阅读说明：本技术 一种基于多源光纤传感的军用车辆入侵识别装置 (Military vehicle intrusion recognition device based on multi-source optical fiber sensing ) 是由 丁凯 郑守军 王宇 徐跃林 马诗洋 陈宇 高妍 靳宝全 于 2020-06-29 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于多源光纤传感的军用车辆入侵识别装置,可识别军用车辆入侵行为产生的磁场变化、应变变化和声音变化,将三种信号检测手段进行融合,形成多源光纤传感技术,并利用磁致伸缩薄片、金属应变增敏薄片和声音增敏薄片提升光纤光栅和光纤环检测性能。为防止外力对机械装置进行破坏,采用了顶部保护层、中间弹簧缓冲层、底部保护层、及120°对称设置的三组机械臂上保护层和机械臂下保护层对整套装置进行防护。为提升装置埋设稳定性,采用了三组抓地装置构成三足式埋地结构以保护光纤光栅和光纤环传感器件,利于战场条件下的迅速布置,具有体积小巧、便于携带、操作简单、灵敏度高的优点。(The invention provides a military vehicle intrusion identification device based on multi-source optical fiber sensing, which can identify magnetic field change, strain change and sound change generated by military vehicle intrusion behaviors, integrates three signal detection means to form a multi-source optical fiber sensing technology, and improves the detection performances of an optical fiber grating and an optical fiber ring by utilizing a magnetostrictive thin sheet, a metal strain sensitization thin sheet and a sound sensitization thin sheet. In order to prevent the mechanical device from being damaged by external force, a top protective layer, a middle spring buffer layer, a bottom protective layer, three groups of mechanical arm upper protective layers and mechanical arm lower protective layers which are symmetrically arranged at 120 degrees are adopted to protect the whole device. In order to improve the embedding stability of the device, three groups of ground grabbing devices are adopted to form a three-legged embedded structure so as to protect the fiber bragg grating and the fiber ring sensing device, the rapid arrangement under the battlefield condition is facilitated, and the three-legged embedded structure has the advantages of small volume, convenience in carrying, simplicity in operation and high sensitivity.)

一种基于多源光纤传感的军用车辆入侵识别装置

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体为一种基于多源光纤传感的军用车辆入侵识别装置。

背景技术

在现代战争中，军用车辆承担着战斗、运输、牵引等作战任务，通常具有体积大、重量高、路径隐蔽等特点，因此，对军用车辆入侵进行准确识别，对于战场上优先占据主导权具有重要意义。军用车辆因战场防御需要通常配备由金属构成的防护装甲和前进履带，重量甚至可达数十吨，其前进过程中会对地面产生巨大压力，同时会由发动机发出特征鲜明的轰鸣声。针对军用车辆的入侵识别，通常可采用电磁传感器、声音传感器、图像传感器等电类传感器来实现。

然而，随着战场反制技术的发展，强电磁干扰技术会使各种电类传感器致盲，无法正常工作。为此，光纤传感技术因其无电传感、抗电磁干扰、布置灵活的优势，可对原有电类传感器进行有效补充。其中，军用车辆的金属材料会引起环境地磁场的变化，可利用光纤光栅磁场传感器进行检测；军用车辆行进碾压会造成地表土层应变的变化，可利用光纤光栅应变传感器进行检测；军用车辆发动机工作会造成环境声场的变化，可利用光纤环声音传感器进行检测。以上三种检测手段的相互融合，将形成多源光纤传感技术，并通过三足式埋地结构，提高军用车辆入侵的识别效率与准确度。

