基于φ-OTDR分布式光纤传感的高速公路护栏碰撞事故报警系统

摘要

本发明公开了一种基于φ‑OTDR分布式光纤传感的高速公路护栏碰撞事故报警系统，该系统包括传感光缆、如权利要求1所述的基于φ‑OTDR分布式光纤振动传感系统主机、交换机和监控端；所述传感光缆铺设在高速公路护栏上，并与所述基于φ‑OTDR分布式光纤振动传感系统主机连接；所述基于φ‑OTDR分布式光纤振动传感系统主机与交换机连接；所述交换机通过网络与监控端和移动端连接。本发明能在低误报和低漏报的条件下，二十四小时、全天候为高速公路上司乘人员安全提供保障。

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感领域，尤其涉及一种基于φ-OTDR分布式光纤传感的高速公路围栏碰撞事故报警系统及方法。

背景技术

随着我国的交通快速发展，车辆日益增多，高速公路作为联系城市的大动脉，在我国的经济发展中扮演着举足轻重的作用。高速公路上的畅通、安全显得尤为重要。高速公路护栏能在车辆撞击时，由于波浪形钢护栏具有良好的耐撞性能和吸收能量的作用，能为车辆和司乘人员起到很好的保护作用。护栏的完好为交通安全提供的有力保障，一旦遭受车辆事故撞损，若未及时处理，将给高速公路带来极大的危险性。同时，在雨天、雾天、深夜等视线不明情况下，当发生交通事故时，对事故的报警、定位、现场情况的及时评估显得刻不容缓。现有技术中利用白光干涉模块将公路护栏受到的振动转换为音频信号，利用维护人员更准确地判断公路护栏受到的撞击情况。但是其实现结构复杂，没有误报处理机制，且还需人工进行判断，实用性不大。

发明内容

本发明的目是通过基于φ-OTDR分布式光纤传感的高速公路护栏碰撞事故报警系统，解决背景技术中面临的问题。本发明能对30km范围内的护栏撞击事故进行及时报警和定位，特别是在晚上、大雾、雨天等视线不明情况下，全天二十四小时监控；并能够推送到移动端等设备，通知其他司乘人员，为司机和乘客提供安全保障。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种基于φ-OTDR分布式光纤振动传感系统主机，包括激光器、声光调制器、脉冲型掺铒光纤放大器、滤波器、环形器、波分复用器、拉曼放大器、掺铒光纤放大器、光电二极管、数字采集卡、数据处理模块和波形发生器；

激光器的输出端与声光调制器的一个输入端连接，该声光调制器的输出端连接脉冲型掺铒光纤放大器的输入端，脉冲型掺铒光纤放大器的输出端与滤波器的输入端连接，滤波器的输出端与环形器的一个输入端连接，环形器的一个输出端与波分复用器的一个输入端连接，波分复用器的输出端连接传感光纤；拉曼放大器的输出端与波分复用器的另一个输入端连接；

环形器的另一个输出端与掺铒光纤放大器的输入端连接，掺铒光纤放大器的输出端与光电二极管的一端连接，光电二极管的另一端与数字采集卡输入端连接，数字采集卡输出端与数据处理模块的输入端连接，数据处理模块的输出端与波形发生器的输入端连接，波形发生器的输出端与声光调制器的另一个输入端连接。

接上述技术方案，所述传感光缆为增敏型铠装单模光缆。

接上述技术方案，所述激光器为超窄线宽激光器。

本发明还提供了一种基于φ-OTDR分布式光纤传感的高速公路护栏碰撞事故报警系统，该系统包括传感光缆、如上述技术方案中的基于φ-OTDR分布式光纤振动传感系统主机、交换机和监控端；

