专利名称：光缆、光电复合缆的外部安全预警和定位系统的制作方法
技术领域：
本发明属于光电子及信息技术领域，特别涉及一种光缆、光电复合缆的外 部安全预警和定位系统。
技术背景光缆和光电复合电缆是目前光通信行业和电力行业广泛采用的一种信息传 输介质，光缆和光电复合电缆的运营安全关系到社会的稳定和国家经济利益的 保障。因此对光缆和光电复合电缆运营过程中的外部侵害事件进行实时在线的 预警和定位监测是保证其安全运营的关键。传统的光缆和光电复合电缆的损害检测主要采用光时域反射计(OTDR) 来进行，这种技术只能在光缆已经被侵害事件破坏产生光缆内光纤断裂的情况 下才有效，无法实现对侵害事件的实时在线检测，而且对断点的定位精度会随 着光缆长度的增加而降低。另外一种监测方法是采用光纤光栅等具有应力应变 敏感特性的传感器件对光缆进行安全检测的话，这种方法必须在光缆内加入光 纤光栅器件，从而破坏了光缆本身的传输特性，因此这些方法都无法在现有的 通信光缆或者光电复合电缆上实现在线应用。现有传统的光缆在线监测系统都是在事件发生之后报警，此时，事件产生 的破坏已经形成，应急机制的作用只能是通讯的恢复；若发生数据盗取，目前 还没有技术能力可以事前，甚至是事后报警。 发明内容本发明的目的是为了解决上述技术的不足而提供一种能提前预警、准确定 位、使用简单及适用范围广的光缆、光电复合电缆的外部安全预警和定位系统。为了达到上述目的，本发明所设计的一种光缆、光电复合电缆的外部安全 预警和定位系统，主要包括光纤传感光学系统、信号处理系统和系统软件，其 中光纤传感光学系统为双向共光路分布式光纤干涉仪，信号处理系统为DFB半 导体激光器恒流驱动电路、温度控制电路、PIN探测器电路及AD转换采集电 路，系统软件包括前端采集和预处理软件包、小波分析与特征提取软件包、时3延判断软件包和用户界面。在光学系统中，所述的双向共光路分布式光纤干涉仪，采用两个相同的偏 振无关的光纤分光器与通信光缆或者光电复合电缆中的传感用单模光纤共同构 成等臂长的干涉仪；DFB半导体激光器发出的光经过光隔离器后，采用光纤分 光器分成等光强的两路，分布经过不同的传输光纤输入到干涉仪的两端。为了 使两路干涉信号的附加相位差一致，正反两个方向的光进入构成干涉仪的分光 器后，必须通过直通臂直接相连。两路干涉信号通过不同的光纤回到接收端， 经过PIN探测器把光信号转换为电信号，获得两路波形一致的干涉信号，然后 经过AD转换成数字信号，进入系统软件进行预处理，然后通过小波分析提取 特征，输入神经网络进行计算，识别事件。当事件识别完成后，根据事件性质， 采用时延算法对事件的发生位置进行定位，最终完成对侵害事件的预警和定位。本发明利用通信光缆或者光电复合电缆内的光缆本身作为敏感器件，结合双向同光路偏振无关的分布式光纤干涉仪技术，并结合小波分析和神经网络算法进行外部安全预警和定位。本发明得到的一种光缆、光电复合电缆的外部安全预警和定位系统，结合 DFB半导体激光器和双向共光路光纤干涉技术原理，大幅提高报警信号信噪比；基于多波带时频谱特征分析的信号预处理算法的事件判断，可以实现对多种不 同威胁通信链路和数据安全的侵入事件的精确判断，可以对多目标和多事件进 行判断；以变换域空间信号距离为激励函数设计径向基神经网络，实现神经网 络的实时训练和自学习；基于自适应滤波技术和小波广义相关技术针对不同的 事件进行实时定位，可以实现多事件的实时定位。本发明所得到的一种光缆、光电复合电缆的外部安全预警和定位系统，对 通信光缆的实时安全报警及准确定位系统可在破坏事件发生前提前预警，使通 讯维护单位在事件发生前就可以采取相应的防范措施，从而可以避免破坏带来 的直接损失，如光纤修护的材料及人工费用等；避免带来的间接损失，如光纤 使用单位的通讯中断赔偿等；避免破坏带来的对社会经济发展的负面影响；提 前采取措施，避免数据的被盗。