一种基于光纤光栅的地面磁场监测系统及方法与流程

本发明涉及地面磁场监测
技术领域：
，具体涉及一种基于光纤光栅的地面磁场监测系统及方法。
背景技术：
：光纤光缆由于其光传导的特性被大量应用于各行各业中，除应用于通信以外，还作为感知设备进行外界物理量变化的感知，例如温度、应力、振动及应力的变化等；而在城市中，光纤光缆又被作为用于检测地面震动的传感设备，即通过地面磁场的变化获取地面的震动情况，从而对管道破坏等行为提前进行告警。目前通过光纤传感技术感知地面振动主要的技术方式是通过光纤收集地面的振动信号，以及通过振动信号从而判断地面的振动源。但此种方式无法感知振动源的振动强度的实际大小，即存在振动较大的源在较远的距离和振动较小的源在较近的距离的光纤感受到振动强度相似，进而导致误报。技术实现要素：针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于光纤光栅的地面磁场监测系统及方法，通过不同位置的振动信号准确判断地面的振动源的振动强度，进而提高了对地面磁场监测及判断的准确性及可靠性，有效减少了地面磁场震动误报，实现了对地面磁场变化的提前告警。为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：一方面，本发明提供了一种基于光纤光栅的地面磁场监测系统，所述系统包括：依次连接的脉冲光发生单元、光纤光栅传感单元及光信号处理单元；所述脉冲光发生单元，用于产生脉冲光，并将该脉冲光传输至所述光纤光栅传感单元；所述光纤光栅传感单元埋设在地面表层下，且用于根据接收的脉冲光在不同位置反射多个光信号，并将所述多个光信号均传输至所述光信号处理单元；所述光信号处理单元，用于将接收的光信号转化为电信号，并根据所述电信号对地面磁场进行监测。进一步的，所述光纤光栅传感单元包括：埋设于地面表层下的传感光纤，以及分设在所述传感光纤的传感范围内的多个光纤光栅传感器，且各光纤光栅传感器与所述脉冲光发生单元间的距离均不相同；所述传感光纤，用于接收所述脉冲光发生单元传输的脉冲光；所述光纤光栅传感器，用于在所述传感光纤接收脉冲光时，反射光信号，且各所述光纤光栅传感器分别将光信号传输至所述光信号处理单元。进一步的，所述传感光纤上远离所述脉冲光发生单元的一端设有镜面反射设备；所述镜面反射设备，用于所述传感光纤在接收所述脉冲光发生单元传输的脉冲光后，将所述脉冲光进行镜面反射，得到反射光信号，并将所述反射光信号发送至所述光信号处理单元。进一步的，所述光信号处理单元包括：依次连接的光纤探测器、信号采集卡及信号处理器；所述光纤探测器，用于接收所述光纤光栅传感单元反射的光信号，并将所述光信号转化为电信号，以及将所述电信号发送至信号采集卡；所述信号采集卡，用于将接收的所述电信号发送至所述信号处理器；所述信号处理器，用于根据接收的所述电信号对地面磁场进行监测，以及确定引起当前磁场变化的场景。进一步的，所述脉冲光发生单元包括：相互连接的宽线宽频激光器及光纤放大器；所述宽线宽频激光器，用于产生长脉冲光，并将该长脉冲光传输至所述光纤放大器；所述光纤放大器，用于对接收的长脉冲光进行光信号放大，并将放大后的脉冲光传输至所述光纤光栅传感单元。进一步的，所述系统还包括：环形器，用于将所述脉冲光发生单元发出的脉冲光传输至所述光纤光栅传感单元、以及将所述光纤光栅传感单元反射的光信号传输至所述光信号处理单元。另一方面，本发明还提供了一种基于光纤光栅的地面磁场监测方法，所述方法包括：在目标磁场监测范围内生成脉冲光，并将该脉冲光传输至埋设于地面表层下的传感光纤；在传感光纤接收到光信号时，在不同位置处分别采集多个光信号；将采集的多个光信号转化为电信号；以及，根据多个所述电信号对当前目标磁场监测范围内的地面磁场进行监测。进一步的，所述在目标磁场监测范围内产生脉冲光，并将该脉冲光传输至埋设于地面表层下的传感光纤，包括：在目标磁场监测范围内生成脉冲光；对所述脉冲光进行光信号放大，并将放大后的脉冲光传输至埋设于地面表层下的传感光纤。