专利名称：光纤周边警戒与激光夜视联动监控系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及监控领域，特别是涉及一种利用光纤和激光夜视设备的监控系统。
背景技术：
功能完备、性能稳定的监控设备是近年来监控领域研究的热点。现在的监控系统主要 分为以下几类
1) 利用红外探测器的监控器，通过热感式红外探测器探测物体发出的红外线，转换为 视频信息在终端显示。它可以在夜间监控，不受光线影响。
2) 利用微波物体移动探测器，利用微波设备对移动物体(含人)发射和反射频差的多谱 勒效应，即可探测出人的入侵。
3) 超声波物体移动探测器与微波移动探测器类似，但波长有差别，超声波频率在 20KHz以上。
4) 侦光式移动探测器:其原理是利用二个光电池组成差动探测装置，能探测出周围光线的微 量变化。
5) 闭路电视监视系统通过摄像机采集视频信号进行监控。
但是，它们的缺点是探测不连续，存在监控盲区；另外装置容易受到外部条件(如天 气，其它外加热源等)影响，误报率高，探测范围小，安全性低，容易遭人为破坏，也容 易受到电磁干扰而使系统瘫痪。另外其系统复杂，成本较高而难以广泛普及应用。
在国内，光纤传感器在监控领域有着广泛的应用，主要应用于大坝水库的温度场、应 力场、位移场、渗流场，裂缝等参数的监控，加强大坝监控的安全性。在光纤传感器研究 方面，分布式光纤传感器由于具有信息量大、结构简单、可靠性高、使用方便、性能价格 比好等优点成为国内外研究的热点，受到广泛青睐，其中的定位技术研究成为非常关键的 核心难点。
目前报道的分布式光纤传感技术主要有基于多个分立式光纤传感器的复用(如时分复 用、波分复用、频分复用等)技术准分布式光纤传感器、基于温度与喇曼效应关系的分布 式光纤温度传感器以及基于应力与布里渊频移关系的分布式应力传感器。其中准分布式光 纤传感器系统结构复杂且成本较高。当前，前二种形式的研究和应用较多，后一种形式是 国际上近年来才研发出来的一项尖端技术，可用来测量光纤沿线的应变分布，国内研究才 刚刚起步。布里渊分布式光纤传感器中，定位技术主要采用光时域反射(OTDR)技术，在用 于应力或振动传感时，要精确测量微小的布里渊频移是非常困难的，因此探测灵敏度受到 限制，同时脉冲延迟定位技术要求采用短脉冲光源，也影响到实际应用的可行性。目前这
些分布式光纤传感技术普遍存在着灵敏度低，空间分辨力差，检测距离短，系统成本高等 困难，不能满足周界防范等实际应用的要求。
而夜视技术，在边防、公安、油田、矿井等诸多监控领域都具备十分重要的地位，尤 其是在零照度的情况下，对目标的即时监控更是近年来研究的一个热点。在国外，带激光 辅助照明的夜视仪开发较早，俄罗斯、韩国、日本和美国均有类似产品。国内近年来也有 此类产品的相关报道。从报道内容上来看，目前国内外市场上所具备的产品具备如下特点
1) 自带红外激光器照明光源，有效的增加了监视距离；照明激光为肉眼不可见红外激 光，监控隐蔽性强。
2) 用于视频采集的一体化摄像机性能有了极大的改善，监控画面质量有了大幅度的提咼。
由此可以看出，红外激光夜视仪相对于传统的微光夜视仪而言，在性能上有了长足的 进步。但是，市场上的现有设备也存在如下缺陷
1) 大多采用整体化结构设计，体积庞大，结构复杂，不支持扫描功能，监控范围小。
2) 监控视频直接通过显示屏输出，不具备网络远程控制功能，也不支持多用户同时操作。
3) 设备价格昂贵，性价比低，升级空间小。