对于光纤骨干网，特别是长距离光纤骨干网而言，除了对事件有提前相应 外，对事件发生的防范措施的实施的及时性及有效性将更为重要，通信光缆的实施安全报警及准确定位系统的100米定位精度为此提供了充分的技术保障， 从而可以达到的效果是节约了事件防范的排査时间，为事件发生的防范措施 提供了时间余量；使相关人员能就近到达时间现场，提高了人员的使用效率； 从技术层面为数据盗取事件的侦破提供了事实依据。本发明提供的光缆、电缆的外部安全预警和定位系统，无需在现有的光纤 网络上做任何施工，只需在通讯光纤的节点两端安装本发明的系统，即可达到 系统的设计功能，因此，本发明的系统不仅适用于陆地环境，也适用于水下环 境，使之使用简单、适用环境广阔。
图1是光缆/电缆外部安全预警与定位系统总体构架结构示意图； 图2处理单元构架结构示意图；图3主机系统构架结构示意图；图4为光缆及光电复合电缆的外部安全预警和定位系统框图。 其中(a)前端感应单元(b)后端感应单元(c)主机服务器及软件系统 (d)控制单元(e)处理单元具体实施方式
下面通过实施例结合附图对本发明设计的光缆及光电复合电缆外部安全预 警与定位系统作进一步说明。实施例本发明设计的光缆及光电复合电缆外部安全预警与定位系统，整个系统构 建如图1，系统由操作人员通过主机程序进行控制。操作人员通过主机程序界 面启动系统并加载系统所安装地点的电子地图。在通过相关技术培训后操作人 员针对系统环境和具体要求进行参数设置。程序启动后传感器开始实时的对通 信光纤进行监控，不断的向感应单元发送激光信 作为输入激励，同时把接收 得到的光信号转为电信号并进行滤波和放大。完成上述处理后的信号将通过高速AD采集板转化为采样率很高的数字信号传送给控制单元进行进一步的信号 分析和处理。控制单元的神经网络是安装前训练好的。通过控制单元，系统实 时对釆集到的信号进行识別以判断是否有事件发生。如果判断冇事件发生则对 事件进行定位获取其位置信息并通过报警接口向主机进行预警及报警。每次事 件识别成功后将由主机反馈典型事件信息并存入典型数据库。同时控制单元将 会利用典型数据库内新的信息对网络进行反馈加强训练。 一旦从控制单元接收 到报警信息，系统将在电子地图自动在发生事件的位置上显示报警信息。同时 系统还可以根据操作人员的配置自动或手动的启动第三方的辅助监控设备如摄 像头等装置进行事件的进一步确认或驱动继电器启动应急的方案。事件的详细 信息将存入后台数据库并通过网络发往其他平台。事件得到确认后将作为典型 事件反馈回控制单元用以加强神经网络训练。其中各单元模块介绍1) 前端感应单元2211与末端感应单元2221:如图1所示，为分布式光纤传感光学系统的连接组网端接单元，与被监测 光缆一起构成偏振无关的双向共光路分布式光纤干涉仪。偏振无关的光纤分光 器4和5与通信光缆中的光纤61， 62共同构成Mach-Zehnder千涉仪；来自激 光光源的光从光纤1进入到隔离器2和偏振控制器7后，经过光纤分光器3的 输入端31 ，分别从输出端312和321输出；输出端312的光通过分光器4的输 入端411进入光纤干涉仪，从分光器5的输出端522输出，经过光纤63回到接 收端81;输出端321的光通过光纤64输入到分光器5的输入端512进入光纤 干涉仪，从分光器4的输出端421输出，回到接收端82。2) 处理单元3211:处理单元结构如图2所示，由激光器、光发光收驱动电路、光电转换电路、 激光器功率控制电路、模拟放大和滤波器、高速AD采集板等部件组成，主要用 来完成激光的发送、接收和功率调整。系统不断的向感应单元发送激光信号作 为输入激励，同时把接收得到的光信号转为电信号并进行滤波和放大。完成上 述处理后的信号将通过高速AD采集板转化为采样率很高的数字信号传送给控 制单元进行进一步的信号分析和处理。