CN102496231B - 长距离干线安全光纤波分复用式预警*** - Google Patents
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Abstract
长距离干线安全光纤波分复用式预警***，由光路和采集光路信号的信号处理模块组成，所述的光路包括两个等光程干涉仪和一个迈克尔逊干涉仪，上述三个干涉仪采用三个不同的波长通过波分复用器集中传输到一根光纤中形成感应光纤；通过三个光源发射三个不同波长的激光作为光信号，上述三个干涉仪感受振动信号，经过波分复用器将振动信号分成三路，三路信号分别传输至光电二极管，信号处理模块将光电二极管采集的振动信号进行处理，确定异常扰动位置，发出报警信号。
Description
技术领域
本发明公开了一种光纤波分复用式预警***。
背景技术
传统的长距离干线安全光纤预警***采用基于双Mach-Zehnder光纤干涉原理的干线监测技术。
该技术原理结构如图1所示。其监测原理是在分布式传感光纤中传输的两束光沿相反方向传播，受同一振动事件影响后，由于两束光从事件发生处到各自的检测点所经过的光程不同，因此产生一定的时间差，根据传感器两端监测到同一事件所引起的干涉光信号变化的时间差，通过相关分析法，就可以确定异常扰动的位置。
此方法无须对干涉信号进行相位解调，但也存在不足之处：由于两条传感光纤相距较近，传感光纤沿线的振动可能使得两条传感光纤产生的相位延迟一致，致使不发生干涉，产生互易效应；长距离沿途的温度变化会导致***噪声较大，给信号处理带来困难；至少需要占用光缆中的三芯，在光纤资源很少的情况下难以应用；此外对***硬件要求较高，如对数据采集***的A/D转换速率要求高，导致***成本上升。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种高精度的长距离干线安全光纤波分复用式预警***。
本发明的技术解决方案是：长距离干线安全光纤波分复用式预警***，由光路和采集光路信号的信号处理模块组成，所述的光路包括两个等光程干涉仪和一个迈克尔逊干涉仪，上述三个干涉仪采用三个不同的波长通过波分复用器集中传输到一根光纤中形成感应光纤；通过三个光源发射三个不同波长的激光作为光信号，上述三个干涉仪感受振动信号，经过波分复用器将振动信号分成三路，三路信号分别传输至光电二极管，信号处理模块将光电二极管采集的振动信号进行处理，确定异常扰动位置，发出报警信号。
所述的等光程干涉仪的解调方式为：通过频谱寻找频率点ωs，使得cosωsτc＝0，进而确定光从扰动点到感应光纤末端的时间τc，根据τc确定扰动点的位置。
所述的两个等光程干涉仪的基本结构如下：两个光源发出两个不同波长的激光信号，两路激光信号首先连接3×3光纤分路器的一路输入端，另两路输入端分别连接两个光电二极管；3×3光纤分路器的一路输出端经光纤延迟线连接至第二个3×3光纤分路器的一路输入端，3×3光纤分路器的另一路输出端直接连接第二个3×3光纤分路器的另一路输入端；第二个3×3光纤分路器的一路输出端连接反射镜。
所述的两个光源分别采用ASE光源和SLD光源。
所述的ASE光源的中心波长为1550nm，SLD光源的中心波长1310nm。
采用SLD光源的等光程干涉仪使用相位调制技术。
所述的3×3光纤分路器为均分光强耦合器。
所述的反射镜采用法拉第旋转反射镜。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本***光路采用三个独立的干涉仪构成，包括两个等光程干涉仪和一个迈克尔逊干涉仪。与普通的单干涉仪相比，兼顾了信号响应的灵敏性和准确性。并通过加权求平均方式，提高了定位的精确度，在长度为60km的感应光缆中，定位精度可达50m。
(2)本***在光路设计上，采用波分复用器、光纤环形器等光学器件，将三个干涉仪的感应光纤集中为1根光纤，节约了宝贵的光纤资源，提高了***的应用能力。
(3)本发明等光程干涉仪采用ASE，SLD两种光源。每种光源的干涉各有特点，并根据每个干涉仪设计光源。经验证，ASE采用1550nm，SLD采用1310nm时效果最佳。
(4)本发明采用SLD光源的等光程干涉仪通过相位调制器高频调制获取异常扰动的相位变化，提高了干涉信号的对比度。
(5)传统干涉仪采用2×2光纤分路器，需要使用电源供电的相位调制器进行相位调制，避免信号对比度低的现象。而采用3×3光纤分路器，构造出每路相位差为120度的对称光电信号，干涉的信号的对比度高，可以不使用电源供电的相位调制器，构造成全光学结构的光路，加强了实际应用的可靠性、稳定性。
(6)全部干涉仪的感应光纤末端使用了法拉第旋转反射镜，避免了感应光纤因光纤双折射效应引起的偏振诱导信号衰弱问题，改善了干涉信号的稳定性，有效的抵消环境对光路的影响，提高了***的抗干扰能力，使本***可在复杂、恶劣环境下应用。
附图说明
