基于光纤传感的隧道电缆入侵探测系统的制作方法

本发明涉及隧道电缆安全防护，具体为基于光纤传感的隧道电缆入侵探测系统。

背景技术：

1、随着城市化进程的不断推进以及交通基础设施的持续建设，隧道在现代交通体系中扮演着至关重要的角色，隧道内的电缆作为保障隧道正常运行的关键设施，其安全稳定运行直接关系到隧道的照明、通风、监控等系统的正常工作，在日益复杂的社会环境下，隧道电缆面临着各种潜在的安全威胁，如人为的恶意破坏、地质灾害导致的挤压变形、小动物的啃咬等，确保隧道电缆的安全，及时发现并应对各种入侵事件，对于保障隧道的安全运营和公众的生命财产安全具有重大意义。

2、然而，现有的隧道电缆入侵探测系统采用单一的传感器技术，无法对不同类型的入侵事件进行准确区分和差异化监测，仅依赖于压力传感器，对于微小的温度变化和轻微的振动难以有效检测，容易导致漏报现象，并在信号处理过程中难以有效去除隧道内复杂环境中的噪声干扰，导致误报率较高，对于入侵信号的特征提取和模式识别不够精准，无法准确判断入侵类型和严重程度，给后续的应急处理带来困难。

3、综上所述，现有隧道电缆入侵探测系统在传感器技术、信号处理能力和报警机制等方面存在明显缺陷，难以满足现代隧道安全管理的需求，因此，开发一种利用多模和单模光纤传感器的隧道电缆入侵探测系统，具有重要的现实意义和广阔的应用前景。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了弥补现有技术的不足，提供了基于光纤传感的隧道电缆入侵探测系统，该系统通过集成多模和单模光纤传感器，实现了对隧道电缆周围环境的全方位、高灵敏度监测。该系统能够精准捕捉电缆周围的微小振动、温度变化以及大规模入侵事件，有效提升了监测的准确性和及时性，这种双重监测机制不仅增强了系统对复杂入侵行为的识别能力，还大大降低了误报率，为隧道管理人员提供了更为可靠的预警信息。

2、本发明为解决上述技术问题，提供如下技术方案：基于光纤传感的隧道电缆入侵探测系统，该系统由多模光纤传感器、单模光纤传感器、信号处理模块、报警模块和远程监控中心组成，多模光纤传感器用于检测大规模的入侵事件并发出强信号，单模光纤传感器用于捕捉微小变化并提供详细入侵信息，信号处理模块负责接收和分析来自两种光纤传感器的信号，提取特征参数并判断入侵类型和严重程度，报警单元根据信号处理单元的分析结果发出相应的报警信号，并由远程监控中心记录全流程信息；

3、所述多模光纤传感器和单模光纤传感器，均配置有光纤传感单元和信号发射单元，其中：

4、所述多模光纤传感器的光纤传感单元集成在隧道电缆的保护层中，用于检测大规模的入侵事件，即振动、压力、声音物理量的显著变化，并在检测到扰动时，根据光信号强度变化的幅度和频率，确定发射信号的强度和频率，即对于光信号强度变化为，扰动幅度为，扰动频率为，则发射信号强度和频率的计算公式为：，其中为多模光纤传感器的强度调节系数，，其中为多模光纤传感器的频率调节系数，为多模基础频率值，并通过信号发射单元发射强度和频率；

5、所述单模光纤传感器的光纤传感单元同样集成在隧道电缆的保护层中，用于捕捉电缆周围的微小振动和温度变化，并在检测到这些变化时，根据光信号相位变化的大小和变化率，确定发射信号的强度和频率，即对于光信号相位变化为，相位变化率为，则发射信号强度和频率的计算公式为：，其中为单模光纤传感器的强度调节系数，，其中为单模光纤传感器的频率调节系数，为单模基础频率值，并通过信号发射单元发射信号；

6、所述信号处理模块由信号接收单元、滤波与放大单元、特征提取单元和模式识别单元组成，信号接收单元用于接收来自多模光纤和单模光纤的信号，滤波与放大单元对信号进行去噪和放大处理，特征提取单元提取信号的频率、幅度、相位的特征参数，模式识别单元利用算法识别具体的入侵行为模式并判断入侵类型和严重程度；

