专利名称：全光纤扰动传感微弱信号检测模块的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光纤传感检测的技术领域，尤其涉及各类输送危险或高价值化工 品管道安全监测监控等的管道监控，以及重要仓库、重要航站库、机库、爆炸品库、 国境线、航空、航天基地、导弹基地、银行、博物馆、监狱等的监控；城市自来水、 煤气、天然气、供热管道安全监测监控；石油、天然气长输管道安全监测监控等周界 安全防卫的全光纤智能防卫系统中的微弱信号检测装置。
背景技术：
现在随着社会治安的大力发展，各种安全监测设备层出不穷。户外周界入侵探测 器是用于户外大面积边界监测的探测器，近年来它受到广泛的注意重视。例如油气长输管道具有管径大、运输距离长、输送压力高和运量大等特点。其起 点一般建在油气田，而终点为炼厂、石油化工厂或油库等部门。长输管道沿途一旦系 统发生事故，不仅给管道系统本身造成严重后果，而且会给社会和环境带来严重后果。 随着管线的增多，管龄的增长，由于管道腐蚀、自然灾害和人为损坏等因素使得管道 安全问题变得日益严重。管道安全事故不仅会影响管道输送的正常进行，而且当输送 有毒害、易燃和易爆介质时，还将会给人们的生命财产和生存环境造成巨大的威胁。 因此，对影响管道安全的事故及时发现和定位具有重要的现实意义。在监测防卫系统中，被监测的信号往往是淹没在强背景噪声下的微弱信号，微弱 信号检测模块对整个系统的性能有着至关重要的影响。"微弱信号"不仅意味着信号的幅度小,而且主要指的是被强噪声淹没的信号， "微弱"是相对于噪声而言的。为了检测被背景噪声覆盖的微弱信号，人们进行了长 期的研究工作，分析噪声产生的原因与规律，研究被测信号的特点、相关性及噪声的 统计特性，以寻找出从背景噪声中检测出有用信号的方法。微弱信号检测技术大量应 用在光谱学、物理、化学、天文、光通信、雷达、声纳、以及生物医学工程领域。目前常用的微弱信号检测的方法有窄带滤波、取样积分、相关检测、三重相关匹配、随 机共振、浑沌振子、小波变换等方法。能在背景噪声中检测有用信号的微弱信号检测 仪器，为现代科学技术和工农业生产提供了强有力的测试手段，应用范围遍及几乎所 有的科学领域，已成为现代科技必备的常用仪器。微弱信号检测技术的首要任务是提高信噪比，这就需要采用电子学、信息论、计 算机和物理学的方法，以便从强噪声中检测出有用的微弱信号，从而满足现代科学研 究和技术发展的需要。微弱信号检测技术不同于一般的检测技术，它注重的不是传感 器的物理模型和传感原理、相应的信号转换电路和仪表实现方法，而是如何抑制噪声 和提高信噪比，因此可以说，微弱信号检测是一门专门抑制噪声的技术。对于各种微弱的被测量，例如弱光、弱磁、小位移、小电容、微流量、微压力、 微振动、微温差等， 一般都是通过相应的传感器将其转换为微电流或低电压，再经放 大器放大其幅度达到预期被测量的大小。但是，由于被测量的信号微弱，传感器的本底噪声、放大电路及测量仪器的固有噪声以及外界的干扰噪声往往比有用信号的幅度 大得多，放大被测信号的过程同时也放大了噪声，而且必然会附加一些额外的噪声， 例如放大器的内部固有噪声和各种外部干扰的影响，因此只靠放大是不能把微弱信号 检测出来的。只有在有效地抑制噪声的条件下增大微弱信号的幅度，才能提取出有用 的信号。为了达到这样的目的，必须研究微弱信号检测理论、方法和设备。微弱信号 检测的目的是从强噪声中提取有用信号，或用一些新技术和新方法来提高检测系统输 出信号的信噪比。对微弱信号检测理论的研究，探索新的微弱信号背景技术检测方法， 研制新的微弱信号检测设备是目前检测技术领域的一个热点。发明内容技术问题本实用新型目的是提供一种探测灵敏度高，结构简单，适合各种场合， 监测距离长，且可以精确定位；抗电磁干扰，抗腐蚀，能在恶劣的环境下工作；可重 复利用性强的全光纤扰动传感与定位网络系统中的信号检测装置。