基于光纖傳感的隧道電纜入侵探測方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于光纖傳感的隧道電纜入侵探測方法，該電纜入侵探測方法包括：將探測光纖捆綁到電纜上并沿電纜一起鋪設(shè)；根據(jù)來自光纖的光信號特征檢測電纜是否受到入侵；如果電纜受到入侵，則根據(jù)相干光時域反射原理檢測電纜的入侵位置。本發(fā)明可以通過探測光纖檢測到電纜的入侵狀態(tài)，并通過基于相位的光時域反射技術(shù)對入侵發(fā)生區(qū)域位置進(jìn)行精確定位，這樣，不但可以對入侵人員定位外，也可對巡檢人員定位，從而使監(jiān)控室管理人員快速到達(dá)事發(fā)現(xiàn)場，減少響應(yīng)時間，在實際破壞或危險發(fā)生前做出應(yīng)對。
【專利說明】基于光纖傳感的隧道電纜入侵探測方法和系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力領(lǐng)域，特別是涉及一種基于光纖傳感的隧道電纜入侵探測方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖傳感技術(shù)是在20世紀(jì)70年代伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的，它是一種以光波為載體，光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界被測量信號的一種新型傳感技術(shù)。這些光纖傳感器根據(jù)作用范圍又可以分為三類:點式傳感器(如光纖微彎傳感器、光纖Fabry-Perot傳感器、光纖Bragg光柵傳感器等),積分傳感器(如光纖Michelson干涉儀和光纖Mach-Zehnder干涉儀),分布式傳感器(如利用布里淵散射效應(yīng)制成的應(yīng)力、溫度分布式傳感器)。其中由于分布式光纖傳感能夠監(jiān)測光纖每一點的數(shù)據(jù)，其應(yīng)用已經(jīng)得到世界范圍內(nèi)的廣泛重視，其本身具有其它傳統(tǒng)電傳感器無可比擬的優(yōu)點，主要是:電絕緣，抗電磁干擾，耐高溫高壓，耐化學(xué)腐蝕，布設(shè)靈活和維護(hù)成本低等。
[0003]目前，分布式光纖傳感器主要用于電力電纜、交通隧道等的溫度監(jiān)測和安全監(jiān)控。近幾年來，隨著社會的不斷發(fā)展，人們安防意識的不斷提高，然而管線破壞事件屢見不鮮，傳統(tǒng)的人工巡邏和泄露檢測技術(shù)已無法滿足人們的要求，因此，人們開始尋求一種自動監(jiān)測技術(shù)，在實際破壞發(fā)生前實現(xiàn)預(yù)警，這樣能大大減少由于破壞造成的損失。分布式光纖可以通過實時“感知”應(yīng)力、振動、聲音等信號，發(fā)現(xiàn)異常入侵信號而在周界、電力電纜、石油管線等的入侵監(jiān)測上掀起熱潮。
[0004]特別是，在隧道中有很多電纜、鋼材等貴重物品，常常發(fā)生偷盜事件；隧道電纜位置不明顯，容易受到第三方從外部鉆探和機(jī)械挖掘的破壞。此外，隧道中無手機(jī)信號，如巡檢人員或其他人員出現(xiàn)危險無法求救，危急人身安全。因此，對隧道電纜進(jìn)行實時監(jiān)測，并對不同的入侵行為進(jìn)行識別及定位，在實際破壞或危險發(fā)生前，發(fā)出預(yù)警信號，便于管理人員及時處理，在極大程度上減小了損失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種基于光纖傳感的電纜入侵探測方法和系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中無法定位入侵位置的問題。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，作為本發(fā)明的第一個方面，提供了 一種基于光纖傳感的電纜入侵探測方法，包括:將探測光纖捆綁到電纜上并沿電纜一起鋪設(shè)；根據(jù)來自光纖的光信號特征檢測電纜是否受到入侵；如果電纜受到入侵，則根據(jù)相干光時域反射原理檢測電纜的入侵位置。
[0007]進(jìn)一步地，探測光纖與電纜的軸線之間的連接與水平面之間的夾角為45度。
[0008]進(jìn)一步地，在根據(jù)光時域反射原理檢測電纜的入侵位置時，采用超窄脈沖光作為種子源。
[0009]進(jìn)一步地，入侵位置根據(jù)下式計算得到:Z=ct/(2 η)
