CN102214382A - 光纤传感预警和定位*** - Google Patents

Abstract

光纤传感预警和定位***，属光纤传感器、光电信号的转换和信号处理等技术领域。其包括激光器，偏振控制器，马赫-曾德干涉仪，光电检测器，调理电路，A/D采集卡，数字信号处理器及报警和定位装置，A/D采集卡与数字信号处理器之间设有依次由两路载波信号发生器、两路混频器、两路低通滤波器、两路微分器和两路乘法器以及减法器、积分器和高波滤波器电连接构成的PGC解调器；数字信号处理器中设有由两路线性滤波器和互相关器、峰值检测器电连接构成的广义互相关电路。具有对出事地点进行准确定位和报警的功能，适用对某些重要区域的周边或油气管道和通信光缆的安全进行防范。

Description

光纤传感预警和定位***

技术领域

本发明涉及一种用于一些重要区域的周边或长距离的油气管道及通信光缆安全保护的光纤传感预警和定位***，属光纤传感器、光电信号的转换和信号处理等技术领域。

背景技术

随着国民经济的发展，对一些重要的场所，比如金融机构、机场、军事基地等进行安全保护越来越重要。据统计，这些地方所受到的威胁的一半都是由于安全监测漏洞所造成的。对这些地方的安全防范***除了不受天气、地形等自然条件的影响外，还要能够随着安全防范范围的扩大，犯罪手段的现代化进行及时的调整。

保障油气管道的安全输油是国家有关部门的一项重要职责，但随着我国油气管道的线路增多，管道传输距离的加长，管道泄漏的事件时有发生。油气管道的泄漏一方面使国家财产蒙受了重大的损失，另一方面还有可能带来环境污染和诸如火灾等次生灾害。造成油气管道的泄漏有可能是自然原因，比如管道防腐层被破坏，管壁在土壤电化学腐蚀作用下出现锈点，腐蚀逐渐贯穿整个管壁的现象。还有当流程出错、阀门误动等原因可能使干线超压造成管道泄漏。近年来，相对于油气管道的自然泄漏，人为偷盗给管道带来的破坏更为严重，已经成为石油泄漏的最主要原因。我国通常是派巡线员沿管道来回巡查的方法来保证石油输送的安全，现在的一些不法分子就是利用巡线员前脚刚走的空隙，后脚就开始大肆地打孔盗油。因此，迅速发现管道泄漏并准确判定泄漏点成为管线平稳安全运行的当务之急。

另外，随着社会信息化步伐的加快，通信光缆越来越发挥着重要作用，但对如此长距离的通信光缆如何进行有效地保护始终是有关部门头疼的一个问题。对通信光缆的破坏分为两种：一种是非故意的破坏，典型的是一些建设单位在施工时不注意对地下铺设的光缆进行保护，用挖掘机、打桩机等一些大型机器在埋有光缆的地面上施工，造成光缆的破坏；另一种就是有些不法分子为了谋取私利，大肆偷盗通信光缆。针对上述可能出现的对通信光缆破坏情况，虽然有关单位在光缆附近贴出了“下有光缆，严禁挖掘”、“严禁偷盗通信光缆”等标语，但事实证明这种方法并没有有效地起到安全防护作用。

不论是一些重要区域，还是油气管道，或者是通信光缆，它们都密切关系着国家和人民的利益，因此对这些地方或设施进行安全防护显得尤为重要。它们还有一个共同特点是空间距离长，所以如果采用人工巡逻的方式，必然会造成人力的极大浪费。当然也有人想出了一些方法，比如红外对射***，还有综合了网络、多媒体技术的闭路电视***等，但这些方法都有一些缺点，如有的成本太高，有的是不适用于实际的应用环境等。

