專利名稱：一種利用通信光纜監(jiān)測地質(zhì)狀況的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用通信光纜監(jiān)測光纜鋪設(shè)地區(qū)地質(zhì)狀況的方法，屬于光電監(jiān)控、地質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
千百年來，難以預(yù)期的地震、火山、泥石流和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害造成不可計數(shù)的人員傷亡和財產(chǎn)損失。如果有一種系統(tǒng)，能簡單、經(jīng)濟地遍布在天南地北各種需要警戒的地域，具有迅速“把握”準地殼運動“脈搏”的感應(yīng)功能，并能及時地將威脅性大災(zāi)信息傳輸?shù)礁鱾€可能受威脅的城鎮(zhèn)，搶在山崩地裂幾十秒前發(fā)出警報，或許災(zāi)區(qū)的人們就有時間逃往避難所，燃氣和電力公司就能采取應(yīng)急保護措施，疾速行駛的列車也能立即剎車、保全旅客生命。
就地震而言，目前世界上已開發(fā)出的地震預(yù)警系統(tǒng)所用的技術(shù)都是基于地震波的橫波和縱波的時間差。地震波分為橫波和縱波，其中橫波是造成災(zāi)害的主要原因，但在地殼中傳播速度較慢，約4km/s；縱波傳播方向與地震振動方向一致，在地殼中傳播較快，約7km/s，當(dāng)它到達地面時物體會上下顛簸。所以可以在破壞力大的橫波到來前幾秒至幾十秒推測出震源、震級和烈度，并通過數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)傳遞到可能受到影響的地區(qū)，讓這些地區(qū)的重要設(shè)施及人群密集區(qū)提前十幾秒能夠做出應(yīng)急措施。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用目前廣泛使用的通信光纜，可對光纜鋪設(shè)區(qū)域地質(zhì)狀況進行實時監(jiān)控的方法，通過光纜所受的振動信息來判定地質(zhì)災(zāi)害的種類，并利用地震波傳輸速度與光波傳輸速度的差異來實現(xiàn)地震地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警功能。
本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容是一種利用通信光纜監(jiān)測地質(zhì)狀況的方法，它通過通信光纜的振動信息來判定該光纜鋪設(shè)地區(qū)的地質(zhì)狀況，其步驟如下 a.在監(jiān)測地區(qū)鋪設(shè)一條通信光纜，作為監(jiān)測信號通道；可利用已經(jīng)鋪設(shè)好、有1信道預(yù)留的老線路，也可采用新設(shè)計的光纜線路； b.在所述通信光纜的一端設(shè)置光反饋裝置，其功能是調(diào)整光路偏振態(tài)，反射入射光信號，使光纜振動信息提取裝置能完成對同一振動信號兩次不同時刻的提??； c.在所述通信光纜的另一端設(shè)置光纜振動信息提取裝置，其功能是產(chǎn)生檢測激光信號，經(jīng)過耦合器分光，形成兩路光信號，分別通過所述通信光纜的同一信道，再經(jīng)光反饋裝置反射回饋，產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉條紋，經(jīng)探測器光電轉(zhuǎn)換后，得到兩路干涉信號； d.設(shè)置光纜振動信息處理平臺，其功能是將兩路干涉信號還原為外界振動信號，并對振動信號進行分析，判定是地震還是局部環(huán)境擾動，并發(fā)布地質(zhì)狀況報告。
所述光纜振動信息處理平臺監(jiān)測分析地質(zhì)狀況的算法如下 a.定時讀取兩路干涉信號，并將該信號還原為外界振動信號； b.判定外界振動信號是否存在異常振動，若無異常振動，則返回繼續(xù)讀取下一時段兩路干涉信號； c.若存在異常振動，則對振動信號進行頻譜分析； d.判定振動信號的頻譜是否存在缺損點，若無頻譜缺損點，則判定為地震擾動，并發(fā)布地質(zhì)狀況報告； e.若存在頻譜缺損點，則對各階頻譜缺損點的谷深信息進行測量； f.判定頻譜缺損點是否明顯，若明顯，則判定為單點擾動，并發(fā)布地質(zhì)狀況報告，可通過各階頻譜缺損點的谷深是否有超過設(shè)定的谷深域值且這些頻率缺損點是否呈奇次倍頻關(guān)系來判定頻譜缺損點是否明顯； g.若頻譜缺損點不明顯，則判定為多點擾動，并發(fā)布地質(zhì)狀況報告。
本發(fā)明利用了近20年來迅速發(fā)展的光纖通訊網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建傳感、傳輸合一的地質(zhì)狀況監(jiān)控信息網(wǎng)，已經(jīng)鋪設(shè)的光纜就是地質(zhì)狀況監(jiān)測傳感器，大幅度拓展了監(jiān)測區(qū)域范圍；同時，在現(xiàn)有的通訊網(wǎng)絡(luò)上，無需增加任何專用傳感器件，不影響通訊功能。且具有以下特點 1、監(jiān)測范圍廣、投資小、利用率高。
2、報警信息傳輸速度極高，事實上，采用光纜網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的地質(zhì)狀況監(jiān)測系統(tǒng)，其信息傳遞時間為光速，而具有危害性的地震橫波傳播速度僅為4km/s。這樣巨大的速度差，能為更多生命財產(chǎn)的保全爭取寶貴的時間。
3、監(jiān)測區(qū)域與保護對象有著相關(guān)的密切聯(lián)系。網(wǎng)絡(luò)布設(shè)必然是有人活動的地域，布設(shè)密度也與人口密度大致成比例關(guān)系。換言之，越是需要保護的高危區(qū)域，這種傳感網(wǎng)絡(luò)密度越高，靈敏度、可靠性也越高。
4、突出的全系統(tǒng)抗毀損性。光纖光纜通訊網(wǎng)絡(luò)分布稠密，并廣泛應(yīng)用現(xiàn)代可靠的環(huán)網(wǎng)路由技術(shù)，確保即便有個別區(qū)域在強震和強災(zāi)時發(fā)生斷裂、破壞，也依然能經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)將報警信息有效傳遞出來。
5、進一步開發(fā)出系統(tǒng)衍生功能，還可利用該系統(tǒng)實現(xiàn)對現(xiàn)有光纜網(wǎng)絡(luò)安全性的實時監(jiān)控，對各種威脅網(wǎng)絡(luò)輸運介質(zhì)安全的盜竊、竊聽、破壞活動進行預(yù)警。
因此，利用本發(fā)明所述的利用通信光纜監(jiān)測光纜鋪設(shè)地區(qū)地質(zhì)狀況的方法所構(gòu)造的系統(tǒng)可提前數(shù)十秒甚至更多時間將威脅性強震信息傳輸?shù)礁鱾€可能受威脅的城鎮(zhèn)，盡可能減少強震帶來的損失；該系統(tǒng)還可以提前將泥石流和山洪等信息傳遞給可能受災(zāi)的人們，以免遭滅頂之災(zāi)；該系統(tǒng)還可用于監(jiān)控光纜鋪設(shè)區(qū)域的山體滑坡及人為破壞等事件。