技术方案本实用新型采用如下技术方案本检测装置包括被检测信号传输模块、光电转换装置、前置放大器、选频滤波 器、锁相放大器、计算机特征分析系统；上述被检测信号传输模块的输出端与光电转 换装置的输入端连接，将被检测光信号传送到光电转换装置上；上述光电转换装置的输出端与前置放大器的输入端连接，将上述被检测光信号转换为电信号后传送到前置 放大器；上述前置放大器的输出端与选频滤波器的输入端连接，将上述电信号放大并 滤除部分噪声；选频滤波器的输出端与锁相放大器的输入端连接，上述锁相放大器的 输出端与计算机特征分析系统的输入端连接，将上述电信号经过锁相放大器去噪放大 后传送给计算机特征分析系统。比较好的是本检测装置还包括数据采集装置、数字信号处理器数字滤波，上 述锁相放大器的输出端与数据采集装置的输入端连接，数据采集装置的输出端与数字 信号处理器数字滤波的输入端连接，数字信号处理器数字滤波的输出端与计算机特征 分析系统的输入端连接；上述经过锁相放大器去噪放大后的电信号传送到数据采集装 置转换为相应的数字量电信号并传送到数字信号处理器滤波上，经过数字信号处理器 滤波处理后的电信号传送给计算机特征分析系统。比较好的是本检测装置还包括实时监控显示装置，所述实时监控显示装置分 别与锁相放大器、数字信号处理器数字滤波连接；经过锁相放大器、数字信号处理器 数字滤波处理后的电信号能够实时的显示在实时监控显示装置上，并通过实时监控显 示装置对锁相放大器、数字信号处理器数字滤波处理结果进行分析，及时调整锁相放 大器、数字信号处理器数字滤波的工作频率。比较好的是本检测装置还包括解调器、波长信道监控装置，上述被检测信号 传输模块的输出端与解调器的输入端连接，所述解调器的输出端与波长信道监控装置 的输入端连接，上述波长信道监控装置的输出端与实时监控显示装置连接；将被检测 光信号传送到解调器中进行解调，解调后的信号分别传输到光电转换装置、波长信道 监控装置上，波长信道监控装置监控解调后的波形，并由实时监控显示装置显示频谱 特性，实时监控显示装置对波长信道监控装置的监控结果进行分析，及时调整解调器 波长。有益效果本实用新型采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点 1、本实用新型利用光纤探测器代替了原来使用的红外线探测器、磁场探测器或 泄漏同轴电缆探测器。红外线探测器容易受到天气条件的影响，易误报；磁场探测器 和泄漏同轴电缆探测器不能在电磁干扰严重的环境下使用，而使用光纤探测器就避免 了这方面的情况，不会受到天气、磁场的干扰，大大提高了探测的效果和使用场合， 尤其适合于埋入地面和墙体中。2、 本实用新型利用光纤探测器进行周界探测，探测的灵敏度高，结构简单，且 探测时监测距离长。光纤价格已很低，用于长距离探测有一定价格优势。3、 本实用新型可以实现精确定位；抗电磁干扰、抗腐蚀能力强，同时能在恶劣 的环境下工作；可重复利用性强。
图1是本实用新型的一种结构示意图； 图2是本实用新型的另一种结构示意图。图中被检测信号传输模块101、解调器201、光电转换装置202、前置放大器 203、选频滤波器204、锁相放大器205、数据采集装置206、数字信号处理器数字滤 波207、波长信道监控装置301、实时监控显示装置302、计算机特征分析系统401。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型进行详细的表述，如图1所示，本检测装置包括被 检测信号传输模块IOI、光电转换装202、前置放大器203、选频滤波器204、锁相放 大器205、计算机特征分析系统401;上述被检测信号传输模块101的输出端与光电 转换装置202的输入端连接，将被检测光信号传送到光电转换装置202上；上述光电 转换装置202的输出端与前置放大器203的输入端连接，将上述被检测光信号转换为 电信号后传送到前置放大器203;上述前置放大器203的输出端与选频滤波器204的 输入端连接，将上述电信号放大并滤除部分噪声；选频滤波器204的输出端与锁相放 大器205的输入端连接，上述锁相放大器205的输出端与计算机特征分析系统401的 输入端连接，将上述电信号经过锁相放大器205去噪放大后传送给计算机特征分析系 统401。