CN101216149A - 长距离管线安全监测的光纤分布式监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种长距离管线安全监测的光纤分布式监测方法及装置。利用激光器、2×2耦合器以及与长距离管线并行铺设的两条光纤构成光纤萨格纳克干涉仪，通过振动现象造成干涉信号获知入侵或泄漏事件；当振动同时作用两条光纤的情况时，在一条光路的出射端口处预留光纤延迟线；当振动只作用其中任一条光纤的情况时，在最远端处预留光纤延迟线。采用周期窄脉冲、记录光源波动和平衡解调法来补偿干涉因子实现高灵敏度、长距离的管线安全检测。利用计算机数据库技术积累、整理、分析事件类型并发出不同级别的警报。利用低成本的移动模块将沿长距离管线上分布的多个独立的装置组成远程无线监测系统，实现点名测量、周期测量和数据上载。

Description

长距离管线安全监测的光纤分布式监测方法及装置

所属技术领域

本发明属资源和信息传送领域的安全监测，如油、水、气等传送管道和通信光缆的安全监测，具体涉及一种用光纤萨格纳克干涉原理对长距离管线进行安全监测的方法及装置。

背景技术

资源和信息传送领域的安全隐患普遍存在。如天然气管道由于含硫等原因的腐蚀泄漏或外界人为、突发性自然灾害(如地震、滑坡等)的破坏，发生泄漏或破损等事故。近年来光纤信息传输的绝对安全性已被打破，针对陆地光缆线路的窃听事件屡有报道，而相关媒体披露的美国中央情报局海底光缆窃听计划更引起人们对海底光缆信息传输安全性的充分重视。如何及时发现并精确定位这些事故更是一种挑战。

现有长距离管道泄漏检测技术主要有负压波法、模型法等，存在灵敏度低、响应慢、定位精度差等缺点，在实际应用中难以满足快速、准确的检测管道泄漏的要求。

近年来，随着光纤传感技术的发展，长距离分布式光纤传感技术也开始应用于管道泄漏检测和通信光缆安全监测，主要有光后散射法和光干涉法。光后散射法基于瑞利、拉曼、布里渊、偏振原理，利用外部事件对光纤传输特性的影响，通过定位检测光纤中后散光强变化来判断局部外力、温度变化，进而能评估管线的安全状况。但由于原理上的先天不足，最长监测距离不超过80km。

光干涉法具有灵敏度高、动态范围大、响应快、传输距离长，可满足长距离、微小振动检测要求。中国发明专利申请200410020046.6、200410040282.4、200610113044.0等使用连续激光器，呈现低功率入射问题，当监测距离超过20千米使用普通单模光纤时，由于受激布里渊阈值的限制，入射功率不超过2毫瓦，在中等距离长度的监测上有优势。我们知道利用干涉原理构建长距离监测系统需要极其苛刻的条件。马赫-曾德尔干涉仪和迈克耳逊干涉仪由于光传播在两条不同的光臂上，自相位调制、交叉相位调制引起光偏振的独立性，干涉光场的偏振态呈现不可预知的问题，另外在长达几十千米的两条光纤难以做到分米级的误差，这可需要比较窄线宽的激光器才能保证干涉。而萨格纳克干涉仪的两束干涉光经历绝对等长的路程，对光源线宽没有要求，所以满足一定条件的萨格纳克干涉仪有可能构成长距离安全监测系统。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种结构简单、高灵敏度的长距离管线安全监测的光纤分布式监测方法及装置。该装置的优点是通过一套装置形成一个萨格纳克干涉仪，检测灵敏度高、光损耗低、能实现长距离微小振动检测与定位。