圖1為本發(fā)明的監(jiān)測分析流程圖； 圖2為地震波對光纜的擾動示意圖； 圖3為光纜感受人為擾動示意圖； 圖4為山體滑坡對光纜的擾動示意圖； 圖5為光纜感受大范圍擾動的頻譜波形圖； 圖6為光纜感受單點擾動的頻譜波形圖； 圖7為光纜感受小范圍擾動的頻譜波形圖。

具體實施例方式 按照本發(fā)明方法所構(gòu)建的地質(zhì)狀況監(jiān)測系統(tǒng)由四部分構(gòu)成，第一部分為鋪設(shè)的通信光纜，第二部分為光反饋裝置，連接所鋪設(shè)的通信光纜的一端；第三部分為光纜振動信息提取裝置，連接所鋪設(shè)通信光纜的另一端；第四部分為光纜振動信息處理平臺，連接振動信息提取裝置。
通信光纜占用通信線路中1個信道?？蓱?yīng)用于鋪設(shè)好、有1信道預(yù)留的老線路，也可應(yīng)用于新設(shè)計線路中。系統(tǒng)監(jiān)控范圍可達100公里以上。
光反饋裝置的功能是反射入射光信號，調(diào)整光路偏振態(tài)，使光纜振動信息提取裝置能完成對同一振動信號兩次不同時刻的提取。
光反饋裝置的特點是不僅可以實現(xiàn)傳輸?shù)墓庹捶较騼纱瓮ㄟ^擾動點，在相同外界信號激勵的環(huán)境下使得相位靈敏度提高一倍，而且能夠有效地避免擾動點處的光纖(相當(dāng)于一個相位調(diào)制器)偏振態(tài)隨機變化對干涉系統(tǒng)的影響；同時，能夠?qū)崿F(xiàn)相位調(diào)制信息的單根光纖提取。
光波通過長度為l的光纖一次時，產(chǎn)生的相位延遲為 Φ＝βl (1) 式中β為光波在光纖中的傳播常數(shù)，β＝nk0其中n為光波在光纖中傳播的有效折射率，k0為光波在真空中的波數(shù)。
當(dāng)長度為l的光纖作為傳感元(相當(dāng)于擾動點處的一段光纖)受到外界信號調(diào)制時，產(chǎn)生光波相位的變化

