专利名称：基于光纤干涉仪的区域防入侵系统光纤干涉仪的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种基于光纤干涉仪的区域防入侵系统光纤干涉仪，涉及机械振动
的测量、冲击的测量和管道系统技术领域。
背景技术：
区域的安全防范一直以来都是一个重要的问题，诸如军事基地、机场、军械库、油
库、油气管道场站和住宅小区等，对这些区域的有效防护至关重要。
目前主要的区域入侵防范技术有基于电的和基于光的两大类； 基于电的技术主要有高压电网技术、泄漏电缆技术等。在某些重要区域边界上设 置了高压电网，能在一定程度上对入侵者形成威慑，但高压电网存在安全性差、不具备联动 报警功能；使用辐射电磁场的泄漏电缆进行入侵探测时，容易受到雷电等强电磁环境干扰 而增加系统误报。 基于光的技术主要有红外线对射报警技术、摄像头监视技术、光纤成像入侵探测 技术和光纤传感的入侵探测技术等。其中红外对射报警技术中红外激光束难以准确对准受 光器的微小靶心，尤其在雨天和雾霾天气时，会因雨水、雾霾的折射使激光束传播方向产生 偏差，晴朗天气时如有落叶、小动物等障碍物阻挡对射途径时就会引发系统报警，而且因不 具备一定的隐蔽性使得入侵者极易绕开对射路径，造成报警器失效；对布设方式的要求也 较高， 一般仅适用于短距离的平坦区域。 摄像头监视技术是目前采用的较多的一种入侵监测模式，摄像头监视由于具有较
窄的视野特别是在摄像头侧后面的盲区常常被攀越，而且摄像头监视也常常受到天气的影
响而失效。光纤成像入侵探测技术是基于光波在多模光纤中由于不同传输模式之间的干涉
形成散斑，散斑图像随外界扰动发生变化，该方式容易受到环境影响形成误报。 光纤传感的入侵探测技术有测量光纤的微弯损耗的，该方法灵敏度低，不适合于
动态事件的检测。 光纤传感的入侵探测技术中也有一部分是基于干涉检测原理的，如，中国石油天 然气集团公司和中国石油天然气管道局的"光纤安全预警装置"(ZL200620124262.X)实用 新型专利。目前的干涉技术方案的光纤干涉仪均为单一干涉仪和单一防线，这些方案同样 容易受到环境影响，把环境导致的一些假入侵信号误认为入侵而产生虚警。
实用新型内容本实用新型的目的是设计一种受环境影响小、虚警率低的基于光纤干涉仪的区域 防入侵系统光纤干涉仪。 鉴于上述几类安防技术存在的虚警率高、易受环境因素影响等问题，基于光纤干
涉技术的区域防入侵系统结合扰动事件的时间、空间特征有针对性的进行了克服。 提高光纤振动传感灵敏度的区域防入侵系统的改进是通过增加干涉仪两传感臂
的空间距离提高干涉仪对振动信号的感应灵敏度。[0012] 基于光纤干涉仪的区域防入侵系统光纤干涉仪的构成如图14所示，在保护区域 的外围设置多个防区，每个防区设置光纤干涉仪防线，防区之间光纤干涉仪的传感臂I 4、 光纤干涉仪的传感臂II 5由光路适配器17串联，接光源15的传输光路I 16接首端的光 路适配器17，光路适配器17分束后分成n路，分别对应于n个防区的防线；各防线围绕保 护区域一周后经过传输光路II 18再次进入适配器17，经过传输光路I 16后转换为电信号 进行处理。 系统的光源15发出的光经过传输光路I 16到达光路适配器17，经过光路适配器 17分束后分成n路，分别对应于n个防区；各防区内防线光路为光纤干涉仪，光信号经过各 防区内光纤干涉仪后传回，前面防区内形成的信号光在经过后续的防区时仅为传输，围绕 保护区域一周后经过传输光路II 18再次进入适配器17，经过传输光路I 16后转换为电信 号进行处理。 