发明内容

本发明目的是提供一种基于多源光纤传感的军用车辆入侵识别装置，其目的在于采用波分复用技术，将三种中心频率的激光分别注入到光纤光栅磁场传感器、光纤光栅应变传感器和光纤环声音传感器中，利用磁致伸缩薄片、金属应变增敏薄片和声音增敏薄片提升光纤光栅和光纤环检测性能，分别对军用车辆产生的磁场、应变、声音等多源信号进行识别，并采用三足式埋地结构保护光纤光栅和光纤环传感器件，利于战场条件下的迅速布置，具有体积小巧、便于携带、操作简单的优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于多源光纤传感的军用车辆入侵识别装置，包括：机械结构和解调系统；机械结构设置于地面指定位置，通过埋地光缆连接至远端设置的解调系统；所述机械结构包括顶部保护层、中间弹簧缓冲层、底部保护层、连接光纤进出装置、第一机械臂、第一抓地装置、光纤环声音传感器、声音增敏薄片、第二机械臂、第二抓地装置、光纤光栅磁场传感器、磁致伸缩薄片、第三机械臂、第三抓地装置、光纤光栅应变传感器和金属应变增敏薄片；所述解调系统包括第一宽带光源、第二宽带光源、光隔离器、环形器、波分复用器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、法布里-珀罗可调谐滤波器、光谱仪、第一光电探测器、第二光电探测器、双路高速模数转换模块、高斯滤波器模块、高速数模转换模块、低通滤波器模块、寻峰模块、数字频率合成器模块和微控制器；

其中，机械结构的顶部保护层为圆柱体，底部保护层为圆盒状体，在顶部保护层和底部保护层之间安装有中间弹簧缓冲层，且顶部保护层、中间弹簧缓冲层和底部保护层的直径相同，所述的底部保护层底部中心位置开有圆孔并与连接光纤进出装置连通，所述的底部保护层***每隔120°安装一个机械臂，第一机械臂外端部向下安装有第一抓地装置，第二机械臂外端部向下安装有第二抓地装置，第三机械臂外端部向下安装有第三抓地装置，所述的第一机械臂底部贴附有声音增敏薄片，光纤环声音传感器与声音增敏薄片紧贴放置，所述的第二机械臂底部贴附有磁致伸缩薄片，光纤光栅磁场传感器与磁致伸缩薄片紧贴放置，所述的第三机械臂底部贴附有金属应变增敏薄片，光纤光栅应变传感器与金属应变增敏薄片紧贴放置；光纤环声音传感器、光纤光栅磁场传感器及光纤光栅应变传感器的连接光纤连接至解调系统；

解调系统中，第一宽带光源与光隔离器的a端口相连，第二宽带光源与光隔离器的b端口相连，光隔离器的c端口与环形器的a端口相连，环形器的b端口与波分复用器的a端口相连，波分复用器的b端口与第一光纤耦合器的a端口相连，第一光纤耦合器的b端口与光纤光栅磁场传感器相连，第一光纤耦合器的c端口与光纤光栅应变传感器相连，波分复用器的c端口与第二光纤耦合器的a端口相连，第二光纤耦合器的b、c端口分别与光纤环声音传感器的a、b端口相连，环形器的c端口与第三光纤耦合器的a端口相连，第三光纤耦合器的c端口与光谱仪相连，第三光纤耦合器的b端口与法布里-珀罗可调谐滤波器的a端口相连，法布里-珀罗可调谐滤波器的b端口与第二光电探测器的输入端相连，第二光电探测器的输出端与双路高速模数转换模块的a端口相连，双路高速模数转换模块的c端口与高斯滤波器模块的输入端相连，高斯滤波器模块的输出端与寻峰模块的输入端相连，寻峰模块的输出端与微控制器的b端口相连，所述的第二光纤耦合器的d端口与第一光电探测器相连，第一光电探测器与双路高速模数转换模块的b端口相连，双路高速模数转换模块的d端口与低通滤波器模块相连，低通滤波器模块与微控制器的a端口相连，微控制器的c端口与数字频率合成器模块的输入端相连，数字频率合成器模块的输出端与高速数模转换模块的输入端相连，高速数模转换模块的输出端与法布里-珀罗可调谐滤波器的c端口相连。

其中，第一机械臂包括第一机械臂上保护层和第一机械臂下保护层；第二机械臂包括第二机械臂上保护层和第二机械臂下保护层；第三机械臂包括第三机械臂上保护层和第三机械臂下保护层；三者的上下保护层层叠固定设置。