为了达到上述目的，本发明采用的如下技术方案。本装置主要包括：

1、一个完整的光纤预留小部分延迟线后对折，两个光纤头与一个2×2光纤耦合器的两个端口分别熔接构成一个萨格纳克干涉仪。双线光纤在管线附近并行铺设，当管线直径较大时两条光纤沿管道母线圆周方向相差180度铺设，并且光纤延迟线位于对折处，其余情况光纤延迟线位于耦合器处。如果用于通信光缆，则启用两根备用光缆，远处两个光纤头熔接在一起，近处一个光纤头上熔接短距离长度的光纤(光纤延迟线)后，光纤延迟线头再和另一个光纤头分别熔接在2×2光纤耦合器的两个端口上。

2、利用其中两条光纤的任一条上设置偏振控制元件。

3、任选2×2耦合器的其余一个端口上设置激光器、1×2耦合器和环行器。1×2耦合器输入口接激光器，一个输出口接探测器组件，另一个输出口接环行器，环行器输出口接2×2耦合器的一个端口，环行器返回输出口接探测器组件。

4、所有近端器件集成在一个板卡中插入计算机的扩展槽中或它们独立成模块用USB接口与计算机连接。

本发明的工作原理：计算机控制激光器驱动电路组件使激光器(线宽不作要求)发射一定占空比(比值：b＞2)周期脉冲光输入1×2耦合器(分束比ρ)，脉宽≤10ns(避免受激布里渊产生条件)，峰值功率P(单位：W)小于使光路产生受激拉曼阈值。1×2耦合器分束绝大部分激光进入萨格纳克干涉仪。2×2耦合器分束等量的顺时针光和逆时针沿两条光纤传播并返回耦合器干涉，经干涉明口接探测器组件和模数转换组件，由模数转换组件连接处理计算机，处理计算机对采集信号进行滤波、频谱变换等处理，通过分析信号频谱，可实现振动报警和定位。不管振动同时作用两条光纤的某同一位置还是作用一条光纤的某个位置，由于两束光到达和离开该位置的时间不同，振动现象均被调制在光干涉的相位差中，本领域的技术人员易得出相位差表示为：

${\mathrm{\Δ\φ}}_s\left(t\right)=\mathrm{\φ}(t,{\mathrm{\τ}}_d)\cos \left({\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\τ}}_s\right)+(1-2\mathrm{\ρ})\mathrm{\γ}{L}_{\mathrm{eff}}P-2(1-2\mathrm{\ρ})\mathrm{\γ}{L}_{\mathrm{ed}}P-2(1-2\mathrm{\ρ})\mathrm{\γ}\stackrel{\‾}{P}{L}_{\mathrm{eff}}/b---\left(1\right)$

此相位差包含了时间信息、振动频率信息和非线性调制，式(1)第二项是自相位调制，式(1)第三项是交叉相位调制，式(1)第四项是萨格纳克环中与其它所有光脉冲的交叉相位调制。其中，ω_s为泄漏声发射信号的角频率，τ_d为光经过延迟线圈时间，τ_s为光从振动位置传播到最远处所需时间，γ是非线性系数，L_eff是有效长度，L_eff＝(1-exp(-αL))/α，L是监测长度，α是光纤衰减系数，L_ed是两相遇脉冲作用长度，

是萨格纳克环中所有光脉冲的平均功率。微小振动造成(1)中第一项非常小，在长距离监测情况下式(1)中后三项的和不可忽略，尽管理论上耦合器分束比取1∶1，但实际使用的只能接近1∶1，这样一来当光源波动时式(1)中后三项的和随之波动。当b≥10，式(1)中后两项可以忽略。解决办法是能跟踪光源，所以装置中利用1×2耦合器分一束来记录光源波动，补偿相位及干涉光强因子。在短、中距离监测系统中也可以用干涉仪的明口和暗口的光，采用平衡解调法来抑制光源波动，平衡解调法的优点还可以在一定程度上抑制电路噪声。

本发明的优点在于：

1、应用广泛：即可应用于通信光缆的安全监测，又可应用于管道的安全监测。

2、检测灵敏度高、监测距离远：采用偏振控制元件保证最大干涉强度，采用光源跟踪法或平衡解调法补偿非线性对相位的扰动、消除干涉光强因子和在一定程度上抑制电路噪声，单个监测站可以无中继监测上百km以上的距离。