图1为传统的基于双M-Z干涉原理的光纤定位技术结构示意图；
图2为本发明***光路示意图。
具体实施方式
长距离干线安全光纤波分复用式预警***，由光路和采集光路信号的信号处理模块组成，所述的光路包括两个等光程干涉仪和一个迈克尔逊干涉仪，上述三个干涉仪采用三个不同的波长通过波分复用器集中传输到一根光纤中形成感应光纤；通过三个光源发射三个不同波长的激光作为光信号，上述三个干涉仪感受振动信号，经过波分复用器将振动信号分成三路，三路信号分别传输至光电二极管，信号处理模块将光电二极管采集的振动信号进行处理，确定异常扰动位置，发出报警信号。
等光程干涉仪的解调方式为：通过频谱寻找频率点ωs，使得cosωsτc＝0，进而确定光从扰动点到感应光纤末端的时间τc，根据τc确定扰动点的位置。实际应用过程中可以寻找一系列的ωs，通过求均值再确定τc。
两个等光程干涉仪的基本结构如下：两个光源发出两个不同波长的激光信号，两路激光信号首先连接3×3光纤分路器的一路输入端，另两路输入端分别连接两个光电二极管；3×3光纤分路器的一路输出端经光纤延迟线连接至第二个3×3光纤分路器的一路输入端，3×3光纤分路器的另一路输出端直接连接第二个3×3光纤分路器的另一路输入端；第二个3×3光纤分路器的一路输出端连接反射镜。
上述等光程干涉仪的两个光源分别采用ASE光源和SLD光源，迈克尔逊干涉仪的光源采用DFB光源。
下面结合具体例子详细介绍本发明的实现过程。
图2为本发明一个具体光路的结构示意图，图中各标号代表如下含义
HY01，HY02，HY04，HY05，HY07，HY08，HY14：光电探测器；
HY03：ASE激光器，1550nm；HY13：DFB激光器，1490nm；HY16：SLD激光器，1310nm；
HY10，HY23：宽窗口3×3均分光纤分路器；
HY09：光纤环形器，1550nm；HY17：光纤环形器，1490nm；
HY11，HY19，HY24：光纤延迟线；
HY25：相位调制器；
HY12，HY27，HY31：法拉第旋转反射镜，1310nm；HY32：法拉第旋转反射镜，1550nm；HY29，HY33：法拉第旋转反射镜，1490nm；
HY15，HY26，HY18：波分复用器，1310&1550nm；
HY20，HY22，HY30，HY28：波分复用器，1310&1550nm&1490nm；
HY21：波分复用器，1310&1490nm；
两个等光程干涉仪下分别称为光纤干涉仪1和光纤干涉仪2进行介绍。
(一)光纤干涉仪1
2条干涉路径分别是：
(1)HY03-HY09-HY10-HY11-HY15-HY20-HY23-HY30-HY32-HY30-HY23-HY22-HY18-HY10
(2)HY03-HY09-HY10-HY18-HY22-HY23-HY30-HY32-HY30-HY23-HY20-HY15-HY11-HY10
2条路径的光路以不同的顺序经过相同的光纤及器件，光程相等，类似于Sagnac光纤干涉仪，由于采用ASE这种C波段(中心波长1550nm)的低相干光源，故光纤中其它路径的光路不会形成有效的干涉。
为方便理解，假定干线上异常扰动信号为单频信号，角频率为ωs，虽然实际情况是感应光纤将受到宽频扰动的作用，其频谱输出为各频率扰动信号的输出组合，宽频扰动信号各分量在动态范围内均可被解调出来，所以先假定异常扰动作用在感应光纤上产生的相位变化为φssinωst，其中φs为相位变化的幅值。
当光路由路径(1)和路径(2)传播时，均会被异常扰动所调制，得到的光输出表达式分别为：
其中：P10和P20为分别为2路光的振幅，和为光的初始相位，τmn为路径m的光第n次经过异常扰动点的时间。
令P＝P1+P2，则干涉仪输出的光强度为I＝PP*，由于采用均分的3×3光纤分路器，则P10＝P20，取其干涉项：
I12＝P10 2cos[4φSsinωsτacosωs(t-τb)cosωsτc]
其中，τa为光经过光纤延迟线HY11的时间；τb为光经过光纤延迟线HY11和整段感应光纤GL26的时间；τc为光从扰动点到HY30的时间。
通过HY02、HY04、HY05三路相位差为120度的对称光电转换信号，可以解调出异常扰动导致的光路相位差。由于对一确定的τc有1个甚至多个ωs使得cosωsτc＝0，由此可以演算出异常扰动点的位置。上述计算过程通过信号处理模块实现。
(二)光纤干涉仪2
2条光路干涉路径分别是
(1)HY16-HY21-HY23-HY24-HY25-HY26-HY27-HY26-HY25-HY24-HY23-HY20-HY15-HY12-HY15-HY20-HY23-HY30-HY31-HY23-HY22-HY18-HY19
(2)HY16-HY21-HY23-HY30-HY31-HY30-HY23-HY20-HY15-HY12-HY15-HY20-HY23-HY24-HY25-HY26-HY27-HY26-HY25-HY24-HY23-HY22-HY18-HY19
