全光纤多功能研发平台

全光纤多功能研发平台在科学技术飞速发展的信息时代，光电技术、信息技术（IT）和集成电路技术（IC）在各个领域不断产生新的应用。其中，光纤技术在通信和传感领域的广泛应用，已经体现出依靠“电”进行信息提取和传输的方式所无法比拟的优势。光纤通信和光纤传感技术作为新的激光应用技术，已经成为工程应用和研究热点。由于光纤技术发展迅速，能够作为研究开发平台的仪器很少，一般一套设备只能完成一个功能。测试用设备不能作为功能设备使用，功能性设备不具备测试用条件。为了改变光纤技术研究中存在的设备单一状况，研究开发了“全光纤多功能研究开发平台”。该仪器在2005年10月18日进行了教育部主持的专家鉴定会，与会专家一致通，鉴定结论：该仪器属于国际先进水平。优势1、先进的平台构建方式主机共享，人机互动。强大的硬件平台和数据处理分析平台。2、全新的研究内容目前提供的研究内容都来自最新的专利和文章，包含的知识和技术属于新的科研成果，这使整个平台的学术水平属于国际先进水平。3、研究开发平台也是工程应用平台全光纤多功能研究开发平台实现了多项工程测试应用，目前能够完成的应用功能包括：光纤分布传感技术振动速度、加速度和位移振动信号频谱分析光纤等效折射率光波在光纤中的传播速度水中声波传播特性光纤弹光效应光波相位调制、解调光纤长度测量全光语音信号录入全光通信4、平台提供二次开发功能平台对多种光纤传感技术的开发提供基础性功能，在此基础上通过信号分析和硬件完善，实验标定，能够完成工业用设备实现的功能。应用开发简例【一】全光纤矿道（坑道）事故人员紧急救援系统【二】机场、化学物品区、弹药区、油库用光纤安防系统【三】光纤通信线路安防监控系统【四】高档住宅区、机密资料室、金库用光纤周界安防系统【一】全光纤矿道（遂道）事故人员紧急救援系统基本情况本系统着眼于解决矿道、隧道由于瓦斯爆炸、火灾、水灾或其他地质灾害导致局部垮塌，造成人员被困时，被困人员的搜索定位及其与外界紧急通信的问题。系统所用技术为国际领先的基于光纤弹光效应和白光干涉技术的分布式光纤传感技术，以及光纤通讯技术。技术方案为在矿道（遂道）内预埋加强光缆，并利用了光纤弹光效应，即光纤折射率对光纤所受应力、应变十分敏感，并呈线性关系的特性，同时利用白光干涉技术，对各种微弱振动引起的，光缆任意位置折射率改变后产生的微小光程差进行检测。这样，首先，可以搜索出被困人员的轻微动作，判断幸存人员存在，第二，基于采用的独特的光路设计和专用软件，可对被困地点进行准确定位，便于实施后续救援行动，第三，可实现受困人员语音的单向传递。系统采用的光缆可按照矿道（遂道）具体的复杂形状进行灵活布设，光缆本身属于无源系统，且无需供电设备，并且抗辐射，耐酸碱，适合于各种隧道（坑道）的恶劣应用环境。传统技术目前，国内外采用的技术设备有以下几种：1利用光反射进行生命探测的，即所谓的“蛇眼”探测仪。学名叫“光学生命探测仪”。2热红外生命探测仪。3声波振动生命探测仪。以上3种搜索仪器都是国际上比较先进的，带有搜索功能的设备，但他们在恶劣环境里应用都有所局限，最大的问题是，搜索距离短，并且不具备与被困人员的通讯功能。4基于射频IP技术的定位系统。这是目前国际国内已经采用的，相对成熟的矿道（遂道）无人员管理/定位系统。其基本原理是，在井、道中一定间隔距离（150-200米）设置感应电路作为自动询问接收站，人员均佩戴唯一标识的射频IP电子识别卡。这样，只要基站附近有电子识别卡（即人员），基站即可感知并能将信息（人员标识、数量等）发送到外部控制中心。该设备存在的不足是：1、整个系统基于无线数据传输技术，易受电磁干扰；2、系统用电的环节过多，存在安全隐患；3、不具备紧急通讯功能。