所述传感光缆铺设在高速公路护栏上，并与所述基于φ-OTDR分布式光纤振动传感系统主机连接；

所述基于φ-OTDR分布式光纤振动传感系统主机与交换机连接；

所述交换机通过网络与监控端和移动端连接。

本发明还提供了一种基于上述技术方案的分布式光纤传感的方法，包括以下步骤：

激光器发出的连续光经过声光调制器被调制成一定宽度和频率的脉冲光；

脉冲光通过脉冲型掺铒光纤放大器放大，再经过滤波器滤除自发辐射噪声，经过环形器入射到波分复用器件；

拉曼放大器输出的拉曼光通过波分复用器输入，脉冲光和拉曼光注入到传感光纤中；

反射回来的瑞利散射信号通过环形器入射到脉冲型掺铒光纤放大器中进行放大，再通过光电二极管进行光电转换，最后通过数字采集卡采集，输入数据处理模块；

数据处理模块对采集的数据进行相邻或间隔脉冲信号的差分处理，并将差分结果与预设差分阈值进行比较，若大于等于该预设差分阈值，则判断该点为可疑事故点，并对该点进行模式识别；

通过模式识别判断是否是车辆撞击，若是，则波形发生器改变其脉冲发射频率，数据处理模块同时提取采集数据中的语音信号。

接上述技术方案，在未发生事故时，波形发生器发射的频率为500Hz，当发生事故时，发射的频率为3000Hz。

本发明产生的有益效果是：本发明基于φ-OTDR分布式光纤传感的高速公路护栏碰撞事故报警系统具有抗电磁干扰、耐腐蚀、传感距离远等优点，能在低误报和低漏报的条件下，二十四小时、全天候为高速公路上司乘人员安全提供保障，并能对突发事故进行精确定位特别是在晚上、大雾、雨天等视线不明条件下。通过调整脉冲发射频率，提高单点信号采样率，采集音频振动信号，并做好相应的救护措施，保证司乘人员的安全。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明基于φ-OTDR分布式光纤传感的高速公路护栏碰撞事故报警及现场语音提取系统的结构示意图；

图2为基于φ-OTDR分布式光纤振动传感系统主机结构图；

图3为常态和事故态注入传感光纤中光脉冲示意图；

图4为数据处理流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，图1为本发明实施例提供的基于φ-OTDR分布式光纤传感的高速公路护栏碰撞事故报警系统安装示意图。

图1实施例中，基于φ-OTDR分布式光纤传感的高速公路护栏碰撞事故报警系统包括传感光缆2、基于φ-OTDR分布式光纤振动传感系统主机3、交换机4、网络5、监控端6和移动端7。传感光缆2固定在高速公路护栏1上。

其中，传感光缆1可选用铠装增敏单模光缆。

基于φ-OTDR分布式光纤振动传感系统主机3与传感光缆2通过光纤跳线相连。主机3向传感光缆2中注入具有高相干性的脉冲光，并接收附带传感信息的后向瑞利散射信号。当有撞击围栏事故发生时，光缆的折射率发生改变，进而影响脉冲光中后向瑞利散射光的相位，使相干光的振幅发生改变，通过传感光缆2返回分布式光纤振动传感系统主机3中进行光电转换和数据处理。分布式光纤振动传感系统主机3与交换机4相连，交换机4接入网络系统5。报警信号可在监控端6查看展示，可推送至移动端7。该报警信号由分布式光纤振动传感系统主机产生，分布式光纤振动传感系统主机可产生包含事发地点、时间、类型、现场语音的消息包。

图2为基于φ-OTDR分布式光纤振动传感系统主机结构图，包括激光器201、声光调制器(AOM)202、脉冲型掺铒光纤放大器(EDFA)203、100G滤波器204，环形器205、波分复用器(WDM)206、拉曼放大器207、掺铒光纤放大器(EDFA)208、光电二极管(PIN)209、数字采集卡210、数据处理模块211和波形发生器212。

激光器202的输出端与声光调制器202的一个输入端连接，该声光调制器202的输出端连接脉冲型掺铒光纤放大器203的输入端，脉冲型掺铒光纤放大器203的输出端与滤波器204的输入端连接，滤波器204的输出端与环形器205的一个输入端连接，环形器205的一个输出端与波分复用器212的一个输入端连接，波分复用器212的输出端连接传感光纤；拉曼放大器207的输出端与波分复用器212的另一个输入端连接；

