CN101555990A - 长距离管线安全监测*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种长距离管线安全监测***，包括发射和接收光信号处理模块1，光延迟部件2，单线路光纤3和带探测盲区的非线性光纤环境4，构成一个变型光纤萨格纳克干涉仪；采用偏振控制元件保证最大干涉强度，采用至少三波长和三个相干光脉冲信号独立获取数据来抑制光源波动和偏振态变化造成的噪声；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。单个监测***无中继监测上百km以上的距离。

Description

长距离管线安全监测***

技术领域

本发明公开一种运用光纤萨格纳克干涉原理构建长距离管线安全监测***，涉及振动、冲击的分布式测量，属于管线***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1公里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。但由于原理上的先天不足，无中继最长监测距离不超过80km。

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。我们知道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，另外在长达上百千米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，其线路成本比较高，有利地是线路对温度和偏振不敏感，解调简单。

发明内容

本发明的目的在于采用一个变型萨格纳克干涉仪，单条传感线路，构成低成本的长距离管线安全监测***，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1，光延迟部件2，单线路光纤3和带探测盲区的非线性光纤环境4，构成一个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5、光源驱动器6、光源7、环行器8、分光滤波器9、带探测器的电路处理板10；光延迟部件2包括耦合器11、偏振控制器12、短光纤13、长光纤14和耦合器15，长短光纤长度差为Lkm；探测盲区的非线性光纤环境4的盲区长度为0.25L km。分光滤波器9优选为1×4波导阵列光栅(AWG)，有利地环行器8可替换为隔离器18和耦合器17(如图2所示)。

本发明的工作原理：如图1所示，计算机5控制光源驱动器6使光源7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。脉冲越过环行器8输入耦合器11，优选耦合器11功分比为1∶1，分成两束等量的光脉冲分别在短光纤13和长光纤14中传播，输入耦合器15，优选耦合器15功分比为1∶1，两光脉冲缩量1/2输出到传感光纤3，经非线性环境全反射沿原路返回输入耦合器15，每个脉冲缩量1/2分成两个光脉冲，分别沿短光纤13和长光纤14中传播，在耦合器11中有一个光脉冲率先达到，两个光脉冲同时达到并干涉，一个光脉冲最后达到，形成三个先后达到的相干脉冲。它们继续传播经环行器8输入波导阵列光栅(AWG)9，输出在四个不同波长的通道中被带四个探测器的电路处理板10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。有利地三个先后达到的相干光脉冲与下次三个先后达到的相干光脉冲不混杂，光源7发射光脉冲的频率小于等于c/(2n_effL)，c为光在真空中速度，n_eff为光纤有效折射率；有利地每个探测器完整俘获每个返回的光脉冲，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，这时AWG及后续处理模块选三通道，其作用是三波长通道的信号形成比例测量抑制偏振变化，每个探测器获取的三个相干脉冲信号形成比例测量抑制光源变化。使用偏振控制器12的目的是***无振动信号时工作在最佳偏振状态，有微小振动信号时，振动点光程有变化，反映不同时刻通过的光脉冲相位差随之变化，且光脉冲本身偏振态也随之变化，耦合器15、4会使两个光脉冲之间的偏振夹角δ放大并产生头寸，也就是说本***有一定程度的偏振敏感。有利地***中耦合器均优选为保偏耦合器，降低***的偏振敏感程度。

图1中振动点D产生的相位差Δφ的频谱表示为：

式(1)中F(ω)为振动函数的频谱，振动点D离非线性光纤环境4的距离设为x，光往返这两点之间的时间为T，T＝2n_effx/c，τ＝n_effL/c。式(1)中陷波点为

即ωT＝2kπ-π，ωτ≠2kπ    (2)

上式(2)中k为自然数，特征频率为：

$f_{\mathrm{unll}}=\frac{2k-1}{2T}=\frac{(2k-1)c}{4n_{\mathrm{eff}}x},f_{\mathrm{null}}\≠\frac{\mathrm{kc}}{n_{\mathrm{eff}}L}---\left(3\right)$

显然，当x＞0.25L时，对任何k才有 $f_{\mathrm{null}}\≠\frac{\mathrm{kc}}{n_{\mathrm{eff}}L},$ 也就是说本***有监测盲区，长度为0.25L。

与特征频率f_null所对应的光纤长度x为：

$x=\frac{(2k-1)c}{4n_{\mathrm{eff}}{f}_{\mathrm{null}}}---\left(4\right)$

以上分析说明振动产生什么样的函数关系并不是什么本质问题，只要有相位差，在频域中必有陷波点。

为了消除噪声，优选光源发射一定线宽的光脉冲，获取返回光至少能分离出三个波长的光信号，采用代数计算法抑制光源波动和偏振态变化造成的噪声。当光源7发射光脉冲的频率超过c/(2n_effL)时，光源发射的相邻光脉冲一部份会混杂每个探测器获取的数据中，此时需要获取返回光至少能分离出四个波长的光信号才能抑制光源波动和偏振态变化造成的噪声。