3、定位精度高：采用小于10ns的短脉冲激光，理论上可以做到小于2m的定位误差。

4、可以利用低成本的移动模块将沿长距离管线上分布的多个独立的装置组成远程监测系统，实现点名测量、周期测量、定时启动、定时关闭和数据上载。

附图说明

图1本发明的实施方案1系统结构图

图2本发明的实施方案2系统结构图

图3本发明的实施方案3系统结构图

图4本发明的实施方案4系统结构图

图5长距离管线远程监测系统无线网络结构图

图中标号说明如下：

1-计算机  2-激光器  3-1×2光纤耦合器  4-环行器  5-2×2光纤耦合器  6-光

纤延迟线  7-传感光纤  8-偏振控制元件

9、10-探测器组件和模数转换组件  11-长距离管线  12-监测装置  13-移动模块

14-远程监测系统

具体的实施方式

本发明的长距离管线安全的自动监测方法是利用在管线附近与管线并行铺设的单模光纤光缆作为分布式光纤传感元件，当有外力作用在光纤上时，会使光纤的传输特性发生变化，采用光纤干涉法可感知外部事件对管线和光缆所施加的微弱作用和影响，然后用频谱分析的方法提取该外部事件的频域特征，以此为依据判断事件的位置。利用计算机数据库技术积累、整理、分析事件类型并发出不同级别的警报。

本发明的实施例如下：

1、在管线附近与管线并行铺设两条单模光纤光缆作为分布式光纤传感元件。如果监测对象是长距离油气水管道，两条单模光纤沿管道母线圆周方向相差180度铺设。如果被监测对象是长距离通信光缆，可选取其中的两条备用单模光纤用作传感元件。

2、实施方案1安全监测长距离通信光缆，参见图1。计算机1控制激光器驱动电路组件2使激光器发射占空比为10的周期脉冲光输入1×2光纤耦合器3(分束比99∶1)，脉宽10ns，峰值功率P≤2.4W。1×2光纤耦合器3分束绝小部分激光接探测器组件和模数转换组件10，供计算机1作参考光的比较信号，1×2光纤耦合器3分束绝大部分激光经过环行器4进入2×2光纤耦合器5的一个输入口。2×2光纤耦合器5分束等量的顺时针光和逆时针沿两条光纤7传播并返回耦合器干涉并输出，由于有光纤延迟线6的存在的缘故，离最远处x米的振动现象被记录在干涉的相位差中，设置偏振控制元件8的目的是保证干涉的最大强度。2×2光纤耦合器5有两个输出口，通常一个叫明口(Light port)，代表归一化的干涉公式：1+cos(Δφ)，一个叫暗口(Dark port)，代表归一化的干涉公式：1-cos(Δφ)。很容易知道激光输入口就是明口，所以需要环行器4把干涉明光接探测器组件和模数转换组件9，由模数转换组件9连接处理计算机1，处理计算机1对采集信号进行滤波并和由模数转换组件10获得的信息进行比较，采用一定的算法来消除光源波动对干涉因子的影响，最后进行频谱变换等处理，通过分析信号频谱，可实现振动报警和定位。激光器及激光器驱动电路组件2，1×2光纤耦合器3，环行器4，2×2光纤耦合器5，探测器组件及模数转换组件9、10，偏振控制元件8集成在一个板卡中插入PC104系统。编制驱动和处理运行软件包，整个装置就搭建了。按照单模光纤在1550nm的衰减系数在0.2dB/km左右以及工业级光探测器nW级灵敏，最大监测长度L在200-300km之间。

3、实施方案2安全监测长距离天然气管道，参见图2。萨格纳克干涉仪中两条单模光纤沿管道母线圆周方向相差180度铺设，光纤延迟线设在最远端的目的是消除监测盲区，而实施方案1的光纤延迟线设在近端，目的是增加干涉的相位差，需要比较长的光纤，同时在最远端也有盲区，而且是光纤延迟线的四分之一。如果实施方案2完全采用实施方案1的元器件，显然，其最大监测距离更远一些。

