CN105757463B - 基于2×2耦合器和双法拉第旋转镜的光纤管道检测装置 - Google Patents

基于2×2耦合器和双法拉第旋转镜的光纤管道检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于2×2耦合器和双法拉第旋转镜的光纤管道检测装置，包括感测光纤检测***、信号解调***、信号通讯及处理***、信号分析及人机交互***，感测光纤检测***包括ASE高功率光源、第一单模光纤、光隔离器、第二单模光纤、第一耦合器、延迟光纤、相位调制器、偏振控制器、第二耦合器、第一感测光纤和第二感测光纤。光信号由光源发出经过感测光纤检测***对管道进行检测，再经过光电转换器将光信号转换为电信号，然后对信号进行解调，再经过DSP处理后经过通讯***传递给计算机进行信号分析和人机交互。本发明装置更适合于检测水下长距离管道输送，具有更好的检测灵敏度，而且有更固定的感测光路，降低解调难度。

Description

基于2×2耦合器和双法拉第旋转镜的光纤管道检测装置
技术领域
本发明属于管道泄漏检测领域，尤其涉及一种基于2×2耦合器和双法拉第旋转镜的光纤管道检测装置。
背景技术
随着人们生活的提升，管道输送变得越来越需要，从天然气管道输送到水下油气管道的输送，甚至西气东输工程的管道输送等等。然而我们对管道输送的安全性也有更高的要求，因此对于管道是否泄漏的检测显得尤为重要。
中国发明专利申请201110302312.4基于混合干涉型分布式光纤的水下长输管道泄漏检测装置，其中整个感测核心部分是由一根感测光纤铺设在管道一边的夹层中，并且一根感测光纤感测整个管道，其缺点是如果进行长距离管道检测时，泄漏点距离法拉第旋转镜的距离越远，整个检测***的灵敏度越低。因为法拉第旋转镜在管道的一头，此时进行长距离管道泄漏检测时泄漏点在靠近法拉第旋转镜部位时和远离法拉第旋转镜部位时相比其检测灵敏度会大大降低，由此会带来管道泄漏的误报或者难以测出的缺陷。
中国发明专利申请200610113044.0基于Sagnac光纤干涉仪进行管道泄漏检测，虽然采用了两根独立感测光纤构成***的传感部分，但是其***复杂，采用多个耦合器构成，成本高，结构过于复杂，同时对使用环境要求高，不利于快速投入使用。
发明内容
本发明的目的在于克服现在技术的缺点和设计的不足，提供一种基于2×2耦合器和双法拉第旋转镜的光纤管道检测装置。本检测装置结构简单，利于光纤不同的摆放布置，且使光路更加简单、固定，摆放方式更加利于水下管道检测，尤其是在长远距离管道输送中，增加检测灵敏度，防止误测漏测。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于2×2耦合器和双法拉第旋转镜的光纤管道检测装置，该装置包括感测光纤检测***、信号解调***、信号通讯及处理***和信号分析及人机交互***。其中感测光纤检测***包括ASE高功率光源、第一单模光纤、光隔离器、第二单模光纤、第一耦合器、延迟光纤、相位调制器、偏振控制器、第二耦合器、第一感测光纤、第二感测光纤、第一法拉第旋转镜、第二法拉第旋转镜、第三单模光纤和光电转换器；信号解调***包括信号放大模块、第一解调模块、第二解调模块、减法器和积分器；信号通讯及处理***包括DSP信号处理模块和第一通讯模块；信号分析及人机交互***包括第二通讯模块和计算机。
所述的感测光纤检测***的高功率光源发出的光信号通过第一单模光纤与光隔离器的一个输入端口A连接，光隔离器的B端口通过第二单模光纤与第一耦合器的第一端口D连接，第一耦合器的第二端口E与延迟光纤连接后再连接到第二耦合器的第一端口K，第一耦合器的第三端口F分别依次连接相位调制器和偏振控制器后与第二耦合器的第二端口H连接，第二耦合器的第三端口I通过第一感测光纤与第一法拉第旋转镜连接，第二耦合器的第四端口J通过第二感测光纤与第二法拉第旋转镜连接；第一耦合器的第四端口C通过第三单模光纤与光电转换器连接，光电转换器输出与信号放大模块连接，信号放大模块输出分别与第一解调模块和第二解调模块连接；第一解调模块和第二解调模块输出分别通过减法器和积分器后与DSP信号处理模块连接，DSP信号处理模块输出与第一通讯模块连接，第一通讯模块输出与第二通讯模块连接；第二通讯模块输出与计算机连接。