3) 控制单元4211:由小波子带分解、特征向量生成、神经网络训练、神经网络识别、事件定 位、报警接口等部件组成。该单元首先对处理单元传送过来的数字信号进行小 波子带分解，然后根据分解的结果获取各子带的时频及能量特征作为神经网络 输入的特征向量。根据实际环境取得样本对神经网络进行训练从而得到所需的 神经网络模型。之后系统便可以实时的对采集到的信号进行识别以判断是否有 事件发生。如果判断有事件发生则对事件进行定位获取其位置信息并通过报警 接口向主机进行预警及报警。每次事件识别成功后将由主机反馈典型事件信息 并存入典型数据库。同时控制单元将会利用典型数据库内新的信息对网络进行 反馈加强训练。4) 主机系统及主机软件主机系统如图3、图4所示，包括系统集成控制、第三方设备控制、继电器驱动、用户界面、典型事件确认，后台数据库和网络通信以及电子地图等部 件。主机对整个系统起到控制，参数设置，局域网组网，控制第三方公司提供 的辅助监控设备，驱动继电器启动应急装置，存储并发送报警日志信息到指定 网络平台等功能。操作人员可以通过主机程序界面启动系统并加载系统所安装 地点的电子地图。在通过相关技术培训后操作人员还可以针对系统环境和具体 要求进行参数设置。 一旦从控制单元接收到报警信息，系统将在电子地图自动 在发生事件的位置上显示报警信息。同时系统还可以根据操作人员的配置自动 或手动的启动第三方的辅助监控设备如摄像头等装置进行事件的进一步确认或 驱动继电器启动应急的方案。同时事件的详细信息将存入后台数据库并通过网 络发往其他平台。事件得到确认后将作为典型事件反馈回控制单元用以加强神 经网络训练。
权利要求
1、一种光缆、光电复合电缆的外部安全预警和定位系统，主要包括光纤传感光学系统、信号处理系统和系统软件，其特征是所述的光纤传感光学系统为双向共光路分布式光纤干涉仪，信号处理系统为DFB半导体激光器恒流驱动电路、温度控制电路、PIN探测器电路及AD转换采集电路，系统软件包括前端采集和预处理软件包、小波分析与特征提取软件包、时延判断软件包和用户界面。
2、 根据权利要求1所述的在光学系统中， 一种光缆、光电复合电缆的外部安 全预警和定位系统，其特征是所述的双向共光路分布式光纤干涉仪，采用 两个相同的与偏振无关的光纤分光器与通信光缆或者光电复合电缆中的 传感用单模光纤共同构成等臂长的干涉仪；DFB半导体激光器发出的光 经过光隔离器后，采用光纤分光器分成等光强的两路，分布经过不同的传 输光纤输入到干涉仪的两端；正反两个方向的光进入构成干涉仪的分光器 后，通过直通臂直接相连；两路千涉信号通过不同的光纤回到接收端，经 过PIN探测器把光信号转换为电信号，获得两路波形一致的干涉信号，然 后经过AD转换成数字信号，进入系统软件进行预处理，然后通过小波分 析提取特征，输入神经网络进行计算，识别事件；当事件识别完成后，根 据事件性质，采用时延算法对事件的发生位置进行定位，最终完成对侵害 事件的预警和定位。
全文摘要
本发明公开了一种光缆、光电复合电缆的外部安全预警和定位系统，主要包括光纤传感光学系统、信号处理系统和系统软件，其中光纤传感光学系统为双向共光路分布式光纤干涉仪，信号处理系统为DFB半导体激光器恒流驱动电路、温度控制电路、PIN探测器电路及AD转换采集电路，系统软件包括前端采集和预处理软件包、小波分析与特征提取软件包、时延判断软件包和用户界面。这种光缆、光电复合电缆的外部安全预警和定位系统，对通信光缆的实时安全报警及准确定位系统可在破坏事件发生前提前预警，使通讯维护单位在事件发生前就可以采取相应的防范措施，从而可以避免破坏带来的直接损失。
文档编号G01N21/41GK101566586SQ20081006039
公开日2009年10月28日 申请日期2008年4月22日 优先权日2008年4月22日
发明者任尚今 申请人:宁波诺可电子科技发展有限公司