7、所述报警模块由声光报警器、短信单元和邮件单元组成，根据信号处理单元判断的入侵严重程度发出不同类型报警信号，对于严重入侵事件发出声光报警，对于轻微入侵事件发送短信和邮件通知，并将入侵事件信息上传至远程监控中心；

8、所述远程监控中心，由交互界面单元和数据访问单元组成，交互界面单元为用户提供操作界面，使用户监控系统状态和查看报警记录，数据访问单元允许用户通过网络访问系统，获取监测数据和分析报告。

9、更进一步地，所述多模光纤传感器和单模光纤传感器的发射信号在进入信号处理模块后，信号处理模块根据两个传感器发射信号的特征参数进行综合分析，以准确地判断入侵类型和严重程度，即对于多模光纤传感器发射信号的强度和频率为、，单模光纤传感器发射信号的强度和频率为、，综合分析后的入侵判断参数计算公式为：。

10、更进一步地，所述信号处理模块信号接收单元接收来自多模光纤传感器和单模光纤传感器的发射信号，对接收的信号进行初步分类，根据信号强度和频率特征判断信号来源，即接收信号，多模光纤传感器发射信号强度和频率特征为，单模光纤传感器发射信号强度和频率特征为，则初步分类判断参数的计算公式为：，其中、、、、为调整系数，为接收信号的频率，对于判断参数的值接近与多模光纤传感器时，判断信号主要来自多模光纤传感器，反之则来自单模光纤传感器。

11、更进一步地，所述信号处理模块中滤波与放大单元对接收单元初步分类后的信号进行滤波处理，经过初步分类的信号为，其中表示多模光纤传感器信号和单模光纤传感器信号，滤波后的信号为，放大后的信号为，所述特征提取单元对滤波与放大后的信号进行特征提取，获取频率、幅度、相位的特征参数，并将特征参数进行量化，即对于放大后的信号为，提取的频率特征为、幅度特征为、相位特征为，则量化后的特征参数为，表示量化函数，即，同理得到、，其中为基础量化函数，为调整系数。

12、更进一步地，所述信号处理模块中的模式识别单元接收特征提取单元量化后的特征参数，对特征参数进行分析，判断入侵类型和严重程度，即量化后的多模光纤传感器特征参数为、单模光纤传感器特征参数为，入侵类型判断参数为，严重程度等级判断参数为，为两个传感器的量化特征参数输出入侵类型和严重程度判断参数，即，为权重，为偏置，为激活函数。

13、更进一步地，所述报警模块声光报警器接收信号处理模块模式识别单元输出的严重程度判断参数，根据严重程度判断参数确定声光报警器的强度和频率，即：，，其中为声光报警器强度调节系数，为声光报警器频率调节系数。

14、更进一步地，所述报警模块中短信单元接收信号处理模块模式识别单元输出的严重程度判断参数和入侵类型判断参数，设定严重程度阈值和入侵类型特定参数范围，对于且，则触发短信发送，并显示声光报警器的强度和频率。

15、更进一步地，所述报警模块中邮件单元接受信号处理模块模式识别单元输出的严重程度判断参数和入侵类型判断参数，设定严重程度阈值 和入侵类型特定参数范围，对于且，则触发邮件发送，并声光报警器的强度和频率。

16、与现有技术相比，该基于光纤传感的隧道电缆入侵探测系统具备如下有益效果：

17、一、本发明通过多模光纤传感器和单模光纤传感器的组合使用，能够全面覆盖各种规模的入侵事件，多模光纤传感器能够快速响应，发出强信号，单模光纤传感器则能精准捕捉微小变化，提供详细入侵信息，这种双模式光纤组合不仅扩大了系统的探测范围，还增强了其区分自然现象与人为活动的能力，从而减少了误报率。

18、二、本发明采用信号处理技术和模式识别算法，对来自光纤传感器的原始信号进行深度处理和分析，提取出关键的特征参数，并通过算法模型进行智能判断，实现了对入侵行为的自动识别和分类，这种智能化处理方式不仅提高了监测效率，还减轻了人工监控的负担，使得隧道电缆的安全监测工作更加便捷、高效。

19、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。

技术特征：

1.基于光纤传感的隧道电缆入侵探测系统，其特征在于，该系统由多模光纤传感器、单模光纤传感器、信号处理模块、报警模块和远程监控中心组成，多模光纤传感器用于检测大规模的入侵事件并发出强信号，单模光纤传感器用于捕捉微小变化并提供详细入侵信息，信号处理模块负责接收和分析来自两种光纤传感器的信号，提取特征参数并判断入侵类型和严重程度，报警单元根据信号处理单元的分析结果发出相应的报警信号，并由远程监控中心记录全流程信息；