进一步地，所述的第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜分别置于管道的两端，第一感测光纤和第二感测光纤从管道的中间贴合管道壁向相反方向延伸，并分别与第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜连接。
进一步地，所述的第一感测光纤和第二感测光纤分别贴合在管道两侧布置。
本发明根据其检测***的定位技术，在相位信号解调出来后，对其进行傅里叶变换计算得到泄漏点与法拉第旋转镜距离Lx和泄漏点信号频率fs的关系，可以得到泄漏点距离法拉第旋转镜的长度Lx与真空中的光速c成正比关系，分别和泄漏信号零点频率fs与光纤核的折射率n成反比关系。再对距离取微分可得泄漏点距离Lx和检测灵敏度关系。可得泄漏点与法拉第旋转镜距离为反比关系，所以为了增加其检测灵敏度，要在长距离管道检测的情况下尽可能缩减法拉第旋转镜和泄漏点的距离，即如果将管道一分为二检测，化一为二，化整为零的思路，可以巧妙增加***灵敏度。
本发明的有益效果是：本装置采用马赫增德干涉原理和萨格纳克干涉效应的混合干涉原理，结构简单，并且使用最常见的光学元器件，减少成本的同时也降低了组装难度。本装置的两根感测光纤分别从管道中间贴合管道壁向相反方向延伸，并且分别通往管道两头的第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜，将管道从中间一分为二分别进行检测，大大降低了管道检测长度，降低检测泄漏点和法拉第旋转镜的距离，增加感测灵敏度。并且两根感测光纤分别贴合在管道两侧布置，避免了管道中间感测光纤分离区的空缺，从而及时发现泄漏现象，防止泄漏误报。同时在使用多条感测光纤的情况下，感测光纤检测部分采用2×2耦合器来减少光学元器件的使用，降低成本的同时也降低了架构的复杂程度。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为光路径一示意图；
图3为光路径二示意图；
图4为光路径三示意图；
图5为光路径四示意图；
图中，感测光纤检测***1，信号解调***2，信号通讯及处理***3，信号分析及人机交互***4，ASE高功率光源5，第一单模光纤6，光隔离器7，第二单模光纤8，第一耦合器9，延迟光纤10，相位调制器11，偏振控制器12，第二耦合器13，第一感测光纤14，第二感测光纤15，第一法拉第旋转镜16，第二法拉第旋转镜17，第三单模光纤18，光电转换器19，信号放大模块20，第一解调模块21，第二解调模块22，减法器23，积分器24，DSP信号处理模块25，第一通讯模块26，第二通讯模块27，计算机28。
具体实施方式
下面根据附图详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。
如图1所示，本发明一种基于2×2耦合器和双法拉第旋转镜的光纤管道检测装置，包括：感测光纤检测***1、信号解调***2、信号通讯及处理***3、信号分析及人机交互***4；其中，感测光纤检测***1包括ASE高功率光源5、第一单模光纤6、光隔离器7、第二单模光纤8、第一耦合器9、延迟光纤10、相位调制器11、偏振控制器12、第二耦合器13、第一感测光纤14、第二感测光纤15、第一法拉第旋转镜16、第二法拉第旋转镜17、第三单模光纤18和光电转换器19；信号解调***2包括信号放大模块20、第一解调模块21、第二解调模块22、减法器23和积分器24；信号通讯及处理***3包括DSP信号处理模块25和第一通讯模块26；信号分析及人机交互***4包括第二通讯模块27和计算机28。
所述的感测光纤检测***1的高功率光源5发出的光信号通过第一单模光纤6与光隔离器7的输入端口A连接，光隔离器7的输出端口B通过第二单模光纤8与第一耦合器9的第一端口D连接，第一耦合器9的第二端口E与延迟光纤10连接后再连接到第二耦合器13的第一端口K，第一耦合器9的第三端口F依次连接相位调制器11和偏振控制器12后与第二耦合器13的第二端口H连接，第二耦合器13的第三端口I通过第一感测光纤14与第一法拉第旋转镜16连接，第二耦合器13的第四端口J通过第二感测光纤15与第二法拉第旋转镜17连接；第一耦合器9的第四端口C通过第三单模光纤18与光电转换器19连接，光电转换器19输出与信号放大模块20连接，信号放大模块20输出分别与第一解调模块21和第二解调模块22连接；第一解调模块21和第二解调模块22输出分别通过减法器23和积分器24后与DSP信号处理模块25连接，DSP信号处理模块25与第一通讯模块26连接，第一通讯模块26与第二通讯模块27连接；第二通讯模块27与计算机28连接。
