一種光纖水下智能圍欄系統及其應用的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種光纖水下智能圍欄系統及其應用，系統包括監測終端、傳輸光纜和光纖智能圍欄，監測終端位于水上，光纖智能圍欄位于水下，傳輸光纜連接監測終端和光纖智能圍欄，光纖智能圍欄包括振動傳感光纜子系統、圍欄和固定裝置，振動傳感光纜子系統通過固定裝置固定在圍欄上；振動傳感光纜子系統為無源器件。在水下的部分全部由無源器件組成，在工作時無電流通過，不輻射電磁波，也不受電磁干擾，不會產生漏電、短路、發熱等現象，可長期在水中工作而不具有危險性。僅在水面以上的監測終端需要低功率的電能供應，水下部分全部通過光纖器件和光纜傳輸光信號，能量損耗極小，可在水下長達數十公里的范圍內無需外界能源供應而長期工作。
【專利說明】一種光纖水下智能圍欄系統及其應用
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種水下的周界安防系統及其應用，特別是涉及一種其水下部分不包 含任何電子元器件、無需電能供應因而本質安全的可應用于各種臨水區域的光纖水下智能 圍欄系統及其應用。
【背景技術】
[0002] 隨著恐怖活動不斷地從陸地向水下發展，對水下入侵目標的檢測以及識別、定位、 預警成為新的關注焦點。近年來，各種檢測水下目標的技術及設備不斷涌現。
[0003] 現有的水下監測系統，無論是傳感器、數據采集系統，還是數據傳輸系統，大部分 由電子元器件組成，需要電力供應，這些電子元器件在水下環境中長期運行，有產生短路、 局部發熱等先天的安全隱患，均具有危險性。
【發明內容】
[0004] 針對上述問題，本發明的主要目的在于提供一種其水下部分不包含任何電子元器 件、無需電能供應因而本質安全的可應用于各種臨水區域的光纖水下智能圍欄系統及其應 用。
[0005] 本發明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的：一種光纖水下智能圍欄系 統，所述系統包括監測終端、傳輸光纜和光纖智能圍欄，監測終端位于水上，光纖智能圍欄 位于水下，傳輸光纜連接監測終端和光纖智能圍欄，傳輸光纜與監測終端連接的一端位于 水面上，傳輸光纜與光纖智能圍欄連接的一端位于水面下，所述光纖智能圍欄包括振動傳 感光纜子系統、圍欄和固定裝置，振動傳感光纜子系統通過固定裝置固定在圍欄上；所述振 動傳感光纜子系統為無源器件。
[0006] 在本發明的具體實施例子中：所述監測終端包括光源模塊、光分路模塊、檢測和放 大模塊、數據采集模塊、數據處理模塊和顯示模塊，光分路模塊與光源模塊和檢測和放大模 塊均電連接，檢測和放大模塊與數據采集模塊電連接，數據采集模塊與數據處理模塊電連 接，數據處理模塊與顯示模塊電連接；所述傳輸光纜與監測終端中的光分路模塊電連接。
[0007] 在本發明的具體實施例子中：所述傳感光纜子系統包括光預處理模塊、傳感光纜 和反射端；光預處理模塊與傳輸光纜連接，傳感光纜的一端連接在光預處理模塊上，傳感光 纜的另一端為所述的反射端。
[0008] 在本發明的具體實施例子中：所述光預處理模塊包括2X2光纖耦合器I、2X2光 纖耦合器II、光纖延遲線、光纖跳線I、光纖跳線II，所述光纖跳線I和光纖跳線II連接 2X2光纖耦合器I和2X2光纖耦合器II，光纖延遲線制作在光纖跳線I上。
[0009] 在本發明的具體實施例子中：所述振動傳感光纜子系統呈現曲線分布在圍欄上。
[0010] 一種光纖水下智能圍欄系統的應用，包括如下步驟：
