專利名稱：長距離管線安全監(jiān)測的光纖分布式監(jiān)測方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬資源和信息傳送領(lǐng)域的安全監(jiān)測，如油、水、氣等傳送管道和通信光纜的安全 監(jiān)測，具體涉及一種用光纖薩格納克干涉原理對長距離管線進行安全監(jiān)測的方法及裝置。資源和信息傳送領(lǐng)域的安全隱患普遍存在。如天然氣管道由于含硫等原因的腐蝕泄漏或 外界人為、突發(fā)性自然災(zāi)害(如地震、滑坡等)的破壞，發(fā)生泄漏或破損等事故。近年來光 纖信息傳輸?shù)慕^對安全性已被打破，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)。現(xiàn)有長距離管道泄漏檢測技術(shù)主要有負壓波法、模型法等，存在靈敏度低、響應(yīng)慢、定 位精度差等缺點，在實際應(yīng)用中難以滿足快速、準確的檢測管道泄漏的要求。近年來，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變化來判斷 局部外力、溫度變化，進而能評估管線的安全狀況。但由于原理上的先天不足，最長監(jiān)測距 離不超過80km。光千涉法具有靈敏度高、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等使用 連續(xù)激光器，.早.現(xiàn)低功率入射問題，當監(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。我們知道利 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，另外在長達幾十千米的兩條光纖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。而薩格納克干涉儀的兩束干涉光經(jīng)歷絕對等長 的路程，對光源線寬沒有要求，所以滿足一定條件的薩格納克干涉儀有可能構(gòu)成長距離安全 監(jiān)測系統(tǒng)。本發(fā)明的目的在于，提出一種結(jié)構(gòu)簡單、高靈敏度的長距離管線安全監(jiān)測的光纖分布式 監(jiān)測方法及裝置。該裝置的優(yōu)點是通過一套裝置形成一個薩格納克干涉儀，檢測靈敏度高、 光損耗低、能實現(xiàn)長距離微小振動檢測與定位。為了達到上述目的，本發(fā)明采用的如下技術(shù)方案。本裝置主要包括1、--個完整的光纖預(yù)留小部分延遲線后對折，兩個光纖頭與一個2X2光纖耦合器的兩個 端口分別熔接構(gòu)成一個薩格納克干涉儀。雙線光纖在管線附近并行鋪設(shè)，當管線直徑較大時 兩條光纖沿管道母線圓周方向相差180度鋪設(shè)，并且光纖延遲線位于對折處，其余情況光纖 延遲線位于耦合器處。如果用于通信光纜，則啟用兩根備用光纜，遠處兩個光纖頭熔接在一背景技術(shù)發(fā)明內(nèi)容起，近處一個光纖頭上熔接短距離長度的光纖(光纖延遲線)后，光纖延遲線頭再和另—個 光纖頭分別熔接在2X2光纖耦合器的兩個端口上。
2 、利用其中兩條光纖的任一條上設(shè)置偏振控制元件。
3、 任選2X2耦合器的其余一個端口上設(shè)置激光器、1X2耦合器和環(huán)行器。1X2耦合器輸 入口接激光器， 一個輸出口接探測器組件，另一個輸出口接環(huán)行器，環(huán)行器輸出口接2X2耦 合器的 -個端口，環(huán)行器返回輸出口接探測器組件。
4、 所有近端器件集成在一個板卡中插入計算機的擴展槽中或它們獨立成模塊用USB接 口與計算機連接。
本發(fā)明的工作原理計算機控制激光器驅(qū)動電路組件使激光器(線寬不作要求)發(fā)射一 定占空比(比值6〉2)周期脈沖光輸入1X2耦合器(分束比;o)，脈寬^10ns (避免受激布
里淵產(chǎn)生條件)，峰值功率尸(單位約小于使光路產(chǎn)生受激拉曼閾值。1X2耦合器分束絕大 部分激光進入薩格納克干涉儀。2X2耦合器分束等量的順時針光和逆時針沿兩條光纖傳播并 返回耦合器千涉，經(jīng)干涉明口接探測器組件和模數(shù)轉(zhuǎn)換組件，由模數(shù)轉(zhuǎn)換組件連接處理計算 機，處理計算機對采集信號進行濾波、頻譜變換等處理，通過分析信號頻譜，可實現(xiàn)振動報 警和定位。不管振動同時作用兩條光纖的某同一位置還是作用一條光纖的某個位置，由于兩 束光到達和離開該位置的時間不同，振動現(xiàn)象均被調(diào)制在光干涉的相位差中，本領(lǐng)域的技術(shù) 人員易得出相位差表示為
