專利名稱：基于分布式光纖的安全監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開一種基于分布式光纖的安全監(jiān)測系統(tǒng),涉及振動、沖擊的分布式測量,屬于安 全預(yù)防技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
維護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施的安全是社會穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的一個基本要求。對通信光纜、高壓電 網(wǎng)、輸油管道、輸氣管道、橋梁、大壩、建筑物等基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行安全監(jiān)測，以確定健康、維護(hù) 需求、壽命和其它特性，不僅是這些設(shè)施實現(xiàn)技術(shù)性功能的保障,更是避免造成重大經(jīng)濟(jì)損失、 維護(hù)社會穩(wěn)定發(fā)展的有效手段。
近年來光纖信息傳輸?shù)慕^對安全性己被打破，針對陸地光纜線路的竊聽事件屢有報道,而 相關(guān)媒體披露的美國中央情報局海底光纜竊聽計劃更引起人們對海底光纜信息傳輸安全性的 充分重視。如何及時發(fā)現(xiàn)并精確定位這些事故更是一種挑戰(zhàn)。
隨著管道運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展,各種管道運(yùn)輸安全監(jiān)測技術(shù)也在不斷發(fā)展，目前己有的管道安 全生產(chǎn)監(jiān)測技術(shù)主要有兩類。其一管道泄漏事件發(fā)生后的監(jiān)測技術(shù),這種技術(shù)主要有"管內(nèi) 流體力學(xué)狀態(tài)檢測技術(shù)"。管內(nèi)流體力學(xué)狀態(tài)檢測技術(shù)是實時采集管線中流體的流量、溫度和 壓力等信號,進(jìn)行管道泄漏檢測和定位，這種技術(shù)受到管道內(nèi)的流體特性、輸送工藝以及測試 儀器的性能等因素限制,對管道泄漏監(jiān)測的靈敏度和定位精度較低,這類技術(shù)包括壓力梯度 法、負(fù)壓力波法、流量平衡法。其二,管道破壞事件發(fā)生前的預(yù)防監(jiān)測技術(shù),也就是管道破壞 預(yù)警技術(shù)，目前已有的該類技術(shù)主要是"聲波技術(shù)監(jiān)測"，該技術(shù)是利用聲波沿管道傳輸原理， 在每隔1 km左右安裝一個有源傳感器,拾取管道沿線的聲音信號加以分析,確定事件性質(zhì),進(jìn) 而對破壞管道的事件提前發(fā)現(xiàn),但是每一個傳感器件必須配備一套供電裝置和通信裝置,不僅 增加設(shè)備的投資和維護(hù)成本,且這些設(shè)施本身也容易遭到破壞,使裝置不能正常運(yùn)行。
隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展,長距離分布式光纖傳感技術(shù)也開始應(yīng)用于管道泄漏檢測和通 信光纜安全監(jiān)測，主要有光后散射法和光干涉法。光后散射法基于瑞利、拉曼、布里淵、偏振 原理,利用外部事件對光纖傳輸特性的影響,通過定位檢測光纖中后散光強(qiáng)變化來判斷局部外 力、溫度變化，進(jìn)而能評估管線的安全狀況。對于管道來說,分布式光纖溫度和應(yīng)力監(jiān)測技術(shù) 是利用光纖的非線性特性(拉曼效應(yīng)和布里淵效應(yīng))實時采集管道泄漏的介質(zhì)對光纖的溫度 影響和沖擊應(yīng)力來確定泄漏點的位置，這種技術(shù)受到光纜的結(jié)構(gòu)和光纜與泄漏點的距離限制 而影響監(jiān)測效果。