2条路径的光路以不同的顺序经过相同的光纤及器件，光程相等，亦类似于Sagnac光纤干涉仪，由于采用SLD宽光谱光源(中心波长1310nm)，故光纤中其它路径的光路形成不了有效的干涉。
最终形成的干涉信号：
I12＝P10 2cos[4φSsinωsτacosωs(t-τb)cosωsτc]
该干涉仪通过相位调制器高频调制来获取异常扰动的相位变化，获得对比度高的干涉信号，因此信号处理模块需要根据上述高频频率进行解调后，再采用上述方法，解算出τc，进而确定异常扰动点的位置。上述计算过程通过信号处理模块实现。
(三)光纤干涉仪3(迈克尔逊干涉仪)
2条光路干涉路径分别是：
(1)HY13-HY17-HY21-HY23-HY28-HY29-HY28-HY23
(2)HY13-HY17-HY21-HY23-HY30-HY33
两条光路经过不同的路径经法拉第旋转反射镜反射后在光纤分路器HY23形成干涉，属于迈克尔逊干涉仪，由于使用窄线宽的DFB光源(波长1490nm)，尽管两条光路长度相差较大，仍能形成有效干涉。且由于全光路使用了法拉第旋转反射镜，故不存在偏振衰落的问题。
两束光在光纤分路器HY23中形成干涉后，经HY20-HY01、HY21-HY17-HY14、HY22-HY08路径分成三路相位差为120度的对称光电信号，从而解调出异常扰动的相位。与前两者不同的是，前两个干涉仪得到的相位差与异常扰动物理特性并不完全一致，给信号识别带来很大的困难，且前面两者干涉仪由于类似于sagnac干涉仪，故对缓变因素不敏感，一定程序上影响了***的灵敏度，而迈克尔逊干涉仪得到的相位信号能够直接对应异常扰动信号特征，且迈克尔逊干涉仪灵敏度极高，有效的补充了前两种干涉仪的不足。
信号处理模块将上述等光程干涉仪计算得到的扰动位置进行加权平均，进而确定异常扰动的位置，通过迈克尔逊干涉仪得到异常扰动信号特征，对扰动行为进行识别(可以采用传统的特征值提取等方式)，发出报警信号。
本发明***应用单芯分布式光纤传感技术，经实际测试表明，能够对长达60公里的干线安全状态进行24小时的在线监测，感知干线上任何一点的异常扰动并进行有效预警，定位精度可以达到50米，对铁路线、公路、边境线、长输管道、通信光缆的保护具有重大应用意义。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
Claims (8)
1.长距离干线安全光纤波分复用式预警***，其特征在于：由光路和采集光路信号的信号处理模块组成，所述的光路包括两个等光程干涉仪和一个迈克尔逊干涉仪，上述三个干涉仪采用三个不同的波长通过波分复用器集中传输到一根光纤中形成感应光纤；通过三个光源发射三个不同波长的激光作为光信号，上述三个干涉仪感受振动信号，经过波分复用器将振动信号分成三路，三路信号分别传输至光电二极管，信号处理模块将光电二极管采集的振动信号进行处理，确定异常扰动位置，发出报警信号。
2.根据权利要求1所述的长距离干线安全光纤波分复用式预警***，其特征在于：所述的等光程干涉仪的解调方式为：通过频谱寻找频率点ωs，使得cosωsτc＝0，进而确定光从扰动点到感应光纤末端的时间τc，根据τc确定扰动点的位置。
3.根据权利要求1所述的长距离干线安全光纤波分复用式预警***，其特征在于所述的两个等光程干涉仪的基本结构如下：两个光源发出两个不同波长的激光信号，两路激光信号首先分别连接第一个3×3光纤分路器的一路输入端和第二个3×3光纤分路器的一路输入端，第一个3×3光纤分路器的另两路输入端分别连接两个光电二极管；第一个3×3光纤分路器的一路输出端经光纤延迟线连接至第二个3×3光纤分路器的一路输入端，第一个3×3光纤分路器的另一路输出端直接连接第二个3×3光纤分路器的另一路输入端；第二个3×3光纤分路器的一路输出端连接反射镜。
4.根据权利要求3所述的长距离干线安全光纤波分复用式预警***，其特征在于：所述的两个光源分别采用ASE光源和SLD光源。
5.根据权利要求4所述的长距离干线安全光纤波分复用式预警***，其特征在于：所述的ASE光源的中心波长为1550nm，SLD光源的中心波长1310nm。
6.根据权利要求4所述的长距离干线安全光纤波分复用式预警***，其特征在于：采用SLD光源的等光程干涉仪使用相位调制技术。
7.根据权利要求3所述的长距离干线安全光纤波分复用式预警***，其特征在于：所述的第一个3×3光纤分路器和第二个3×3光纤分路器为均分光强耦合器。
8.根据权利要求3所述的长距离干线安全光纤波分复用式预警***，其特征在于：所述的反射镜采用法拉第旋转反射镜。
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Legal Events