而且传统的监控设备多采用监控设备直接接显示屏的输出方式，无法对监控画面进行 有效的控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种光纤周边警戒与激光夜视联动监控系统，该 系统不存在监控盲区，结构简单，监控距离远，具有清晰直观的监控视频。
本发明所采用的技术方案是该光纤周边警戒与激光夜视联动监控系统，其LD光源 接至光纤围栏一端，光纤围栏另一端通过数据采集卡接入用户PC机，用户PC机的串口 通过信号分析模块接至云台解码器，云台解码器的图像信号控制口接至摄像机，摄像机安 装在与云台相连的摄像盒内，而云台解码器的方位信号控制口则接至云台；主控PC机接 至网络交换机的一个端口，网络交换机的另一个端口则接至用户PC机，网络交换机的第 三个端口则接至主机箱内的流媒体服务器的网口，流媒体服务器的串口则接至云台解码 器；主机箱内的照明光源则通过三根光纤接至摄像盒内的准直扩束装置，流媒体服务器的 视频口则通过视频线与摄像机的视频输出口相连。
所述照明LD和准直扩束装置之间采用能量光纤连接。
该系统采用干涉传感方法和时序脉冲光定位方法来确定报警区域。
本系统将光纤传感报警技术和激光夜视技术有机结合，成功实现了无盲区监控和即时 视频监控，功能完备、性能稳定。系统定位精确，响应灵敏，即时性强；监控距离远，视 频清晰直观，误报率低。
图1为系统整体结构图。 图2为外围报警部分结构图。 图3为光纤受压时工作示意图。 图4为光信号干涉示意图。
具体实施例方式
如图1所示，本系统在整体上可分为三大部分
a. 外围警戒设备由光纤围栏、半导体激光器LD光源模块、数据采集卡以及装有报 警信号分析软件LABVIEW的用户PC机构成。
b. 内部跟踪设备该设备由流媒体服务器(IPC模块)、云台解码器和带有摄像盒的云 台以及装有视频观看软件RVU的用户PC机，附属设备为照明光源和激光准直扩束系统 组成。
c. 网络远程控制由装有用于分配用户PC机使用权限的主控软件CCU的主控PC机、 装有视频观看软件RVU和处理外围报警信号软件LABVIEW的用户PC机以及网络交换 机构成。
系统的最外围是外围警戒设备，即铺在监控区域边界地下的光纤，当有人入侵到这一 区域，光纤受到压迫，传送到用户PC机LABVIEW软件上的光纤信号就会出现异常，经 LABVIEW软件作信号分析后，受侵犯的具体位置被确定，于是向内部跟踪系统的信号分 析模块发出报警命令，信号分析模块再把报警区域的信息转送给云台解码器，控制带有摄 像设备的云台转动至报警区域，摄像机开始获取图像信息，并通过流媒体服务器(IPC模 块)经交换机将图像信息显示在用户PC机上的RVU视频观看软件上，RVU软件已经通 过主控软件CCU的设定获得了对云台及解码器的控制权，工作人员便可依靠RVU软件控 制摄像设备对监控目标进行跟踪和录像。
系统内部跟踪设备中的照明光源可采用大功率红外半导体激光器。在零照度环境，即 无外来光源照明的夜间，系统内部跟踪设备中的大功率红外半导体激光器启动，其发射的 激光通过能量光纤传送至摄像盒屮，经准直扩束系统处理后在监控区域形成照明光斑。
各部分的具体工作原理
1)外围警戒设备
该外围警戒设备主要采用了分布式光纤传感技术、马赫一泽德相位解调技术以及时序 脉冲光定位技术等。
如图2所示，由结合了温控设备的低温电压源产生的脉冲信号驱动半导体激光器LD 发出光信号。光信号经耦合器l分光成多路信号后分别进入各路分布式传感光纤，由于各 路传感光纤在长度上有梯次变化，因此各路光信号通过耦合器2再次耦合进一根光纤后， 信号将产生时延差，从而在时间轴上将处于不同的位置，这就实现了利用时序脉冲光定位