光干涉法具有靈敏度高、動態(tài)范圍大、響應(yīng)快、傳輸距離長,可滿足長距離、微小振動檢 測要求。中國發(fā)明專利申請200410020046.6 、 200410040282.4 、 200610113044.0 、 200510023104. 5、 200610090594. 5等使用連續(xù)激光器，呈現(xiàn)低功率入射問題，當(dāng)監(jiān)測距離超過 20千米使用普通單模光纖時，由于受激布里淵閾值的限制，入射功率不超過2毫瓦,在中等距離 長度的監(jiān)測上有優(yōu)勢。利用干涉原理構(gòu)建長距離監(jiān)測系統(tǒng)需要極其苛刻的條件。馬赫-曾德爾 干涉儀和邁克耳遜干涉儀由于光傳播在兩條不同的光臂上，自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制引起光 偏振的獨立性，干涉光場的偏振態(tài)呈現(xiàn)不可預(yù)知的問題,另外在長達(dá)上百km的兩條光纖在安裝 時就難以做到分米級的誤差,這可需要比較窄線寬的激光器才能保證干涉。我們申請的中國發(fā) 明專利200710051004. 2使用一個變型薩格納克干涉儀構(gòu)成長距離管線安全監(jiān)測系統(tǒng)，兩條傳 感線路，有利地啟用其管線上備用光纖是可行的,但采用兩支路解調(diào)抑制噪聲,其成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于采用雙變型光纖薩格納克干涉儀，單路相干光脈沖比例解調(diào)構(gòu)成低成 本的安全監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)長距離微小振動、沖擊檢測與定位。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的
3如下技術(shù)方案包括發(fā)射和接收光信號處理模塊100，光延遲部件101，回路光纖部分102，構(gòu)成 一個雙變型光纖薩格納克干涉儀；發(fā)射和接收光信號處理模塊1包括計算機(jī)1、光源驅(qū)動器2、 光源3、去偏器4、探測器IO、帶探測器的電路處理板11;光延遲部件2包括3X3光纖耦合 器5、短光纖6、長光纖7和2X1耦合器8;回路光纖部分102涉及兩種情況的傳感光纖9: 振動、沖擊作用在回路中兩條光纖上(如圖l所示)或在回路中一條光纖上(如圖2所示)。 本發(fā)明的工作原理如圖1所示，計算機(jī)1控制光源驅(qū)動器2使光源3按一定的頻率發(fā) 射光脈沖，脈寬小于10ps，脈沖光功率小于受激拉曼散射閾值。脈沖通過去偏器4輸入3 X 3耦 合器5，去偏器4的作用避免光源偏振的影響,優(yōu)選耦合器5功分比為l:l:l，分成三束等量的光 脈沖分別在短光纖13、長光纖14和傳感光纖9逆時針方向傳播,其中兩束光脈沖輸入耦合器 8，優(yōu)選耦合器8功分比為l:l,兩光脈沖縮量1/2輸出到傳感光纖9中按順時針方向傳播達(dá)到耦 合器5，逆時針方向傳播的光脈沖輸入耦合器8分量相等的光脈沖分別在長、短光纖7、 6中傳 播達(dá)到耦合器5,有且只有經(jīng)歷最長和最短對應(yīng)的兩光脈沖干涉，輸出二個先后順序的相干脈沖， 它們繼續(xù)傳播先后被光探測器轉(zhuǎn)換為電信號，再由電路處理板11轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由計算機(jī)5 處理、計算出傳感線路上振動位置。有利地二個先后達(dá)到的相干光脈沖與下次二個先后達(dá)到
的相干光脈沖不能混雜，光源7發(fā)射光脈沖的頻率小于等于c:/(w^ZO,c為光在真空中速度,^v
為光纖有效折射率，短光纖13長度為^km,長光纖14長度為丄2]011,￡ = ￡2-丄1;有利地探測
器完整轉(zhuǎn)換每個返回的光脈沖,A/D采樣保持時間大于脈寬，A/D采樣頻率大于光源重復(fù)頻率。 將這兩個相干光脈沖轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號作比例解調(diào)來抑制光源波動。圖1中振動點D產(chǎn)生的振
動函數(shù)設(shè)為-(O,最短路徑、最長路徑順時針和逆時針傳播的光脈沖在耦合器5產(chǎn)生的相位差 A^,m二l,2表示為
