專利名稱：一種光纖安全預(yù)警偏振控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種埋地構(gòu)筑物或重要設(shè)施與區(qū)域的安全保護(hù)預(yù)警的光纖安全預(yù)警 偏振控制系統(tǒng)，涉及機(jī)械振動的測量、沖擊的測量和管道系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
對于石油、天然氣、成品油、煤漿以及水等物質(zhì)來說，管道輸送是一種安全、 經(jīng)濟(jì)以及高效的運輸方式，在全球運輸行業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用，尤其在 石油、成品油和天然氣這些具有易燃易爆和交易價值極高的能源物質(zhì)運輸中占有 極為重要的位置，在我們國家，每年至少新建幾千公里的管道，可以說，管道是 能源運輸?shù)拇髣用}。管道輸送的石油、成品油和天然氣既有極高的交易價值也有 易燃易爆這一特性，管道一旦泄漏，泄漏區(qū)域極易發(fā)生燃燒爆炸，不僅影響管道 行業(yè)的安全生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且也嚴(yán)重威脅著周邊沿線人民群眾的 財產(chǎn)與生命安全。另外，管道泄露對周邊生態(tài)環(huán)境造成的危害更是無法估量。
自從有了管道，也就有了來自外界的破壞。尤其是近些年來，油價上漲，在 利益的驅(qū)動下，不法分子利欲熏心，在管道上打孔盜油、盜氣；國家基礎(chǔ)建設(shè)大 量上馬，管道沿線施工工地隨處可見；此外，滑坡、泥石流等自然災(zāi)害頻頻發(fā)生， 這些都時刻威脅著管道的生產(chǎn)安全，其中打孔盜油和非法施工成為威脅管道安全 生產(chǎn)的首要因素。
據(jù)不完全統(tǒng)計，僅我國每年因外界破壞而造成的管道泄漏或爆炸上千余次， 直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)幾億元，環(huán)境破壞和社會影響等間接損失更是無法估量。為防止 外界對管道的破壞，管道運輸行業(yè)每年投入了大量的人力物力，但是仍然無法有 效地預(yù)防和阻止破壞。管道運輸行業(yè)的安全生產(chǎn)形式非常嚴(yán)峻，尋找確保管道運 輸安全生產(chǎn)的手段和方法已迫在眉睫。
隨著管道運輸行業(yè)的發(fā)展，各種管道運輸安全監(jiān)測技術(shù)也在不斷發(fā)展，目前 已有的管道安全生產(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)和分布式光纖溫度和應(yīng)力監(jiān)測 技術(shù)"。管內(nèi)流體力學(xué)狀態(tài)檢測技術(shù)是實時釆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。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))實時釆集管道泄漏的 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。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l公里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，使裝置不能正常運行。 針對現(xiàn)有的管道安全監(jiān)測技術(shù)存在的問題，澳大利亞有專利提出基于馬赫-
曾德(Mach-Zehnder )光纖干涉儀原理,用光纖傳感振動的技術(shù)方案。該發(fā)明對長 距離的線目標(biāo)或大面積的面目標(biāo)的安全預(yù)警是一突破，但不足的是該發(fā)明之光路 系統(tǒng)存在著因相位衰落和偏振衰落引起的信號消隱,不穩(wěn)定,很難有效工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是發(fā)明一種埋地構(gòu)筑物或重要設(shè)施與區(qū)域安全保護(hù)的光纖預(yù)警 系統(tǒng)穩(wěn)定光路偏振態(tài)的光纖安全預(yù)警偏振控制系統(tǒng)。
針對現(xiàn)有的管道安全監(jiān)測技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出一種基于釆用偏振衰 落控制技術(shù)的雙馬赫-曾德(Mach-Zehnder )光纖干涉儀原理，消除了因偏振衰落 引起的信號消隱，形成了具有穩(wěn)定偏振態(tài)的兩路同步干涉激光調(diào)制信號在干涉儀 上相對傳輸并在干涉儀雙端拾取的光路結(jié)構(gòu)。利用與管道同溝敷設(shè)或構(gòu)筑物或重 要設(shè)施與區(qū)域周圍地下光纜中的普通通信光纖作為干涉儀的干涉臂和傳輸光纖， 進(jìn)而形成連續(xù)分布式的土壤振動檢測傳感器，穩(wěn)定地拾取管道附近沿線土壤的振 動信號。當(dāng)然后接定位系統(tǒng),根據(jù)兩路激光信號的傳輸時間差值分析計算出管道附 近沿線的土壤振動事件的發(fā)生位置;接信號識別系統(tǒng)及其它系統(tǒng)還可確定引起土 壤振動事件的性質(zhì)和類別，進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳或者本地報警。