其中，第一抓地装置、第二抓地装置及第三抓地装置均设置为截面为正三角形的三棱柱，且三棱柱的截面边长远大于三棱柱的高，三者通过其中一侧边对应与第一机械臂下保护层、第二机械臂下保护层和第三机械臂下保护层固定连接，以使整个装置抓地平稳。

其中，底部保护层底部开有光纤环导线孔 、第一光纤光栅导线孔 和第二光纤光栅导线孔，光纤环声音传感器的连接光纤经设置于光纤环导线孔穿入底部保护层；光纤光栅磁场传感器的连接光纤经第一光纤光栅导线孔穿入底部保护层；光纤光栅应变传感器的连接光纤经光纤光栅导线孔接入底部保护层；三路连接光纤在底部保护层从连接光纤进出装置导出连接到解调系统。

本发明相对于现有技术，本发明所述的一种基于多源光纤传感的军用车辆入侵识别装置，可识别军用车辆入侵行为产生的声音变化、磁场变化和应变变化，将三种信号检测手段进行融合，形成多源光纤传感技术；利用磁致伸缩薄片、金属应变增敏薄片、声音增敏薄片提升光纤光栅和光纤环的检测性能；采用三足式埋地结构保护光纤光栅和光纤环传感器件，利于战场条件下的迅速布置，具有体积小巧、便于携带、操作简单等优点。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明提供的一种基于多源光纤传感的军用车辆入侵识别装置的结构示意图。

图2是本发明提供的一种基于多源光纤传感的军用车辆入侵识别装置的俯视结构示意图。

图3是本发明提供的一种基于多源光纤传感的军用车辆入侵识别装置的仰视结构示意图。

图4是本发明提供的一种基于多源光纤传感的军用车辆入侵识别装置的解调系统的结构示意图。

图中：1、顶部保护层 2、中间弹簧缓冲层 3、底部保护层 4、连接光纤进出装置 5、第一机械臂上保护层 6、第一机械臂下保护层 7、第一抓地装置 8、光纤环声音传感器 9、声音增敏薄片 10、第二机械臂上保护层 11、第二机械臂下保护层 12、第二抓地装置 13、光纤光栅磁场传感器 14、磁致伸缩薄片 15、第三机械臂上保护层 16、第三机械臂下保护层 17、第三抓地装置 18、光纤光栅应变传感器 19、金属应变增敏薄片20、光纤环导线孔21、第一光纤光栅导线孔 22、第二光纤光栅导线孔 23、第一宽带光源 24、第二宽带光源25、光隔离器 26、环形器 8、光纤环声音传感器 13、光纤光栅磁场传感器 18、光纤光栅应变传感器 27、波分复用器 28、第一光纤耦合器 29、第二光纤耦合器 30、第三光纤耦合器31、法布里-珀罗可调谐滤波器 32、光谱仪 33、第一光电探测器 34、第二光电探测器 35、双路高速模数转换模块 36、高斯滤波器模块 37、高速数模转换模块 38、低通滤波器模块39、寻峰模块 40、数字频率合成器模块 41、微控制器。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

参阅图1-3，本发明提供了一种基于多源光纤传感的军用车辆入侵识别装置，包括：包括顶部保护层1、中间弹簧缓冲层2、底部保护层3、连接光纤进出装置4、第一机械臂上保护层5、第一机械臂下保护层6、第一抓地装置7、光纤环声音传感器8、声音增敏薄片9、第二机械臂上保护层10、第二机械臂下保护层11、第二抓地装置12、光纤光栅磁场传感器13、磁致伸缩薄片14、第三机械臂上保护层15、第三机械臂下保护层16、第三抓地装置17、光纤光栅应变传感器18、金属应变增敏薄片19、光纤环导线孔20、第一光纤光栅导线孔21和第二光纤光栅导线孔22组成的多源光纤传感军用车辆入侵识别装置的机械系统以及由第一宽带光源23、第二宽带光源24、光隔离器25、环形器26、波分复用器27、第一光纤耦合器28、第二光纤耦合器20、第三光纤耦合器30、法布里-珀罗可调谐滤波器31、光谱仪32、第一光电探测器33、第二光电探测器34、双路高速模数转换模块35、高斯滤波器模块36、高速数模转换模块37、低通滤波器模块38、寻峰模块39、数字频率合成器模块40、微控制器41组成的多源光纤传感军用车辆入侵识别装置的解调系统。图1是本发明多源光纤传感军用车辆入侵识别装置机械系统图，图2是本发明多源光纤传感军用车辆入侵识别装置解调系统图。