A A (,) =) cos(",z".、. ) + (1 - 2p);ieif尸—2(1 — 2p)-C 二 2(1 — 2P)r/>". /6 (1)
此相位差包含了時間信息、振動頻率信息和非線性調(diào)制，式(1)第二項是自相位調(diào)制， 式(1)第三項是交叉相位調(diào)制，式(1)第四項是薩格納克環(huán)中與其它所有光脈沖的交叉相
位調(diào)制。其中，化為泄漏聲發(fā)射信號的角頻率，^為光經(jīng)過延遲線圈時間，L為光從振動位 置傳播到最遠處所需時間，y是非線性系數(shù)，Z^是有效長度，Z^-(l-exp(-oL))/a， Z是
監(jiān)測長度，a是光纖衰減系數(shù)，4/是兩相遇脈沖作用長度，7是薩格納克環(huán)中所有光脈沖的
平均功率。微小振動造成(1)中第一項非常小，在長距離監(jiān)測情況下式(1)中后三項的和 不可忽略，盡管理論上耦合器分束比取l:l，但實際使用的只能接近l:l，這樣一來當光源波 動時式()中后三項的和隨之波動。當b210，式(1)中后兩項可以忽略。解決辦法是能跟 蹤光源，所以裝置中利用1X2耦合器分一束來記錄光源波動，補償相位及干涉光強因子。在 短、中距離監(jiān)測系統(tǒng)中也可以用干涉儀的明口和暗口的光，采用平衡解調(diào)法來抑制光源波動， 平衡解調(diào)法的優(yōu)點還可以在一定程度上抑制電路噪聲。
本發(fā)明的優(yōu)點在于
1、應(yīng)用廣泛即可應(yīng)用于通信光纜的安全監(jiān)測，又可應(yīng)用于管道的安全監(jiān)測。
2 、檢測靈敏度高、監(jiān)測距離遠采用偏振控制元件保證最大干涉強度，采用光源跟
蹤法或平衡解調(diào)法補償非線性對相位的擾動、消除干涉光強因子和在一定程度上抑制電路噪
聲，單個監(jiān)測站可以無中繼監(jiān)測上百km以上的距離。
3 、定位精度高采用小于10ns的短脈沖激光，理論上可以做到小于2ffl的定位誤差。4 、可以利用低成本的移動模塊將沿長距離管線上分布的多個獨立的裝置組成遠程監(jiān) 測系統(tǒng)，實現(xiàn)點名測量、周期測量、定時啟動、定時關(guān)閉和數(shù)據(jù)上載。


圖1本發(fā)明的實施方案1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖2本發(fā)明的實施方案2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3本發(fā)明的實施方案3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖4本發(fā)明的實施方案4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖5長距離管線遠程監(jiān)測系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中標號說明如下-1-計算機2-激光器 3-1X2光纖耦合器 4-環(huán)行器5-2X2光纖耦合器 6-光 纖延遲線 7-傳感光纖 8-偏振控制元件9、 10-探測器組件和模數(shù)轉(zhuǎn)換組件 11-長距離管線 12-監(jiān)測裝置 13-移動模塊 14-遠程監(jiān)測系統(tǒng)具體的實施方式本發(fā)明的長距離管線安全的自動監(jiān)測方法是利用在管線附近與管線并行鋪設(shè)的單模光纖 光纜作為分布式光纖傳感元件，當有外力作用在光纖上時，會使光纖的傳輸特性發(fā)生變化， 采用光纖干涉法可感知外部事件對管線和光纜所施加的微弱作用和影響，然后用頻譜分析的 方法提取該外部事件的頻域特征，以此為依據(jù)判斷事件的位置。利用計算機數(shù)據(jù)庫技術(shù)積累、 整理、分析事件類型并發(fā)出不同級別的瞀報。 本發(fā)明的實施例如下1 、在管線附近與管線并行鋪設(shè)兩條單模光纖光纜作為分布式光纖傳感元件。