CN101242224B - 一种光纤管线监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于管线监控技术领域，具体为一种光纤管线监控系统。系统的组成部分包括：光发射模块、光干涉模块、监控线路、调制模块、光接收模块和信号处理模块。系统在不增加任何光电探测器件的情况下，通过复用一套光纤干涉系统，得到同一振动对应不同光路位置的两路信号，比较两信号的频谱特性，消去振动信息对位置信息的干扰，可获得准确的振动位置信息。通过两信号频谱幅值比值的平均值获得位置信息，消除了检测信号不稳定所造成的差异性，可大大提高定位的精确性。采用单芯光纤在不构成环路的情况下实现定位功能，可沿石油管线等长距离干线铺设实现定位监测，环境适用性强。
Description
技术领域
本发明属于管线安全监控技术领域，具体涉及一种光纤管线监控系统。
背景技术
维护基础设施的安全是社会稳定、经济快速发展的一个基本要求。当前，我国对于油气管道、电网、通信网等基础设施的监测主要是依据设施自身的一些生产参数(如压力突降、中间站油罐液位的不正常变化)和人工巡视、路人的报告等手段。这些手段技术含量低，普遍存在效率低、实时性差、反应时间长、抗干扰能力差等缺陷，常常是监测设施遭受破坏后才能报警，实用性受自然和人为双重因素的制约。这种“亡羊补牢式”的事后检测技术，只能减少而不能避免损失。对长距离管线的监测，特别是受电磁干扰的影响，不可能实施依靠电的方式进行传感监测。因此，光纤传感技术将成为进行电力、通信和油气管道等行业的安全监测和预防人为破坏的主要技术手段。
发明内容
本发明的目的在于提出一种具有安全预警、事故定位监测功能的光纤管线监控系统及其实现方法。
本发明提出的光纤管线监控系统，包括：光发射模块、光干涉模块、监控线路、调制模块、光接收模块和信号处理模块。各模块之间的连接关系如图1所示。光发射模块1依次与光干涉模块13、光接收模块11和信号处理模块12连接；并且，光干涉模块1还依次与监控线路14和调制模块15连接。其中：
光发射模块1用于发出稳定的宽光谱激光，并可根据系统状态进行人工调节稳定光源。稳定光源选用工作波长为1.31μm或1.55μm的超辐射发光二极管(SLD)激光器。
光干涉模块13由第一光纤耦合器2、第一延迟光纤3、第二光纤耦合器4连接组成，其作用是将光发射模块1的宽光谱激光进行分光、延时控制处理，生成具有一定相位差的两路干涉光，并通过监控线路14向末端调制模块15进行传输，并接收由末端调制模块15反射回来的携带有扰动源物理特征的光信号，经逆向分光、延时控制处理，形成干涉信号光输出。
监控线路14为单芯光纤，在第二光纤耦合器4的端口g和第三光纤耦合器5的端口h之间，线路上每一点均可作为一监控单元进行传感监测。
调制模块15由第三光纤耦合器5、第一相位调制器7、第一法拉第旋转镜9、第二光纤延迟器6和第二相位调制器8、第二法拉第旋转镜10连接组成。其作用是将外界振动信号调制到不同的载波频段上，具体实现方式是通过分路器加两段有一定长度差异的光纤，并在两路光纤上加载不同频率的载波信号。两段光纤尾端加法拉第旋转镜作为光反馈装置。
光接收模块11的主要器件是利用光电效应把光信号转变为电信号的光电检测器，其作用是检测经过传输后的微弱光信号，并放大、整形、再生成原传输信号。
信号处理模块12的作用是用数据采集卡将输出信号采集进计算机，对信号进行处理。这一过程包括将一路信号分解为同一振动对应不同光路位置的两路信号，接着对这两路信号进行频谱变换，在频谱上取若干幅值的平均值，从而算得当前扰动信号作用于监控光纤上的位置，获得位置信息。