当所述的机械装置实地铺设时，将其埋于军用车辆频繁经过的地面，将第一抓地装置7，第二抓地装置12和第三抓地装置17的抓地深度保持一致来确保机械装置的水平铺设，所述的顶部保护层1和中间弹簧缓冲层2需铺设在地面以上，对外部压力进行缓冲来保护整个机械装置，机械装置的其余部分全埋于地面以下来实现对声音、磁场和应变信号的检测。

下面结合附图1和附图2进一步说明本装置在军用车辆入侵识别检测原理，以及本装置在使用过程中解调系统的工作原理。

如附图1所示，在顶部保护层1和底部保护层3之间安装有中间弹簧缓冲层2，且顶部保护层1和中间弹簧缓冲层2需铺设在地面以上，以便共同对外界施加的压力进行保护缓冲来保护底部保护层3处的光路，顶部保护层1、底部保护层3与中间弹簧缓冲层2具有相同直径来保证受力面积足够大，减少压强，底部保护层3底部中心位置开有圆孔并与连接光纤进出装置4连通，此外底部保护层3底部还开有光纤环导线孔20、第一光纤光栅导线孔 21和第二光纤光栅导线孔22。底部保护层3***每隔120°安装一个机械臂，且三个机械臂均采用双层保护结构以保护其下的光纤光栅和光纤环传感器不被损坏，其中第一机械臂由第一机械臂上保护层5与第一机械臂下保护层6贴合在一起构成，第一机械臂下保护层6外端安装有第一抓地装置7，第二机械臂由第二机械臂上保护层10与第二机械臂下保护层11贴合在一起构成，第二机械臂下保护层11外端安装有第二抓地装置12，第三机械臂由第三机械臂上保护层15与第三机械臂下保护层16贴合在一起构成，第三机械臂下保护层16外端安装有第三抓地装置17，第一抓地装置7、第二抓地装置12和第三抓地装置17组成三足式埋地结构埋入地下，并保持三个抓地装置抓地深度一致，保证整个机械装置的水平埋设。第一机械臂下保护层6底部贴附有声音增敏薄片9，光纤环声音传感器8与声音增敏薄片9紧贴放置，使光纤环声音传感器8对声音信号的检测更灵敏，光纤环声音传感器8的连接光纤经光纤环导线孔20穿入底部保护层3，所述的第二机械臂下保护层12底部贴附有磁致伸缩薄片14，光纤光栅磁场传感器13与磁致伸缩薄片14紧贴放置，使光纤光栅磁场传感器13对磁场信号的检测更灵敏，光纤光栅磁场传感器13的连接光纤经第一光纤光栅导线孔21穿入底部保护层3，所述的第三机械臂下保护层16底部贴附有金属应变增敏薄片19，光纤光栅应变传感器18与金属应变增敏薄片19紧贴放置，使光纤光栅应变传感器18对应变信号的检测更灵敏，光纤光栅应变传感器18的连接光纤经第二光纤光栅导线孔22接入底部保护层3，光纤环经光纤环导线孔20接入底部保护层3并从连接光纤进出装置4导出连接到解调系统，两路光栅连接光纤在底部保护层3交汇后从连接光纤进出装置4导出连接到解调系统。当军用车辆经过机械装置埋设上方地面时，声音增敏薄片9、磁致伸缩薄片14和金属应变增敏薄片19对车辆经过产生的声音、磁场和应变信号增强后，分别由光纤环声音传感器8、光纤光栅磁场传感器13与光纤光栅应变传感器18检测，再将传感光信号输入解调系统。

