差相互抵消，随后，随着作用距离的增大，光纤形变差逐渐增大，趋于定值。设光纤长度为L，距离光纤首端z0的位置有一入侵事件，将一束强相干的光脉冲ε(t)注入到Φ-OTDR分布式预警光纤，受入侵事件影响，相位被调制量△δ如图3所示。如果t=0时光脉冲注入光纤，在t时刻首端接收到的后向瑞利散射场为E(△δ,t)，瑞利散射场是光纤不同位置后向散射光的叠加。假设光纤中光传播速度为v，传输常数为β，光纤任意位置z处光脉冲延迟为2z／v，相位延迟2βz。后向瑞利散射场E(△δ,t)式中：后向瑞利散射光在光纤首端产生干涉其中设I0为干涉光的总光强，γ为干涉光的效率，滤除直流分量，则光电探测器将光强信号转化为电流信号的过程是线性的式中：K为光电转换系数。在Φ-OTDR中由于使用了超窄线宽激光器，因此后向瑞利散射光之间具有强相干性。没有入侵事件发生时，Φ-OTDR中后向瑞利散射保持恒定。当发生入侵事件时，光纤的长度和折射率在弹光效应的作用下发生变化，探测器接收到的后向散射光叠加后的干涉光强发生变化，如图4所示。利用不同时刻后向散射曲线之间的差值来检测外界入侵事件所引起的干涉光强的变化，差值曲线中的尖峰处即为入侵事件发生的位置。不同入侵事件的振动信号在同一土壤环境下的衰减是一样的，从模型中可以看出，决定不同事件间信号的差异的关键因素是激振力的变化，而其它相关土壤的参数在外界环境确定后，不会发生变化。当参数确定后，根据Φ-OTDR光纤预警系统的模型，实验测得：大车行驶、人行走、人工挖掘三种入侵的波形如图6、7、8。很明显,这些信号携带有扰动源独特的信息特征。系统从时域、频域上对信号进行分析,并通过一定的算法,提取出相应的独特信号特征,据此判断是否属侵扰信号,系统是否发出报警信息。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于瑞丽散射原理的光纤安防系统，其特征在于，包括：激光器，声光调制器(AOM)，掺饵光纤放大器(EDFA)，光电探测器(PD)，可编程门阵列(FPGA)，以及上位机分析展示系统。

【技术特征摘要】
1.基于瑞丽散射原理的光纤安防系统，其特征在于，包括：激光器，声光调制器(AOM)，掺饵光纤放大器(EDFA)，光电探测器(PD)，可编程门阵列(FPGA)，以及上位机分析展示系统。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，由激光器产生连续的光。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所产生的连续光通过声光调制器(AOM)调制为脉冲光。4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，由于AOM存在插入损耗，并且远距离传输对功率有较高要求，因此需要通过掺饵光纤放大器(EDFA)对光脉冲进...

【专利技术属性】
技术研发人员：柴军杰，刘本刚，李建彬，刘浩宇，魏嘉，
申请(专利权)人：光子瑞利科技北京有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11