由以上模块构成的光纤管线监控系统，其具体的光路结构如图2所示。设第二光纤耦合器4的端口g离法拉第旋转镜9的距离为L，离第二法拉第旋转镜10的距离为L+l，l为第二光纤延迟线6的长度。光纤管线监控系统检测作用在长度为L的传感光纤上的振动信号的光路是：光发射模块1通过第一光纤耦合器2的端口a，光被第一光纤耦合器2分光，第一光纤耦合器2的端口c的分光经过第一光纤延迟线3，再经过第二光纤耦合器4的端口e，从端口g出来经过扰动点D，然后通过第三光纤耦合器5的端口h，并从端口i出来经过第一相位调制器7，被末端的第一法拉第旋转镜9反射，反馈光再通过第一相位调制器7，从第三光纤耦合器5的端口i回到端口h，经过监控光纤后回到第二光纤耦合器4的端口g，并从端口f出来回到第一光纤耦合器2的端口d；第一光纤耦合器2的端口d的分光经过第二光纤耦合器4的端口f，从端口g出来经过扰动点D，之后通过第三光纤耦合器5的端口h，并从端口i出来经过第一相位调制器7，被末端的第一法拉第旋转镜9反射，反馈光通过第一相位调制器7，从第三光纤耦合器5的端口i经监控线路回到第二光纤耦合器4的端口g，并从端口e出来经过第一光纤延迟线3，最后回到第一光纤耦合器2的端口c，两光束在第一光纤耦合器2中形成携带有扰动源物理特征的干涉光信号，该信号被光接收模块11接收。
系统检测作用在长度为L+l的传感光纤上的振动信号的光路是：光发射模块1通过第一光纤耦合器2的端口a，光被第一光纤耦合器2分光，第一光纤耦合器2端口c的分光经过第一光纤延迟线3，再经过第二光纤耦合器4的端口e，从端口g出来经过扰动点D，之后通过第三光纤耦合器5的端口h，并从端口j出来经过第二光纤延迟线6，并经过第二相位调制器8，被末端的第二法拉第旋转镜10反射，反馈光再通过第二相位调制器8及第二光纤延迟线6，从第三光纤耦合器5的端口j回到端口h，经过监控光纤后回到第二光纤耦合器4的端口g，并从端口f出来回到第一光纤耦合器2的端口d；第一光纤耦合器2的端口d的分光经过第二光纤耦合器4的端口f，从端口g出来经过扰动点D，之后通过第三光纤耦合器5的端口h，并从端口j出来经过第二光纤延迟线6，并经过第二相位调制器8，被末端的第二法拉第旋转镜10反射，反馈光通过第二相位调制器8及第二光纤延迟线6，从第三光纤耦合器5的端口j经监控线路回到第二光纤耦合器4的端口g，并从端口e出来经过第一光纤延迟线3，最后回到第一光纤耦合器2的端口c，两光束在第一光纤耦合器2中形成携带有扰动源物理特征的干涉光信号，该信号被光接收模块11接收。输出信号通过信号处理模块12进行数据处理后，获得扰动源的振动特性和扰动源位置。
光纤管线监控系统中，光纤耦合器与光纤的连接、光纤之间的连接方式是熔接方式连接，光发射模块与干涉模块的连接方式是FC/PC跳线连接，干涉模块与光接收模块的连接方式也是FC/PC跳线连接。
本发明系统的光纤耦合器是锥型光纤耦合器。光纤耦合器的光功率是均分的，即2×2光纤耦合器光功率分光比是1∶1。单模光纤、多模光纤均适用于本发明系统。
本发明系统是在不增加任何光电探测器件的情况下，通过复用一套光纤干涉系统，得到同一振动对应不同光路位置的两路信号，比较两信号的频谱特性，消去振动信息对位置信息的干扰，可获得准确的振动位置信息。下面详细说明系统的工作原理。
在监控光纤的D处施加一个振动信号
(t)，如图3所示。由于任何一个复杂的振动都可以分解为不同频率的简谐振动的叠加，所以考虑单一频率为ω的振动信号。假设在时刻t，由于光弹效应，单一振动角频率为ω的振动信号引起的传输光波相位变化为
(ω，t)，则：
在时刻t+τ，τ为光路中延迟线的长度，单一角频率为ω的振动信号引起的传输光波相位变化为：