全光纤矿道（遂道）事故人员紧急救援系统分布式光纤传感技术，即将整个长度范围内的光纤均用作传感器，探测在光纤敷设范围内任意点的特定信息，而不是仅局限于光纤上的某一点或是只是用光纤联结局部测试用传感器。目前，这项技术已成为光纤传感技术中最具前途的技术之一。实现功能包括：1能够探测极宽频率范围内的各种震动信号，从而及时搜索人员生命迹象；2能够根据探测到的振动信号，对振动源（即受困人员位置）进行定位；3能够实时回放光缆附近人员说话的语音。具体实施方法是，在隧道（坑道）施工中即铺设加强光缆。光缆即作为声音（振动）传感器，同时，也作为通讯传输介质。一旦发生意外，导致人员被困，则光缆可以敏感探测到被困人员的各种振动信号，包括说话的语音到轻微的敲击动作。外部人员可以操作光缆另一端的主机（最远可达80公里外）实时分析振动情况，或者回放人员语音，从而判断受困人员位置和并通过语音得到其他一些基本信息，便于开展下一步救援行动。其突出的优点在于：一光缆完全不受电磁干扰，便于采用各种加强处理，长期敷设耐腐蚀，发生事故时不易损害；一光缆本质是无源、弱电设备，适用于易燃易爆环境，同时，在发生事故状态导致工作区（隧道、坑道、矿井下）能源中断时，可以长期工作（光源等有源器件均可置于远离隧道的控制机房）；一能够实现无源（即没有电信号参与）的音频传输，实现了紧急情况下的通讯；一能够在事故救援过程中实现实时监控；一能够对被困人员位置进行定位；一适用于长距离监控，如长距离隧道、坑道和复杂的矿井，最远监控距离可达80公里；一该技术拥有自主知识产权，在形成产品和后续开发上，较之进口设备，具有极高的性价比。进一步研发，完全可能在该系统上实现对一些威胁隧道安全的典型地质灾害，如塌方的实时监控，即，根据特征振动频率的出现，判断塌方威胁的存在，从而发出预警。【二】机场、化学物品区、弹药区、油库用光纤安防系统各种周界安防系统简介1、红外对射，微波对射技术前者是最成熟的周界安防技术，民用领域应用也最广。后者在一些短距离监控中应用较多。但这两类技术用于机场，存在受环境影响大（高低温影响）、误报率高等缺点。2、泄漏电缆、振动电缆、张力铁丝周界安防技术适合于高级别的安防应用领域。但泄漏电缆、振动传感电缆和张力铁丝对环境耐受性和可靠性上，存在易腐蚀，消耗能源较大的缺点，且无定位功能。针对机场应用，上述1、2两类设备基于电信号的本质，还带来两个制约因素：1，均由有源设备构成，可能产生影响机场通讯的电磁波，同时，也有可能被机场高强度电磁信号所干扰；2，由于需要供电，在环境较为复杂恶劣的户外环境中，系统可靠性、安全性降低。3、光纤周界安防技术。采用光纤（光缆）沿周界布设来实现周界安防，代表了目前国际上先进的周界安防技术。具体类别包括以色列Magal的地埋光缆、美国FiberSys的振动传感光缆和澳大利亚FFT的感应光缆技术等。大多进口光纤周界设备价格昂贵，更重要的是，由于核心技术完全为国外掌握，在针对用户需求定制系统，以及工程勘测、设计、施工、到售后维护等诸方面，均受制于国外公司，存在一系列不便，尤其对于涉及国防军事安全的场所。如澳大利亚FFT、以色列Magal、美国FiberSensys，本身即是该国国防部签约商，具有复杂的军方背景，由其实施或指导实施保密性高的工程，存在潜在的泄密环节。复旦开发的光纤周界安防技术1、可适应的周界长，有分区定位功能；2、无源布防，而以美国FiberSenSys为代表的进口振动光缆其实质是准光纤系统，每隔一定区域必须布设电模块，沿周界还需布设供电线路；3、该技术布设方式简单而且灵活多样，既可在周界现有铁丝网围栏上直接布设，也可在杂草丛生的开发地域设置地埋隐蔽光纤防线；4、性价比高，复旦大学开发的这套光纤周界防护技术是目前国内外周界技术产品中性价比最高的。