其中，Z為入侵位置；t為入射信號與其返回信號的時間差；c為光在真空中的速度；n為光纖纖芯的有效折射率。
[0010]進(jìn)一步地，方法還包括根據(jù)探測光纖的光信號特征檢測電纜的入侵行為模式。
[0011]進(jìn)一步地，根據(jù)光纖的光信號特征檢測電纜的入侵行為模式包括:根據(jù)光信號的強(qiáng)弱、持續(xù)時間、信號間隔識別出入侵行為模式。
[0012]進(jìn)一步地，入侵行為模式包括機(jī)械挖掘、和/或機(jī)械鉆探、和/或人工挖掘、和/或人員偷盜。
[0013]進(jìn)一步地，電纜入侵探測方法還包括將入侵位置和入侵行為模式作為報警信息進(jìn)行報警。
[0014]作為本發(fā)明的第二個方面，提供了一種基于光纖傳感的電纜入侵探測系統(tǒng)，包括:探測光纖，捆綁到電纜上并沿電纜一起鋪設(shè)，用于生成入侵信息；監(jiān)控主機(jī)，與探測光纖耦合，用于采集入侵信息；工控機(jī)，與監(jiān)控主機(jī)電連接，用于根據(jù)來自探測光纖的光信號特征檢測電纜是否受到入侵，并在檢測到電纜受到入侵的情況下，根據(jù)光時域反射原理檢測電纜的入侵位置。
[0015]進(jìn)一步地，電纜入侵探測系統(tǒng)還包括綜合結(jié)果顯示及報警平臺，與工控機(jī)連接，用于顯不入侵報警信息。
[0016]本發(fā)明可以通過探測光纖檢測到電纜的入侵狀態(tài)，并通過基于相位的光時域反射技術(shù)對入侵發(fā)生區(qū)域位置進(jìn)行精確定位，這樣，不但可以對入侵人員定位外，也可對巡檢人員定位，從而使監(jiān)控室管理人`員快速到達(dá)事發(fā)現(xiàn)場，減少響應(yīng)時間，在實際破壞或危險發(fā)生前做出應(yīng)對。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明中基于光纖傳感的隧道電纜入侵探測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2是本發(fā)明中基于光纖傳感的隧道電纜入侵探測系統(tǒng)中探測光纖與電纜的位置關(guān)系圖。
[0019]圖3是本發(fā)明中基于光纖傳感的隧道電纜入侵探測方法的處理流程圖。
[0020]圖4是本發(fā)明隧道電纜入侵探測所依據(jù)的光時域反射的原理圖。
[0021]圖5是本發(fā)明中基于光纖傳感的隧道電纜入侵探測方法中探測數(shù)據(jù)處理流程圖。
【具體實施方式】
[0022]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進(jìn)行詳細(xì)說明，以求更為清楚明了地理解本發(fā)明的結(jié)構(gòu)組成和工作方式，但是本發(fā)明可以由權(quán)利要求限定和覆蓋的多種不同方式具體實現(xiàn)。
[0023]請參考圖1，作為本發(fā)明的第一個方面，其提供了一種基于光纖傳感的電纜入侵探測系統(tǒng)，特別適用于對隧道電纜入侵的探測。該隧道電纜入侵探測系統(tǒng)包括:探測光纖1，捆綁到隧道電纜2上并沿電纜一起鋪設(shè)，用于生成入侵信息，利用探測光纖I可以獲取隧道電纜2所受到的振動、聲音等信息；監(jiān)控主機(jī)3，與探測光纖I耦合，用于采集入侵信息，特別地，可實現(xiàn)入侵信息的去噪與濾波，并將其從模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，以供下述的工控機(jī)4使用；工控機(jī)4，與監(jiān)控主機(jī)3電連接，用于根據(jù)來自探測光纖I的光信號特征檢測隧道電纜2是否受到入侵，并在檢測到隧道電纜2受到入侵的情況下，根據(jù)相干光時域反射原理檢測隧道電纜2的入侵位置。其中，探測光纖I沿隧道電纜2捆綁鋪設(shè)于其表面，從而可以“感知”隧道電纜2表面的振動、壓力、聲音等信息，從而生成入侵信息。
[0024]本發(fā)明可以通過探測光纖I檢測到隧道電纜2的入侵狀態(tài)，并通過基于相位的光時域反射技術(shù)對入侵發(fā)生區(qū)域位置進(jìn)行精確定位，這樣，不但可以對入侵人員定位外，也可對巡檢人員定位，從而使監(jiān)控室管理人員快速到達(dá)事發(fā)現(xiàn)場，減少響應(yīng)時間，在實際破壞或危險發(fā)生前做出應(yīng)對。