其中的光纤干涉仪为迈克尔逊干涉仪或者马赫曾德干涉仪或者迈克尔逊干涉仪 和马赫曾德干涉仪的混合使用方式或塞格纳克干涉仪； 光纤干涉仪的具体结构是 每个防区内的每个光纤干涉仪的结构在每个防区内，多道干涉仪光路布设时传 感子缆可以是全段敏感的结构(见图l)，从母缆1中分出光纤干涉仪2，而后进入母缆1由 传输光纤3传回；也可以是在传输子缆内经过一定距离传输后再开始设置干涉仪；多道光 纤干涉仪布设时可以将一道光纤干涉仪设置在传输母缆内，从母缆1中分出光纤干涉仪2， 而后进入母缆1经传输光纤3传回(见图2);也可以每道防线均对应于一根传感子缆；从母 缆1中分出光纤干涉仪2设置，而后进入母缆1经传输光纤3传回；每个光纤干涉仪的结构 是光纤干涉仪的传感臂I 4、光纤干涉仪的传感臂II 5设置在一根光缆内的相同或者不同 的束管内；或将光纤干涉仪的传感臂I 4、光纤干涉仪的传感臂I1 5设置在不同的光缆内； 这两根传感臂分别所在的光缆在空间上为相邻或者交叉或者分隔开；相邻是并排形式(见
图4)或者双绞线形式(见图5);交叉是两根光缆交织构成渔网状的结构形式(见图6);分
隔开是指两根光缆并行安装，两根光缆之间存在有间隔的安装方式(见图7); 每个光纤干涉仪的光路结构是直线型或弧线型安装，或者是S型曲线安装，或者
螺旋线型曲线安装，或者上述的几种情况的混和形式； 其中 直线型和弧线型安装是指光纤干涉仪根据区域边界特征设置成直线或者弧线； S型曲线(见图8)是指光纤干涉仪按照绕S型曲线的形式安装； 螺旋线型曲线(见图9)是指光纤干涉仪沿着螺旋线型曲线安装的一种方式，该螺 旋线是平面曲线或者空间立体曲线； 其中S型和螺旋线型曲线安装受振动影响的传感臂长度更长，产生的相位差也更 大，因此也具有更高的振动探测灵敏度； 多道防线的结构是在边界纵深方向上，分别设置多道光纤干涉仪；多道光纤干 涉仪分别设置在边界的两侧和边界上；在边界的内侧设置在地面下或者直接裸露在地面 上，在边界的外侧设置在地面下；在边界上视边界的类型和特征而定，如边界为栅栏，则沿 着栅栏的横带板布设并固定；如边界为铁丝网，则固定在铁丝网上，在铁丝网两侧则埋设在 铁丝网下方地面下；如边界由围墙组成时，在围墙的内外两侧和围墙墙体上，分别设置一道或多道光纤干涉仪，其中围墙内外光路埋设在地面下或者直接裸露在地面上，墙体上的光 纤干涉仪是在墙体刻槽埋设在墙体内，或在建筑墙时埋设在墙体内，或采用线卡钉直接钉 在墙体表面，或采用捆扎的方式将光纤干涉仪捆扎在铁丝网上，或混合采用上述几种固定 结构。 为降低区域出入口正常出入导致的系统虚警，本区域防入侵系统采用对区域出入 口单独配置防区，并给正常出入的授权人员配备遥控器(见图io)，或在出入口配备密码开 关(见图ll)，方便授权人员出入保护区域时暂时关闭出入口防区的入侵报警功能；配备遥 控开关是在大门的每扇门边上围光纤传感器ll后由光缆10接区域防入侵系统8，再由区 域防入侵系统8经信号线9接遥控信号接收装置7，再配以�？仄�6 ;密码开关是在大门的 每扇门边上围光纤干涉仪后由光缆接区域防入侵系统8，再由区域防入侵系统8经信号线 接密码输入键盘13。对于前者，在区域防入侵主机设备上连接�？匦藕沤邮兆爸�7，接收到 �？仄餍藕藕蠊乇栈虼蚩鋈肟诜狼谋ňδ埽欢杂诤笳撸诔鋈肟诎沧懊苈胧淙爰� 13，并用信号线连接到区域防入侵系统8，输入密码可暂时解除出入口防区的报警功能，授 权人员通过后恢复放入侵系统的报警功能。 为有效节省纤芯资源，在采用单波长光源时，不同防区、防线的光信号不能相互混 叠，因此当防区数量较大时所需的纤芯数量会较大。为了克服这个问题，本区域防入侵系统 提出两种复用纤芯的结构 第一种是每个防区内各光纤干涉仪的信号光在到达该防区前合用一根光纤传输， 如图12所示，其复用纤芯的结构是光源�？橛晒庀私邮逝淦鱅，适配器I输出再接对应防 区数量个适配器，每个适配器分别接本防区的两个光纤干涉仪，如防区I的光纤干涉仪I、