[0011] (1).將監測終端放置于水面以上的遠離現場的安全監控中心，傳輸光纜一端連接 水上的監測終端，另一端進入水下連接光纖智能圍欄，光纖智能圍欄安裝在水下現場監測 需要的位置；
[0012] (2).當水下有入侵物觸碰光纖智能圍欄后，會引起圍欄及固定在上面的振動傳感 光纜子系統產生振動；入侵物作為振動源，根據光纖的彈光效應，振動源產生的振動信號將 引起該處傳感光纜內部光纖長度和折射率的微小變化，從而使得光纖內部傳輸的光在經過 該處傳感光纜的時候走過的光程隨時間而變化，實現對該處傳感光纜中傳播光的相位進行 調制；
[0013] (3).寬光譜的光源模塊發出的連續光波，經過光分路模塊后進入傳輸光纜，經過 傳輸光纜遠程傳輸到光纖智能圍欄的振動傳感光纜子系統中；在振動傳感光纜子系統的光 預處理模塊中，光能量被2X 2光纖耦合器I分為2個光分量，其中進入光纖跳線II的光分 量直接進入2X2光纖耦合器II中；進入光纖跳線I的光分量經過光纖延遲線，產生了延時 T后，再進入2 X 2光纖耦合器II ;光纖跳線I、光纖跳線II中的兩個光分量在2 X 2光纖耦 合器II中合并后進入傳感光纜，在傳感光纜內部傳播的是兩個具有時間差T的光分量，這 兩個光分量經過一定距離的向前傳播后，遇到傳感光纜末端的反射端，被反射后沿傳感光 纜原路向后傳播，至2X 2光纖耦合器II后，原來具有時間差T的兩個光分量被再次分光后 分別通過具有光纖延遲線的光纖跳線I和沒有延時的光纖跳線II，并進入2 X 2光纖耦合器 I中合并，合并后進入傳輸光纜，并通過傳輸光纜回到監測終端中；
[0014] (3).在監測終端中，返回的光信號經由光分路模塊后，首先進入檢測與放大模塊， 對光信號進行光電轉換、低噪聲放大、高通濾波處理，轉化成適合運算處理器采集和運算的 電信號；在數據采集模塊中完成模數轉換、高速數據采集；在數據處理模塊中完成信息解 調還原、頻譜變換、模式識別、智能分析、數據存儲功能；最終在顯示模塊中對各種監測到的 信息進行實時顯示、定位和報警或預警。
[0015] 本發明的積極進步效果在于：本發明提供的光纖水下智能圍欄系統及其應用具有 以下優點：
[0016] 1.安全：本發明中在水下的部分全部由無源器件組成，不具有引起危險的物理基 礎，在工作時無電流通過，不輻射電磁波，也不受電磁干擾，不會產生漏電、短路、發熱等現 象，可長期在水中工作而不具有危險性。
[0017] 2.綠色節能，低碳環保：本發明中僅在水面以上的監測終端需要低功率的電能供 應，水下部分全部通過光纖器件和光纜傳輸光信號，能量損耗極小，可在水下長達數十公里 的范圍內無需外界能源供應而長期工作。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發明的整個系統的簡圖。
[0019] 圖2是本發明中監測終端的結構示意圖的框圖(其中實體箭頭為光路方向，中空 箭頭為電路方向）。
[0020] 圖3是本發明中光纖智能圍欄的結構示意圖。
[0021] 圖4是本發明的一個實施例中振動傳感光纜子系統的結構示意圖。
[0022] 圖5是本發明的一個實施例中用于對振動源定位的頻譜曲線圖。
【具體實施方式】
[0023] 下面結合附圖給出本發明較佳實施例，以詳細說明本發明的技術方案。
[0024] 圖1是本發明的整個系統的簡圖，如圖1所示：在本發明中，整個系統包括監測終 端10、傳輸光纜20和光纖智能圍欄30,監測終端10位于水上，光纖智能圍欄30位于水下， 傳輸光纜20連接監測終端10和光纖智能圍欄30,傳輸光纜20與監測終端10連接的一端 位于水面上，傳輸光纜20與光纖智能圍欄30連接的一端位于水面下。