进一步的，所述根据多个所述电信号对当前目标磁场监测范围内的地面磁场进行监测，之前还包括：对传输至所述传感光纤中的光信号进行镜面反射，并将所述反射光信号转化为电信号。进一步的，所述根据多个所述电信号对当前目标磁场监测范围内的地面磁场进行监测，包括：根据不同时间点对应的各所述电信号，确定当前目标磁场监测范围内磁场强度变化；若经判断获知当前所述磁场强度变化超过预设强度阈值，则获取该磁场强度变化的变化频率值；以及，根据所述变化频率值在预设的频率场景表中确定引起当前磁场变化的场景；其中，所述频率场景表用于存储变化频率值与各场景的对应关系。由上述技术方案可知，本发明所述的一种基于光纤光栅的地面磁场监测系统及方法，系统通过依次连接的脉冲光发生单元、光纤光栅传感单元及光信号处理单元；脉冲光发生单元用于产生脉冲光，并将该脉冲光传输至光纤光栅传感单元；光纤光栅传感单元埋设在地面表层下，且用于根据接收的脉冲光在不同位置反射多个光信号，并将多个光信号均传输至光信号处理单元；光信号处理单元，用于将接收的光信号转化为电信号，并根据电信号对地面磁场进行监测，提高了对地面磁场监测及判断的准确性及可靠性，有效减少了地面磁场震动误报，实现了对地面磁场变化的提前告警；且该系统结构简单，成本低，精度高，安装、使用和维护更方便，可长期可靠的用于恶劣环境中工作，具有耐腐蚀、抗干扰等优势，有着非常广泛的应用场景。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本发明实施例一中的一种基于光纤光栅的地面磁场监测系统的一种具体实施方式的结构示意图；图2是本发明实施例二中的脉冲光发生单元10的结构示意图；图3是本发明实施例三中的光纤光栅传感单元20的结构示意图；图4是本发明中地面磁场监测系统中的传感光纤21的结构示意图；图5是本发明实施例四中的光信号处理单元30的结构示意图；图6是本发明实施例五中的一种基于光纤光栅的地面磁场监测系统的另一种具体实施方式的结构示意图；图7是本发明具体应用例中的一种基于光纤光栅的地面磁场监测系统的结构示意图；图8是本发明实施例六中的一种基于光纤光栅的地面磁场监测方法的一种具体实施方式的流程示意图；图9是本发明实施例七中的上述监测方法中步骤100的一种具体实施方式的流程示意图；图10是本发明实施例八中包括步骤A00的上述监测方法的一种具体实施方式的流程示意图；图11是本发明实施例九中的上述监测方法中步骤400的一种具体实施方式的流程示意图；图12是本发明实施例十中的一种基于光纤光栅的地面磁场监测设备的结构示意图。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明实施例一提供了一种基于光纤光栅的地面磁场监测系统。参见图1，该监测系统具体包括如下内容：依次连接的脉冲光发生单元10、光纤光栅传感单元20及光信号处理单元30。所述脉冲光发生单元10，用于产生脉冲光，并将该脉冲光传输至所述光纤光栅传感单元20。在本单元中，脉冲光发生单元10与光纤光栅传感单元20连接，且脉冲光发生单元10根据预设的频率值周期性产生长脉冲光，并将脉冲光经光缆等光传导管线传输至光纤光栅传感单元20。所述光纤光栅传感单元20设置在地面表层处，且用于根据接收的脉冲光在不同位置反射多个光信号，并将所述多个光信号均传输至所述光信号处理单元30。在本单元中，光纤光栅传感单元20设置在地面表层处，可以埋设在靠近地表的地面下，也可以设置在紧贴地面处，且接收脉冲光发生单元10发送的脉冲光，并根据脉冲光反射多个光信号，并将所述多个光信号均传输至所述光信号处理单元30，其中，由于反射的位置不同，即各位置与脉冲光发生单元10之间的距离也不同，因此反射的光信号的时间点也不同，也就是说，离脉冲光发生单元10越近的位置，反射光信号所用的时间越短，离脉冲光发生单元10越远的位置，反射光信号所用的时间越长。所述光信号处理单元30，用于将接收的光信号转化为电信号，并根据所述电信号对地面磁场进行监测。