环形器205的另一个输出端与掺铒光纤放大器203的输入端连接，掺铒光纤放大器203的输出端与光电二极管209的一端连接，光电二极管209的另一端与数字采集卡210输入端连接，数字采集卡210输出端与数据处理模块的输入端连接，数据处理模块211的输出端与波形发生器212的输入端连接，波形发生器212的输出端与声光调制器202的另一个输入端连接。

激光器201为超窄线宽激光器201，其发出的连续光经过声光调制器(AOM)202被调制成一定宽度、一定频率的脉冲光，脉冲型掺铒光纤放大器(EDFA)203，再经过100G滤波器204滤除自发辐射噪声，经过环形器205入射到波分复用器件(WDM)206，拉曼放大器207经过环形器入射到波分复用器件(WDM)206，脉冲光和拉曼光注入到传感光纤中。携带传感信息的后向瑞利散射信号通过环形器205入射到掺铒光纤放大器(EDFA)208中进行放大，再通过光电二极管(PIN)209，最后通过采集卡采集210，输入数据处理模块211。波形发生器212常态下控制声光调制器(AOM)202，产生脉冲宽度为100ns，频率为500Hz的光脉冲。当数据处理模块211监测到事故事件后，发送指令调整波形发生器212产生的信号，其作用是产生频率为3000Hz的光脉冲。

激光器201，提供连续相干光，低相位噪声和相对强度噪声，线宽为1.5kHz。

声光调制器(AOM)202，将连续光调制为脉冲信号，消光比高。

拉曼放大器207可补偿光在光纤中的衰减。

光电二极管(PIN)209，将携带传感信息的后向瑞利散射信号转换为光信号，暗电流小。

数据处理模块211，驱动声光调制器(AOM)202产生脉冲光，接收数据处理模块211指令，调整驱动波形，产生不同频率的光脉冲。

实施例中设置的光脉冲宽度以及不同模式下的光脉冲频率下面将会加以详细描述：

光在光纤中传播速度为V_g，注入光脉冲频率为f,脉冲宽度为W。

空间分辨率为：其中SR为空间分辨率。脉冲宽度W越大空间分辨率越低，脉冲宽度W越小，接收到的信号越弱，信噪比越差。

为了避免两个脉冲光后向瑞利散射信号发生混叠，注入光脉冲频率f与传感距离存在一定关系，传感距离越大，脉冲频率上限越小。关系如下：

举例说明，当注入脉冲光脉宽为100ns，频率为3000Hz(说话频率大都集中在85Hz-1100Hz)时，其空间分辨率为10m，理论上的最远探测距离为33.3km，由于电路上面的延迟以及光纤冗余，实际的传感距离达不到33.3km，实施例中选择的探测长度是30km。

如图3，上半部分是无事件时的脉冲信号，下半部分是有撞击事件时的脉冲信号。

参见图4，数据处理模块211数据处理逻辑流程图。常态下分布式光纤振动传感系统主机发出的光脉冲信号为100ns、500Hz，通过接收相干瑞利散射信号，并进行相邻或间隔脉冲信号的差分处理，设定一个阈值，常态下差分阈值远低于设置阈值，当有碰撞围栏事故时，达到设定的差分阈值，此时判断该点为可疑事故点。预判定同时消除了增敏光缆因其它振动引起的干扰。对超过差分阈值的点标记为可疑事故点，对该点进行模式识别。确定是否是车辆撞击，消除人为翻越等其它伪信号。波形发生器会依据处理单元的结果，改变其脉冲发射频率，以脉冲常态下的信号识别，事故状态下的语音提取。常态频率为500Hz，事故状态下频率为3000Hz。当脉冲频率提高到3000Hz后，这时最高可以解调得到频率为1500Hz的振动信号，增敏型传感光缆对传感点附近声频信号响应，从而可以提取事故点语音信号。同时数据处理模块211还产生包含事发地点、时间、类型、现场语音信号的消息包。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。