在一路传感光纤上，设扰动点D离第一法拉第旋转镜9的距离为l1，光往返传输两次的时间为T1，则：
T1＝2neffl1/c＝αl1 (3)
上式中，neff是光纤纤芯等效折射率，c是真空中的光速。α＝2neff/c，为常数。
由频率为ω的扰动引起的干涉光的相位差为：
对于所有频率的扰动，总的相位差对应外界振动信号的大小。
在另一路传感光纤上，扰动点D离第二法拉第旋转镜10的距离为l1+l，光往返传输两次的时间为T2，则：
T2＝2neff(l1+l)/c＝α(l1+l) (5)
由频率为ω的扰动引起的干涉光的相位差为：
对于所有频率的扰动，总的相位差
对应外界振动信号的大小。
在第一光纤耦合器2的输出端口b可以得到随时间变化的输出功率为：
P(t)＝A+B{cos[Δ
1(t)+C1cosω1t+φ]+cos[Δ
2(t)+C2cosω2t+φ]} (7)
其中A、B是与输入光功率大小有关的一个常量，φ为整个系统的初始相位。C1cosω1t、C2cosω2t分别为相位调制器11、14产生的载波信号，两者的调制频率不同。
相位差Δ
1(t)、Δ
2(t)的变化反应的是外界同一振动信号的大小，但两者携带的该振动信号在传感光纤上的位置信息不同，通过两相位调制器分别将同一振动信号调制到不同频率的载波信号上，通过带通滤波，可将两路调制信号分开，并通过相位载波解调算法可将Δ
1、Δ
2反演出来。
在Δ 1(t)的频谱上，对于每一个频率ω，都有与其相对应的幅值
所以，对Δ 1、Δ
2做频谱变换，对于每一个频率ω，通过比较两者频谱上的幅度，都可以求得l1的值，从而得到外界振动信号在传感光纤上的位置信息。由于可利用频谱上若干个点求得l1的平均值，消除检测信号不稳定所造成的差异性，可大大提高定位的精确性。
这是一种应用范围广泛的长管线安全监控系统，与传统的监控方法相比，该系统结构简单，工作状态不受温度影响，监控范围大，定位精度高，因而具有更加广泛的应用前途。特别是在提取的干涉信号不是十分稳定的情况下，通过求取两信号频谱幅值比值的平均值获得位置信息，消除了检测信号不稳定所造成的差异性，可大大提高定位的精确性。采用法拉第旋转反射镜作为光反馈装置时，提高了系统的灵敏度并抑制了因为偏振态变化问题造成的系统工作状态不稳定等缺点，能够完全消除相位调制器中任何互易性的双折射，系统抗干扰能力强。由于系统利用了白光干涉原理，消除了由于温度影响造成的工作点漂移等问题，大大提高了系统的工程应用环境，可以用于复杂、恶劣环境中的管线安全监测。采用单芯光纤在不构成环路的情况下实现定位功能，可沿石油管线等长距离干线铺设实现定位监测，环境适用性强。
利用该方法构造的光纤管线监控系统可广泛应用于通信干线、电力传输线、天然气管道和石油管道的安全监测领域；也能应用于大型建筑物例如水坝、隧道、矿井等的安全监测。
附图说明
图1是本发明各组成部分的连接示意图。
图2是本发明的结构示意图。
图3是在监控线路上存在有一个扰动点D的示意图。
图中标号：1为光发射模块，2、4、5依次为第一、第二、第三2×2光纤耦合器，3为第一光纤延迟线，6为第二光纤延迟线，a、b、c、d为第一光纤耦合器2的四个端口，e、f、g为第二光纤耦合器4的三个端口，h、i、j为第三光纤耦合器5的三个端口，7为第一相位调制器、8为第二相位调制器，9为第一法拉第旋转镜、10为第二法拉第旋转镜，11为光接收模块，12为信号处理模块。13为由第一光纤耦合器2、第一光纤延迟线3、第二光纤耦合器4构成的光干涉模块。15为由第三光纤耦合器5、第一相位调制器7、第二相位调制器8、第一法拉第旋转镜9、第二法拉第旋转镜10、第二光纤延迟线6构成的调制模块。14为由第二光纤耦合器4的端口g和第三光纤耦合器5的端口h之间构成监控线路，D为监控线路上一个扰动点。