光纤干涉仪n，防区ii的光纤干涉仪ni、光纤干涉仪IV等，这些光纤干涉仪的输出一并
接光缆接头盒，最后再由光缆接至探测器阵列； 光源模块发出的光用一根光纤传输至第一个防区时，由适配器I分束为多束光， 数量与防区数相同；每一束光到达对应防区时，由适配器再分束为跟防线相同数量的多束 光，分别进入该防区内各光纤干涉仪。此方案在光源输出端及到达各防区之前进行了光路 的复用，可减少使用纤芯数量。 第二种方式为采用波长复用的结构，如图13所示，其复用纤芯的结构是光源模 块接梳状滤波器后再接到各个防区的适配器，各个防区的适配器分接两个光纤干涉仪，如
防区i的光纤干涉仪1、光纤干涉仪n，防区ii的光纤干涉仪ni、光纤干涉仪IV等，各防
区相同防线的光纤干涉仪接适配器耦合进同一光纤，接光缆接头盒，最后再由光缆接至探 测器阵列； 宽谱光源经过梳状滤波器后分为不同波长的多束光，数量与防区数相同，每一束 光经光纤传到对应防区，经适配器分为与该防区内防线数量相同的光束，分别进入各防线 的光纤干涉仪，输出的干涉信号经光纤传输至最后一个防区末端；不同防区、同一防线的干 涉信号在这里由适配器合束，由一根光纤传回到解波分复用器。该方式可大幅度降低光纤 和光缆使用量，降低光路安装难度和成本。 上述由宽谱光源经梳状滤波器获得的多束不同波长的光，也可以使用多个不同波 长的窄线宽光源获得。
由上可见按照保护区域大小和对入侵报警位置信息精度要求不同，区域防入侵系统将需保护的区域边界细分为最少一个或多个防区，在每个防区内都按照上述的光路设 置方式进行光纤干涉仪的布设，当光纤干涉仪探测到疑似入侵信号时系统产生警戒状态， 并在时间上设定一定长度的警戒状态延续时间，在警戒时间内出现综合特征符合入侵行为 特征时产生报警。这种结合时间和空间的综合判断能够有效判断出对保护区域的入侵行 为，降低系统虚警率，此外对保护区域的边界进行细分可以准确得出入侵发生区域的地理 位置，易于实现和其他系统的联动。 该光纤干涉仪抗环境干扰能力强，具有明显的性能优势和广泛的应用前景。区域
防入侵系统基于对振动的传感实现入侵事件探测，由于地质情况复杂多变，不同地质对振
动的吸收衰减差异很大，为了增加光纤干涉仪对不同地质条件的适应性，本实用新型提出
了一种不同空间距离间隔布设光纤干涉仪两个传感臂的结构，该结构会形成不同的振动信
号探测灵敏度，光纤干涉仪两臂空间间隔越大，所形成的振动信号探测灵敏度越高。 从上述光纤干涉仪的技术方案和工作原理可以看出，本实用新型通过将保护区域
边界细分为多个防区实现了入侵事件的准确定位，同时在保护区域边界设置多道防线，根
据不同纵深防线探测到的信号情况，能够准确区分入侵事件和随机扰动事件，有效降低了
非入侵事件导致的系统虚警，同时采用的光纤干涉技术具有灵敏度高、不受温度、天气等因
素影响，抗环境干扰能力强的优点，具有广泛的应用前景。
