CN101334331A - 基于相位干涉的分布式光纤管道安全预警系统 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于相位干涉的分布式光纤管道安全预警系统。激光经光隔离器[17]后被光纤耦合器[15]分成两束，经偏振态控制器[13a]和[13b]，输出经端口[3]、[4]接引导光纤[3a]、[4a]，引导光纤[3a]接纤芯[3b]，引导光纤[4a]经首端盒[11]后接纤芯[7]、[8]，纤芯[3b]、[7]、[8]接末端盒[10]，从末端盒[10]接出的纤芯[1b]、[2b]再分别接引导光纤[1a]、[2a]并各经端口[1]和[2]依次接光电探测器[12a]、[12b]和信号调理单元[14a]、[14b]，共同差动输入模数转换器[16a]后接信号处理计算机[18]；从末端盒[10]接出的纤芯[7]、[8]接到首端盒[11]经引导光纤[5a]、[6a]和端口[5]、[6]分别接光电探测器[12c]、[12d]，输出各接信号调理单元[14c]、[14d]后共同差动输入模数转换器[16b]，模数转换器[16b]的输出接信号处理计算机[19]。
Description
技术领域
本发明是一种埋地管道、构筑物或重要地面构筑物、重要设施与区域的安全保护预警的基于相位干涉的分布式光纤管道安全预警系统。涉及机械振动的测量、相位的测量、冲击的测量和管道系统技术领域。
背景技术
油气管道作为工业经济的命脉，在国民经济中居于重要位置。由于管道本身的缺陷、腐蚀、自然老化以及外力引起的第三方破坏造成的油气产品的流失，环境污染及人员伤害。随着管道运输业的不断发展，为了维护管道的安全运行，管道运行监测技术也在不断发展，作为管道监控核心的泄漏检测与安全预警技术一直受到各国科技工作者的重视。
目前国内外已有多种管道泄漏检测技术和方法，但是这种方法只能在管道发生泄漏之后进行报警，不能够在管道遭到实质性破坏之前进行预警。近年出现一种基于对管道破坏所产生的声音和振动信号的检测来检测管道遭到的第三方破坏，并进行定位的技术，中国实用新型专利号200320100537.2等对此类技术做了详细的描述。这一技术虽然有一定的预警能力，但是受制于系统的通信和供电等问题有很大的局限性。
随着光纤技术的发展，光纤传感也开始应用与管道泄漏检测与安全预警领域，以光纤传感的原理分主要有干涉型分布式光纤传感技术以及后向散射型分布式光纤传感技术，干涉型主要代表为中国发明专利申请200410020046.6、200410016038及ZL 99814375.8，散射型主要代表为中国发明专利申请02145502.3。这些系统都声称能够解决管道安全领域的技术问题，但是在信号检测灵敏度和检测长度的限制，还有系统稳定性方面均存在问题，无法在工业油气管道现场进行应用。
发明内容
本发明的目的是发明一种埋地管道、构筑物或地面重要构筑物、重要设施与区域检测灵敏度高、定位精度高、单台系统保护距离长的安全保护预警的基于相位干涉的分布式光纤管道安全预警系统。
针对现有问题，本发明提出一种基于差动输入的分布式光纤管道安全预警系统。本发明通过检测沿管道铺设的光缆中传输的相干光受到外界威胁事件扰动时产生的相位差，两束光由于存在相位差发生干涉，通过对干涉信号的识别与判断可以实现对威胁事件的有效检测。
本发明与已有技术一样，也包括沿管道敷设的光纤构成的Mach-Zehnder光纤干涉仪。但本发明的构成如图1所示，图1中1～6为光纤解调系统的接入端口，1a～6a为引导光纤，1b，2b，3b，7和8为干线光缆9中的纤芯，10为末端盒，11为首端盒，12a～12d为光电探测器，13a和13b为光的偏振态控制器，14a～14d为信号调理单元，15为光纤耦合器，16a和16b为模数转换器，17光隔离器，18为激光光源，19为信号处理计算机，20为光信号解调系统。
激光光源18发出的激光经光隔离器17后与光纤耦合器15连接，被光纤耦合器15分成两束，经过两个偏振态控制器13a和13b转换为同一偏振态，输出接端口3、4经引导光纤3a、4a，引导光纤3a接光缆9中的纤芯3b，引导光纤4a经首端盒11后接光缆9中的纤芯7、纤芯8，纤芯3b和纤芯7、纤芯8接末端盒10，从末端盒10接出的纤芯1b、2b再分别接引导光纤1a、2a并经端口1和2接光电探测器12a、12b，光电探测器12a、12b输出各接信号调理单元14a、14b后共同差动输入模数转换器16a，模数转换器16a的输出接信号处理计算机18的输入；从末端盒10接出的纤芯7、8接到首端盒11后经引导光纤5a、6a和端口5、6分别接光电探测器12c、12d，光电探测器12c、12d输出各接信号调理单元14c、14d后共同差动输入模数转换器16b，模数转换器16b的输出接信号处理计算机19的输入。
其中信号调理单元14a～14d(见图2)为双二阶带通有源滤波器，它是由三只运算放大器A1、A2、A3组成的，A1组成的低(高)通有源滤波器经A2组成的反相器输出再经A3组成的高(低)通滤波器反馈到A1组成的低(高)通有源滤波器输入，其中心频率可调，且增益不随中心频率变化。