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Denomination of invention: Long-distance trunk line safety fiber wavelength division multiplexing type warning system Effective date of registration: 20191111 Granted publication date: 20140115 Pledgee: Beijing Yizhuang International Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: BEIJING AEROSPACE YILIAN SCIENCE AND TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co.,Ltd. Registration number: Y2019990000503 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
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Denomination of invention: Long distance trunk safety optical fiber wavelength division multiplexing early warning system Effective date of registration: 20211012 Granted publication date: 20140115 Pledgee: Beijing Yizhuang International Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: BEIJING AEROSPACE YILIAN SCIENCE AND TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co.,Ltd. Registration number: Y2021990000950 |
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Date of cancellation: 20220923 Granted publication date: 20140115 Pledgee: Beijing Yizhuang International Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: BEIJING AEROSPACE YILIAN SCIENCE AND TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co.,Ltd. Registration number: Y2021990000950 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Long distance trunk safety optical fiber wavelength division multiplexing early warning system Effective date of registration: 20220923 Granted publication date: 20140115 Pledgee: Beijing Yizhuang International Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: BEIJING AEROSPACE YILIAN SCIENCE AND TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co.,Ltd. Registration number: Y2022990000667 |
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Date of cancellation: 20230919 Granted publication date: 20140115 Pledgee: Beijing Yizhuang International Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: BEIJING AEROSPACE YILIAN SCIENCE AND TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co.,Ltd. Registration number: Y2022990000667 |