專利名稱：基于分布式光纖偏振傳感器的智能管道自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于長(zhǎng)距離、分布式光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于分布式光纖偏 振傳感器的智能管道自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
油氣資源作為重要的能源及眾多化工產(chǎn)品的原料，對(duì)國(guó)民生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及國(guó) 防建設(shè)等諸多方面起著舉足輕重的作用。管道運(yùn)輸系統(tǒng)由于可靠性高，運(yùn)輸成本較低，作為 一種安全、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方法已廣泛應(yīng)用于石油、天然氣等工業(yè)部門中，然而近年來(lái)輸油管道 被打孔盜油案件時(shí)有發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，這使得油氣管線自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)變得日
益重要。目前，國(guó)內(nèi)外比較成熟的管道泄漏檢測(cè)技術(shù)大體可分為內(nèi)部檢測(cè)和外部檢測(cè)兩大 類，內(nèi)部檢測(cè)法包括漏磁通檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、照相和錄像檢測(cè)、渦流檢測(cè)法；外部檢測(cè)法 包括巡線觀察、空氣采樣、電纜檢漏、放射物檢測(cè)、質(zhì)量分析、應(yīng)力波、壓力梯度、負(fù)壓波、水 聲換能器檢漏法等等。國(guó)內(nèi)一些石油公司也已經(jīng)利用上述一些技術(shù)實(shí)現(xiàn)了管道泄漏的自動(dòng) 檢測(cè)與報(bào)警，并取得了一定的成果，例如勝利油田利用負(fù)壓波與流量檢測(cè)相結(jié)合的方法， 可以發(fā)現(xiàn)管道泄漏并進(jìn)行定位，其報(bào)警反應(yīng)時(shí)間為200s ；中原油田采用智能化聲學(xué)檢測(cè)及 應(yīng)力波技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸油管道的實(shí)時(shí)檢測(cè)。但是，上述技術(shù)由于受到檢測(cè)原理、傳感器性能、采樣點(diǎn)密集度等多種因素限制， 很難同時(shí)滿足檢測(cè)泄漏靈敏度(只能發(fā)現(xiàn)大量泄漏的情況)、定位準(zhǔn)確度(500m-1000m)、誤 報(bào)警率和及時(shí)報(bào)警(100s量級(jí))等多項(xiàng)要求。另外，這些方法受周圍環(huán)境噪聲的影響較大， 并對(duì)監(jiān)測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)有很強(qiáng)的依賴性。光纖傳感器以其特有的特點(diǎn)，如抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、耐高溫、體積小、重 量輕、對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小以及成本低等，近年來(lái)得到了極大的發(fā)展。到目前為止，光纖傳感 器已經(jīng)應(yīng)用于磁場(chǎng)、電流、聲音、溫度以及壓力等物理量的測(cè)量。在各種光纖傳感技術(shù)中，分 布式光纖傳感技術(shù)集信息的采集與傳輸于一體，并且可以獲得沿光纖分布的被測(cè)量的連續(xù) 信息，特別適合長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)，因此在油氣管線自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域具有極佳的應(yīng)用前景。分布式光纖傳感技術(shù)主要的實(shí)現(xiàn)方法包括光時(shí)域反射(OTDR)法、干涉法以及波 長(zhǎng)掃描法等。其中，OTDR法利用光的后向散射，包括瑞利散射、喇曼散射和布里淵散射，通 過(guò)測(cè)量其光強(qiáng)(瑞利散射)或頻移(喇曼和布里淵散射)，來(lái)檢測(cè)外界物理場(chǎng)的應(yīng)力及溫度的 變化。目前，OTDR技術(shù)已經(jīng)比較成熟，市場(chǎng)上也有相應(yīng)的產(chǎn)品，但對(duì)于長(zhǎng)距離管道泄漏監(jiān)測(cè) 還有一定的不足(1)傳感器設(shè)計(jì)麻煩，性價(jià)比低；(2)對(duì)小泄漏不敏感；(3)監(jiān)測(cè)距離短； (4) OTDR比較適合于檢測(cè)靜態(tài)損耗和緩慢變化的擾動(dòng)，無(wú)法檢測(cè)出瞬態(tài)的擾動(dòng)。