為
進一步整理化為
外界信號引起光波的相位差可以用上式描述，主要包括兩項，第一項為光纖的長度發(fā)生相對變化時引起的相位差，一般由應(yīng)變效應(yīng)引起；第二項為光波傳播常數(shù)的相對變化引起的相位差，主要由電光效應(yīng)、彈光效應(yīng)、泊松效應(yīng)以及熱光效應(yīng)等引起。同時相位差

與光纖引起的相位延遲Φ成正比關(guān)系。在外界激勵信號一定的情況下，即

一定，為了等到更高的相位靈敏度，顯然可以通過增加傳感光纖長度l的方法實現(xiàn)，一般實現(xiàn)途徑是增加實際的光纖長度，而本發(fā)明采用光波在光纖中兩次通過的方法，在沒有增加光纖物理長度情況下，實際相位延遲為2Φ效果，顯然采用此方面我們等到的相位差為
可見在相同的外界信號激勵下，采用光波在傳感光纖中通過兩次的技術(shù)方案，得到相位差的倍增效果，即實現(xiàn)了相位靈敏度提高一倍。所以此類相位調(diào)制方法除了應(yīng)用于光纖定位監(jiān)測系統(tǒng)之外，還可以廣泛應(yīng)用于光纖傳感、光纖通信領(lǐng)域。
實現(xiàn)上述方法的反饋裝置由兩種選擇，其一為采用在傳感光纖端面鍍反射膜的方式，使得光纖中的光到達端面后被重新耦合到光纖中，此時的反射膜可以作為平面鏡處理；其二在光纖端面采用法拉第旋轉(zhuǎn)平面鏡，使得光被反射的同時，光的偏振面旋轉(zhuǎn)90°，然后再耦合到傳感光纖中實現(xiàn)了雙倍調(diào)制。在光纖干涉系統(tǒng)中都會遇到偏振態(tài)的隨機擾動問題，嚴重時，會造成干涉條紋消失。采用上述反饋裝置，能夠有效克服外界擾動作用在傳感光纖上時發(fā)生的偏振態(tài)變化造成的干涉條紋消失。
光纜振動信息提取裝置的功能是將作用于鋪設(shè)光纜上的各種振動信息提取出來。任何一次地震都表現(xiàn)為對環(huán)境的振動，根據(jù)光纖的“彈光”效應(yīng)，任何振動都會引起光纜內(nèi)傳輸光程發(fā)生變化，利用前期光纖振動傳感技術(shù)(專利全光纖振動測量裝置，專利號ZL03229729.7；構(gòu)建光纖反饋延遲的方法及其構(gòu)建的全光纖白光干涉系統(tǒng)，專利號ZL200410093482.6)，能夠有效實現(xiàn)對光纜環(huán)境振動的檢測。
具體來說，光纜振動信息提取裝置是一種白光干涉式全光纖干涉裝置，主要由激光器、全光纖干涉裝置和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。其中全光纖干涉裝置可以由三只2×2光纖耦合器組成，也可以由一只2×2光纖耦合器和一只3×3光纖耦合器組成，激光經(jīng)過耦合器分光、差頻干涉后，可直接測量振動對象，產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉條紋，經(jīng)探測器光電轉(zhuǎn)換后，得到兩路干涉信號。
其工作原理是構(gòu)造光路使得光纖中傳導(dǎo)的光波不同時刻往返通過擾動點(非法入侵時引起的振動)，假設(shè)在時刻t，單一角頻率ω擾動信號引起的傳輸光波相位變化為

則
(5) 在時刻t+τ，單一角頻率ω擾動信號引起的傳輸光波相位變化為
(6) 將擾動點離光反饋裝置的距離設(shè)為L，光往返傳輸兩次的時間為T，則 T＝2neffL/c (7) 上式中，neff是光纖纖芯等效折射率，c是真空中的光速。由于監(jiān)測光纖的擾動使干涉系統(tǒng)中形成的相位差

