CN101555989A - 基于分布式光纤的安全监测*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于分布式光纤的安全监测***，包括发射和接收光信号处理模块100，光延迟部件101，回路光纤部分102，构成一个双变型光纤萨格纳克干涉仪；发射和接收光信号处理模块1包括计算机1、光源驱动器2、光源3、去偏器4、探测器10、带探测器的电路处理板11；光延迟部件2包括3×3光纤耦合器5、短光纤6、长光纤7和2×1耦合器8；回路光纤部分102涉及两种情况的传感光纤9：振动、冲击作用在回路中两条光纤上或在回路中一条光纤上。单个检测***加装光开关，进行多通道周期巡检测量，监测大面积振动现象。多个监测***联网，实现远程智能监测。

Description

基于分布式光纤的安全监测***

技术领域

本发明公开一种基于分布式光纤的安全监测***，涉及振动、冲击的分布式测量，属于安全预防技术领域。

背景技术

维护基础设施的安全是社会稳定、经济快速发展的一个基本要求。对通信光缆、高压电网、输油管道、输气管道、桥梁、大坝、建筑物等基础设施进行安全监测，以确定健康、维护需求、寿命和其它特性，不仅是这些设施实现技术性功能的保障，更是避免造成重大经济损失、维护社会稳定发展的有效手段。

近年来光纤信息传输的绝对安全性已被打破，针对陆地光缆线路的窃听事件屡有报道，而相关媒体披露的美国中央情报局海底光缆窃听计划更引起人们对海底光缆信息传输安全性的充分重视。如何及时发现并精确定位这些事故更是一种挑战。

随着管道运输行业的发展，各种管道运输安全监测技术也在不断发展，目前已有的管道安全生产监测技术主要有两类。其一：管道泄漏事件发生后的监测技术，这种技术主要有“管内流体力学状态检测技术”。管内流体力学状态检测技术是实时采集管线中流体的流量、温度和压力等信号，进行管道泄漏检测和定位，这种技术受到管道内的流体特性、输送工艺以及测试仪器的性能等因素限制，对管道泄漏监测的灵敏度和定位精度较低，这类技术包括：压力梯度法、负压力波法、流量平衡法。其二，管道破坏事件发生前的预防监测技术，也就是管道破坏预警技术，目前已有的该类技术主要是“声波技术监测”，该技术是利用声波沿管道传输原理，在每隔1km左右安装一个有源传感器，拾取管道沿线的声音信号加以分析，确定事件性质，进而对破坏管道的事件提前发现，但是每一个传感器件必须配备一套供电装置和通信装置，不仅增加设备的投资和维护成本，且这些设施本身也容易遭到破坏，使装置不能正常运行。

随着光纤传感技术的发展，长距离分布式光纤传感技术也开始应用于管道泄漏检测和通信光缆安全监测，主要有光后散射法和光干涉法。光后散射法基于瑞利、拉曼、布里渊、偏振原理，利用外部事件对光纤传输特性的影响，通过定位检测光纤中后散光强变化来判断局部外力、温度变化，进而能评估管线的安全状况。对于管道来说，分布式光纤温度和应力监测技术是利用光纤的非线性特性(拉曼效应和布里渊效应)实时采集管道泄漏的介质对光纤的温度影响和冲击应力来确定泄漏点的位置，这种技术受到光缆的结构和光缆与泄漏点的距离限制而影响监测效果。

光干涉法具有灵敏度高、动态范围大、响应快、传输距离长，可满足长距离、微小振动检测要求。中国发明专利申请200410020046.6、200410040282.4、200610113044.0、200510023104.5、200610090594.5等使用连续激光器，呈现低功率入射问题，当监测距离超过20千米使用普通单模光纤时，由于受激布里渊阈值的限制，入射功率不超过2毫瓦，在中等距离长度的监测上有优势。利用干涉原理构建长距离监测***需要极其苛刻的条件。马赫-曾德尔干涉仪和迈克耳逊干涉仪由于光传播在两条不同的光臂上，自相位调制、交叉相位调制引起光偏振的独立性，干涉光场的偏振态呈现不可预知的问题，另外在长达上百km的两条光纤在安装时就难以做到分米级的误差，这可需要比较窄线宽的激光器才能保证干涉。我们申请的中国发明专利200710051004.2使用一个变型萨格纳克干涉仪构成长距离管线安全监测***，两条传感线路，有利地启用其管线上备用光纤是可行的，但采用两支路解调抑制噪声，其成本较高。