干涉式光纖傳感器是利用光纖受到所監(jiān)測(cè)物理場(chǎng)感應(yīng)，如溫度、旋轉(zhuǎn)、壓力或振動(dòng) 等，使導(dǎo)光相位產(chǎn)生延遲，造成輸出光強(qiáng)度改變，進(jìn)而得知待測(cè)物理場(chǎng)的變化。干涉式分布 光纖傳感器相對(duì)于OTDR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于動(dòng)態(tài)范圍大、靈敏度高。干涉法中主要可以應(yīng)用 Sagnac干涉儀、邁克耳遜干涉儀、馬赫一曾得干涉儀以及各種干涉儀混合結(jié)構(gòu)等。但是，由于光相位對(duì)于環(huán)境變化非常敏感，基于干涉法的光纖傳感系統(tǒng)對(duì)于后期信號(hào)處理無(wú)論在算 法，還是在硬件實(shí)現(xiàn)方面都提出了很高的要求，目前市場(chǎng)上還沒(méi)有比較成熟的方案或產(chǎn)品。通過(guò)對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的分析可以發(fā)現(xiàn)，所有技術(shù)只能在泄漏后進(jìn)行報(bào)警、定位，屬 于事后防盜，無(wú)法在不法分子作案早期進(jìn)行預(yù)警。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，針對(duì)油氣管線早期預(yù)警的要求，提 供一種基于分布式光纖偏振傳感器的智能管道自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)。本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，性價(jià)比極高，定位準(zhǔn)確，監(jiān)測(cè)距離長(zhǎng)，具有很高的靈敏 度，并且光纖鋪設(shè)在油氣管線周圍，使之能夠在不法分子作案的早期(挖土階段)進(jìn)行定位、 報(bào)警，從而達(dá)到早期預(yù)警的目的。本發(fā)明提供的基于分布式光纖偏振傳感器的智能管道自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，包括激光 器、偏振控制器(PC)、濾波器(0BPF)、環(huán)形器、起偏器、傳感光纖、光電探測(cè)器(PIN)。光路一 由激光器(中心波長(zhǎng)λ 2)發(fā)出的光信號(hào)經(jīng)環(huán)形器Cl，進(jìn)入傳感光纖后依次經(jīng)由環(huán)形器C2、 偏振控制器PC2、濾波器(中心波長(zhǎng)λ2)、起偏器Ρ2由光電探測(cè)器ΡΙΝ2檢測(cè)；光路二由激光 器(中心波長(zhǎng)X1)輸出至環(huán)形器C2，進(jìn)入傳感光纖后依次經(jīng)由環(huán)形器Cl、偏振控制器PC1、 濾波器(中心波長(zhǎng)λ》、起偏器Pi由光電探測(cè)器Pim檢測(cè)；光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)變后的 電信號(hào)傳送至數(shù)字信號(hào)處理子系統(tǒng)。其中所述的傳感光纖依附在輸油氣管線上，對(duì)壓力變化和振動(dòng)信號(hào)敏感，該傳感 光纖既作為傳感器使用，同時(shí)也作為信號(hào)傳輸鏈路使用，且能夠?qū)鞲芯€路擾動(dòng)而造成的 偏振態(tài)變化經(jīng)由光電探測(cè)器傳送至數(shù)字信號(hào)處理子系統(tǒng)，并將該擾轉(zhuǎn)變?yōu)殡姽β实淖兓?根據(jù)其電功率變化的時(shí)間信息對(duì)擾動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行定位，最終輸出報(bào)警、定位信息。所述的激光器輸出的光是偏振態(tài)及功率穩(wěn)定的連續(xù)光，或脈沖光。所述環(huán)形器可以用2X2耦合器代替。所述的數(shù)字信號(hào)處理子系統(tǒng)包括高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換以及信號(hào)處理兩部分。所述濾波器(OBPF)可以用任何具有濾波特性且中心波長(zhǎng)一致的器件代替，如波分 復(fù)用器(WDM)，光柵陣列(AWG)，布拉格光柵(FBG)等。該系統(tǒng)中，有源器件僅包括激光器、光電探測(cè)器以及數(shù)字信號(hào)處理子系統(tǒng)，其它均 為無(wú)源器件，這使得該系統(tǒng)具有極高的穩(wěn)定性，幾乎無(wú)需維護(hù)。所述激光器、偏振控制器、濾波器、環(huán)形器、起偏器、光電探測(cè)器以及數(shù)字信號(hào)處理 子系統(tǒng)位于控制室內(nèi)，便于保護(hù)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果本發(fā)明采用偏振檢測(cè)的方法實(shí)現(xiàn)分布式光纖預(yù)警系 統(tǒng)，該系統(tǒng)保留了所有光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)，特別具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)一、定位準(zhǔn)確、報(bào)警迅 速，能夠?qū)崿F(xiàn)早期預(yù)警。