[0025]進(jìn)一步地，在進(jìn)行電纜入侵探測時，由于光纜其本身是無源的，無需供電，從而使隧道電纜的7X24小時的實時監(jiān)測更易實現(xiàn)，安全性、可靠性高。此外用光纖監(jiān)測還具有抗電磁干擾、防腐蝕等優(yōu)點，可適合隧道的特殊環(huán)境。
[0026]優(yōu)選地，工控機(jī)4還可用于根據(jù)探測光纖I的光信號特征檢測隧道電纜2的入侵行為模式。優(yōu)選地，根據(jù)光纖的光信號特征檢測隧道電纜2的入侵行為模式包括:根據(jù)光信號的強(qiáng)弱、持續(xù)時間、信號間隔識別出入侵行為模式。優(yōu)選地，入侵行為模式包括機(jī)械挖掘、和/或機(jī)械鉆探、和/或人工挖掘、和/或人員偷盜(敲、砸)，從而幫助監(jiān)控室管理人員迅速反應(yīng)，在實際破壞發(fā)生前針對不同入侵行為做出應(yīng)對。也就是說，工控機(jī)4可根據(jù)探測光纖I采集到的隧道電纜2所受到的振動、應(yīng)力、聲學(xué)等信息進(jìn)行算法模式識別。特別地，工控機(jī)4對入侵行為模式具有自適應(yīng)的學(xué)習(xí)功能，從而不斷提高模式識別的精準(zhǔn)程度。
[0027]下面，對上述入侵行為模式識別的具體方法進(jìn)行詳細(xì)舉例說明:
步驟1，分析并生成與入侵行為模式(例如機(jī)械挖掘、機(jī)械鉆探、人工挖掘、人員偷盜等)相匹配的特征信息，例如，
a.機(jī)械挖掘(一般為從隧道外部，由遠(yuǎn)及近):其振動強(qiáng)度普遍大，且隨著挖掘機(jī)靠近隧道電纜的過程一般會經(jīng)歷振動強(qiáng)度由弱到強(qiáng)的過程，每次振動時間短。因此，其振動表現(xiàn)形式為:點式振動、間隔、再點式振動的反復(fù)，從而可以將該振動表現(xiàn)形式作為特征信息。
[0028]b.機(jī)械鉆探:振動強(qiáng)度較大，其振動表現(xiàn)形式為:連續(xù)振動(例如，振動強(qiáng)度由弱到強(qiáng))、間隔、再連續(xù)振動的反復(fù)，從而可以將該振動表現(xiàn)形式作為特征信息。
[0029]c.人工挖掘:振動強(qiáng)度小于機(jī)械挖掘，事件振動間隔每次都不完全一樣，其余和機(jī)械挖掘相似，從而可以將該振動表現(xiàn)形式作為特征信息。
[0030]d.人員偷盜:振動不規(guī)則，且發(fā)生入侵行為的前期的振動幾乎沒有，從而可以將該振動表現(xiàn)形式作為特征信息。
[0031]步驟2，由光信號特征分析實際行為模式產(chǎn)生的頻譜特征，然后根據(jù)上述特征信息與該頻譜特征比較，從而初步確定入侵行為模式，并將該頻譜特征和該初步確定的入侵行為模式存入模式識別庫。
[0032]步驟3，根據(jù)實際行為模式，(例如通過手動或自動的方式)不斷修正該模式識別庫。例如，可使用各種智能算法(例如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等)，使本方法具有自學(xué)習(xí)功能，從而提高模式識別的可靠性。
[0033]請參考圖1，探測光纖I通過抱箍6與隧道電纜2捆綁為一體，并沿隧道電纜2 —同鋪設(shè)。優(yōu)選地，請參考圖2，探測光纖I與隧道電纜2的軸線之間的連接與水平面之間的夾角為45度，這樣，既能在重力作用下使探測光纖I和隧道電纜2充分貼合，又不至于因為被踩踏而受到損害。進(jìn)一步地，由于探測光纖I只需沿隧道電纜2捆綁鋪設(shè)，施工方便易行，維修方便，適合于大范圍、長距離的電纜的實時監(jiān)測。
[0034]優(yōu)選地，電纜入侵探測系統(tǒng)還包括綜合結(jié)果顯示及報警平臺，與工控機(jī)4連接，用于顯不入侵報警信息。
[0035]總之，本發(fā)明中的上述方法可用來監(jiān)測隧道電纜不同的入侵行為模式，包括機(jī)械挖掘、機(jī)械鉆探、人工挖掘、人員偷盜等，此外，根據(jù)還可對基于相位的光時域反射技術(shù)對入侵發(fā)生區(qū)域位置進(jìn)行精確定位，并將數(shù)據(jù)傳回監(jiān)控中心(綜合結(jié)果顯示及報警平臺)，并能自動地根據(jù)所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)決定是否發(fā)出告警信號。
[0036]請參考圖3，作為本發(fā)明的第二方面，其還提供了一種基于光纖傳感的電纜入侵探測方法，特別適用于對隧道電纜入侵的探測，該方法包括:將探測光纖I捆綁到隧道電纜2上并沿隧道電纜2 —起鋪設(shè)；根據(jù)來自光纖的光信號特征檢測隧道電纜2是否受到入侵；如果隧道電纜2受到入侵，則根據(jù)光時域反射原理檢測隧道電纜2的入侵位置。