("L +r) + -(, + r ) —^H("『)一2W3 (1)
振動點D離最遠(yuǎn)端距離設(shè)為x，式(1 )中光往返這兩點之間的時間為 r，r = 2"￡//x/c ,rm = "e#A /c， f為耦合器5分束光脈沖率先達(dá)到振動點D的時刻。設(shè)0(0的付
里葉變換為F(w),由付里葉變換的線性性質(zhì)得
F(A《)={exp[^(i: + r)] + exp(Z抓m) -1 - exp(/nrr)^(w) (2)
=[expO'crrm ) -1]' [exp(/crr) +
式(2)中陷波點為exp(/扱、)—l-0,exp(/cr;r) + l-0，艮口
< r = 2A;r —;r，(y7m - 2Att，附=1,2 (3) 上式(3)中A為自然數(shù)，特征頻率為-
— ，t 一 「 ，/咖"吝 r ，ffl一l" 、4J
2『 4 ;v;
顯然,當(dāng)jc > 0.25￡2時，對任何ifc才有/# 1-，w = 1，2 ,也就是說本系統(tǒng)有監(jiān)測盲區(qū)，長度為
A 0.25￡2。與特征頻率/^所對應(yīng)的光纖長度;c為;c=(2"1)C (5)
由于式(1)和式(2)頻率空間完全相似，它們的光電信號作比例后再進(jìn)行付里葉變換同 樣能獲得上述結(jié)果，并且能計算出振動點產(chǎn)生的振動函數(shù)圖像。
圖2中振動點D產(chǎn)生的振動函數(shù)設(shè)為-W,最短路徑、最長路徑順時針和逆時針傳播的光 脈沖在耦合器5產(chǎn)生的相位差A(yù)^、 A^表示為
△&+2 =-(, + rm —r0) — ^(/ + r。) —2;r/3，w = l,2 (6)
振動點D離最遠(yuǎn)端距離設(shè)為x，式(6)中這兩點之間光通過的單程時間為r。,r。 ="e#jf/c，r
為耦合器5分束光脈沖逆時針傳播達(dá)到最遠(yuǎn)端的時刻。設(shè)-(/)的付里葉變換為尸(w),由付里葉 變換的線性性質(zhì)得
^(△&+2) = {eXp[/ft)(rm — r。)] — exp(/crr。 ，(") ( 7 )
式(7)中陷諧波點為exp[^(、 —r。)] —exp0'CT7;) = 0jP
<y(2r0—rJ = 2A7T,w = l，2 (8)
上式(8)中A為自然數(shù)，特征頻率為
/"u =_^_ =——^——，w = i,2 (9)
該結(jié)構(gòu)無監(jiān)測盲區(qū)，但前后兩次分別建立的頻譜空間中諧波點位置不同，它們的光電信號 作比例后再進(jìn)行付里葉變換諧波點位置也不同，分別計算出振動點位置,再求平均值來減少不 確定度。
單個檢測系統(tǒng)加裝光開關(guān)，進(jìn)行多通道周期巡檢測量，監(jiān)測大面積振動現(xiàn)象。多個監(jiān)測系 統(tǒng)聯(lián)網(wǎng),實現(xiàn)遠(yuǎn)程智能監(jiān)測。
本發(fā)明優(yōu)點
① 、應(yīng)用廣泛即可應(yīng)用于管線的安全監(jiān)測，又可以應(yīng)用于大面積的安全監(jiān)測。
② 、檢測靈敏度高、監(jiān)測距離遠(yuǎn)采用去偏器避免光源偏振的影響，設(shè)置光源7發(fā)射光
脈沖的頻率小于等于c/("^i:)，使得二個先后達(dá)到的相干光脈沖與下次二個先后達(dá)到的相干光
脈沖不能混雜，系統(tǒng)信噪比得到保證；設(shè)置A/D采樣保持時間大于脈寬,A/D采樣頻率大于光
源重復(fù)頻率，探測器完整轉(zhuǎn)換每個返回的相干光脈沖，使得電信號無失真現(xiàn)象。返回的先后相 干光脈沖各自獨立建立頻譜空間確定振動位置以及它們作比例后再建立頻譜空間確定位置, 由此還能建立振動的函數(shù)圖像。單個檢測系統(tǒng)加裝光開關(guān)，進(jìn)行多通道周期巡檢測量,監(jiān)測大面 積的振動現(xiàn)象。
③ 、定位精度高采用小于10ns的短脈沖激光，理論上可以獲得小于2m的定位誤差。
附圖及