具体实施方式
实施例
在本实施例中，所用的激光器为电子集团总公司44研究所生产的SO3-B型超辐射发光管(SLD)型稳定光源。光纤耦合器为武汉邮电研究院生产的单模光纤耦合器。光电探测器为44所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器。所用的光纤为美国“康宁”生产的G652型单模光纤。跳线为武汉邮电研究院生产的FC/PC型单模光纤跳线，相位调制器为压电陶瓷。
系统各组成部分连接参见图2所示，光发射模块与第一光纤耦合器2的a端以FC/PC跳线连接，第一光纤耦合器2的c端与第一光纤延迟线3的一端熔接，第一光纤延迟线3的另一端与第二光纤耦合器4的e端熔接，第一光纤耦合器2的d端与第二光纤耦合器4的f端熔接，第二光纤耦合器4的g端与监控线路的一端熔接，监控线路的另一端与第三光纤耦合器5的h端熔接，第三光纤耦合器5的i端与第一相位调制器7的一端熔接，第一相位调制器7的另一端与第一法拉第旋转镜9熔接，第三光纤耦合器5的j端与第二光纤延迟线6的一端熔接，第二光纤延迟线6的另一端与第二相位调制器8的一端熔接，第二相位调制器8的另一端与第二法拉第旋转镜10熔接，第一光纤耦合器2的b端与光接收模块以FC/PC跳线连接，光接收模块11与信号处理模块12之间通过连接线(NationalInstruments公司)接数据采集卡PCI-6122，将信号采集进计算机进行信号处理。监控线路铺设于需要监控管线的附近，调制模块15置于监控线路的末端，光干涉模块13需置于隔音设备中以屏蔽外界干扰。
Claims (2)
1.一种光纤管线监控系统，其特征在于包括：光发射模块、光干涉模块、监控线路、调制模块、光接收模块和信号处理模块；其中，光发射模块(1)、光干涉模块(13)、光接收模块(11)和信号处理模块(12)依次连接；光干涉模块(13)、监控线路(14)和调制模块(15)依次连接；其中：
光发射模块(1)用于发出稳定的宽光谱激光，并根据系统状态人工调节稳定光源；稳定光源选用工作波长为1.31μm或1.55μm的超辐射发光二极管激光器；
光干涉模块(13)由第一光纤耦合器(2)、第一光纤延迟线(3)、第二光纤耦合器(4)连接组成，其作用是将光发射模块(1)的宽光谱激光进行分光、延时控制处理，生成具有一定相位差的两路干涉光，通过监控线路(14)向末端调制模块(15)进行传输，并接收由末端调制模块(15)反射回来的携带有扰动源物理特征的光信号，经逆向分光、延时控制处理，形成干涉信号光输出；
监控线路(14)为单芯光纤，在第二光纤耦合器(4)的端口g和第三光纤耦合器(5)的端口h之间，线路上每一点均可作为一监控单元进行传感监测；
调制模块(15)由第三光纤耦合器(5)、第一相位调制器(7)、第一法拉第旋转镜(9)、第二光纤延迟线(6)和第二相位调制器(8)、第二法拉第旋转镜(10)连接组成；其作用是将外界振动信号调制到不同的载波频段上；
光接收模块(11)的主要器件是利用光电效应把光信号转变为电信号的光电检测器，其作用是检测经过传输后的微弱光信号，并放大、整形、再生成原传输信号；