技术确定是哪路光纤产生了光强变化。此外，光波在其中任意一根传感光纤中传播时，如 第i根，通过耦合器Aj (i=l，2, 3,4....)会被分成两路信号，当两路信号中的任一路受到 外界的影响就会使光信号相位发生改变，从而产生携带传感信息的出射光波。而光的相位 变化是不能直接测量的，所以必须经过耦合器Bi再次耦合后将相位变化转化为光强变化 一一这就是马赫-泽德干涉解调，而这多路存在时延差的光信号经过耦合器2耦合成一路 光信号，在接收端通过光电转换设备将光信号转换成电信号并经过A/D数据采集卡送到 PC机进行数据处理，最后发出报警信息。
如图3所示，光纤传感技术是利用光纤不仅可以作为光波的传播媒质，而且光波在光 纤中传播时表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)因外界因素(如温度、 压力、应变、磁场、电场、位移、转动等)的作用而间接或直接的发生变化，从而可将光 纤用作传感元件来探测各种物理量。本系统中就是将传感光纤置于待测环境中，当受到振 动时，传感光纤受振动信号作用导致光纤长度、直径和折射率发生变化而产生光波相位变 化。
然而，目前的光探测器只能探测光的强度信号，而不能直接探测光的相位信号，因此 总要采取一定的方式将光相位信号转换成相应的光强信号，实现光相位的解调。最常见的 光相位解调方法是干涉法。而用于光相位解调的干涉方法则有马赫一泽德光纤干涉法、迈 克尔逊干涉法等等。迈克尔逊干涉法原理简单，但由于要采用纤端反射镜，返回光对光源 有干扰，影响测量精度。因此，在本系统中，我们采用了结构简单、性能优良的马赫一泽 德(M — Z)干涉方法来进行相位解调，如图4所示，具体方法如下光信号被3dB耦合 器G分光后进入两路不同的传感光纤中，而这两路信号被另一个3dB耦合器C2耦合后就 会发生干涉，而只要其中一路有相位变化，干涉光的光强就会发生变化，从而实现将光信 号的相位变化转化为光强变化。
如前言所述，当这些存在时延差的光信号经光电转换后通过数据采集卡进入系统中的 用户PC机，用户PC机上安装的报警信号分析软件LABVIEW就可对这些信号进行有效 的分析，当信号出现异常时，则通过信号在时间轴的位置来确定哪路传感光纤受到了外界 侵犯，从而确定报警方位，然后向信号分析模块发送报警信息。
2)内部跟踪设备主要工作原理
设计中所采用的视频采集设备为日夜交替型一体化摄像机，白天采用自然光照明，为 彩色图像。入夜后，在零照度情况下，使用设备自带的红外半导体激光器作为照明光源， 为黑白图像。
设备采用大功率红外半导体激光器作为照明光源，并采取能量光纤输出的方式，输出 激光在能量光纤尾端经准直扩束装置(例如自聚焦透镜)准直扩束后，在300m开外形成 一个直径约为3m的红外照明光斑，照明光斑肉眼不可见，但其反射光可被摄像机的CCD 接收，从而取得图像信息。
摄像机取得的图像数据，经视频线传送到主机箱中的流媒体服务器(IPC模块)，IPC 相当于一台小型PC机，它将图像数据处理后通过网络交换机传至用户PC机。此外，IPC 模块还与云台解码器相连，可为摄像机提供12V的直流电源，并与用户PC机结合实现摄 像机的转动、縮放和聚焦等功能的软件控制。
3)系统网络远程控制的原理
设备的控制系统核心部分为装有主控软件CCU的主控PC机。主控PC机通过网络交 换机连接IPC模块，并为装有视频观看软件RVU的用户PC机设置用户通道及分配用户 权限。用户PC机也与网络交换机连接，利用RVU软件登陆主控PC机的CCU后，可依 靠CCU为其设置的用户通道直接观看IPC模块采集的图像。使用RVU软件还可以手动控 制摄像机转动扫描，以及对目标进行聚焦和縮放，实现目标的即时跟踪功能，同时RVU 软件还提供监控视频的录像功能。