[0025] 另外，光纖智能圍欄30也可以放在陸地上，放在水下與陸地上均可以實現本發 明。
[0026] 圖2是本發明中監測終端的結構示意圖的框圖，其中實體箭頭為光路方向，中空 箭頭為電路方向。如圖2所示：在本發明中，監測終端10包括光源模塊11、光分路模塊12、 檢測和放大模塊13、數據采集模塊14、數據處理模塊15和顯示模塊16,光分路模塊12與光 源模塊11和檢測和放大模塊13均電連接，檢測和放大模塊13與數據采集模塊14電連接， 數據采集模塊14與數據處理模塊15電連接，數據處理模塊15與顯示模塊16電連接。傳 輸光纜20與監測終端10中的光分路模塊12電連接。
[0027] 圖3是本發明中光纖智能圍欄的結構示意圖，如圖3所示：在本發明中，光纖智能 圍欄30包括振動傳感光纜子系統31、圍欄32和固定裝置33,振動傳感光纜子系統31通過 固定裝置33固定在圍欄32上；在本發明中，振動傳感光纜子系統31采用無源器件。如圖 3所示：振動傳感光纜子系統31根據現場需要蛇形分布于圍欄32上，并由固定裝置33進 行固定。振動傳感光纜子系統31可以根據現場需要呈現不同的形狀分布于圍欄32上。本 發明水下部分全部由無源器件組成，不含電子器件，不用像常規電子產品一樣考慮水下的 密封性。
[0028] 圖4是本發明的一個實施例中振動傳感光纜子系統的結構示意圖，如圖4所示：在 本發明中，傳感光纜子系統31包括光預處理模塊311、傳感光纜312和反射端313 ;光預處 理模塊311與傳輸光纜20連接，傳感光纜312的一端連接在光預處理模塊311上，傳感光 纜312的另一端為反射端313。
[0029] 光預處理模塊311包括2X2光纖耦合器13111、2X2光纖耦合器II3112、光纖延 遲線3113、光纖跳線13114、光纖跳線113115,光纖跳線13114和光纖跳線II3115連接2X2 光纖耦合器13111和2X2光纖耦合器113112,光纖延遲線3113制作在光纖跳線13114上。
[0030] 本實施例的光路特征是：寬光譜的光源模塊11發出的連續光波，經過光分路模塊 12后進入傳輸光纜20,經過傳輸光纜20遠程傳輸到光纖智能圍欄30的振動傳感光纜子 系統31中。在振動傳感光纜子系統31的光預處理模塊311中，光能量被2X2光纖f禹合 器13111分為2個光分量，其中進入光纖跳線II3115的光分量直接進入2X2光纖耦合器 II3112中；進入光纖跳線13114的光分量經過光纖延遲線3113,產生了延時T后，再進入 2X2光纖耦合器II3112 ;光纖跳線13114、光纖跳線II3115中的兩個光分量在2X2光纖 耦合器II3112中合并后進入傳感光纜312,因此，在傳感光纜312內部傳播的是兩個具有時 間差T的光分量，這兩個光分量經過一定距離的向前傳播后，遇到傳感光纜312末端的反射 端313,被反射后沿傳感光纜312原路向后傳播，至2 X 2光纖耦合器II3112后，原來具有 時間差T的兩個光分量被再次分光后分別通過具有光纖延遲線3113的光纖跳線13114和 沒有延時的光纖跳線113115,并進入2X2光纖耦合器13111中合并，合并后進入傳輸光纜 20,并通過傳輸光纜20回到監測終端10中。
[0031] 光預處理模塊311在本實施例中起到分離傳感系統和傳輸系統的作用。光預處理 模塊311 -端連接的傳感光纜312,能夠感知自身的振動信息，起到傳感的作用；當光分量 往返兩次通過光預處理模塊311時，經過分束、合束、延遲等光學預處理作用，之后再回到 光預處理模塊311另一端的傳輸光纜20,此時傳輸光纜20僅僅起到傳輸光信號的作用，其 內部的光信號不再受周圍環境中各種振動信息的影響。