为了解决长距离安全防范的问题，早在十多年前，国外就有人提出了基于分布式光纤传感的方案，采用马赫-曾德干涉仪，利用对干涉信号分析和处理的结果进行入侵事件报警和定位，并申请了专利。之后，对分布式光纤传感应用于较大区域的周界或空间跨距大的管线的安全防范的研究愈来愈热。国内也有人在国外技术的基础上提出了双马赫-曾德干涉仪的方案，使基于分布式光纤传感的理论更适合于实际的工程应用。上述一些基于分布式光纤传感器的方案都可以通过对干涉信号的分析做出准确的报警判断，但它们在定位时均是采用对干涉信号进行处理的方法，由此带来的一个缺点就是需要在干涉过程中把偏振态控制到一个理想的状态，另外对环境温度造成的相位差要进行补偿，而偏振态控制和相位差补偿的效果好坏直接影响着定位精度。

发明内容

本发明的目的在于利用分布式光纤传感的原理，实现对某些重要区域的周边、长距离的油气管道、通信光缆等的安全防范，使其在遭到入侵或破坏时，能发出报警并能对出事地点进行准确定位的一种光纤传感预警和定位***。

其技术方案是：一种光纤传感预警和定位***，包括激光器，偏振控制器，马赫-曾德干涉仪，光电检测器，调理电路，A/D采集卡，数字信号处理器及报警和定位装置，其特征在于：所述A/D采集卡与数字信号处理器之间设有依次由两路载波信号发生器、两路混频器、两路低通滤波器、两路微分器和两路乘法器以及减法器、积分器和高波滤波器电连接构成的PGC解调器；数字信号处理器中设有由两路线性滤波器和互相关器、峰值检测器电连接构成的广义互相关电路。

激光器的光源采用可调谐光源。

其技术效果是：与以往的分布式光纤传感器不同，本发明的一个显著特征是，它不利用干涉信号，而是采取了先对激光源进行PGC调制，然后再利用PGC解调得到两路具有一个固定时间差的真实扰动信号，接着在数字信号处理器中采用广义互相关法而不是目前普遍采用的普通互相关的方法来计算出该时间差，从而找到事件发生点的位置，基本消除了由外界环境温度引起的相位漂移和偏振态的退化所造成的定位误差，具有更高的定位精度。实际的工程应用：把传感光纤敷设在一块固定区域的周边，铺设方法为埋地，人或其它动物在距离光缆±0.5米内的距离处经过时，本***均能及时地发出警报且能准确地显示出扰动点的位置。进一步的实验结果表明，本***在几十甚至到一百公里的空间距离内，可以准确地探测到距光缆±0.5米内的入侵事件，做到基本无误警且定位精度能达到±50米。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是PGC解调的原理框图；

图3是广义互相关的原理框图。

具体实施方式

如图1和图2所示，光纤传感预警和定位***，包括由光源0、光源驱动电路1和耦合器01构成的激光器，两个偏振控制器15、16，分别与两个偏振控制器连接的耦合器13、14，马赫-曾德干涉仪，两个光电检测器21、22，两个调理电路23、24，两个A/D采集卡25、26，数字信号处理器40及报警和定位装置41。两个A/D采集卡与数字信号处理器之间设有依次由两路载波信号发生器51、52，两路混频器53、54，两路低通滤波器61、62，两路微分器71、72和两路乘法器55、56以及减法器57，积分器73和高波滤波器63电连接构成的PGC解调器31、32。PGC解调器的解调过程由软件控制。

数字信号处理器中设有由两路线性滤波器和互相关器、峰值检测器电连接构成的广义互相关电路(见图3)，通过软件实现对扰动信号的准确定位。

激光器的光源0采用可调谐光源，光源驱动电路1具有对光源频率调制的功能。

上述激光器中的光源0与耦合器01之间，耦合器01与两个偏振控制器15和16之间，两个偏振控制器与马赫-曾德干涉仪中的两个耦合器11和12之间，以及马赫-曾德干涉仪中的两个耦合器与光电探测器21和22之间分别由单模光纤连接。