在本单元中，光信号处理单元30将接收的光信号转化为电信号，且转化得到的电信号数量与接收到的光信号数量相同，以及根据所述电信号对地面磁场进行监测，并判断引起磁场变化的工作场景。从上述描述可知，本发明的实施例通过依次连接的脉冲光发生单元、光纤光栅传感单元及光信号处理单元，实现了通过光纤收集地面的不同位置的振动信号，通过不同位置的振动信号判断地面的振动源的振动强度，进而提高了对地面磁场监测及判断的准确性及可靠性，实现了对地面磁场变化的提前告警。本发明实施例二提供了上述监测系统中脉冲光发生单元10的一种具体实施方式。参见图2，该脉冲光发生单元10具体包括如下内容：相互连接的宽线宽频激光器11及光纤放大器12。所述宽线宽频激光器11，用于产生长脉冲光，并将该长脉冲光传输至所述光纤放大器12。所述光纤放大器12，用于对接收的长脉冲光进行光信号放大，并将放大后的脉冲光传输至所述光纤光栅传感单元20。从上述描述可知，本发明的实施例能够周期性的产生脉冲光，使得光纤光栅传感单元20能够实时获取脉冲光，保证了获取地面磁场变化的及时性。本发明实施例三提供了上述监测系统中光纤光栅传感单元20的一种具体实施方式。参见图3，该光纤光栅传感单元20具体包括如下内容：埋设于地面表层下的传感光纤21，以及分设在所述传感光纤21的传感范围内的多个光纤光栅传感器22，且各光纤光栅传感器22与所述脉冲光发生单元10间的距离均不相同。所述传感光纤21，用于接收所述脉冲光发生单元10传输的脉冲光，在实际应用中，传感光纤21可以根据实际情况埋设在监测范围区域中指定位置，也可以直接利用预先埋设在地面下的传感光纤21。所述光纤光栅传感器22，用于在所述传感光纤21接收脉冲光时，反射光信号，且各所述光纤光栅传感器22分别将光信号传输至所述光信号处理单元10。从上述描述可知，本发明的实施例给出了一种能够在不同位置处反射不同时间点的光信号，能够使得光信号处理单元根据该不同时间点的光信号准确获取地面磁场变化及振动源，采用的是光纤光栅磁场传感器，并非传统意义上的振动传感。系统运行的原理是通过探测光纤附近磁场变化，实现对光纤周围施工与人为器械破坏的精确排查和预警。从而实现从另一角度完成管网的预警维护。在一种具体实施方式中，本发明提供了上述传感光纤21的一种具体实施方式。参见图4，该传感光纤21具体包括如下内容：所述传感光纤21上远离所述脉冲光发生单元10的一端设有镜面反射设备211。所述镜面反射设备211，用于所述传感光纤21在接收所述脉冲光发生单元10传输的脉冲光后，将所述脉冲光进行镜面反射，得到反射光信号，并将所述反射光信号发送至所述光信号处理单元30。从上述描述可知，本发明的具体实施方式给出了另一种能够反射光信号的设备，能够使得光信号处理单元根据该反射光信号准确排查干扰项，以及推断得知光纤附近的施工情况。本发明实施例四提供了上述监测系统中光信号处理单元30的一种具体实施方式。参见图5，该光信号处理单元30具体包括如下内容：依次连接的光纤探测器31、信号采集卡32及信号处理器33；所述光纤探测器31，用于接收所述光纤光栅传感单元20反射的光信号，并将所述光信号转化为电信号，以及将所述电信号发送至信号采集卡32。所述信号采集卡32，用于将接收的所述电信号发送至所述信号处理器33。所述信号处理器33，用于根据接收的所述电信号对地面磁场进行监测，以及确定引起当前磁场变化的场景。从上述描述可知，本发明的实施例能够根据该不同时间点的光信号及反射光信号，准确排查干扰项及推断得知光纤附近的施工情况，获取地面磁场变化及振动源。本发明实施例五提供了上述监测系统的另一种具体实施方式。参见图6，该监测系统还包括如下内容：用于在脉冲光发生单元10、光纤光栅传感单元20及光信号处理单元30之间进行光信号传输的环形器40。环形器40用于将所述脉冲光发生单元发出的脉冲光传输至所述光纤光栅传感单元、以及将所述光纤光栅传感单元反射的光信号传输至所述光信号处理单元。