4、实施方案3安全监测中距离通信光缆，参见图3。计算机1控制激光器驱动电路组件2使激光器发射连续光经过环行器4进入2×2光纤耦合器5的一个输入口，功率小于2mW。2×2光纤耦合器5分束45∶55的顺时针光和逆时针沿两条光纤7传播并返回耦合器干涉并输出，由于有光纤延迟线6的存在的缘故，离最远处x米的振动现象被记录在干涉的相位差中，设置偏振控制元件8的目的是保证干涉的最大强度。2×2光纤耦合器5有两个输出口，需要环行器4把返回入激光输出的干涉信号接探测器组件和模数转换组件10和2×2光纤耦合器5的另一个输出口接探测器组件和模数转换组件9，由模数转换组件9、10连接处理计算机1，处理计算机1对采集信号进行滤波并和由模数转换组件9、10获得的信息进行比较，采用一定的算法来消除光源波动对干涉因子的影响，最后进行频谱变换等处理，通过分析信号频谱，可实现振动报警和定位。激光器及激光器驱动电路组件2，1×2光纤耦合器3，环行器4，2×2光纤耦合器5，探测器组件及模数转换组件9、10，偏振控制元件8集成在一个板卡中插入PC104系统。编制驱动和处理运行软件包，整个装置就搭建了。按照单模光纤在1550nm的衰减系数在0.2dB/km左右以及工业级光探测器nW级灵敏，最大监测长度L在100--200km之间。

5、实施方案4安全监测中距离天然气管道，参见图4。将实施方案2和实施方案3综合起来就是实施方案4，叙述略。

6、将多个监测装置无线联网，实现远程智能监测，参见图5。利用低成本的移动模块13将沿长距离管线11上分布的多个独立的监测装置12组成远程监测系统14，实现点名测量、周期测量、定时启动、定时关闭和数据上载。

在上述方案和装置中，所有近端器件集成在一个板卡中或它们独立成模块和使用多模、单模、保偏光纤的具体实现方式不同，都不影响本发明的权利要求的保护。

Claims (5)

1.一种长距离管线安全监测的光纤分布式监测方法，其特征在于：利用激光器、2×2耦合器以及与长距离管线并行铺设的两条光纤构成光纤萨格纳克干涉仪，通过振动现象造成干涉信号获知入侵或泄漏行为的发生；当振动同时作用两条光纤的情况时，在一条光路的出射端口处预留光纤延迟线；当振动只作用其中任一条光纤的情况时，在最远端处预留光纤延迟线；在一条光路的出射端口处预留光纤延迟线，也能测量振动只作用其中任一条光纤的情况。

2.按权利要求1所述长距离管线安全监测的光纤分布式监测方法，其特征在于：振动影响一条光纤的情况时，通常管线直径较大，两条光纤沿管道母线圆周方向相差180度铺设。

3.按权利要求1所述长距离管线安全监测的光纤分布式监测方法，其特征在于：在一条光路的出射口处增加偏振控制单元；激光器和耦合器之间的光路上增加环行器，引出干涉明口；激光器由计算机通过驱动电路组件发射连续或脉冲激光。当发射连续激光时适合中等距离长度的管线安全监测的光纤分布式监测装置；当发射脉冲激光时适合长距离的管线安全监测的光纤分布式监测装置。

4.按权利要求1所述长距离管线安全监测的光纤分布式监测方法，其特征在于：2×2耦合器的分束比1∶1时，激光在进入干涉仪前须分一束光作参考光用来抑制光源波动；2×2耦合器的分束比不为1∶1时，用干涉仪的明口和暗口的光，采用平衡解调法来抑制光源波动。

5.按权利要求1所述的光纤分布式监测装置，其特征在于：利用低成本的移动模块将沿长距离管线上分布的多个独立的装置组成远程监测系统，实现点名测量、周期测量、定时启动、定时关闭和数据上载。