发明内容

本发明的目的在于采用双变型光纤萨格纳克干涉仪，单路相干光脉冲比例解调构成低成本的安全监测***，实现长距离微小振动、冲击检测与定位。为了达到上述目的，本发明采用的如下技术方案：包括发射和接收光信号处理模块100，光延迟部件101，回路光纤部分102，构成一个双变型光纤萨格纳克干涉仪；发射和接收光信号处理模块1包括计算机1、光源驱动器2、光源3、去偏器4、探测器10、带探测器的电路处理板11；光延迟部件2包括3×3光纤耦合器5、短光纤6、长光纤7和2×1耦合器8；回路光纤部分102涉及两种情况的传感光纤9：振动、冲击作用在回路中两条光纤上(如图1所示)或在回路中一条光纤上(如图2所示)。

本发明的工作原理：如图1所示，计算机1控制光源驱动器2使光源3按一定的频率发射光脉冲，脉宽小于10ps，脉冲光功率小于受激拉曼散射阈值。脉冲通过去偏器4输入3×3耦合器5，去偏器4的作用避免光源偏振的影响，优选耦合器5功分比为1∶1∶1，分成三束等量的光脉冲分别在短光纤13、长光纤14和传感光纤9逆时针方向传播，其中两束光脉冲输入耦合器8，优选耦合器8功分比为1∶1，两光脉冲缩量1/2输出到传感光纤9中按顺时针方向传播达到耦合器5，逆时针方向传播的光脉冲输入耦合器8分量相等的光脉冲分别在长、短光纤7、6中传播达到耦合器5，有且只有经历最长和最短对应的两光脉冲干涉，输出二个先后顺序的相干脉冲，它们继续传播先后被光探测器转换为电信号，再由电路处理板11转换为数字信号，由计算机5处理、计算出传感线路上振动位置。有利地二个先后达到的相干光脉冲与下次二个先后达到的相干光脉冲不能混杂，光源7发射光脉冲的频率小于等于c/(n_effL)，c为光在真空中速度，n_eff为光纤有效折射率，短光纤13长度为L₁km，长光纤14长度为L₂km，L＝L₂-L₁；有利地探测器完整转换每个返回的光脉冲，A/D采样保持时间大于脉宽，A/D采样频率大于光源重复频率。将这两个相干光脉冲转换的数字信号作比例解调来抑制光源波动。图1中振动点D产生的振动函数设为φ(t)，最短路径、最长路径顺时针和逆时针传播的光脉冲在耦合器5产生的相位差Δφ_m，m＝1，2表示为：

Δφ_m＝φ(t+τ_m+T)+φ(t+τ_m)-φ(t)-φ(t+T)-2π/3    (1)

振动点D离最远端距离设为x，式(1)中光往返这两点之间的时间为T，T＝2_neffx/c，τ_m＝n_effL_m/c，t为耦合器5分束光脉冲率先达到振动点D的时刻。设φ(t)的付里叶变换为F(ω)，由付里叶变换的线性性质得

(2)

式(2)中陷波点为，即

ωT＝2kπ-π，ωτ_m≠2kπ，m＝1，2    (3)

上式(3)中k为自然数，特征频率为：

$f_{\mathrm{null}}=\frac{2k-1}{2T}=\frac{(2k-1)c}{{4n}_{\mathrm{eff}}x},f_{\mathrm{null}}\≠\frac{\mathrm{kc}}{n_{\mathrm{eff}}{L}_m},m=\mathrm{1,2}---\left(4\right)$