图1子缆全段敏感示意图 图2 —道光纤干涉仪设置在母缆示意图 图3在子缆内传输一定距离后开始设置光纤干涉仪示意图 图4并排布设方式示意图 图5双绞线布设方式示意图 图6渔网状网眼布设方式示意图 图7并行布设方式示意图 图8S型线光纤干涉仪布设方式示意图 图9螺旋线光纤干涉仪布设方式示意图 图IO�？乜厍虺鋈肟诜狼疽馔� 图11密码开关区域出入口防区示意图 图12光源输出端光路复用示意图 图13光源输出波长复用示意图 图14区域防入侵系统原理框图 其中l-母缆 3-传输光纤 5-光纤干涉仪的传感臂II 7-遥控信号接收装置 9-信号线 11-光纤传感器 13-密码输入键盘
2_光纤干涉仪 4-光纤干涉仪的传感臂I 6-遥控器 8-区域防入侵系统 10-光缆 12-围墙
14-密码键盘信号线[0055]
15-光源
17-光路适配器
19-保护区域
16-传输光路I IS-传输光路II 20-传感光路
具体实施方式结合附图和实施例对本实用新型进行进一步说明，但不应以此限制本实用新型的 保护范围。 实施例.本例的构成如图14所示，在保护区域的外围设置多个防区，每个防区设 置光纤干涉仪防线，防区之间的光纤干涉仪传感臂I 4、光纤干涉仪的传感臂II 5由光路 适配器17串联，接光源15的传输光路I 16接首端的光路适配器17，光路适配器17分束 后分成n路，分别对应于n个防区的防线；各防线围绕保护区域一周后经过传输光路II 18 再次进入适配器17，经过传输光路I 16后转换为电信号进行处理； 首先根据要保护的区域特征和用户要求进行防区数量、防线数量设计，如图14所 示保护的区域，设置n个防区、三道防线，在每一个防区内，都有平行于边界的两道防线，这 两道防线在纵深上间隔开，每道防线由一路马赫曾德干涉仪组成，光缆采用普通通信光缆， 安装方式为在同一根光缆内设置传感臂和参考臂，布设方式取为直线型；系统光源15发出 的光经过传输光路I 16到达光路适配器17，经过光路适配器17形成不同的分束后分别传 给不同的防区、防线，防区内防线光路设计为干涉型光路，每路光信号都仅仅进入一次干涉 仪光路，干涉仪光路外的部分均为传输，光信号围绕保护区域一周后，最后经过传输光路II 18再次进入光路适配器17，然后再经传输光路I 16传输到探测器阵列21 ，转换为电信号后 进行处理。 降低区域出入口正常出入系统虚警的光纤干涉仪的结构本例采用一种对区域出 入口单独配置防区，并给正常出入的授权人员配备�？仄�(见图10)的方法，方便授权人员 出入保护区域时暂时关闭出入口防区的入侵报警功能；其构成是在大门的每扇门边上围光 纤干涉仪11后由光缆10接区域防入侵系统8，再由区域防入侵系统8经信号线9接�？匦� 号接收装置7，再配以遥控器6 ;在区域防入侵主机设备上连接�？匦藕沤邮兆爸�7，接收到 �？仄餍藕藕蠊乇栈虼蚩鋈肟诜狼谋ňδ堋� 有效节省纤芯资源的光纤干涉仪的布设结构在采用单波长光源时，不同防区、防 线的光信号不能相互混叠，否则就无法准确区分出扰动信号的来源，因此当防区数量较大 时所需的纤芯数量会较大。为了克服这个问题，本例复用纤芯的结构 采用每个防区一根光源传输纤芯，如图12所示，其复用纤芯的结构是光源由光
纤接适配器i，适配器i输出再接对应防区数量个适配器n、适配器111…，每个适配器分别