马赫-曾德干涉仪中的两个耦合器11和12之间的两根干涉臂由光缆连接。其它的均为电连接。作为分布式干涉传感器的一个重要组成部分的两根干涉臂最好置于同一根光缆中，但敷设时还需要根据具体的应用环境选择不同的方式：用于重要区域的周边的安全防范时，需要将用作传感臂的光缆沿此重要区域铺设一周，***的其它部分可以放在同一地方，如监控室内；用在油气管道的防渗漏、防挖掘、防打孔偷盗时，可将光缆与管道同沟铺设，且需紧贴管道外表面，以提高感应管道震动的灵敏度；用于通信光缆的防护时，传感臂与通信光缆可共用同一根光缆。

其工作原理：当有扰动信号加到干涉臂上时，就会在马赫-曾德干涉仪的两个耦合器11和12上形成干涉信号，由于两路干涉信号光强表达式很相似，所以仅取一路来叙述本***的工作原理。设在耦合器11处形成的干涉光强：

I＝A(1+mcosω₀t)+B(1+mcosω₀t)cos(Ccosω₀t+φ(t))    (1)

其中A、B为常数，且B＝kA，k≤1为干涉条纹可见度。A正比于激光器输出光功率，C为载波信号引起的相位调制幅度，ω₀为载波信号角频率，φ(t)为待测信号与环境噪声共同引起的相位变化。把(1)式用贝塞尔函数展开可得：

$I=A(1+m\cos {\mathrm{\ω}}_{0}t)+B(1+m\cos {\mathrm{\ω}}_{0}t)\×\left\{\right[J_0\left(C\right)+2\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^k{J}_{2k}\left(C\right)\cos 2k{\mathrm{\ω}}_{0}t]\×\cos \mathrm{\φ}\left(t\right)$

$-2\left[\underset{k=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^k{J}_{2k+1}\left(C\right)\cos (2k+1){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]\sin \mathrm{\φ}\left(t\right)\}$

式中J_n(C)表示第n阶贝塞尔函数。

两路干涉信号分别被光电探测器21和22接收，然后分别经调理电路23和24后进入A/D采集卡25和26。两路A/D采集卡输出的数字信号分别进入具有相同结构的两个PGC解调器31和32。

PGC解调器(相位生成载波解调)中的各个构成部分均是由软件来实现。干涉信号分别与载波信号发生器51产生的2倍频载波信号和载波信号发生器52产生的3倍频载波信号在混频器53和54中进行混频，然后用LPF(低通滤波器)61和62对两路混频后的信号进行低通滤波，则两路LPF的输出信号分别为：

$-{\mathrm{HBJ}}_2\left(C\right)\cos \mathrm{\φ}\left(t\right)+\frac{\mathrm{HBm}}{2}[J_3\left(C\right)-J_1\left(C\right)]\sin \mathrm{\φ}\left(t\right)---\left(3\right)$

${\mathrm{BQJ}}_3\left(C\right)\sin \mathrm{\φ}\left(t\right)+\frac{\mathrm{BQm}}{2}[J_4\left(C\right)-J_2\left(C\right)]\cos \mathrm{\φ}\left(t\right)---\left(4\right)$

其中，H和Q分别为2倍频载波和3倍频载波的幅值。

低通滤波器的输出分别进入微分器71和72，然后一路滤波的结果与另一路的微分结果在乘法器55和56中进行相乘，乘积的结果送入减法器57，再经积分器73后，得到输出信号为：

{QHB²J₂(C)J₃(C)+(QHB²m/2)[J₄(C)-J₂(C)][J₃(C)-J₁(C)]}φ(t)    (5)