基于本發(fā)明的工作原理，位于傳感光纖任一點(diǎn)的偏振擾動(dòng)信息將沿 光纖以光速傳送至控制室中的光電探測(cè)器，數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)將根據(jù)偏振擾動(dòng)信號(hào)的時(shí)間 差信息確定擾動(dòng)位置，因此，本系統(tǒng)的定位準(zhǔn)確性及報(bào)警時(shí)間僅由數(shù)字信號(hào)處理芯片的處 理速度上限所決定；二、穩(wěn)定性、可靠性高。由于本系統(tǒng)所采用的器件均為市場(chǎng)上早已成熟 的商用器件，因此其可靠性極高。另外本系統(tǒng)采用的有源器件數(shù)量極少，且均位于室內(nèi)，使 其不受環(huán)境因素的影響，因此具有極高的穩(wěn)定性，一經(jīng)使用幾乎不用維護(hù)；三、安全性高，隱
4蔽性好。本系統(tǒng)的絕大多數(shù)組成部分均位于控制室內(nèi)，而傳感光纖則可以沿被監(jiān)測(cè)線路埋 入地下，所以本系統(tǒng)安全性、隱蔽性高，不易被他人發(fā)現(xiàn)或破壞?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，本發(fā)明非常 適合長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)，在油氣管線自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域具有極佳的應(yīng)用前景。


圖1為基于分布式光纖偏振傳感器的智能管道自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)組成示意圖。圖中，1 激光器、2偏振控制器、3濾波器、4環(huán)形器、5起偏器、6傳感光纖、7光電二極管、8數(shù)字信號(hào) 處理子系統(tǒng)。圖2為基于分布式光纖偏振傳感器的智能管道自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)工作原理示意圖。圖 中，d}Jf為環(huán)形器Cl第2端口的正向光偏振態(tài)、4為環(huán)形器Cl第2端口的逆向光偏振
態(tài)、C^為環(huán)形器Cl第3端口的正向光偏振態(tài)、為環(huán)形器C2第2端口的正向光偏振態(tài)、
Cl為環(huán)形器C2第2端口的逆向光偏振態(tài)、dlf為環(huán)形器C2第3端口的正向光偏振態(tài)、L0
為傳感光纖總長(zhǎng)度、a為偏振擾動(dòng)點(diǎn)I1為擾動(dòng)點(diǎn)與環(huán)形器Cl間的距離，L2為擾動(dòng)點(diǎn)與環(huán)形 器C2間的距離。圖3為有擾動(dòng)時(shí)，光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)功率變化。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，本發(fā)明不限于這個(gè)實(shí)施例。圖1為本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)框圖，其中各器件不同端口的正向光、逆向光偏振態(tài) 的定義，以及系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。首先，當(dāng)傳感線路無(wú)擾動(dòng)時(shí)，
因此在傳感光纖無(wú)擾動(dòng)時(shí)，在光電二極管Pim和PIN2處檢測(cè)到的電信號(hào)應(yīng)為一直流信號(hào)。 有擾動(dòng)時(shí)，設(shè)振動(dòng)信號(hào)作用下偏振態(tài)變化的時(shí)間為T。由于振動(dòng)信號(hào)僅作用于較短 的光纖段，由振動(dòng)導(dǎo)致的光信號(hào)的差分群延時(shí)(DGD)可以忽略不計(jì)，而主要表現(xiàn)為對(duì)光信號(hào)
偏振態(tài)的旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，可以近似將干擾矩陣G^)等效為一個(gè)旋光鏡
(G2XG1)rX
權(quán)利要求