接本防区的两个光纤干涉仪，如防区I的光纤干涉仪1、光纤干涉仪II，防区II的光纤干涉 仪III、光纤干涉仪IV等，这些光纤干涉仪的输出一并接光缆接头盒，最后再由光缆接至探 测器阵列； 光源15发出的光用一根光纤传输至第一个防区时，由适配器I分束为多束光，数 量与防区数相同；每一束光到达对应防区时，由适配器再分束为多束光，分别进入该防区内 各光纤干涉仪。此方案在光源输出端及到达各防区之前进行了光路的复用，可减少使用纤 芯数量。[0065] 在光纤干涉仪区域内，若存在入侵扰动时，会引起两传感臂之间的相位差发生变 化，进而形成干涉信号，通过信号处理器对干涉信号进行分析，对保护区域边界可疑扰动事 件特征进行判别。此光纤干涉仪不仅实现对区域入侵事件的探测而且有效降低了虚警率。 本例经多次试验，通过在保护区域的边界上布设的振动敏感光纤干涉仪能够实现 对边界任何扰动行为的探测，灵敏度高，也极大程度上降低了偶发事件导致的系统虚警率。
权利要求一种基于光纤干涉仪的区域防入侵系统光纤干涉仪，其特征是在保护区域的外围设置多个防区，每个防区设置光纤干涉仪防线，防区之间的光纤干涉仪传感臂I(4)、光纤干涉仪的传感臂II(5)由光路适配器(17)串联，接光源(15)的传输光路I(16)接首端的光路适配器(17)，光路适配器(17)分束后分成n路，分别对应于n个防区的防线；各防线围绕保护区域一周后经过传输光路II(18)再次进入适配器(17)，经过传输光路I(16)后转换为电信号进行处理；光源(15)发出的光经过传输光路I(16)到达光路适配器(17)，经过光路适配器(17)分束后分成n路，分别对应于n个防区的光纤干涉仪，光信号经过各防区内光纤干涉仪后传回，前面防区内形成的信号光在经过后续的防区时仅为传输，围绕保护区域一周后经过传输光路II(18)再次进入适配器(17)，经过传输光路I(16)后转换为电信号进行处理。
2. 根据权利要求1所述的一种基于光纤干涉仪的区域防入侵系统光纤干涉仪，其特征 是所述光纤干涉仪为迈克尔逊干涉仪或者马赫曾德干涉仪或者迈克尔逊干涉仪和马赫曾 德干涉仪的混合使用方式或塞格纳克干涉仪。
3. 根据权利要求1或2所述的一种基于光纤干涉仪的区域防入侵系统光纤干涉仪，其 特征是所述光纤干涉仪的传感臂1(4)、光纤干涉仪的传感臂11(5)设置在一根光缆内的相 同或者不同的束管内；或将干涉仪两臂设置在不同的光缆内；这两根光缆在空间上为相邻 或者交叉或者有一定程度的分离；相邻是并排形式或者双绞线形式；交叉是两根光缆交织 构成渔网状的网眼的结构形式；有一定程度分离是指两根光缆并行设置，两根光缆之间存 在有一个距离间隔的设置。
4. 根据权利要求3所述的一种基于光纤干涉仪的区域防入侵系统光纤干涉仪，其特征 是所述光纤干涉仪光路是直线型或弧线型布设或者是S型曲线布设或者螺旋线型曲线布 设或者几种的混和形式。
5. 根据权利要求1所述的一种基于光纤干涉仪的区域防入侵系统光纤干涉仪，其特征 是所述防区设置的光纤干涉仪防线为一道以上的光纤干涉仪构成多道防线；多道防线的结 构是在边界纵深方向上，分别设置一道或多道光纤干涉仪；多道光纤干涉仪分别设置在边 界的两侧和边界上；在边界的内侧设置在地面下或者直接裸露在地面上，在边界的外侧设 置在地面下；所述边界为栅栏，则沿着栅栏的横带板布设并固定；或所述边界为铁丝网，则 固定在铁丝网上，在铁丝网两侧则埋设在铁丝网下方地面下；或所述边界由围墙组成时，则 在围墙的内外两侧和围墙墙体上，分别设置一道或多道光纤干涉仪，其中围墙内外光纤干 涉仪埋设在地面下或者直接裸露在地面上，墙体上的光纤干涉仪是在墙体刻槽埋设在墙体 内，或在建筑墙时埋设在墙体内，或采用线卡钉直接钉在墙体表面，或采用捆扎的方式将光 纤干涉仪捆扎在铁丝网上，或混合采用上述几种固定结构。