本發(fā)明的原理框圖如圖l所示，它是連續(xù)單色激光器101通過光纖接擾偏器 410，再由光纖接到與合分波器204和三根光纖1、光纖2、光纖3構(gòu)成馬赫-曾德 (Mach-Zehnder)光纖干涉儀的合分波器203，而合分波器203由光纖分別連接檢 偏器412和檢偏器413,檢偏器412和檢偏器413分別接偏振檢測器4G7和偏振檢測器408后均由電信號線接至信號處理單元411。
本方案的電原理如圖2所示，連續(xù)單色激光器101通過光纖接到擾偏器410的 輸入，擾偏器410的輸出再由光纖接到光纖干涉儀的合分波器203,而合分波器 203由光纖分別接檢偏器412、檢偏器413的輸入，檢偏器412、檢偏器413的輸出分 別接偏振檢測器407和偏振檢測器408的輸入，偏振檢測器407和偏振檢測器408的 輸出接信號處理單元411的輸入。
其中所述擾偏器410、檢偏器412、檢偏器413、偏振檢測器407、偏振檢測器 408、信號處理單元411均有巿銷產(chǎn)品可供選擇。
本發(fā)明的實現(xiàn)原理是
(l)在非保偏光纖干涉儀上傳播的兩束偏振光有任意的偏振態(tài)，光纖干涉儀 輸出光強(qiáng)信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后可以寫成
r。 oci+Fcos(么
其中，「。是輸出的電壓信號，r是干涉儀的可視度，「"是電路附加噪聲，^為 由土壤振動聲波引起的相差信號，即為要探測的土壤振動聲波信號， 一。為干涉儀 的初始相位，是個常量，《為位相差的低頻漂移，是一個不確定量，隨溫度和外 界環(huán)境影響而變化。
由于光纖的微彎、扭曲、環(huán)境溫度的變化導(dǎo)致光纖輸出偏振態(tài)隨機(jī)變化，反 映在可視度「在0~ i之間隨機(jī)變化，此現(xiàn)象被稱為光纖干涉儀的偏振誘導(dǎo)信號衰 落現(xiàn)象。
干涉型光纖安全預(yù)警系統(tǒng)基于釆用了兩路同步千涉激光調(diào)制信號在干涉儀上 相對傳輸并在干涉儀雙端拾取的同一干涉儀兩次利用光路結(jié)構(gòu)。當(dāng)千涉的兩東光 為線偏振光，振幅相等，且偏振方向一致時，干涉儀的可見度為i,信號達(dá)到最 好干涉；當(dāng)兩東光偏振方向相互垂直時，干涉項為0，信號完全衰落；而光纖傳 感器途經(jīng)管道沿線的環(huán)境變化非常復(fù)雜，干涉的兩束光經(jīng)遠(yuǎn)距離傳輸后，為橢圓 偏振光，并隨時間緩慢變化，干涉儀的可見度一般小于l,且隨環(huán)境而隨機(jī)變化。 這種由于偏振態(tài)的變化而導(dǎo)致干涉信號的隨機(jī)衰落,導(dǎo)致檢測信號的信噪比變化， 這是在進(jìn)行光纖安全預(yù)警系統(tǒng)信號檢測時不愿意看到的現(xiàn)象。
針對這種現(xiàn)象，本發(fā)明提出的方案，在干涉儀的光源輸入端加上一個擾偏器 和在輸出端放置一個任意方向的光學(xué)檢偏器，高頻擾偏器與后面檢偏器共同作用 的結(jié)果相當(dāng)于使檢偏器高速旋轉(zhuǎn)，它的物理意義是使光纖干涉儀輸出信號高速投 影在不同的檢偏器，經(jīng)高通濾波后而取得某一種平均值。圖1中，光纖l、光纖2為干涉光纖，光纖3傳輸光纖，合分波器203、合分波 器204與光纖1、光纖2組成馬赫-曾德(Mach-Zehnder )光纖干涉儀。連續(xù)單色激 光器101發(fā)射的單色激光，通過光纖到擾偏器407,由光纖到合分波器203的單色激 光被分為兩路其中一路激光由馬赫-曾德(Mach-Zehnder)光纖合分波器203端 入射，在合分波器204端合波而形成干涉光波，干涉光波再通過光纖3傳回合分波 器203,其中另一路激光通過光纖3傳到合分波器204，由馬赫-曾德(Mach-Zehnder) 干涉儀合分波器204端入射，在合分波器203端合波而形成干涉光波。
連續(xù)單色激光器lOl輸出的激光被擾偏器41 O高速擾偏，干涉儀輸出的兩路干 涉光被檢偏器412和檢偏器413檢偏，它的物理意義是使光纖干涉儀輸出信號高速 投影在不同的檢偏器，經(jīng)高通濾波后而取得某一種平均值，使得系統(tǒng)達(dá)到一個穩(wěn) 定偏振態(tài)。
由上可見，本發(fā)明可以有效檢測光纜附近3米以內(nèi)的任何土壤振動信號并準(zhǔn) 確判斷事件類別；且監(jiān)測穩(wěn)定、可靠、無漏檢；從根本上解決了埋地管道、構(gòu)筑 物或地面構(gòu)筑物、重要設(shè)施與區(qū)域免受破壞的光纖安全預(yù)警系統(tǒng)光路偏振衰落引 起的信號消隱難題。