圖l本發(fā)明振動點作用在兩條光纖線上的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2本發(fā)明振動點作用在一條光纖線上的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖3本發(fā)明采集的光電信號的時序圖； 圖4本發(fā)明獲得的振動函數(shù)圖像；
圖5本發(fā)明最長路徑之間逆時針、順時針光脈沖干涉的頻譜圖。
本發(fā)明本說明書和附圖中參考標(biāo)號的重復(fù)使用旨在表示本發(fā)明的相同或類似的特征或 元件。
具體實施例方式
為了概括本發(fā)明起見，本文描述了本發(fā)明的某些方面、優(yōu)點以及新穎特征。應(yīng)該理解，沒 必要根據(jù)本發(fā)明的任何一個特定實施例來實現(xiàn)所有這些優(yōu)點。因此，本發(fā)明不限于所公開的任 何特定實施例。
本發(fā)明的實施例如下-
1 、實施方案l安全監(jiān)測長距離通信光纜,本例是一實驗樣機(jī),其構(gòu)成如圖l所示。圖中 粗連接線為光纖，由成都中住光纜公司提供,細(xì)連接線為電線。計算機(jī)1是PC104系統(tǒng)，光源驅(qū) 動器2、帶探測器的電路處理板ll是l個lMHzl2bitA/D芯片、1個PIN探測器、驅(qū)動電路、 處理電路、緩沖區(qū)集成在一個板卡中，由我們實驗室制作完成，光源3也是自制的光纖激光 器,980nm泵浦摻鉺光纖輸出1550nm光脈沖，線寬8nm,脈寬6. 5ns,峰值功率5W,重復(fù)頻率 100kHz,盤繞在板卡上層,板卡插入PC104系統(tǒng)的插槽中。耦合器和去偏器4由上海翰宇公司 提供；系統(tǒng)軟件由我們實驗室編制完成，包括系統(tǒng)驅(qū)動、采集、分析、顯示存儲。計算機(jī)l控 制光源驅(qū)動器2使光源3按lOOkHz重復(fù)頻率發(fā)射光脈沖。脈沖通過去偏器4輸入3X3耦合 器5,分成三束等量的光脈沖分別在短光纖6、長光纖7和傳感光纖9逆時針方向傳播,其中兩 束光脈沖輸入耦合器8，這兩光脈沖縮量1/2輸出到傳感光纖9中按順時針方向傳播達(dá)到耦合 器5,逆時針方向傳播的光脈沖輸入耦合器8分量相等的光脈沖分別在長、短光纖7、 6中傳 播達(dá)到耦合器5，有且只有經(jīng)歷最長和最短對應(yīng)的兩光脈沖干涉，輸出二個先后順序的相干脈 沖,它們繼續(xù)傳播先后被光探測器轉(zhuǎn)換為電信號，再由電路處理板11轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由計算 機(jī)5處理、計算出傳感線路上振動位置。實驗中長光纖7長2km與短光纖6長lkm,單線路光 纖3長度為241km,實際監(jiān)測距離為(241-1) /2=120km。實施例中，振動在傳感光纖中的位置 離最遠(yuǎn)端;c400km，實施例中的采集的光電信號的時序圖如圖3所示，最長路徑之間逆時針、順
時針光脈沖干涉的頻譜缺損情況如圖5所示,第一個陷波點頻率/ ,, =499.5/^位置相應(yīng)于
x=100. lkm，第二個陷波點頻率1501.6Wz位置相應(yīng)于x=99. 89km，第三個陷波點頻率2502.3/fe 位置相應(yīng)于;c:99. 908km，第四個陷波點頻率3491.4/fe位置相應(yīng)于x-100. 246km,平均為 x=100. 036km,平均不確定度為0. 036%。獲得的振動函數(shù)圖像如圖4所示。
本系統(tǒng)不但適用于管線的安全防范與預(yù)警，也適用于其它重要設(shè)施和重要區(qū)域的安全防 范與預(yù)警，比如橋梁，大壩，邊境線,建筑物和重要活動區(qū)等設(shè)施與區(qū)域的安全保護(hù)與防范預(yù)警。
權(quán)利要求