显然，当x＞0.25L₂时，对任何k才有 $f_{\mathrm{null}}\≠\frac{\mathrm{kc}}{n_{\mathrm{eff}}{L}_m},$ m＝1，2，也就是说本***有监测盲区，长度为0.25L₂。与特征频率f_null所对应的光纤长度x为： $x=\frac{(2k-1)c}{4n_{\mathrm{eff}}{f}_{\mathrm{null}}}---\left(5\right)$

由于式(1)和式(2)频率空间完全相似，它们的光电信号作比例后再进行付里叶变换同样能获得上述结果，并且能计算出振动点产生的振动函数图像。

图2中振动点D产生的振动函数设为φ(t)，最短路径、最长路径顺时针和逆时针传播的光脉冲在耦合器5产生的相位差Δφ₃、Δφ₄表示为：

Δφ_m+2＝φ(t+τ_m-T₀)-φ(t+T₀)-2π/3，m＝1，2    (6)

振动点D离最远端距离设为x，式(6)中这两点之间光通过的单程时间为T₀，T₀＝n_effx/c，t为耦合器5分束光脉冲逆时针传播达到最远端的时刻。设φ(t)的付里叶变换为F(ω)，由付里叶变换的线性性质得

式(7)中陷谐波点为

，即

ω(2T₀-τ_m)＝2kπ，m＝1，2    (8)

上式(8)中k为自然数，特征频率为：

$f_{\mathrm{null}}=\frac{k}{2T_0-{\mathrm{\τ}}_m}=\frac{\mathrm{kc}}{n_{\mathrm{eff}}(2x-L_m)},m=\mathrm{1,2}---\left(9\right)$

该结构无监测盲区，但前后两次分别建立的频谱空间中谐波点位置不同，它们的光电信号作比例后再进行付里叶变换谐波点位置也不同，分别计算出振动点位置，再求平均值来减少不确定度。

单个检测***加装光开关，进行多通道周期巡检测量，监测大面积振动现象。多个监测***联网，实现远程智能监测。

本发明优点：

①、应用广泛：即可应用于管线的安全监测，又可以应用于大面积的安全监测。

②、检测灵敏度高、监测距离远：采用去偏器避免光源偏振的影响，设置光源7发射光脉冲的频率小于等于c/(n_effL)，使得二个先后达到的相干光脉冲与下次二个先后达到的相干光脉冲不能混杂，***信噪比得到保证；设置A/D采样保持时间大于脉宽，A/D采样频率大于光源重复频率，探测器完整转换每个返回的相干光脉冲，使得电信号无失真现象。返回的先后相干光脉冲各自独立建立频谱空间确定振动位置以及它们作比例后再建立频谱空间确定位置，由此还能建立振动的函数图像。单个检测***加装光开关，进行多通道周期巡检测量，监测大面积的振动现象。

③、定位精度高：采用小于10ns的短脉冲激光，理论上可以获得小于2m的定位误差。

附图及附图说明

图1本发明振动点作用在两条光纤线上的***结构图；

图2本发明振动点作用在一条光纤线上的***结构图；

图3本发明采集的光电信号的时序图；

图4本发明获得的振动函数图像；

图5本发明最长路径之间逆时针、顺时针光脉冲干涉的频谱图。

本发明本说明书和附图中参考标号的重复使用旨在表示本发明的相同或类似的特征或元件。

具体实施方式

为了概括本发明起见，本文描述了本发明的某些方面、优点以及新颖特征。应该理解，没必要根据本发明的任何一个特定实施例来实现所有这些优点。因此，本发明不限于所公开的任何特定实施例。