积分的结果只剩下了扰动信号与外界环境的低频噪声项，用HPF(高通滤波器)63把外界噪声滤除就会得到真实的扰动信号。

两个相同的PGC解调器，它们的输出都是真实的扰动信号，不同的是两个扰动信号间存在一个时间延迟。PGC解调器31和32的输出结果送入信号处理器40中，数字信号处理器所要做的工作就是进行报警判断和定位计算。报警判断比较简单，一般发生误报警的概率很小，关键是定位计算需要选用合适的方法。为了使定位精度更高，本发明中采用了广义相关法来估计从PGC解调器31和32中输出的两信号的时间延迟，从而实现准确定位。

广义相关法进行时间延迟估计的原理(见图3)：从PGC解调器31和32输出的两路信号分别为x₁(t)和x₂(t)，根据维纳维纳辛钦定理，两路信号x₁(t)和x₂(t)的互相关函数可以通过其互功率谱函数的傅立叶变换来表示。

$R_{x_1{x}_2}=\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}{G}_{x_1{x}_2}\left(f\right)e^{j2\mathrm{\πf\τ}}\mathrm{df}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}{G}_{x_1{x}_2}\left(\mathrm{\ω}\right)e^{\mathrm{j\ω\τ}}\mathrm{d\ω}---\left(6\right)$

当x₁(t)和x₂(t)经过线性滤波器81和82时，两个滤波器输出之间的互功率谱密度函数为

$G_{y_1{y}_2}\left(f\right)=H_1\left(f\right){H_2}^{*}\left(f\right)G_{x_1{x}_2}\left(f\right)---\left(7\right)$

线性预滤波器的输出再经过互相关器83，得到x₁(t)和x₂(t)的广义互相关是：

${R^{\left(g\right)}}_{y_1{y}_2}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}{\mathrm{\ψ}}_g\left(f\right)G_{x_1{x}_2}\left(f\right)e^{j2\mathrm{\πf\τ}}\mathrm{df}---\left(8\right)$

其中ψ_g(f)称为权函数且ψ_g(f)＝H₁(f)H₂ ^*(f)。实际情况下从有限长观察时间的x₁(t)和x₂(t)中只能得到其互功率谱的估计值

所以式(8)变为

所谓广义相关法就是利用(9)式进行时延估计。当线性滤波作用是强调以信噪比为最高的那些频率通过信号到达相关器时，则ψ_g(f)是一个与信号和噪声先验知识有关的能估计信号和噪声谱的函数。在理想情况下，为确保好的时延分辨率，应有通过选择合适的ψ_g(f)，可以使

函数中有一个大而尖锐的峰而不是像目前普遍使用的普通互相关法会出现一个宽峰。然后再经峰值检测84，由峰值位置得到两路信号的时间延迟，最后进入报警和定位装置41。

Claims (5)

1.一种光纤传感预警和定位***，包括激光器，偏振控制器，马赫-曾德干涉仪，光电检测器，调理电路，A/D采集卡，数字信号处理器及报警和定位装置，其特征在于：所述A/D采集卡(25、26)与数字信号处理器(40)之间设有依次由两路载波信号发生器(51、52)、两路混频器(53、54)、两路低通滤波器(61、62)、两路微分器(71、72)和两路乘法器(55、56)以及减法器(57)、积分器(73)和高波滤波器(63)电连接构成的PGC解调器(31、32)；数字信号处理器中设有由两路线性滤波器(81、82)和互相关器(83)、峰值检测器(84)电连接构成的广义互相关电路。

2.根据权利要求1所述的光纤传感预警和定位***，其特征在于：所述激光器的光源(0)为可调谐光源。

3.根据权利要求1所述的光纤传感预警和定位***，其特征在于：所述PGC解调器(31、32)中的两路载波信号发生器(51、52)，分别为2倍频载波信号发生器和3倍频载波信号发生器。

4.根据权利要求1所述的光纤传感预警和定位***，其特在于：所述PGC解调器(31、32)和广义互相关电路由软件或DSP控制。

5.根据权利要求4所述的光纤传感预警和定位***，其特征在于：所述广义互相关电路的定位算法为广义相关法。

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