如果監(jiān)測對象是長距離油氣水管道，兩條單模光纖沿管道母線圓周方向相差180度鋪設(shè)。如 果被監(jiān)測對象是長距離通信光纜，可選取其中的兩條備用單模光纖用作傳感元件。2 、實施方案l安全監(jiān)測長距離通信光纜，參見圖l 。計算機l控制激光器驅(qū)動電路組 件2使激光器發(fā)射占空比為10的周期脈沖光輸入1X2光纖耦合器3 (分束比99: 1)，脈寬 10ns,峰值功率尸1X2光纖耦合器3分束絕小部分激光接探測器組件和模數(shù)轉(zhuǎn)換組件 10，供計算機1作參考光的比較信號，1X2光纖耦合器3分束絕大部分激光經(jīng)過環(huán)行器4進 入2X2光纖耦合器5的一個輸入口 。 2X2光纖耦合器5分束等量的順時針光和逆時針沿兩條 光纖7傳播并返回耦合器干涉并輸出，由于有光纖延遲線6的存在的緣故，離最遠處x米的 振動現(xiàn)象被記錄在干涉的相位差中，設(shè)置偏振控制元件8的目的是保證干涉的最大強度。2X2 光纖耦合器5有兩個輸出口，通常一個叫明口 (Light port),代表歸一化的干涉公式l + cos(A^), —個叫暗口 (Dark port),代表歸一化的干涉公式l-cos(A^)。很容易知道激光輸入口就是明口，所以需要環(huán)行器4把干涉明光接探測器組件和模數(shù)轉(zhuǎn)換組件9，由模數(shù) 轉(zhuǎn)換組件9連接處理計算機1，處理計算機1對采集信號進行濾波并和由模數(shù)轉(zhuǎn)換組件10獲 得的信息進行比較，采用一定的算法來消除光源波動對干涉因子的影響，最后進行頻譜變換 等處理，通過分析信號頻譜，可實現(xiàn)振動報警和定位。激光器及激光器驅(qū)動電路組件2， 1X2 光纖耦合器3，環(huán)行器4， 2X2光纖耦合器5，探測器組件及模數(shù)轉(zhuǎn)換組件9、 10，偏振控制 元件8集成在一個板卡中插入PC104系統(tǒng)。編制驅(qū)動和處理運行軟件包，整個裝置就搭建了。 按照單模光纖在1550nm的衰減系數(shù)在0. 2dB/km左右以及工業(yè)級光探測器y^級靈敏,最大監(jiān) 測長度/'在200- -300km之間。3 、實施方案2安全監(jiān)測長距離天然氣管道，參見圖2。薩格納克干涉儀中兩條單模光 纖沿管道母線圓周方向相差180度鋪設(shè)，光纖延遲線設(shè)在最遠端的目的是消除監(jiān)測盲區(qū)，而 實施方案1的光纖延遲線設(shè)在近端，目的是增加干涉的相位差，需要比較長的光纖，同時在 最遠端也有盲區(qū)，而且是光纖延遲線的四分之一。如果實施方案2完全采用實施方案1的元 器件，顯然，其最大監(jiān)測距離更遠一些。
4 、實施方案3安全監(jiān)測中距離通信光纜，參見圖3。計算機l控制激光器驅(qū)動電路組 件2使激光器發(fā)射連續(xù)光經(jīng)過環(huán)行器4進入2X2光纖耦合器5的一個輸入口 ，功率小于2tz#。 2X2光纖耦合器5分束45: 55的順時針光和逆時針沿兩條光纖7傳播并返回耦合器干涉并輸 出，由于有光纖延遲線6的存在的緣故，離最遠處x米的振動現(xiàn)象被記錄在干涉的相位差中， 設(shè)置偏振控制元件8的目的是保證干涉的最大強度。2X2光纖耦合器5有兩個輸出口 ，需要 環(huán)行器4把返回入激光輸出的干涉信號接探測器組件和模數(shù)轉(zhuǎn)換組件10和2X2光纖耦合器5 的另一個輸出口接探測器組件和模數(shù)轉(zhuǎn)換組件9，由模數(shù)轉(zhuǎn)換組件9、 IO連接處理計算機I， 處理計算機1對采集信號進行濾波并和由模數(shù)轉(zhuǎn)換組件9、 IO獲得的信息進行比較，采用一 定的算法來消除光源波動對干涉因子的影響，最后進行頻譜變換等處理，通過分析信號頻譜， 可實現(xiàn)振動報警和定位。激光器及激光器驅(qū)動電路組件2， 1X2光纖耦合器3，環(huán)行器4， 2X2 光纖耦合器5，探測器組件及模數(shù)轉(zhuǎn)換組件9、 10，偏振控制元件8集成在一個板卡中插入 PC104系統(tǒng)。編制驅(qū)動和處理運行軟件包，整個裝置就搭建了。按照單模光纖在1550nm的衰 減系數(shù)在0. 2dB/km左右以及工業(yè)級光探測器77y級靈敏,最大監(jiān)測長度Z在100—200km之間。