[0037]本發(fā)明可以通過探測光纖I檢測到隧道電纜2的入侵狀態(tài)，并通過基于相位的光時域反射技術(shù)對入侵發(fā)生區(qū)域位置進(jìn)行精確定位，這樣，不但可以對入侵人員定位外，也可對巡檢人員定位，從而使監(jiān)控室管理人員快速到達(dá)事發(fā)現(xiàn)場，減少響應(yīng)時間，在實際破壞或危險發(fā)生前做出應(yīng)對。
[0038]優(yōu)選地，請參考圖2，探測光纖I與隧道電纜2的軸線之間的連接與水平面之間的夾角為45度。這樣，既能在重力作用下使探測光纖I和隧道電纜2充分貼合，又不至于因為被踩踏而受到損害。進(jìn)一步地，由于探測光纖I只需沿隧道電纜2捆綁鋪設(shè)，施工方便易行，維修方便，適合于大范圍、長距離的電纜的實時監(jiān)測。
[0039]優(yōu)選地，在根據(jù)光時域反射原理檢測隧道電纜2的入侵位置時，采用超窄脈沖光作為種子源。
[0040]優(yōu)選地，請參考圖4，入侵位置根據(jù)下式計算得到:
Z=ct/(2 η)
其中，Z為入侵位置；t為入射信號與其返回信號的時間差；c為光在真空中的速度；n為光纖纖芯的有效折射率。
[0041]具體地說，本發(fā)明基于相位的光時域反射技術(shù)對入侵發(fā)生區(qū)域位置進(jìn)行精確定位的原理如圖4所示。光脈沖在光纖中傳播時，由于瑞利散射而發(fā)生能量損耗，通過監(jiān)測后向散射光強(qiáng)度，就可以獲得散射系數(shù)或衰減程度沿光纖分布的狀況?；贑-OTDR傳感原理，采用超窄脈沖光A作為種子源，注入光纖中的光是高度相干的，輸出為脈沖寬度區(qū)域內(nèi)反射回來的瑞利散射光相干涉的結(jié)果。系統(tǒng)采集光纖中的后向瑞利散射光B。當(dāng)光纖鏈路中有擾動發(fā)生時，系統(tǒng)所采集的后向瑞利散射光的折射率發(fā)生了改變，導(dǎo)致了在該位置處光相位發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致了散射光光強(qiáng)的變化。這樣，系統(tǒng)通過實時檢測光強(qiáng)，將前后兩個信號光強(qiáng)進(jìn)行對比，當(dāng)光強(qiáng)有變化時，通過計算強(qiáng)度發(fā)生變化的反射時間來判斷發(fā)生變化的擾動位置。設(shè)入射信號與其返回信號的時間差為t，那么利用上式就可計算出上述事件點與C-OTDR的距離Z。于是，就可以在光 纖鏈路中精準(zhǔn)定位發(fā)生擾動(擾動主要來自聲音和振動)的地點，從而定位入侵者。
[0042]如圖5所示，本發(fā)明的探測方法和探測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理的過程如下: 如隧道電纜附件出現(xiàn)機(jī)械挖掘行為，探測光纜2作為傳感器獲得振動、聲音等信息后將這些機(jī)械挖掘作用于光纜附近產(chǎn)的振動信號傳送給監(jiān)測主機(jī)3，監(jiān)測主機(jī)3對探測光纜傳輸過來的振動信號進(jìn)行去噪與濾波，降低環(huán)境對機(jī)械挖掘產(chǎn)生的振動信號的影響，并將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，后將經(jīng)去噪和濾波轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號傳輸給工控機(jī)4，用于信號的進(jìn)一步處理與分析。
[0043]工控機(jī)4對數(shù)字信號進(jìn)行分析，通過對信號的強(qiáng)弱等進(jìn)行分析判定有異常振動出現(xiàn)，并初步判定有入侵行為發(fā)生，并進(jìn)一步對信號進(jìn)行模式識別算法分析，通過分析信號的強(qiáng)弱、持續(xù)時間、信號間隔等信息發(fā)現(xiàn)該入侵行為產(chǎn)生的振動信號強(qiáng)度大，且振動信號由弱到強(qiáng)，每次振動信號發(fā)生的時間短。呈現(xiàn)“點式振動、間隔、再點式振動”的反復(fù)的形勢，識別出隧道電纜遇到機(jī)械挖掘的入侵行為。
[0044]判定入侵行為模式后，根據(jù)基于相位的光時域反射技術(shù)對入侵發(fā)生區(qū)域位置進(jìn)行精確定位。