[0032] 在振動傳感光纜子系統31中一共產生如下的4個光分量：（a)向前傳播時具有延 時T，向后返回時沒有延時；（b)向前傳播時沒有延時，向后返回時具有延時T ; (C)向前傳 播和向后返回都沒有延時；（d)向前傳播和向后返回都具有延時T。因為光源模塊11采用 寬光譜光源，使得光波的相干長度小于光纖延遲線3113的長度，因次，上述4個光分量中， 只有光分量（a)和（b)滿足相干條件，產生干涉后的光波通過光分路模塊12后進入檢測與 放大模塊13,轉變為電信號后依次進入數據采集模塊14、數據處理模塊15、和顯示模塊16 中。
[0033] 本實施例的工作機理如下：
[0034] 監測終端通過傳輸光纜向光纖智能圍欄上的振動傳感光纜子系統發射光信號；受 到調制后的光信號再返回到監測終端后，在監測終端內部完成光電轉換、信號采集、信號解 調、分析處理、顯示與報警等功能，從而實現對水下入侵圍欄行為的實時監測。
[0035] 當水下有蛙、人等入侵物觸碰光纖智能圍欄30后，會引起圍欄32及固定在上面 的振動傳感光纜子系統31產生振動。蛙、人等入侵物可作為振動源314,根據光纖的彈光 效應，振動源314產生的振動信號將引起該處傳感光纜312內部光纖長度和折射率的微小 變化，從而使得光纖內部傳輸的光在經過該處傳感光纜312的時候走過的光程隨時間而變 化，實現對該處傳感光纜312中傳播光的相位進行調制。
[0036] 在傳感光纜312沒有產生振動的情況下，光分量（a)和（b)在經過傳感光纜312 后，走過的光程完全相同。
[0037] 在振動源314在傳感光纜312某點處產生振動的情況下，當光波向前傳播時受到 振動源314的第一次調制，當光纖中的光波遇到反射端313后被反射向后傳播至振動源314 時，被第二次調制。設兩次調制之間的時間間隔為T，振動源314所處的位置和反射端313 之間的距離為L，顯然T和L之間有下式成立：
【權利要求】
1. 一種光纖水下智能圍欄系統，其特征在于：所述系統包括監測終端（10)、傳輸光纜 (20)和光纖智能圍欄（30)，其中監測終端（10)位于水上，光纖智能圍欄（30)位于水下，傳 輸光纜（20 )連接監測終端（10 )和光纖智能圍欄（30 )，傳輸光纜（20 )與監測終端（10 )連接 的一端位于水面上，傳輸光纜（20)與光纖智能圍欄（30)連接的一端位于水面下，所述光纖 智能圍欄（30)包括振動傳感光纜子系統（31)、圍欄（32)和固定裝置（33)，振動傳感光纜子 系統（31)通過固定裝置（33)固定在圍欄（32)上；所述振動傳感光纜子系統（31)為無源器 件。
2. 根據權利要求1所述的光纖水下智能圍欄系統，其特征在于：所述監測終端（10)包 括光源模塊（11 )、光分路模塊（12)、檢測和放大模塊（13)、數據采集模塊（14)、數據處理模 塊（15)和顯示模塊（16)，光分路模塊（12)與光源模塊（11)和檢測和放大模塊（13)均電連 接，檢測和放大模塊（13)與數據采集模塊（14)電連接，數據采集模塊（14)與數據處理模塊 (15)電連接，數據處理模塊（15)與顯示模塊（16)電連接；所述傳輸光纜（20)與監測終端 (10)中的光分路模塊（12)電連接。
3. 根據權利要求1所述的光纖水下智能圍欄系統，其特征在于：所述傳感光纜子系統 (31)包括光預處理模塊（311 )、傳感光纜（312)和反射端（313);光預處理模塊（311)與傳 輸光纜（20 )連接，傳感光纜（312 )的一端連接在光預處理模塊（311)上，傳感光纜（312 )的 另一端為所述的反射端（313)。