其中，光发射模块(1)与第一光纤耦合器(2)的a端以FC/PC跳线连接，第一光纤耦合器(2)的c端与第一光纤延迟线(3)的一端熔接，第一光纤延迟线(3)的另一端与第二光纤耦合器(4)的e端熔接，第一光纤耦合器(2)的d端与第二光纤耦合器(4)的f端熔接，第二光纤耦合器(4)的g端与监控线路的一端熔接，监控线路的另一端与第三光纤耦合器(5)的h端熔接，第三光纤耦合器(5)的i端与第一相位调制器(7)的一端熔接，第一相位调制器(7)的另一端与第一法拉第旋转镜(9)熔接，第三光纤耦合器(5)的j端与第二光纤延迟线(6)的一端熔接，第二光纤延迟线(6)的另一端与第二相位调制器(8)的一端熔接，第二相位调制器(8)的另一端与第二法拉第旋转镜(10)熔接，第一光纤耦合器(2)的b端与光接收模块以FC/PC跳线连接，光接收模块(11)与信号处理模块(12)之间通过连接线接数据采集卡PCI-6122，将信号米集进计算机进行信号处理。
2.根据权利要求1所述的光纤管线监控系统，其特征在于，其光路结构如下：设第二光纤耦合器(4)的端口g离第一法拉第旋转镜(9)的距离为L，离第二法拉第旋转镜(10)的距离为L+l，l为第二光纤延迟线(6)的长度；光纤管线监控系统检测作用在长度为L的传感光纤上的振动信号的光路是：光发射模块(1)通过第一光纤耦合器(2)的端口a，光被第一光纤耦合器(2)分光，第一光纤耦合器(2)的端口c的分光经过第一光纤延迟线(3)，再经过第二光纤耦合器(4)的端口e，从端口g出来经过扰动点D，然后通过第三光纤耦合器(5)的端口h，并从端口i出来经过第一相位调制器(7)，被末端的第一法拉第旋转镜(9)反射，反馈光再通过第一相位调制器(7)，从第三光纤耦合器(5)的端口i回到端口h，经过监控线路(14)后回到第二光纤耦合器(4)的端口g，并从第二光纤耦合器(4)的端口f出来回到第一光纤耦合器(2)的端口d；第一光纤耦合器(2)的端口d的分光经过第二光纤耦合器(4)的端口f，从端口g出来经过扰动点D，之后通过第三光纤耦合器(5)的端口h，并从端口i出来经过第一相位调制器(7)，被末端的第一法拉第旋转镜(9)反射，反馈光通过第一相位调制器(7)，从第三光纤耦合器(5)的端口i经监控线路回到第二光纤耦合器(4)的端口g，并从端口e出来经过第一光纤延迟线(3)，最后回到第一光纤耦合器(2)的端口c，两光束在第一光纤耦合器(2)中形成携带有扰动源物理特征的干涉光信号，该信号被光接收模块(11)接收；
系统检测作用在长度为L+l的传感光纤上的振动信号的光路是：光发射模块(1)通过第一光纤耦合器(2)的端口a，光被第一光纤耦合器(2)分光，第一光纤耦合器(2)端口c的分光经过第一光纤延迟线(3)，再经过第二光纤耦合器(4)的端口e，从端口g出来经过扰动点D，之后通过第三光纤耦合器(5)的端口h，并从端口j出来经过第二光纤延迟线(6)，并经过第二相位调制器(8)，被末端的第二法拉第旋转镜(10)反射，反馈光再通过第二相位调制器(8)及第二光纤延迟线(6)，从第三光纤耦合器(5)的端口j回到端口h，经过监控线路后回到第二光纤耦合器(4)的端口g，并从第二光纤耦合器(4)的端口f出来回到第一光纤耦合器(2)的端口d；第一光纤耦合器(2)的端口d的分光经过第二光纤耦合器(4)的端口f，从端口g出来经过扰动点D，之后通过第三光纤耦合器(5)的端口h，并从端口j出来经过第二光纤延迟线(6)，并经过第二相位调制器(8)，被末端的第二法拉第旋转镜(10)反射，反馈光通过第二相位调制器(8)及第二光纤延迟线(6)，从第三光纤耦合器(5)的端口j经监控线路回到第二光纤耦合器(4)的端口g，并从端口e出来经过第一光纤延迟线(3)，最后回到第一光纤耦合器(2)的端口c，两光束在第一光纤耦合器(2)中形成携带有扰动源物理特征的干涉光信号，该信号被光接收模块(11)接收。
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