[0045]最后將結(jié)果輸送到上位機(jī)軟件上的綜合結(jié)果顯示及報警平臺6進(jìn)行報警提示，報警信息包括:有發(fā)生機(jī)械挖掘的入侵事件，入侵發(fā)生的位置、入侵持續(xù)的事件。
[0046]優(yōu)選地，方法還包括根據(jù)探測光纖I的光信號特征檢測隧道電纜2的入侵行為模式。根據(jù)光纖的光信號特征檢測隧道電纜2的入侵行為模式包括:根據(jù)光信號的強(qiáng)弱、持續(xù)時間、信號間隔識別出入侵行為模式。入侵行為模式包括機(jī)械挖掘、和/或機(jī)械鉆探、和/或人工挖掘、和/或人員偷盜。電纜入侵探測方法還包括將入侵位置和入侵行為模式作為報警信息進(jìn)行報警。
[0047]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于光纖傳感的隧道電纜入侵探測方法，其特征在于，包括:將探測光纖(I)捆綁到隧道電纜(2)上并沿所述隧道電纜(2) —起鋪設(shè)；根據(jù)來自所述光纖的光信號特征檢測所述隧道電纜(2)是否受到入侵；如果所述隧道電纜(2)受到入侵，則根據(jù)相干光時域反射原理檢測所述隧道電纜(2)的入侵位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖傳感的隧道電纜入侵探測方法，其特征在于，所述探測光纖(I)與所述隧道電纜(2)的軸線之間的連接與水平面之間的夾角為45度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖傳感的隧道電纜入侵探測方法，其特征在于，在根據(jù)光時域反射原理檢測所述隧道電纜(2)的入侵位置時，采用超窄脈沖光作為種子源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖傳感的隧道電纜入侵探測方法，其特征在于，所述入侵位置根據(jù)下式計算得到:
Z=ct/(2 η) 其中，Z為入侵位置；t為入射信號與其返回信號的時間差；c為光在真空中的速度；n為光纖纖芯的有效折射率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖傳感的隧道電纜入侵探測方法，其特征在于，所述方法還包括根據(jù)所述探測光纖(I)的光信號特征檢測所述隧道電纜(2)的入侵行為模式。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于光纖傳感的隧道電纜入侵探測方法，其特征在于，根據(jù)所述光纖的光信號特征檢測所述隧道電纜(2)的入侵行為模式包括:根據(jù)光信號的強(qiáng)弱、持續(xù)時間、信號間隔識別出所述入侵行為模式。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于光纖傳感的隧道電纜入侵探測方法，其特征在于，所述入侵行為模式包括機(jī)械挖掘、和/或機(jī)械鉆探、和/或人工挖掘、和/或人員偷盜?！?br> 8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于光纖傳感的隧道電纜入侵探測方法，其特征在于，所述電纜入侵探測方法還包括將所述入侵位置和所述入侵行為模式作為報警信息進(jìn)行報警。
9.一種基于光纖傳感的隧道電纜入侵探測系統(tǒng)，其特征在于，包括: 探測光纖(1)，捆綁到隧道電纜(2)上并沿所述電纜一起鋪設(shè)，用于生成入侵信息； 監(jiān)控主機(jī)(3 )，與所述探測光纖(I)耦合，用于采集所述入侵信息； 工控機(jī)(4)，與所述監(jiān)控主機(jī)(3)電連接，用于根據(jù)來自所述探測光纖(I)的光信號特征檢測所述隧道電纜(2)是否受到入侵，并在檢測到所述隧道電纜(2)受到入侵的情況下，根據(jù)光時域反射原理檢測所述隧道電纜(2)的入侵位置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于光纖傳感的隧道電纜入侵探測系統(tǒng)，其特征在于，所述電纜入侵探測系統(tǒng)還包括綜合結(jié)果顯示及報警平臺，與所述工控機(jī)(4 )連接，用于顯示入侵報警信息。
【文檔編號】G08B13/186GK103824406SQ201410045550
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月8日
【發(fā)明者】肖愷, 沈曉娟, 劉廣賀, 周航宇, 趙浩 申請人:上海波匯通信科技有限公司