為
(8) 在裝置的兩輸出端口可以得到隨時間變化的輸出功率為
(9)
(10) 其中A、B為與輸入光功率大小有關(guān)的一個常數(shù)，Ψ2、Ψ2為系統(tǒng)的初始相位，可以視為常數(shù)；通過隔直、歸一化等過程，可將相位差

表示為
(11) 相位差

的變化反應(yīng)了外界擾動信號的大小，因此只要通過算法將

反演出來，就可以完成對外界振動信號的提取功能。這可將兩路干涉信號用數(shù)據(jù)采集卡接入計算機通過軟件來實現(xiàn)，為光纜振動信息處理平臺的一部分功能。
光纜振動信息處理平臺的功能是將兩路干涉信號還原為外界振動信號，并對振動信號進行分析，判定是地震還是局部環(huán)境擾動，這是整個系統(tǒng)的核心技術(shù)，其分析算法見圖1。地震發(fā)生引起地面振動是一個區(qū)域問題，不是某一點發(fā)生的振動。根據(jù)地震的這個特性，一定存在這樣一個事實，地震對光纜的擾動區(qū)域一定是長距離的，如圖2所示。一般的山體滑坡和人為擾動對光纜的擾動是短距離的，如圖3和圖4所示。利用前期技術(shù)積累，我們構(gòu)建的系統(tǒng)利用振動頻譜特性中存在頻率缺損特性，可準確確定出外界局部擾動的具體位置。如果光纜鋪設(shè)環(huán)境發(fā)生了大范圍(1公里以上)擾動，我們定義為地震發(fā)生。在這種情況下，系統(tǒng)可根據(jù)振動頻譜特性中頻率缺損不存在這一特點，準確判定出地震發(fā)生事件。
頻譜缺損點產(chǎn)生的原理是基于當(dāng)擾動信號作用于傳感光纖時，系統(tǒng)無法感應(yīng)擾動信號中某一周期性的特征頻率，表現(xiàn)為對

作快速傅里葉變換后頻譜域上這一系列特征擾動頻率對應(yīng)的幅值明顯小于周邊頻率對應(yīng)的幅值，存在所謂“陷波點”，根據(jù)“陷波點”的位置可以對擾動點進行定位。具體分析如下 由(8)式可知當(dāng)時，