如附图2所示，第一宽带光源23与光隔离器25的a端口相连，第二宽带光源24与光隔离器25的b端口相连，光隔离器25的c端口与环形器26的a端口相连，环形器26的b端口与波分复用器27的a端相连，波分复用器27的b端口与第一光纤耦合器28的a端口相连，第一光纤耦合器28的b端口与光纤光栅磁场传感器13相连，第一光纤耦合器28的c端口与光纤光栅应变传感器18相连，波分复用器27的c端口与第二光纤耦合器29的a端口相连,第二光纤耦合器29的b端口与光纤环声音传感器8的a端口相连，第二光纤耦合器29的c端口与光纤环声音传感器8的b端口相连，第二光纤耦合器29的d端口与第一光电探测器33的输入端相连，所述的环形器26的c端口与第三光纤耦合器30的a端口相连，第三光纤耦合器30的b端口与法布里-珀罗可调谐滤波器31的a端口相连，第三光纤耦合器30的c端口与光谱仪32相连，法布里-珀罗可调谐滤波器31的b端口与第二光电探测器34的输入端相连，第二光电探测器34的输出端与双路高速模数转换模块35的a端口相连，双路高速模数转换模块35的b端口与第一光电探测器33的输出端相连，双路高速模数转换模块35的c端口与高斯滤波器模块36的输入端相连，双路高速模数转换模块35的d端口与低通滤波器模块38的输入端相连，所述的高斯滤波器模块36的输出端与寻峰模块39的输入端相连，寻峰模块39的输出端与微控制器41的b端口相连，所述的低通滤波器模块38的输出端与微控制器41的a端口相连，微控制器41的c端口与数字频率合成器模块40的输入端相连，数字频率合成器模块40的输出端与高速数模转换模块37的输入端相连，高速数模转换模块37的输出端与法布里-珀罗可调谐滤波器31的c端口相连。

第一宽带光源23为中心波长是1550nm的宽带光源，覆盖波段为1528~1568nm，第二宽带光源24为中心波长是1310nm宽带光源，覆盖波段为1280~1340nm，第一宽带光源23和第二宽带光源24将光信号分别从光隔离器25的a、b端口输入，再从光隔离器25的c端口输出，经环形器26从波分复用器27的a端口输入，所述的波分复用器27的b端口将1550nm宽带光输出并从第一光纤耦合器28的a端口输入，第一光纤耦合器28将1550nm宽带光信号分为1：1两部分分别从b、c两端口输出，第一光纤耦合器28的b端口将光信号输入光纤光栅磁场传感器13，第一光纤耦合器28的c端口将光信号输入光纤光栅应变传感器18，所述的波分复用器27的c端口将1310nm宽带光输出并从第二光纤耦合器29的a端口输入，第二光纤耦合器29将光信号等比分成两部分分别从b、c端口输出，之后分别沿光纤环声音传感器8的a、b端口输入，光纤环声音传感器8为单模光纤缠绕而成且直径相同的光纤环，可分为走向为a端口-光纤环-b端口的顺时针光路和走向为b端口-光纤环-a端口的逆时针光路；光纤光栅的反射波长受到光纤折射率和光栅间距的影响，当光纤光栅受到外界磁场和应变信号时，其光纤折射率和光栅间距因满足变化规律的不同，会产生不同的反射波长；当光纤环声音传感器8受到外界声音信号影响时，从a端口输入沿顺时针方向传播的顺时针激光和从b端口输入沿逆时针方向传播的逆时针激光会由于萨格奈克效应在第二光纤耦合器29处形成干涉，且干涉光强度的变化规律与外界声音强度的变化规律一致，从而可以检测到外界声音信号。

当所述的光纤环声音传感器8检测到声音变化信号后，会引起第二光纤耦合器29处干涉光强度的变化，变化的干涉光信号经第二光纤耦合器29的d端口输出至第一光电探测器33，将光功率等比例转换为电压幅值，第一光电探测器33输出信号至双路高速模数转换模块35的b端口，将模拟信号转为数字信号，双路高速模数转化模块35将数字信号从d端口输出进入低通滤波器模块38，滤除环境中的低频噪声，低通滤波器模块38将滤波后的信号输出至微控制器41的a端口，得到光纤环声音传感器8的干涉光时域信号，完成对声音信号的检测。