如图1所示，本发明的工作原理是：感测光纤检测***1采用马赫增德干涉原理和萨格纳克混合干涉型分布式光纤感测架构，整个传感部分由两根分别贴合在管道两侧的光纤构成，检测时由ASE高功率光源5发出的光通过第一单模光纤6进入光隔离器7，从光隔离器7的B***出后通过第二单模光纤8，由D口进入第一耦合器9，第一耦合器9输出的光功率按1:1输出两条光路，其中路径一(参考图2)光从第一耦合器9的E端口输出通过延迟光纤10后从K端口输入到第二耦合器13，然后从第二耦合器13的I端口输出进入到第一感测光纤14，通过第一感测光纤14进入第一法拉第旋转镜16，被其反射后再通过第一感测光纤14进入第二耦合器13，从第二耦合器13的H口输出后分别通过偏振控制器12和相位调制器11进入到第一耦合器9，(其中有部分光路通过第二耦合器13后从K端口输出进入延迟光纤10后再进入第一耦合器9，此时与光路一、二不符合零光程差条件，所以没有干涉现象，故不考虑；也有部分返回光路通过第一耦合器9时从D口输出进入到光隔离器7，此时被光隔离器7阻碍防止损伤光源，也不做考虑)与路径二在第一耦合器9中发生干涉后通过第三单模光纤18进入到光电转换器19。
参考图3，光路径二，光从第一耦合器9的F端口输出分别通过相位调制器11和偏振控制器12进入到第二耦合器13，然后从第二耦合器13的I端口输出进入到第一感测光纤14，通过第一感测光纤14进入第一法拉第旋转镜16，被其反射后再通过第一感测光纤14进入第二耦合器13，从第二耦合器13的K口输出后通过延迟光纤10进入到第一耦合器9，(其中有部分光路通过第二耦合器13后从H端口输出分别通过偏振控制器12和相位调制器11后再进入第一耦合器9，此时与光路一、二不符合零光程差条件，所以没有干涉现象，故不考虑；也有部分返回光路通过第一耦合器9时从D口输出进入到光隔离器7，此时被光隔离器7阻碍防止损伤光源，也不做考虑)与路径一在第一耦合器9中发生干涉后通过第三单模光纤18进入到光电转换器19。
参考图4，光路径三，光从第一耦合器9的E端口输出通过延迟光纤10后从K端口输入到第二耦合器13，然后从第二耦合器13的J端口输出进入到第二感测光纤15，通过第二感测光纤15进入第二法拉第旋转镜17，被其反射后再通过第二感测光纤15进入第二耦合器13，从第二耦合器13的H口输出后分别通过偏振控制器12和相位调制器11进入到第一耦合器9，(其中有部分光路通过第二耦合器13后从K端口输出进入延迟光纤10后再进入第一耦合器9，此时与光路三、四不符合零光程差条件，所以没有干涉现象，故不考虑；也有部分返回光路通过第一耦合器9时从D口输出进入到光隔离器7，此时被光隔离器7阻碍防止损伤光源，也不做考虑)与路径四在第一耦合器9中发生干涉后通过第三单模光纤18进入到光电转换器19将光信号转化成电信号，再通过信号放大模块20将信号放大处理，再将信号分两条路径分别进入第一解调模块21和第二解调模块22，然后再进入减法器23和积分器24做相应处理达到解调效果，再进入DSP信号处理模块25对解调信号进行采样来完成信号处理和泄漏点位置计算，然后通过第一通讯模块26和第二通讯模块27将信号传送到计算机28进行分析处理和人机交互。
参考图5，光路径四，光从第一耦合器9的F端口输出分别通过相位调制器11和偏振控制器12进入到第二耦合器13，然后从第二耦合器13的J端口输出进入到第二感测光纤15，通过第二感测光纤15进入第二法拉第旋转镜17，被其反射后再通过第二感测光纤17进入第二耦合器13，从第二耦合器13的K口输出后通过延迟光纤10进入到第一耦合器9，(其中有部分光路通过第二耦合器13后从H端口输出分别通过偏振控制器12和相位调制器11后再进入第一耦合器9，此时与光路三、四不符合零光程差条件，所以没有干涉现象，故不考虑；也有部分返回光路通过第一耦合器9时从D口输出进入到光隔离器7，此时被光隔离器7阻碍防止损伤光源，也不做考虑)与路径三在第一耦合器9中发生干涉后通过第三单模光纤18进入到光电转换器19将光信号转化成电信号，再通过信号放大模块20将信号放大处理，再将信号分两条路径分别进入第一解调模块21和第二解调模块22，然后再进入减法器23和积分器24做相应处理达到解调效果，再进入DSP信号处理模块25对解调信号进行采样来完成信号处理和泄漏点位置计算，然后通过第一通讯模块26和第二通讯模块27将信号传送到计算机28进行分析处理和人机交互。