从上述描述可知，本发明的实施例给出了一种脉冲光发生单元、光纤光栅传感单元及光信号处理单元之间进行光信号传输的传输设备，且该设备因其单向传输的特点，使得传输准确性且可靠性高。为更进一步的说明本方案，本发明还提供了一种基于光纤光栅的地面磁场监测系统的具体应用例。参见图7，该监测系统具体包括内容如下：宽线宽激光器11、光纤放大器12、环形器40、光纤光栅传感器22、光纤探测器31、信号采集卡32和信号处理器33组成。其中信号处理器33上安装了分析软件，通过对于反射光信号s的分析，从而判断磁场B变化的位置。宽线宽激光器11发生的长脉冲光经过光纤放大器12放大后进入环形器40的1号口，并由环形器40的2号口进入传感光纤21，由于传感光纤21上每隔一段距离放置了一个光纤光栅传感器22，共放置N个。因此当长脉冲光进入传感光纤21后，每个光纤光栅传感器22都会有反射光信号sn回来，其中n＝1,2,3,……，N。由于每个光纤光栅传感器22距宽线宽激光器11的位置Dn不同，因此反射回来的光变成连续的脉冲光，反射回来的连续脉冲光经过环形器40的2号口进入环形器40的3号口，从而进入光纤探测器31，光纤探测器31的主要作用是将光信号sn转化为电信号Sn，然后将电信号输送给信号采集卡32，安装在信号处理器33上的软件通过程序读取信号采集卡32上的返回电信号Sn数据。光信号分析过程包括：信号处理器33上的软件采集到所有的返回光信号Sn,t1后和前一个时间点的信号Sn,t2进行对比分析，当信号Sn,t1的强度和信号Sn,t2的强度变化ΔSn超过一定的比例τ(该比例由不同的施工装置工作特性决定)，即：ΔSn＝|Sn,t1-Sn,t2|/Sn,t1＞τ，根据ΔSn可判断该地方的磁场B产生的变化量ΔB，当传感光纤21上方有大型的施工机械在施工时，磁场的变化ΔB会根据施工机械的不同形成特定的变化频率Δf，通过再次分析不同的变化频率Δf，将ΔB、Δf与预先识别工作场景确认表进行比对，参见表1，为预先识别的各种施工机械施工或车辆经过等不同场景引起的磁场变化量和变化频率，从而判断引起磁场变化的工作场景，例如是真正有施工机械施工还是车辆的经过。表1场景对应的磁场变化量和变化频率磁场变化量ΔB变化频率Δf工作场景ΔBwΔfw挖掘机ΔBDΔfD顶管机ΔBcΔfc汽车经过由于已知每个光纤光栅传感器22的位置信息Dn，从而判断出磁场变化ΔB处所对应的光纤位置信息Dn。传感光纤21的末端的端口设置有镜面，可将进入传感光纤21的脉冲光做镜面反射，光纤探测器31检测传感光纤21里的反射光信号sr而非散射光信号ss。反射的连续脉冲光在受到外界磁场变化ΔB影响后产生相应的变化Δsr，经光纤探测器31(如果采用8个光纤光栅，则需要8个光纤探测器31)收集后，经信号采集卡32(A/D采集卡是8通道的，每通道检测一条光纤)将光信号转换为电信号Sr，产生特殊可识别的波形，再经过信号处理器33软件分析排查干扰项，推断光纤附近的施工情况。从上述描述可知，本发明的具体应用例通过在传感光纤上使用检测磁场变化的光纤光栅，当传感光纤周围的磁场发生变化时，系统通过对反射光采集从而判断磁场发生变化的位置。该系统结构简单，成本低，精度高，安装、使用和维护更方便，可长期可靠的用于恶劣环境中工作，具有耐腐蚀、抗干扰等优势，有着非常广泛的应用场景；相比基于分布式光纤振动感知的系统，拥有结构简单，成本低，精度高，安装、使用和维护都十分方便，可长期可靠的用于恶劣环境中工作，有着非常广泛的应用场景。本发明实施例六提供了一种基于光纤光栅的地面磁场监测方法的一种具体实施方式。参见图8，该监测方法包括如下内容：步骤100：在目标磁场监测范围内生成脉冲光，并将该脉冲光传输至埋设于地面表层下的传感光纤。步骤200：在传感光纤接收到光信号时，在不同位置处分别采集多个光信号。步骤300：将采集的多个光信号转化为电信号。步骤400：根据多个所述电信号对当前目标磁场监测范围内的地面磁场进行监测。