经测试，系统整体响应时间小于2s，误报率小于5%，可在40'C +80匸的环境下 正常工作，工作寿命超过10年。外围警戒设备光纤围栏的铺设长度为300米至10千米， 定位精度则可达士40m，可探测最小压力强度达到10-6Pa量级，响应频率则在100hz 5khz之间。而内部跟踪设备采用220V交流供电的总电源，主机箱中的大功率红外半导体 激光器的中心波长为808nm，出射激光由三根能量光纤输出，其单根输出功率为1.8W。 零照度下有效监控距离为300m，并可通过提高大功率红外半导体激光器的输出功率来增 加有效监控距离。300m处的照明光斑直径为3m，并可通过调试准直扩束装置来调整照 明光斑的大小。其视频输出采用PAL制式复合视频。白天采用自然光照明，为清晰的彩 色图像；零照度下利用半导体激光器照明时，为清晰的黑白图像。
权利要求
1.一种光纤周边警戒与激光夜视联动监控系统，其特征在于包括外围警戒设备、内部跟踪设备和网络远程控制部分，LD光源接至光纤围栏一端，光纤围栏另一端通过数据采集卡接入用户PC机，用户PC机的串口通过信号分析模块接至云台解码器，云台解码器的图像信号控制口接至摄像机，摄像机安装在与云台相连的摄像盒内，而云台解码器的方位信号控制口则接至云台；主控PC机接至网络交换机的一个端口，网络交换机的另一个端口则接至用户PC机，网络交换机的第三个端口则接至主机箱内的流媒体服务器的网口，流媒体服务器的串口则接至云台解码器；主机箱内的照明光源则通过三根光纤接至摄像盒内的准直扩束装置，流媒体服务器的视频口则通过视频线与摄像机的视频输出口相连。
2、 如权利要求1所述的光纤周边警戒与激光夜视联动监控系统，其特征在于所述 用户PC机上安有报警信号分析软件和视频观看软件。
3、 如权利要求1所述的光纤周边警戒与激光夜视联动监控系统，其特征在于所述 主控PC机上安有用于分配用户PC机使用权限的主控软件。
4、 如权利要求1所述的光纤周边警戒与激光夜视联动监控系统，其特征在于所述 照明光源和准直扩束装置之间采用能量光纤连接。
5、 如权利要求1所述的光纤周边警戒与激光夜视联动监控系统，其特征在于所述 主机箱内的照明光源采用大功率红外半导体激光器。
6、 如权利要求1所述的光纤周边警戒与激光夜视联动监控系统，其特征在于其采 用干涉传感方法和时序脉冲光定位方法来确定报警区域。
全文摘要
本发明光纤周边警戒与激光夜视联动监控系统包括外围报警、内部跟踪和网络远程控制部分，其中LD光源接至光纤围栏一端，光纤围栏另一端通过数据采集卡接入用户PC机，用户PC机的串口通过信号分析模块接至云台解码器，云台解码器的图像信号控制口接至摄像机，摄像机装在与云台相连的摄像盒内，云台解码器的方位信号控制口则接至云台；网络交换机的两个端口分别接主控PC机、用户PC机，网络交换机的第三个端口接至主机箱内的流媒体服务器的网口，流媒体服务器的串口则接至云台解码器；主机箱内的照明光源则直接接至摄像盒内的准直扩束装置。本发明实现了无盲区监控和即时视频监控，功能完备，性能稳定，响应灵敏，监控距离远，视频清晰直观。
文档编号G08B13/18GK101188036SQ20071005195
公开日2008年5月28日 申请日期2007年4月24日 优先权日2007年4月24日
发明者刘德明, 刘扬波, 李晓磊, 亮 梅, 杰 江, 平 陈, 博 黄 申请人:华中科技大学