如图2所示，本检测装置还包括数据采集装置206、数字信号处理器数字滤波 207,上述锁相放大器205的输出端与数据采集装置206的输入端连接，数据采集装 置206的输出端与数字信号处理器数字滤波207的输入端连接，数字信号处理器数字 滤波207的输出端与计算机特征分析系统401的输入端连接;上述经过锁相放大器205 去噪放大后的电信号传送到数据采集装置206转换为相应的数字量电信号并传送到数 字信号处理器滤波207上，经过数字信号处理器滤波207处理后的电信号传送给计算机特征分析系统401。如图2所示，本检测装置还包括实时监控显示装置302，所述实时监控显示装 置302分别与锁相放大器205、数字信号处理器数字滤波207连接；经过锁相放大器 205、数字信号处理器数字滤波207处理后的电信号能够实时的显示在实时监控显示 装置302上，并通过实时监控显示装置302对锁相放大器205、数字信号处理器数字 滤波207处理结果进行分析，及时调整锁相放大器205、数字信号处理器数字滤波207 的工作频率。如图2所示，本检测装置还包括解调器201、波长信道监控装置301，上述被 检测信号传输模块101的输出端与解调器201的输入端连接，所述解调器201的输出 端与波长信道监控装置301的输入端连接，上述波长信道监控装置301的输出端与实 时监控显示装置302连接；将被检测光信号传送到解调器201中进行解调，解调后的 信号分别传输到光电转换装置202、波长信道监控装置301上，波长信道监控装置301 监控解调后的波形，并由实时监控显示装置302显示频谱特性，实时监控显示装置302 对波长信道监控装置301的监控结果进行分析，及时调整解调器201波长。周界防范系统一般由报警传感器、传输设备、报警控制设备、通信系统组成。为 了防止入侵行为，光纤传感检测是首先采集微弱的光信号，然后将光信号转换为电信 号，并对电信号进行一系列处理放大后得到所需的波形谱，送后续处理并识别。系统方案是光纤Bragg光栅解调，如图l，解调器201由可以解调出某个特定波 长的光信号，解调器201利用光纤光栅解调原理。光纤光栅是一种新型的无源光子器 件，它是在光纤中建立起的一种空间周期性的折射率调制，可以改变和控制光在光纤 中的传播行为。常用的一种是光纤Bragg光栅，其周期一般在1(Tum数量级。当光 束进入光纤Bragg光栅时，满足Bragg条件即波长为AB=2nA的光将发生反射，反射 (或透射)光谱在布拉格波长处出现波峰(或波谷)值。解调波长可由波长信道监控 装置301进行监控并由实时监控显示装置302显示频谱特性，监控装置反馈信号调整 解调器波长。本实用新型利用了互相关检测原理。已知输入信号S(O的重复周期或频率，用重复周期与输入信号相同的参考信号40与混有噪声的输入信号进行相关，其中/为时间变量。则参考信号与输入信号的互相关函数Ww(O为<formula>formula see original document page 9</formula>其中l为时间变量，T为信号周期，uxy(l)、 usy(l)分别为参考信号与待检测信 号和噪声信号的相关函数，由于r(t)与打n(t)没有相关性，它们的互相关函数为零，则uxy(l)=usy(l)(2)去除噪声后就能把待检测信号<0检测出来。本实用新型是由解调器201和波长信道监控装置301，由监控装置反馈信号调整 解调器波长，再经光电转换装置202与前置放大器203构成的信号通道，经信号通道 处理后的电压信号送到选频滤波器204与锁相放大器205去噪声模块，数据采集装置 206实现模数转换将模拟信号转换成数字信号，由数字信号处理器数字滤波207处理 实时监控显示装置302监控并反馈到锁相放大器205调整参考信号。