隨時間快速變化，此時光電探測器探測到的輸出干涉信號是一個振幅緩慢震蕩的變量；當(dāng)時，輸出的交流量為零，即P1，2(t)不隨時間變化，是個常量。
當(dāng)時，其中k為自然數(shù)；將(7)式代入，記特征頻率為fnull(k)，則 (12) 同理，當(dāng)時，其中k為自然數(shù)，τ為延遲時間。
由于τ可以取得很小，與其對應(yīng)的第一個特征頻率f′k＝1就非常大，即在頻譜上，相應(yīng)的頻譜缺損位置偏離零點很遠，這樣選取適當(dāng)?shù)摩雍蚹取值就可避免f′(k)對fnull(k)的干擾。
因此，光纜振動信息處理平臺首先通過兩路干涉信號時域波形的幅度大小判斷是否有擾動產(chǎn)生，若有，再將其還原為外界振動信號，再對其運用頻譜分析等信號處理方法求得振動頻譜，可得到缺損頻譜值fnull(k)。但若擾動是大面積的，則頻譜上不會有缺損點產(chǎn)生。利用這一特征可判定是否為地震產(chǎn)生的擾動。
具體來說，可以分為以下幾個步驟 1.定時讀取兩路干涉信號，并將該信號還原為外界振動信號； 2.判定外界振動信號是否存在異常振動，若無異常振動，則返回繼續(xù)讀取下一時段兩路干涉信號； 3.若存在異常振動，則對振動信號進行頻譜分析； 4.判定振動信號的頻譜是否存在缺損點，若無頻譜缺損點，則判定為地震擾動，如圖5所示，并發(fā)布地質(zhì)狀況報告； 5.若存在頻譜缺損點，則對頻譜缺損點的谷深信息進行測量； 6.判定頻譜缺損點是否明顯，若明顯，則判定為單點擾動，如圖6所示，并發(fā)布地質(zhì)狀況報告，可通過各階頻譜缺損點的谷深是否有超過設(shè)定的谷深域值且這些頻率缺損點是否呈奇次倍頻關(guān)系來判定頻譜缺損點是否明顯； 7.若頻譜缺損點不明顯，則判定為多點擾動，如圖7所示，并發(fā)布地質(zhì)狀況報告。
因為光波傳輸速度遠大于地震波傳輸速度，所以完全可以利用這一速度差異來實現(xiàn)預(yù)警功能。系統(tǒng)可提前數(shù)十秒將威脅性強震信息傳輸?shù)礁鱾€可能受威脅的城鎮(zhèn)，盡可能減少強震帶來的損失。
此外，由于整個監(jiān)控系統(tǒng)與通信系統(tǒng)共享線路硬件，獲得的地質(zhì)狀況信息可在第一時間通過所鋪設(shè)的光纜發(fā)布到各通信終端，通過手機短信、電視、廣播等媒體將地震警報等信息向民眾告知，進一步為避震贏得時間。
權(quán)利要求
1.一種利用通信光纜監(jiān)測地質(zhì)狀況的方法，其特征在于它通過通信光纜的振動信息來判定該光纜鋪設(shè)地區(qū)的地質(zhì)狀況，其步驟如下
a.在監(jiān)測地區(qū)鋪設(shè)一條通信光纜，作為檢測信號通道；
b.在所述通信光纜的一端設(shè)置光反饋裝置，其功能是調(diào)整光路偏振態(tài)，反射入射光信號，使光纜振動信息提取裝置能完成對同一振動信號兩次不同時刻的提?。?br> c.在所述通信光纜的另一端設(shè)置光纜振動信息提取裝置，其功能是產(chǎn)生檢測激光信號，經(jīng)過耦合器分光，形成兩路光信號，分別通過所述通信光纜的同一信道，再經(jīng)光反饋裝置反射回饋，產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉條紋，經(jīng)探測器光電轉(zhuǎn)換后，得到兩路干涉信號；
d.設(shè)置光纜振動信息處理平臺，其功能是將兩路干涉信號還原為外界振動信號，并對振動信號進行分析，判定是地震還是局部環(huán)境擾動，并發(fā)布地質(zhì)狀況報告。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用通信光纜監(jiān)測地質(zhì)狀況的方法，其特征在于所述光纜振動信息處理平臺監(jiān)測分析地質(zhì)狀況的算法如下
a.定時讀取兩路干涉信號，并將該信號還原為外界振動信號；
b.判定外界振動信號是否存在異常振動，若無異常振動，則返回繼續(xù)讀取下一時段兩路干涉信號；
c.若存在異常振動，則對振動信號進行頻譜分析；
d.判定振動信號的頻譜是否存在缺損點，若無頻譜缺損點，則判定為地震擾動，并發(fā)布地質(zhì)狀況報告；
e.若存在頻譜缺損點，則對頻譜缺損點的谷深信息進行測量；
f.判定頻譜缺損點是否明顯，若明顯，則判定為單點擾動，并發(fā)布地質(zhì)狀況報告，可通過各階頻譜缺損點的谷深是否有超過設(shè)定的谷深域值且這些頻率缺損點是否呈奇次倍頻關(guān)系來判定頻譜缺損點是否明顯；
g.若頻譜缺損點不明顯，則判定為多點擾動，并發(fā)布地質(zhì)狀況報告。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種利用通信光纜監(jiān)測地質(zhì)狀況的方法，其特征在于所述通信光纜可利用已經(jīng)鋪設(shè)好、有1信道預(yù)留的老線路，也可采用新設(shè)計的光纜線路。
全文摘要
本發(fā)明提供一種利用目前廣泛使用的通信光纜，可對光纜鋪設(shè)區(qū)域地質(zhì)狀況進行實時監(jiān)控的方法，通過光纜所受的振動信息來判定地質(zhì)災(zāi)害的種類，并利用地震波傳輸速度與光波傳輸速度的差異來實現(xiàn)地震地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警功能；使用這種地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方法可提前數(shù)十秒甚至更多的時間將威脅性強震信息傳輸?shù)礁鱾€可能受威脅的城鎮(zhèn)，盡可能減少強震帶來的損失；本發(fā)明地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方法還可用于監(jiān)控光纜鋪設(shè)區(qū)域的山體滑坡、泥石流等局部地質(zhì)災(zāi)害和人為破壞等惡性事件。具有監(jiān)測范圍廣、靈敏度高、可靠性好、投資小、利用率高等特點。
文檔編號G01V1/18GK101393269SQ200810202390
公開日2009年3月25日 申請日期2008年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月6日
發(fā)明者吳紅艷, 波 賈, 璜 唐 申請人:復(fù)旦大學(xué)