圖1光纖安全預(yù)警偏振控制系統(tǒng)原理框圖 圖2光纖安全預(yù)警偏振控制系統(tǒng)電原理圖 其中IOI—連續(xù)單色激光器 201—偏振控制器
202—偏振調(diào)制器 203—合分波器
204—合分波器 206—相位調(diào)制器
4 0 7—偏振檢測器 4 G 8—偏振檢測器 410—擾偏器
411一信號處理單元 412—檢偏器 413—檢偏器
具體實施例方式
實施例.本例是一實驗樣機(jī)，其構(gòu)成如圖l所示，電路如圖2所示。連續(xù)單色 激光器101通過光纖接到擾偏器410后，再由光纖接到與合分波器204和三根光纖1、 光纖2、光纖3構(gòu)成馬赫-曾德(Mach-Zehnder)光纖干涉儀的合分波器203，而合 分波器203由光纖分別連接檢偏器412和檢偏器413的輸入，檢偏器412和檢偏器413的輸出接偏振檢測器407和偏振檢測器408的輸入，偏振檢測器407和偏振檢測 器408的輸出均由電信號線接至信號處理單元411。
其中連續(xù)單色激光器101選型號OHERAS ADJUSTIK HP E15;擾偏器410:擾 偏器型號EXFO公司的IQS-5100B;檢偏器412、檢偏器413: Phoenix Photonics 公司POL-20-15-PP-1-0;偏振檢測器407和偏振檢測器408:偏振分量探測器 PDD-001-13-SM-NC;信號處理單元411:信號處理單元411由偏振控制主機(jī)處理。
本實驗樣機(jī)經(jīng)某管線實際使用、測試,對地面動土開挖、觸動管道、在管道 上焊接、打孔均能有效測知，對土壤振動信號的檢測具有很高的靈敏度，可以有 效檢測光纜附近3米以內(nèi)的任何土壤振動信號；且穩(wěn)定、可靠、無漏檢。
權(quán)利要求
1. 一種埋地構(gòu)筑物或重要設(shè)施與區(qū)域安全保護(hù)預(yù)警的光纖安全預(yù)警偏振控制系統(tǒng)，包括敷于埋地構(gòu)筑物或重要設(shè)施與區(qū)域周圍地下的第一光纖(1)、第二光纖(2)、第三光纖(3)、由第一合分波器(203)、第二合分波器(204)與第一光纖(1)、第二光纖(2)組成的馬赫-曾德光纖干涉儀及激光器(101)，其特征是連續(xù)單色激光器(101)通過第四光纖接擾偏器(410)，再由第五光纖接到第一合分波器(203)，而第一合分波器(203)由第六、第七光纖分別連接第一檢偏器(412)和第二檢偏器(413)，第一檢偏器(412)和第二檢偏器(413)分別接第一偏振檢測器(407)和第二偏振檢測器(408)后均由電信號線接至信號處理電路(411)；連續(xù)單色激光器(101)輸出的激光經(jīng)擾偏器(410)高速擾偏，馬赫-曾德光纖干涉儀輸出的兩路干涉光被第一檢偏器(412)和第二檢偏器(413)檢偏，使光纖干涉儀輸出信號高速投影于兩個檢偏器，經(jīng)高通濾波后取得一種平均值，使得系統(tǒng)達(dá)到一個穩(wěn)定偏振態(tài)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種光纖安全預(yù)警偏振控制系統(tǒng)，其特征是其電 路構(gòu)成為連續(xù)單色激光器(101 )通過光纖接到擾偏器(410 )的輸入，擾偏器(410 ) 的輸出再由光纖接到馬赫-曾德光纖干涉儀的第一合分波器(203 )，而第一合分 波器(203 )由光纖分別接第一檢偏器(412)、第二檢偏器(413)的輸入，第一 檢偏器(412)、第二檢偏器(413)的輸出分別接第一偏振檢測器(407 )和第二 偏振檢測器(408 )的輸入，第一偏振檢測器(407 )和第二偏振檢測器(408 )的 輸出接信號處理單元(411)的輸入。
全文摘要
本發(fā)明是一種光纖安全預(yù)警偏振控制系統(tǒng)。它包括敷于埋地構(gòu)筑物或重要設(shè)施與區(qū)域周圍地下的第一光纖(1)、第二光纖(2)、第三光纖(3)、由第一合分波器(203)、第二合分波器(204)與第一光纖(1)、第二光纖(2)組成的馬赫-曾德光纖干涉儀及激光器(101)，連續(xù)單色激光器(101)通過第四光纖接擾偏器(410)，再由第五光纖接到第一合分波器(203)，而第一合分波器(203)由第六、第七光纖分別連接第一檢偏器(412)和第二檢偏器(413)，第一檢偏器(412)和第二檢偏器(413)分別接第一偏振檢測器(407)和第二偏振檢測器(408)后均由電信號線接至信號處理電路(411)。
文檔編號G01H9/00GK101413627SQ200810211938
公開日2009年4月22日 申請日期2006年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月30日
發(fā)明者宇 歷, 張金權(quán), 方德學(xué), 楊文明, 林曉舒, 焦書浩, 贏 王, 飛 王, 王小軍, 閆會朋, 峰 霍 申請人:中國石油天然氣集團(tuán)公司;中國石油天然氣管道局