本发明的优点在于：

①、应用广泛：即可应用于通信光缆的安全监测，又可应用于管道的安全监测。

②、检测灵敏度高：采用偏振控制元件保证最大干涉强度，采用至少三波长和三个相干光脉冲信号独立获取数据能抑制光源波动和偏振态变化造成的噪声。设置光源7发射光脉冲的频率小于等于c/(2_nffL)，使得三个先后达到的相干光脉冲与下次三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。

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本发明的实施方案1***结构图；

图2本发明的实施方案2***结构图；

图3本发明的分光滤波器结构图；

图4本发明的采集数据频谱图

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5是PC104***，光源驱动器6、带探测器的电路处理板10是3个1MHz12bitA/D芯片、3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7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。环行器8、耦合器和偏振控制器12由上海翰宇公司提供；如图3所示，分光滤波器9是由3个3dB光纤耦合器和3对布拉格光栅构成的分插复用器，布拉格光栅由合肥正阳公司提供；***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5控制光源驱动器6使光源7按100kHz重复频率发射光脉冲。脉冲越过环行器8输入耦合器11，分成两束等量的光脉冲分别在短光纤13和长光纤14中传播，输入耦合器15，两光脉冲缩量1/2输出到传感光纤3，经非线性环境全反射沿原路返回输入耦合器15，每个脉冲缩量1/2分成两个光脉冲，分别沿短光纤13和长光纤14中传播，在耦合器11中有一个光脉冲率先达到，两个光脉冲同时达到并干涉，一个光脉冲最后达到。它们继续传播经环行器8输入分光滤波器9，输出在三个不同波长的通道中被带三个探测器的电路处理板10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14与短光纤13之差为1km，单线路光纤3长度为120.25km。实施例中，振动在传感光纤中的位置离非线性光纤环境x＝100km，实施例中的频谱缺损情况如图4所示，第一个陷波点频率f_null＝499.7Hz位置相应于x＝100.06km，第二个陷波点频率1501.2Hz位置相应于x＝99.92km，第三个陷波点频率2501.1Hz位置相应于x＝99.956km，第四个陷波点频率3493Hz位置相应于x＝100.2km，平均为x＝100.034km，平均不确定度为0.034％。

2、实施方案2安全监测长距离通信光缆，参见图2。只是将环行器8可替换为隔离器18和耦合器17，***功能与图1相同，省略叙述。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***不但适用于通信光缆的安全防范与预警，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：油、气、水管道，边境线，桥梁，大坝，机场，建筑物和重要工作区等重要设施与区域的安全保护与防范预警。

Claims (10)

1、一种长距离管线安全监测的光纤分布式测量方法，运用光纤萨格纳克干涉原理，分布式定位振动、冲击点，其特征在于获取的光信号频谱Ξ与振动、冲击频谱Θ之间满足：

其中

为振动、冲击的角频率，τ为光波往返光纤延迟线的时间，T为光波往返振动、冲击点与最远端点的时间。

2、按权利要求1所述方法的长距离管线安全监测***，其特征在于：计算机(5)控制光源驱动器(6)使光源(7)按一定的频率发射光脉冲，脉宽小于10ps，光脉冲功率小于受激拉曼散射阈值；脉冲越过环行器(8)输入耦合器(11)，分成两束光脉冲分别在短光纤(13)和长光纤(14)中传播，输入耦合器(15)，两光脉冲缩量输出到传感光纤(3)，经非线性环境(4)全反射沿原路返回输入耦合器(15)，每个脉冲缩量分成两个光脉冲，分别沿短光纤(13)和长光纤(14)中传播，在耦合器(11)中有一个光脉冲率先达到，两个光脉冲同时达到并干涉，一个光脉冲最后达到，形成三个先后达到的相干脉冲；它们继续传播经环行器(8)输入分光滤波器(9)，输出在四个不同波长的通道中被带四个探测器的电路处理板(10)转换为数字信号，由计算机(5)处理、计算出传感线路上振动、冲击位置。

3、按权利要求2所述***，其特征在于：环行器(8)可替换为隔离器(18)和耦合器(17)。

4、按权利要求2所述***，其特征在于：光源(7)发射光脉冲的频率小于等于c/(2n_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(14)与短光纤(13)长度差，A/D采样时间大于脉宽，A/D采样频率大于光源重复频率，这时AWG及后续处理模块选三通道。

5、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。

6、按权利要求2所述的***，其特征在于：***中使用的耦合器优选为保偏耦合器，功分比优选1∶1。

7、根据权利要求2所述的***，其特征在于：***中使用的光纤或光纤延迟线是单模光纤，或者是多模光纤。

8、根据权利要求2所述的***，其特征在于：分光滤波器(9)优选1×4波导阵列光栅(AWG)。

9、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。

10、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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