6. 根据权利要求5所述的一种基于光纤干涉仪的区域防入侵系统光纤干涉仪，其特征 是在每个防区内，多道光纤干涉仪布设时传感子缆是全段敏感的结构，从母缆(1)中分出 光纤干涉仪(2)设置，而后进入母缆(1)经传输光纤(3)传回；或是在传感子缆内经过一 定距离传输后再开始设置光纤干涉仪(2);多道光纤干涉仪(2)布设时可以将一道光纤干 涉仪设置在传输母缆内，从母缆(1)中分出光纤干涉仪(2)，而后进入母缆(1)经传输光纤 (3)传回；或每道防线均对应于一根传感子缆，从母缆(1)中分出光纤干涉仪(2)，而后进入 母缆(1)经传输光纤(3)传回。
7. 根据权利要求1所述的一种基于光纤干涉仪的区域防入侵系统光纤干涉仪，其特征 是还采用一种通过对区域出入口单独配置防区，在该防区配备�？乜兀蛟诔鋈肟谂浔� 密码开关；所述配备�？乜胤绞绞窃诖竺诺拿可让疟呱喜忌韫庀舜衅�(11)后由光缆(10)接 区域防入侵系统(8)，再由区域防入侵系统(8)经信号线(9)接�？匦藕沤邮兆爸�(7)，再 配以�？仄�(6);在区域防入侵主机设备上连接�？匦藕沤邮兆爸�(7);所述密码开关是在大门的每扇门边上围光纤干涉仪后由光缆接区域防入侵系统(8)， 再由区域防入侵系统(8)经信号线接密码输入键盘(13)。
8. 根据权利要求1所述的一种基于光纤干涉仪的区域防入侵系统光纤干涉仪，其特征 是采用每个防区一根光源传输纤芯结构，光源(15)由光纤接适配器I，适配器I输出再接对 应防区数量个适配器，每个适配器分别接本防区的两个光纤干涉仪，这些光纤干涉仪的输 出一并接光缆接头盒，最后再由光缆接至探测器阵列；光源(15)发出的光用一根光纤传输至第一个防区时，由适配器I分束为多束光，数量 与防区数相同；每一束光到达对应防区时，由适配器再分束为多束光，分别进入该防区内各 光纤干涉仪。
9. 根据权利要求1所述的一种基于光纤干涉仪的区域防入侵系统光纤干涉仪，其特征 是采用波长复用的结构，光源�？榻邮嶙绰瞬ㄆ骱笤俳拥礁鞲龇狼氖逝淦鳎鞲龇狼� 适配器分接两个光纤干涉仪，各防区光纤干涉仪的传感臂接一适配器，参考臂接一适配器， 该两个适配器输出接光缆接头盒后接解波分复用器，解波分复用器输出接探测器阵列；宽谱光源经过梳状滤波器后分为不同波长的多束光，数量与防区数相同，每一束光经 光纤传到对应防区，经适配器分为与该防区内防线数量相同的光束，分别进入各防线的光 纤干涉仪，输出的干涉信号经光纤传输至最后一个防区末端；不同防区、同一防线的干涉信 号在这里由适配器合束，由一根光纤传回到解波分复用器。
专利摘要本实用新型是一种基于光纤干涉仪的区域防入侵系统光纤干涉仪，涉及机械振动的测量、冲击的测量和管道系统技术领域。其特征是在保护区域的外围设置多个防区，每个防区设置光纤干涉仪防线，防区之间的光纤干涉仪传感臂I(4)、光纤干涉仪的传感臂II(5)由光路适配器(17)串联，接光源(15)的传输光路I(16)接首端的光路适配器(17)，光路适配器(17)分束后分成n路，分别对应于n个防区的防线；各防线围绕保护区域一周后经过传输光路II(18)再次进入适配器(17)，经过传输光路I(16)后转换为电信号进行处理。
文档编号G01D5/26GK201498075SQ20092015670
公开日2010年6月2日 申请日期2009年5月31日 优先权日2009年5月31日
发明者刘素杰, 崔海龙, 张金权, 方德学, 朱建新, 杨文明, 欧毅, 焦书浩, 王小军, 王赢, 王飞, 赵锋 申请人:中国石油天然气管道局
专业数控铣床产品供应商
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