该装置的管道泄漏检测原理是：当地下或水下管道某处发生泄漏时，泄漏流体与泄漏孔壁的摩擦会在管壁上产生应力波，此时会对铺设在天然气管道管壁上的感测光纤产生扰动，对通过第一感测光纤14和第二感测光纤15两个感测光纤中传输的光相位进行调制使其产生相位差，延迟光纤10为了使光路一二或光路三四两束光通过泄漏点时产生时间差，在同一条感测光纤中两束光产生相位差满足零光程差条件，所以在耦合器中耦合时发生干涉。无泄漏发生时，分别进入第一感测光纤14和第二感测光纤15的光两两相位一致，不发生干涉。此时可以通过检测感测光纤中的干涉信号来确定泄漏情况，再通过信号放大模块20分两条信号分别进入第一解调模块21、第二解调模块22，再对其解调信号进行减法积分处理，然后通过DSP信号处理模块25对解调信号采样完成信号处理和对泄漏点位置计算，再通过第一通讯模块25和第二通讯模块26将信号传输给计算机27从而进行信号的人工分析和处理，实现管道泄漏检测。

Claims (2)

1.一种基于2×2耦合器和双法拉第旋转镜的光纤管道检测装置，其特征在于，包括：感测光纤检测***(1)、信号解调***(2)、信号通讯及处理***(3)、信号分析及人机交互***(4)；其中，感测光纤检测***(1)包括ASE高功率光源(5)、第一单模光纤(6)、光隔离器(7)、第二单模光纤(8)、第一耦合器(9)、延迟光纤(10)、相位调制器(11)、偏振控制器(12)、第二耦合器(13)、第一感测光纤(14)、第二感测光纤(15)、第一法拉第旋转镜(16)、第二法拉第旋转镜(17)、第三单模光纤(18)和光电转换器(19)；信号解调***(2)包括信号放大模块(20)、第一解调模块(21)、第二解调模块(22)、减法器(23)和积分器(24)；信号通讯及处理***(3)包括DSP信号处理模块(25)和第一通讯模块(26)；信号分析及人机交互***(4)包括第二通讯模块(27)和计算机(28)；
所述感测光纤检测***(1)的高功率光源(5)发出的光信号通过第一单模光纤(6)与光隔离器(7)的输入端口A连接，光隔离器(7)的输出端口B通过第二单模光纤(8)与第一耦合器(9)的第一端口D连接，第一耦合器(9)的第二端口E与延迟光纤(10)连接后再连接到第二耦合器(13)的第一端口K，第一耦合器(9)的第三端口F依次连接相位调制器(11)和偏振控制器(12)后与第二耦合器(13)的第二端口H连接，第二耦合器(13)的第三端口I通过第一感测光纤(14)与第一法拉第旋转镜(16)连接，第二耦合器(13)的第四端口J通过第二感测光纤(15)与第二法拉第旋转镜(17)连接；第一耦合器(9)的第四端口C通过第三单模光纤(18)与光电转换器(19)连接，光电转换器(19)输出与信号放大模块(20)连接，信号放大模块(20)输出分别与第一解调模块(21)和第二解调模块(22)连接；第一解调模块(21)和第二解调模块(22)输出分别通过减法器(23)和积分器(24)后与DSP信号处理模块(25)连接，DSP信号处理模块(25)与第一通讯模块(26)连接，第一通讯模块(26)与第二通讯模块(27)连接；第二通讯模块(27)与计算机(28)连接；
所述的第一法拉第旋转镜(16)和第二法拉第旋转镜(17)分别置于管道的两端，第一感测光纤和第二感测光纤从管道的中间贴合管道壁向相反方向延伸，并分别与第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于2×2耦合器和双法拉第旋转镜的光纤管道检测装置，其特征在于，所述的第一感测光纤(14)和第二感测光纤(15)分别贴合在管道两侧布置。
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