4. 根據權利要求3所述的光纖水下智能圍欄系統，其特征在于：所述光預處理模塊 (311)包括2X2光纖耦合器I (3111)、2X2光纖耦合器II (3112)、光纖延遲線（3113)、光 纖跳線I (3114)、光纖跳線II (3115)，所述光纖跳線I (3114)和光纖跳線II (3115)連 接2X2光纖耦合器I (3111)和2X2光纖耦合器II (3112)，光纖延遲線（3113)制作在光 纖跳線I (3114)上。
5. 根據權利要求1所述的光纖水下智能圍欄系統，其特征在于：所述振動傳感光纜子 系統（31)呈現曲線分布在圍欄（32)上。
6. -種光纖水下智能圍欄系統的應用，其特征在于：所述應用包括如下步驟： (1) .將監測終端（10)放置于水面以上的遠離現場的安全監控中心，傳輸光纜（20) - 端連接水上的監測終端（10)，另一端進入水下連接光纖智能圍欄（30)，光纖智能圍欄（30) 安裝在水下現場監測需要的位置； (2) .當水下有入侵物觸碰光纖智能圍欄（30)后，會引起圍欄（32)及固定在上面的振 動傳感光纜子系統（31)產生振動；入侵物作為振動源（314)，根據光纖的彈光效應，振動源 (314)產生的振動信號將引起該處傳感光纜（312)內部光纖長度和折射率的微小變化，從而 使得光纖內部傳輸的光在經過該處傳感光纜（312)的時候走過的光程隨時間而變化，實現 對該處傳感光纜（312)中傳播光的相位進行調制； (3) .寬光譜的光源模塊（11)發出的連續光波，經過光分路模塊（12)后進入傳輸光纜 (20)，經過傳輸光纜（20)遠程傳輸到光纖智能圍欄（30)的振動傳感光纜子系統（31)中；在 振動傳感光纜子系統（31)的光預處理模塊（311)中，光能量被2 X 2光纖耦合器I (3111)分 為2個光分量，其中進入光纖跳線II (3115)的光分量直接進入2X2光纖耦合器11(3112) 中；進入光纖跳線1(3114)的光分量經過光纖延遲線（3113)，產生了延時T后，再進入2X2 光纖耦合器II (3112);光纖跳線I (3114)、光纖跳線II (3115)中的兩個光分量在2X2光 纖耦合器II (3112)中合并后進入傳感光纜（312)，在傳感光纜（312)內部傳播的是兩個具 有時間差T的光分量，這兩個光分量經過一定距離的向前傳播后，遇到傳感光纜（312)末端 的反射端（313)，被反射后沿傳感光纜（312)原路向后傳播，至2X2光纖耦合器II (3112) 后，原來具有時間差T的兩個光分量被再次分光后分別通過具有光纖延遲線（3113)的光纖 跳線I (3114)和沒有延時的光纖跳線II (3115)，并進入2X2光纖耦合器I (3111)中合 并，合并后進入傳輸光纜（20)，并通過傳輸光纜（20)回到監測終端（10)中； (4).在監測終端（10)中，返回的光信號經由光分路模塊（12)后，首先進入檢測與放大 模塊（13)，對光信號進行光電轉換、低噪聲放大、高通濾波處理，轉化成適合運算處理器采 集和運算的電信號；在數據采集模塊（14)中完成模數轉換、高速數據采集；在數據處理模 塊（15)中完成信息解調還原、頻譜變換、模式識別、智能分析、數據存儲功能；最終在顯示 模塊（16)中對各種監測到的信息進行實時顯示、定位和報警或預警。
【文檔編號】G08B13/186GK104424741SQ201310374226
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月23日 優先權日:2013年8月23日
【發明者】趙棟, 賈波, 唐璜 申請人:上海杰蜀光電科技有限公司