为了实现区域定 点的功能，传感系统中将配置一系列的光纤光栅，因此需要检测波信号，为此，微弱 光信号进入光电转换装置202之前，先由解调器解201出相应的波长信号，然后送到光电转换装置。本实用新型的光电转换装置202，可采用PIN光电二极管、APD光电二极管、 PIN-FET光电二极管，光电转换装置的主要技术指标有电光转换效率高；附加噪声 小；响应速度快、线性好、频带宽；信号失真小；寿命长；尺寸与光纤直径相配；工 作电压低。对于短波长， 一般选择硅基PIN管，长波长一般选择InP基PIN管，虽然 也可选择Ge基，但此类材料暗电流大。另外，雪崩光电二极管有较大的倍增因子， 但相应的加入了倍增噪声，本实用新型的光电转换装置选用PIN光电二极管，分为正 入射结构与侧入射结构，前者工作波长为0. 8 0. 9pm，耗尽区厚度为20 50pni，量 子效率85%，响应小于lns，暗电流lnA;后者吸收区宽度大，灵敏度大。本实用新型的选频滤波器204用低通滤波器和高通滤波器组合而成的带通滤波 器，低通滤波器的拐点频率和高通滤波器的拐点频率都可调，这样可以根据被测信号 的情况来选择设定带通滤波器的中心频率和带宽。带通滤波器的带宽不能太窄，否则 当温度和电压变化时，信号的频率谱可能偏离带通滤波器的通频带，导致很大的测量 误差。本实用新型的锁相放大器205内含滤波器。锁相放大器205实际上是一个模拟的 傅立叶变换器，锁相放大器的输出是一个直流电压，正比于是输入信号中某一特定频 率(参数输入频率)的信号幅值。而输入信号中的其他频率成分将不能对输出电压构 成任何贡献。即使有用的信号被淹没在噪声信号里面，只要知道有用的信号的频率值， 就能准确地测量出这+信号的幅值。因此，锁相放大器是本系统实现滤除噪声、信号 主放大的关键部分。本实用新型的数据采集装置206由高速A/D转换器实现，首先高速A/D转换器实 现可以用两个参数来描述分辨率和速度。分辨率以位(bit)来表示，n位A/D转换 器将模拟信号分为2n个级，产生2n个单独的数字输出编码。A/D转换器所需要的分 辨率取决于系统的信噪比(SNR)和/或动态范围要求。高速A/D转换器的速度通常以每秒几百万次采样(Msamples/s)来表示。这就是 釆样速率，或模拟信号可以在什么样的速率下连续转换为数字形式。对大多数应用来 说，采样速率应是A/D转换器输入信号最高频率的3 4倍。分辨率确实表示了 A/D转换器可以产生的数字输出编码的数量，但它并未示出这 些编码是否真的对应正确的输入电压。诸如微分非线性度(Differential Nonlinearity-DNL)、积分非线性度(Integral Nonlinearity-INL)、偏差和满标 度误差等误差参数描述了输出编码响应输入电压的精确程度。数字滤波器是一个离散时间系统，输入x00是一个时间序列，输出^o)也是一个时间序列，其中/7为离散时间序列。如数字滤波器的系统函数为H(z)，其中z 为复变量，以其实部为横坐标，虚部为纵坐标构成的平面为z平面。其脉冲相应为 /z(w)，则在时间域内存在下列关系y(M) = */7(W) (3)在Z域内，输入和输出存在下列关系ro) = //o)io) (4)一个适合的数字滤波系统函数H(z)可以根据需要改变输入x(w)的频率特性。经敷字滤波器处理后的信号^0)保留信号xo;)中有用频率成分，去除无用频率成分。数字信号处理器数字滤波207是一种处理数字信号的专用微处理器，主要应用于实时快速地实现各种信号的数字处理算法。用数字信号处理器芯片实现数字滤波具有稳定性好、精确度高、不受环境影响等优点，滤波结果可由实时监控显示装置进行监 控。本实用新型就是一种数字模拟相结合的去噪声的模块，该模块可将微弱光信号经 过处理后变为放大的电压信号送后续处理已识别，并可以反馈信号调整去噪系统。这 样就可以实现对微弱的光信号检测，构成宽域全光纤扰动传感与定位网络系统的关键 模块。