该技术整体造价只有美国FiberSenSys，以色列Magal振动光缆探测系统等造价的50~70%，而核心技术指标超过这些进口产品。5、该技术国内具有完全自主知识产权。对于涉及大量国家机密的某机场、弹药库等场所而言，采用国产技术、国产设备，由国内技术人员进行设计、施工，在整个项目流程上确保了保密性。6、正由于是国内自主开发的全系统，所以在联动、兼容、后续开发等方面具有高度灵活性。系统可以很好的与现有的视频摄像头实现联动，还可以添加灯光、警笛等其它联动装备。【三】光纤通信线路安防监控系统产品简介光纤通信线路安防监控系统是自主研发并填补了国际空白的光纤通信线路安防产品——为用户管理、监控通信线路环境状况提供端到端的解决方案。系统采用光纤单芯定位等一系列创新技术，通过对光缆线路上发生的触碰（或切割）光缆、接头盒、光纤等扰动的实时监测，采集和分析信息，判定扰动发生的位置、类型、强度，以帮助线路维护人员及时发现光缆信息的窃取、入侵和破坏行为。该系统解决了当前光纤通信安全缺乏有效监测手段的问题，能够在事件发生时实时监测、准确定位、智能分析,还可以实现对事故发生的预警。系统安装便捷,只需在被监测线路中一根空闲光纤的两端使用光纤连接器分别接入信号检测子架、信息处理子架(近端)和远端单元(远端),可完成系统安装而不影响通信线路正常使用。应用范围该系统不仅可用于国防光纤通信线路的防窃密、保安全，还可以用于政治、经济、文化、金融、广电等企事业单位对于重要光纤通信线路的安全监控。系统组成介绍信号检测子架、信息处理子架、远端单元及监控终端。【四】高档住宅区、机密资料室、金库用光纤周界安防系统基本情况针对高档住宅区、机密资料室、金库等中小型监控区域，传统的安全监控手段主要有：1．红外对射技术。此类系统成熟度高，当前应用较为广泛，对于重点监控区域优势较大。其广泛的应用反而带来了一些不足，如较易破解，隐密性低。随着光纤传感监控手段的日益发展，对此类技术带来的冲击很大。2．视频监控系统。此技术当前应用广泛，视频方式具有最大的直观性，可通过构建数十个甚至更多的摄像头组，监控中小型区域。同样，由于其广泛应用，也有易破解，隐蔽性低的问题。并且，此技术容易出现监控死角；自动化程度低，报警依赖值班人员通过监控视频组发现入侵行为，值班人员的工作失误等因素都可能极大其可靠性。随着当前各种安全监控手段的不断发展，此类技术开始更多的扮演配角的地位，将之加载在其他的自动化程度高的系统之上，形成联动系统。例如复旦大学研制的“高档住宅区、机密资料室、金库用光纤周界安防系统”，就可以加载视频监控组，在关键区域安装摄像头。并可以通过系统联动，在无报警状态摄像头处于待机状态；当该区域出现报警信号时，方激活摄像头的视频捕捉功能。3．电子力学感应系统此类技术较多利用电子力学感应板（力传感器），具有灵敏度高的优势，自动化程度高。然而，通常只具有接触报警功能，一旦被犯罪份子破解，可利用其监控死角，回避与报警传感器的接触，从而使得监控无效。系统构建方式类似“机场、化学物品区、弹药区、油库用光纤安防系统”，对监控区域在布防时，传感光纤更加密集化，避免监控死角。可参考前文―――“【二】机场、化学物品区、弹药区、油库用光纤安防系统”中提及的相关内容。高档住宅区、机密资料室、金库用光纤周界安防系统1．灵敏度高。不仅具备接触报警功能，在极安静场合，可将灵敏度设置到很高，使之具有非接触报警功能。这也是由光纤的弹光效应原理带来的巨大优势。2．隐蔽性高。光纤布防大多采用埋覆式，肉眼不可见。同时，因为传感光纤无源，利用主流的探测器无法探知。3．传感光纤成本低廉，化学性质稳定，易于维护。4．抗干扰能力强。尤其是电磁信号，无法影响该系统的正常工作。