1、一種基于分布式光纖的安全監(jiān)測方法，運(yùn)用光纖薩格納克干涉原理，分布式定位振動、沖擊點，其特征在于振動、沖擊點離最遠(yuǎn)端距離為x，T1＝neffx/c，T2＝2neffx/c，獲取的光信號頻譜Ξ與振動、沖擊頻譜Θ之間滿足 id="icf0001" file="A2008100445850002C1.tif" wi="59" he="5" top= "50" left = "37" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>或者其中 id="icf0003" file="A2008100445850002C3.tif" wi="3" he="2" top= "73" left = "29" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>為振動、沖擊的角頻率，τ1，τ2為光波經(jīng)過光纖延遲線的時間，τ1＝2neffL/c，τ2＝neffL/c。
2、 按權(quán)利要求l所述方法的基于分布式光纖的安全監(jiān)測系統(tǒng),其特征在于:包括發(fā)射和接收 光信號處理模塊(100)，光延遲部件(101)，雙路光纖部分(102)，構(gòu)成一個雙光纖薩格納克干涉 儀；發(fā)射和接收光信號處理模塊(100)包括計算機(jī)(1)，光源驅(qū)動器(2),光源(3)，去偏器4，探 測器(10)和帶探測器的電路處理板(11);光延遲部件(101)包括3 X 3光纖耦合器(5)，短光纖 (6),長光纖(7)和2 X 1耦合器(8);雙路光纖部分(102)涉及兩種情況的傳感光纖(9):振動、 沖擊作用在回路中一條光纖上或在回路中兩條光纖上。
3、 按權(quán)利要求2所述系統(tǒng)，其特征在于光源(3)發(fā)射光脈沖的頻率小于等于cr/(n^丄)，c為光在真空中速度，"嫂.為光纖有效折射率，丄為長光纖(7)與短光纖(6)長度差,A/D采樣保持時間 大于脈寬，A/D采樣頻率大于光源重復(fù)頻率。
4、 按權(quán)利要求2所述的系統(tǒng),其特征在于:光源(7)優(yōu)選為光纖激光器。
5、 按權(quán)利要求2所述的系統(tǒng),其特征在于系統(tǒng)中使用的耦合器優(yōu)選為熔錐型光纖耦合器， 功分比優(yōu)選均分。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)中所用光纖或光纖延遲線是單模光纖，或者 是多模光纖。
7、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng),其特征在于:單個檢測系統(tǒng)加裝光開關(guān),進(jìn)行多通道周期巡檢 測量,監(jiān)測大面積振動、沖擊現(xiàn)象。
8、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng),其特征在于多個監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程智能監(jiān)測。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于分布式光纖的安全監(jiān)測系統(tǒng)，包括發(fā)射和接收光信號處理模塊100，光延遲部件101，回路光纖部分102，構(gòu)成一個雙變型光纖薩格納克干涉儀；發(fā)射和接收光信號處理模塊1包括計算機(jī)1、光源驅(qū)動器2、光源3、去偏器4、探測器10、帶探測器的電路處理板11；光延遲部件2包括3×3光纖耦合器5、短光纖6、長光纖7和2×1耦合器8；回路光纖部分102涉及兩種情況的傳感光纖9振動、沖擊作用在回路中兩條光纖上或在回路中一條光纖上。單個檢測系統(tǒng)加裝光開關(guān)，進(jìn)行多通道周期巡檢測量，監(jiān)測大面積振動現(xiàn)象。多個監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程智能監(jiān)測。
文檔編號F17D5/00GK101555989SQ20081004458
公開日2009年10月14日 申請日期2008年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月11日
發(fā)明者代志勇, 劉永智, 張利勛, 彭增壽, 歐中華 申請人:電子科技大學(xué)