权利要求1.一种全光纤扰动传感微弱信号检测模块，其特征在于本检测装置包括被检测信号传输模块(101)、光电转换装置(202)、前置放大器(203)、选频滤波器(204)、锁相放大器(205)、计算机特征分析系统(401)；上述被检测信号传输模块(101)的输出端与光电转换装置(202)的输入端连接，将被检测光信号传送到光电转换装置(202)上；上述光电转换装置(202)的输出端与前置放大器(203)的输入端连接，将上述被检测光信号转换为电信号后传送到前置放大器(203)；上述前置放大器(203)的输出端与选频滤波器(204)的输入端连接，将上述电信号放大并滤除部分噪声；选频滤波器(204)的输出端与锁相放大器(205)的输入端连接，上述锁相放大器(205)的输出端与计算机特征分析系统(401)的输入端连接，将上述电信号经过锁相放大器(205)去噪放大后传送给计算机特征分析系统(401)。
2、 根据权利要求1所述的全光纤扰动传感微弱信号检测模块，其特征在于本 检测装置还包括数据采集装置(206)、数字信号处理器数字滤波(207)，上述锁相 放大器(205)的输出端与数据采集装置(206)的输入端连接，数据采集装置(206) 的输出端与数字信号处理器数字滤波(207)的输入端连接，数字信号处理器数字滤 波(207)的输出端与计算机特征分析系统(401)的输入端连接；上述经过锁相放大 器(205)去噪放大后的电信号传送到数据采集装置(206)转换为相应的数字量电信 号并传送到数字信号处理器滤波(207)上，经过数字信号处理器滤波(207)处理后 的电信号传送给计算机特征分析系统(401)。
3、 根据权利要求2所述的全光纤扰动传感微弱信号检测模块，其特征在于本 检测装置还包括实时监控显示装置(302)，所述实时监控显示装置(302)分别与 锁相放大器(205)、数字信号处理器数字滤波(207)连接；经过锁相放大器(205)、 数字信号处理器数字滤波(207)处理后的电信号能够实时的显示在实时监控显示装 置(302)上，并通过实时监控显示装置(302)对锁相放大器(205)、数字信号处理 器数字滤波(207)处理结果进行分析，及时调整锁相放大器(205)、数字信号处理 器数字滤波(207)的工作频率。
4、 根据权利要求3所述的全光纤扰动传感微弱信号检测模块，其特征在于本检测装置还包括解调器(201)、波长信道监控装置(301)，上述被检测信号传输模块(101)的输出端与解调器(201)的输入端连接，所述解调器(201)的输出端与 波长信道监控装置(301)的输入端连接，上述波长信道监控装置(301)的输出端与 实时监控显示装置(302)连接；将被检测光信号传送到解调器(201)中进行解调， 解调后的信号分别传输到光电转换装置(202)、波长信道监控装置(301)上，波长 信道监控装置(301)监控解调后的波形，并由实时监控显示装置(302)显示频谱特 性，实时监控显示装置(302)对波长信道监控装置(301)的监控结果进行分析，及 时调整解调器(201)波长。
专利摘要全光纤扰动传感微弱信号检测模块，涉及光纤传感检测的技术领域，尤其涉及安全监测监控周界安全防卫的微弱信号检测装置。本实用新型的被检测信号传输模块的输出端与光电转换装置的输入端连接，将被检测光信号传送到光电转换装置上；光电转换装置的输出端与前置放大器的输入端连接，将被检测光信号转换为电信号；前置放大器的输出端与选频滤波器的输入端连接，将电信号放大并滤除部分噪声；选频滤波器的输出端与锁相放大器的输入端连接，锁相放大器的输出端与计算机特征分析系统的输入端连接，将电信号经过锁相放大器去噪放大后传送给计算机特征分析系统。本实用新型实现了灵敏度高，结构简单，监测距离长，且可以精确定位的目的。
文档编号F17D5/02GK201166263SQ20082003348
公开日2008年12月17日 申请日期2008年3月21日 优先权日2008年3月21日
发明者冯宏伟, 吴宝锋, 孙小菡, 王晓勇, 秦媛媛, 肖金标, 韦恩润, 马天河 申请人:东南大学