从上述描述可知，本发明的实施例实现了通过光纤收集地面的不同位置的振动信号，通过不同位置的振动信号判断地面的振动源的振动强度，进而提高了对地面磁场监测及判断的准确性及可靠性；通过探测光纤附近磁场变化，实现对光纤周围施工与人为器械破坏的精确排查和预警，进而实现从另一角度完成管网的预警维护。本发明实施例七提供了上述监测方法中步骤100的一种具体实施方式。参见图9，该步骤100包括如下内容：步骤101：在目标磁场监测范围内生成脉冲光。步骤102：对所述脉冲光进行光信号放大，并将放大后的脉冲光传输至埋设于地面表层下的传感光纤。从上述描述可知，本发明的实施例能够周期性的产生脉冲光，实时获取的脉冲光保证了获取地面磁场变化的及时性。本发明实施例八提供了上述监测方法中的步骤300之前还包括步骤A00的一种具体实施方式。参见图10，该步骤A00包括如下内容：步骤A00：对传输至所述传感光纤中的光信号进行镜面反射，并将所述反射光信号转化为电信号。从上述描述可知，本发明的实施例给出了另一种能够反射光信号的实现方式，实现了根据该反射光信号准确排查干扰项，以及推断得知光纤附近的施工情况。本发明实施例九提供了上述监测方法中步骤400的一种具体实施方式。参见图11，该步骤400包括如下内容：步骤401：根据不同时间点对应的各所述电信号，确定当前目标磁场监测范围内磁场强度变化。步骤402：若经判断获知当前所述磁场强度变化超过预设强度阈值，则获取该磁场强度变化的变化频率值。步骤403：根据所述变化频率值在预设的频率场景表中确定引起当前磁场变化的场景。其中，所述频率场景表用于存储变化频率值与各场景的对应关系。从上述描述可知，本发明的实施例能够根据该不同时间点的光信号及反射光信号，准确排查干扰项及推断得知光纤附近的施工情况，获取地面磁场变化及振动源。本发明实施例十提供了一种基于光纤光栅的地面磁场监测设备，参见图12，该设备具体如下：处理器(processor)801、存储器(memory)802、通信接口(CommunicationsInterface)803和总线804；其中，所述处理器801、存储器802、通信接口803通过所述总线804完成相互间的通信；所述通信接口803用于该自动放通设备与计费系统的通信设备之间的信息传输；所述处理器801用于调用所述存储器802中的程序指令，以执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：在目标磁场监测范围内生成脉冲光，并将该脉冲光传输至埋设于地面表层下的传感光纤；在传感光纤接收到光信号时，在不同位置处分别采集多个光信号；将采集的多个光信号转化为电信号；根据多个所述电信号对当前目标磁场监测范围内的地面磁场进行监测。本发明实施例十一提供了一种计算机程序产品，本实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，参见图8，例如包括：在目标磁场监测范围内生成脉冲光，并将该脉冲光传输至埋设于地面表层下的传感光纤；在传感光纤接收到光信号时，在不同位置处分别采集多个光信号；将采集的多个光信号转化为电信号；根据多个所述电信号对当前目标磁场监测范围内的地面磁场进行监测。本发明实施例十二提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：在目标磁场监测范围内生成脉冲光，并将该脉冲光传输至埋设于地面表层下的传感光纤；在传感光纤接收到光信号时，在不同位置处分别采集多个光信号；将采集的多个光信号转化为电信号；根据多个所述电信号对当前目标磁场监测范围内的地面磁场进行监测。本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。以上所描述的基于光纤光栅的地面磁场监测设备等实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明的实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的实施例各实施例技术方案的范围。当前第1页1 2 3