当所述的光纤光栅磁场传感器13检测到磁场变化信号后，光栅对满足其布拉格条件的波长进行有选择的反射，反射光沿着原路返回到第一光纤耦合器28的b端口，并从第一光纤耦合器28的a端口进入到波分复用器27的b端口，从而使得反射光从波分复用器27的a端口进入到环形器26的b端口，再由环形器26的c端口输入第三光纤耦合器30，第三光纤耦合器30将反射光信号分为10：90两部分，第三光纤耦合器30的c端口将10%的反射光信号输入光谱仪32，对光纤光栅磁场传感器13的反射谱进行分析做参考值，第三光纤耦合器30的b端口将90%的反射光信号从法布里-珀罗可调谐滤波器31的a端口输入进行解调，法布里-珀罗可调谐滤波器31将信号从b端口输出至第二光电探测器34，将光功率等比例转换为电压幅值，第二光电探测器34的输出信号双路高速模数转换模块35的a端口输入，将模拟信号转为数字信号，再经高速数模转换模块35的c端口输出至高斯滤波器模块36，对数字信号进行平滑处理后输入寻峰模块39，对滤波后的数据进行峰值初判，对符合预设峰值要求的数据，获取其峰值沿上升沿起点至下降沿终点之间所有采样数据，进行加权平均得出峰值的精确位置并存储，寻峰模块39的输出信号从微控制器41的b端口输入，对信号进行识别和判断进而发出下一步指令，微控制器41的输出信号从c端口输至数字频率合成器模块40，产生用于生成三角波的数字信号，再经高速数模转换模块37将数字信号转为三角波模拟信号，高速数模转换模块37将三角波信号从法布里-珀罗可调谐滤波器31的c端口输入，驱动法布里-珀罗可调谐滤波器31对光纤光栅的反射光谱进行不间断的周期性扫描，得到光纤光栅磁场传感器13的光纤光栅反射光谱的时域分布，完成对磁场信号的解调。

当所述的光纤光栅应变传感器18检测到应变变化信号后，光栅对满足其布拉格条件的波长进行有选择的反射，反射光沿着原路返回到第一光纤耦合器28的c端口，并从第一光纤耦合器28的a端口进入到波分复用器27的b端口，从而使得反射光从波分复用器27的a端口进入到环形器26的b端口，再由环形器26的c端口输入第三光纤耦合器30，第三光纤耦合器30将反射光信号分为10：90两部分，第三光纤耦合器30的c端口将10%的反射光信号输入光谱仪32，对光纤光栅应变传感器18的反射谱进行分析做参考值，第三光纤耦合器30的b端口将90%的反射光信号从法布里-珀罗可调谐滤波器31的a端口输入进行解调，法布里-珀罗可调谐滤波器31将信号从b端口输出至第二光电探测器34，将光功率等比例转换为电压幅值，第二光电探测器34的输出信号双路高速模数转换模块35的a端口输入，将模拟信号转为数字信号，再经高速数模转换模块35的c端口输出至高斯滤波器模块36，对数字信号进行平滑处理后输入寻峰模块39，对滤波后的数据进行峰值初判，对符合预设峰值要求的数据，获取其峰值沿上升沿起点至下降沿终点之间所有采样数据，进行加权平均得出峰值的精确位置并存储，寻峰模块39的输出信号从微控制器41的b端口输入，对信号进行识别和判断进而发出下一步指令，微控制器41的输出信号从c端口输至数字频率合成器模块40，产生用于生成三角波的数字信号，再经高速数模转换模块37将数字信号转为三角波模拟信号，高速数模转换模块37将三角波信号从法布里-珀罗可调谐滤波器31的c端口输入，驱动法布里-珀罗可调谐滤波器31对光纤光栅的反射光谱进行不间断的周期性扫描，得到光纤光栅应变传感器18的光纤光栅反射光谱的时域分布，完成对应变信号的解调。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。