5 、實施方案4安全監(jiān)測中距離天然氣管道，參見圖4。將實拖方案2和實施方案3綜 合起來就是實施方案4，敘述略。
6 、將多個監(jiān)測裝置無線聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)遠程智能監(jiān)測，參見圖5。利用低成本的移動模塊 13將沿長距離管線li上分布的多個獨立的監(jiān)測裝置12組成遠程監(jiān)測系統(tǒng)14，實現(xiàn)點名測量、 周期測量、定時啟動、定時關(guān)閉和數(shù)據(jù)上載。
在上述方案和裝置中，所有近端器件集成在一個板卡中或它們獨立成模塊和使用多模、 單模、保偏光纖的具體實現(xiàn)方式不同，都不影響本發(fā)明的權(quán)利要求的保護。
權(quán)利要求
1、一種長距離管線安全監(jiān)測的光纖分布式監(jiān)測方法，其特征在于利用激光器、2×2耦合器以及與長距離管線并行鋪設(shè)的兩條光纖構(gòu)成光纖薩格納克干涉儀，通過振動現(xiàn)象造成干涉信號獲知入侵或泄漏行為的發(fā)生；當振動同時作用兩條光纖的情況時，在一條光路的出射端口處預(yù)留光纖延遲線；當振動只作用其中任一條光纖的情況時，在最遠端處預(yù)留光纖延遲線；在一條光路的出射端口處預(yù)留光纖延遲線，也能測量振動只作用其中任一條光纖的情況。
2 、按權(quán)利要求l所述長距離管線安全監(jiān)測的光纖分布式監(jiān)測方法，其特征在于振動影響 一條光纖的情況時，通常管線直徑較大，兩條光纖沿管道母線圓周方向相差180度鋪設(shè)。
3 、按權(quán)利要求l所述長距離管線安全監(jiān)測的光纖分布式監(jiān)測方法，其特征在于在一條光 路的出射口處增加偏振控制單元；激光器和耦合器之間的光路上增加環(huán)行器，引出干涉明口； 激光器由計算機通過驅(qū)動電路組件發(fā)射連續(xù)或脈沖激光。當發(fā)射連續(xù)激光時適合中等距離長 度的管線安全監(jiān)測的光纖分布式監(jiān)測裝置；當發(fā)射脈沖激光時適合長距離的管線安全監(jiān)測的 光纖分布式監(jiān)測裝置。
4 、按權(quán)利要求l所述長距離管線安全監(jiān)測的光纖分布式監(jiān)測方法，其特征在于2X2耦合 器的分束比l:l時，激光在進入干涉儀前須分一束光作參考光用來抑制光源波動；2X2耦合 器的分束比不為l:l時，用干涉儀的明口和暗口的光，采用平衡解調(diào)法來抑制光源波動。
5 、按權(quán)利要求1所述的光纖分布式監(jiān)測裝置，其特征在于利用低成本的移動模塊 將沿長距離管線上分布的多個獨立的裝置組成遠程監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)點名測量、周期測量、定 時啟動、定時關(guān)閉和數(shù)據(jù)上載。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種長距離管線安全監(jiān)測的光纖分布式監(jiān)測方法及裝置。利用激光器、2×2耦合器以及與長距離管線并行鋪設(shè)的兩條光纖構(gòu)成光纖薩格納克干涉儀，通過振動現(xiàn)象造成干涉信號獲知入侵或泄漏事件；當振動同時作用兩條光纖的情況時，在一條光路的出射端口處預(yù)留光纖延遲線；當振動只作用其中任一條光纖的情況時，在最遠端處預(yù)留光纖延遲線。采用周期窄脈沖、記錄光源波動和平衡解調(diào)法來補償干涉因子實現(xiàn)高靈敏度、長距離的管線安全檢測。利用計算機數(shù)據(jù)庫技術(shù)積累、整理、分析事件類型并發(fā)出不同級別的警報。利用低成本的移動模塊將沿長距離管線上分布的多個獨立的裝置組成遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)點名測量、周期測量和數(shù)據(jù)上載。
文檔編號F17D5/02GK101216149SQ20071005100
公開日2008年7月9日 申請日期2007年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月27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)