一種基于分布式光纖偏振傳感器的智能管道自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，包括激光器、偏振控制器(PC)、濾波器(OBPF)、環(huán)形器、起偏器、傳感光纖、光電探測(cè)器(PIN)；光路一由中心波長(zhǎng)為λ2的激光器發(fā)出的光信號(hào)經(jīng)環(huán)形器C1，進(jìn)入傳感光纖后依次經(jīng)由環(huán)形器C2、偏振控制器PC2、中心波長(zhǎng)為λ2的濾波器、起偏器P2由光電探測(cè)器PIN2檢測(cè)；光路二由中心波長(zhǎng)為λ1的激光器輸出至環(huán)形器C2，進(jìn)入傳感光纖后依次經(jīng)由環(huán)形器C1、偏振控制器PC1、中心波長(zhǎng)為λ1的濾波器、起偏器P1由光電探測(cè)器PIN1檢測(cè)；光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)變后的電信號(hào)傳送至數(shù)字信號(hào)處理子系統(tǒng)；其中所述的傳感光纖依附在輸油氣管線上，既作為傳感器使用，同時(shí)也作為信號(hào)傳輸鏈路使用，且能夠?qū)?duì)傳感線路造成的擾動(dòng)轉(zhuǎn)化為偏振態(tài)變化經(jīng)由光電探測(cè)器傳送至數(shù)字信號(hào)處理子系統(tǒng)，并將該擾動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡姽β实淖兓鶕?jù)其電功率變化的時(shí)間信息對(duì)擾動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行定位，最終輸出報(bào)警、定位信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分布式光纖偏振傳感器的智能管道自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，其特 征在于所述激光器輸出的光是偏振態(tài)及功率穩(wěn)定的連續(xù)光，或脈沖光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分布式光纖偏振傳感器的智能管道自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，其特 征在于環(huán)形器可以用2X2耦合器代替。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分布式光纖偏振傳感器的智能管道自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，其特 征在于，所述傳感光纖對(duì)壓力變化和振動(dòng)信號(hào)敏感。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分布式光纖偏振傳感器的智能管道自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，其特 征在于，所述濾波器(OBPF)可以用任何具有濾波特性且中心波長(zhǎng)一致的器件代替。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于分布式光纖偏振傳感器的智能管道自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，其特 征在于，所述濾波器(OBPF)為波分復(fù)用器(WDM)，光柵陣列(AWG)，或布拉格光柵(FBG)。
全文摘要
一種基于分布式光纖偏振傳感器的智能管道自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，包括激光器、偏振控制器、濾波器(OBPF)、環(huán)形器、起偏器、傳感光纖、光電探測(cè)器。光路一由激光器(中心波長(zhǎng)λ2)發(fā)出光信號(hào)經(jīng)環(huán)形器C1，進(jìn)入傳感光纖依次經(jīng)由環(huán)形器C2、偏振控制器PC2、濾波器(中心波長(zhǎng)λ2)、起偏器P2由光電探測(cè)器PIN2檢測(cè)；光路二由激光器(中心波長(zhǎng)λ1)輸出至環(huán)形器C2，進(jìn)入傳感光纖經(jīng)由環(huán)形器C1、偏振控制器PC1、濾波器(中心波長(zhǎng)λ1)、起偏器P1由光電探測(cè)器PIN1檢測(cè)；光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)變后的電信號(hào)傳送至數(shù)字信號(hào)處理子系統(tǒng)。本發(fā)明成本低、安全性可靠性高，對(duì)輸油氣管線的破壞活動(dòng)進(jìn)行早期的定位預(yù)警，適合長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)，在油氣管線自動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有極佳應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)F17D5/02GK101968161SQ20101053790
公開(kāi)日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2010年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月10日
發(fā)明者于晉龍, 劉佳, 高超 申請(qǐng)人:于晉龍;高超;劉佳