2.根据权利要求1所述的基于光纤传感的隧道电缆入侵探测系统，其特征在于，所述多模光纤传感器和单模光纤传感器的发射信号在进入信号处理模块后，信号处理模块根据两个传感器发射信号的特征参数进行综合分析，以准确地判断入侵类型和严重程度，即对于多模光纤传感器发射信号的强度和频率为、，单模光纤传感器发射信号的强度和频率为、，综合分析后的入侵判断参数计算公式为：。

3.根据权利要求1所述的基于光纤传感的隧道电缆入侵探测系统，其特征在于，所述信号处理模块信号接收单元接收来自多模光纤传感器和单模光纤传感器的发射信号，对接收的信号进行初步分类，根据信号强度和频率特征判断信号来源，即接收信号，多模光纤传感器发射信号强度和频率特征为，单模光纤传感器发射信号强度和频率特征为，则初步分类判断参数的计算公式为：，其中、、、、为调整系数，为接收信号的频率，对于判断参数的值接近与多模光纤传感器时，判断信号主要来自多模光纤传感器，反之则来自单模光纤传感器。

4.根据权利要求3所述的基于光纤传感的隧道电缆入侵探测系统，其特征在于，所述信号处理模块中滤波与放大单元对接收单元初步分类后的信号进行滤波处理，经过初步分类的信号为，其中表示多模光纤传感器信号和单模光纤传感器信号，滤波后的信号为，放大后的信号为，所述特征提取单元对滤波与放大后的信号进行特征提取，获取频率、幅度、相位的特征参数，并将特征参数进行量化，即对于放大后的信号为，提取的频率特征为、幅度特征为、相位特征为，则量化后的特征参数为，表示量化函数，即，同理得到、，其中为基础量化函数，为调整系数。

5.根据权利要求4所述的基于光纤传感的隧道电缆入侵探测系统，其特征在于，所述信号处理模块中的模式识别单元接收特征提取单元量化后的特征参数，对特征参数进行分析，判断入侵类型和严重程度，即量化后的多模光纤传感器特征参数为、单模光纤传感器特征参数为，入侵类型判断参数为，严重程度等级判断参数为，为两个传感器的量化特征参数输出入侵类型和严重程度判断参数，即，为权重，为偏置，为激活函数。

6.根据权利要求1所述的基于光纤传感的隧道电缆入侵探测系统，其特征在于，所述报警模块声光报警器接收信号处理模块模式识别单元输出的严重程度判断参数，根据严重程度判断参数确定声光报警器的强度和频率，即：，，其中为声光报警器强度调节系数，为声光报警器频率调节系数。

7.根据权利要求6所述的基于光纤传感的隧道电缆入侵探测系统，其特征在于，所述报警模块中短信单元接收信号处理模块模式识别单元输出的严重程度判断参数和入侵类型判断参数，设定严重程度阈值和入侵类型特定参数范围，对于且，则触发短信发送，并显示声光报警器的强度和频率。

8.根据权利要求6所述的基于光纤传感的隧道电缆入侵探测系统，其特征在于，所述报警模块中邮件单元接受信号处理模块模式识别单元输出的严重程度判断参数和入侵类型判断参数，设定严重程度阈值 和入侵类型特定参数范围，对于且，则触发邮件发送，并声光报警器的强度和频率。

技术总结
本发明公开了基于光纤传感的隧道电缆入侵探测系统，涉及隧道电缆安全防护技术领域，该系统由多模光纤传感器、单模光纤传感器、信号处理模块、报警模块和远程监控中心组成，多模光纤传感器用于检测大规模的入侵事件并发出强信号，单模光纤传感器用于捕捉微小变化并提供详细入侵信息，信号处理模块负责接收和分析来自两种光纤传感器的信号，提取特征参数并判断入侵类型和严重程度，报警单元根据信号处理单元的分析结果发出相应的报警信号，并由远程监控中心记录全流程信息，本发明通过多模光纤传感器和单模光纤传感器的组合使用，能够全面覆盖各种规模的入侵事件，这种双模式光纤组合扩大了系统的探测范围。

技术研发人员：宋源辉
受保护的技术使用者：南通围界盾智能科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5