本发明的实施例如下：

1、实施方案1安全监测长距离通信光缆，本例是一实验样机，其构成如图1所示。图中粗连接线为光纤，由成都中住光缆公司提供，细连接线为电线。计算机1是PC104***，光源驱动器2、带探测器的电路处理板11是1个1MHz12bitA/D芯片、1个PIN探测器、驱动电路、处理电路、缓冲区集成在一个板卡中，由我们实验室制作完成，光源3也是自制的光纤激光器，980nm泵浦掺铒光纤输出1550nm光脉冲，线宽8nm，脉宽6.5ns，峰值功率5W，重复频率100kHz，盘绕在板卡上层，板卡***PC104***的插槽中。耦合器和去偏器4由上海翰宇公司提供；***软件由我们实验室编制完成，包括***驱动、采集、分析、显示存储。计算机1控制光源驱动器2使光源3按100kHz重复频率发射光脉冲。脉冲通过去偏器4输入3×3耦合器5，分成三束等量的光脉冲分别在短光纤6、长光纤7和传感光纤9逆时针方向传播，其中两束光脉冲输入耦合器8，这两光脉冲缩量1/2输出到传感光纤9中按顺时针方向传播达到耦合器5，逆时针方向传播的光脉冲输入耦合器8分量相等的光脉冲分别在长、短光纤7、6中传播达到耦合器5，有且只有经历最长和最短对应的两光脉冲干涉，输出二个先后顺序的相干脉冲，它们继续传播先后被光探测器转换为电信号，再由电路处理板11转换为数字信号，由计算机5处理、计算出传感线路上振动位置。实验中长光纤7长2km与短光纤6长1km，单线路光纤3长度为241km，实际监测距离为(241-1)/2＝120km。实施例中，振动在传感光纤中的位置离最远端x＝100km，实施例中的采集的光电信号的时序图如图3所示，最长路径之间逆时针、顺时针光脉冲干涉的频谱缺损情况如图5所示，第一个陷波点频率f_null＝499.5Hz位置相应于x＝100.1km，第二个陷波点频率1501.6Hz位置相应于x＝99.89km，第三个陷波点频率2502.3Hz位置相应于x＝99.908km，第四个陷波点频率3491.4Hz位置相应于x＝100.246km，平均为x＝100.036km，平均不确定度为0.036％。获得的振动函数图像如图4所示。

本***不但适用于管线的安全防范与预警，也适用于其它重要设施和重要区域的安全防范与预警，比如：桥梁，大坝，边境线，建筑物和重要活动区等设施与区域的安全保护与防范预警。

Claims (8)

1、一种基于分布式光纤的安全监测方法，运用光纤萨格纳克干涉原理，分布式定位振动、冲击点，其特征在于振动、冲击点离最远端距离为x，T₁＝n_effx/c，T₂＝2_neffx/c，获取的光信号频谱Ξ与振动、冲击频谱Θ之间满足：

或者

其中

为振动、冲击的角频率，τ₁，τ₂为光波经过光纤延迟线的时间，τ₁＝2n_effL/c，τ₂＝n_effL/c。

2、按权利要求1所述方法的基于分布式光纤的安全监测***，其特征在于：包括发射和接收光信号处理模块(100)，光延迟部件(101)，双路光纤部分(102)，构成一个双光纤萨格纳克干涉仪；发射和接收光信号处理模块(100)包括计算机(1)，光源驱动器(2)，光源(3)，去偏器4，探测器(10)和带探测器的电路处理板(11)；光延迟部件(101)包括3×3光纤耦合器(5)，短光纤(6)，长光纤(7)和2×1耦合器(8)；双路光纤部分(102)涉及两种情况的传感光纤(9)：振动、冲击作用在回路中一条光纤上或在回路中两条光纤上。

3、按权利要求2所述***，其特征在于：光源(3)发射光脉冲的频率小于等于c/(n_effL)，c为光在真空中速度，n_eff为光纤有效折射率，L为长光纤(7)与短光纤(6)长度差，A/D采样保持时间大于脉宽，A/D采样频率大于光源重复频率。

4、按权利要求2所述的***，其特征在于：光源(7)优选为光纤激光器。

5、按权利要求2所述的***，其特征在于：***中使用的耦合器优选为熔锥型光纤耦合器，功分比优选均分。

6、根据权利要求2所述的***，其特征在于：***中所用光纤或光纤延迟线是单模光纤，或者是多模光纤。

7、根据权利要求2所述的***，其特征在于：单个检测***加装光开关，进行多通道周期巡检测量，监测大面积振动、冲击现象。

8、根据权利要求2所述的***，其特征在于：多个监测***联网，实现远程智能监测。

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