光隔离器15可以有效的减少反射光对系统光源的损害，可以有效的提高系统的工作稳定性；它有市销产品可选择。
本发明中的首端盒11和末端盒10均为特殊设计的光缆接续盒，盒中均为光纤耦合器(市销产品)，不含任何有源器件，防水、防潮、耐腐蚀，可以适合长期埋地使用。
光电探测器12a～12d、偏振态控制器13a和13b、光纤耦合器15、模数转换器16a和16b、光隔离器17、激光光源18、信号处理计算机19均可选择市销产品。
系统的具体实施过程为，激光光源18发出的光，经过光隔离器17被光纤耦合器15分成两束，经过两个偏振态控制器13a和13b转换为同一偏振态，然后分别从端口3和端口4进入引导光纤3a和4a。。4a(以下简称I路)中的光在首端盒11按功率1∶1被分成相等的两束分别进入7、8两条单模光纤构成Mach-Zehnder干涉仪的两臂，在两束光的传输过程中，当发生管道泄漏、管道周围施工、打孔盗油等第三方破坏以及自然灾害(如：地震、洪水、泥石流、崩塌以及山体滑坡)等外界信号扰动时，将导致两光纤长度、直径及折射率发生变化，从而使两束光的相位发生变化，当两束光在末端控制器10汇合时由于相位差的存在发生干涉，干涉信号通过1，2两条光纤传回光信号解调系统的1、2两个端口被光电探测器12a、12b将光信号转换为电信号。电信号通过14a和14b的信号调理模块差动输入模数转换模块16a，数字信号输入计算机19进行数字信号处理和事件分析。与此同时3a中的光(以下简称II路)进入干线光缆9的3b纤芯在末端控制器被分成两束进入7、8两根单模光纤，在首端控制器11进行干涉，干涉信号通过5a、6a两条引导光纤传回光信号解调系统19的5、6两个端口，通过12c和12d两个光电探测器转换为电信号通过14c、14d的信号调理模块差动输入模数转换模块16b，数字信号输入计算机18进行数字信号处理及分析。
使用计算机对I路或II路信号运用数字信号处理方法进行特征分析，可以将不同的破坏、威胁事件进行分类，有效的避免虚警和误报。同时通过I路和II路两路光信号传播到光信号解调系统20的时间差，可以实现对威胁事件的有效定位。光在光纤中的传播速度高达2.0×108km，因此系统的响应时间极短，在数毫秒内即可实现对威胁事件的定位。
本发明的特点在于，对传统的Mach-Zehnder光纤干涉仪进行了改造，光的发射和接收装置在同一端，另一端为特殊设计的光路接续器，为无源设备，不需能量供给。并将发生干涉的光信号差动输入计算机，有效的提高了信噪比和相位灵敏度，从而增强了系统的有效可探测距离。
本发明中使用的光缆为普通通信光缆，可以为铠装或穿于硅管之中。光纤的纤芯为普通单模光纤。其中引纤使用六芯光纤，干线光缆需要使用五芯光纤。光信号解调系统中，光纤均采用熔接方式连接，使用的光纤耦合器15均是按光功率1∶1均分的Y型耦合器。
本发明使用的光的偏振态控制器调节从端口3和端口4进入光纤传感系统的光为同一偏振位置，有效的保证了经过数十公里的传播之后到达首端盒11、末端盒10的光仍然为相干光，避免了传播过程中干涉仪两臂不一致引起的偏振态的改变产生的干涉信号衰落和畸变，因此可以实现更长距离的光纤传感。
本发明是一种利用现有油气管道同沟铺设的通信光缆的冗余备用纤芯构成传感回路，实时监测管道沿线的非法开挖、打孔盗油等各种第三方破坏活动，保证油气管道的安全运行。能够实现数十公里的大范围无中继监测，基于特别的定位算法可以实现实时的入侵事件定位和报警。
该系统有效的提高了系统的检测灵敏度和单台系统的有效检测长度，定位精度高。
附图说明
图1基于相位干涉的分布式光纤管道安全预警系统
图2双二阶带通有源滤波器电路图
其中1-端口 1a-引导光纤
1b-纤芯 2-端口
2a-引导光纤 2b-纤芯
3-端口 3a-引导光纤
3b-纤芯 4-端口
4a-引导光纤 5-端口
5a-引导光纤 6-端口
6a-引导光纤 7-纤芯
8-纤芯 9-光缆
10-末端盒 11-首端盒
12a-光电探测器 12b-光电探测器
12c-光电探测器 12d-光电探测器
13a-偏振态控制器 13b-偏振态控制器
14a-信号调理单元 14b-信号调理单元
14c-信号调理单元 14d-信号调理单元
15-光纤耦合器 16a-模数转换器
16b-模数转换器 17-光隔离器
18-激光光源 19-信号处理计算机
20-光信号解调系统
具体实施方式
实施例.本例是一试验样机，其光电路连接如图1所示。激光光源18发出的激光经光隔离器17后与光纤耦合器15连接，被光纤耦合器15分成两束，经过两个偏振态控制器13a和13b转换为同一偏振态，输出接端口3、4经引导光纤3a、4a，引导光纤3a接光缆9中的纤芯3b，4a经首端盒11后接光缆9中的纤芯7、纤芯8，纤芯3b和纤芯7、纤芯8接末端盒10，从末端盒10接出的纤芯1b、2b再分别接引导光纤1a、2a并经端口1和2接光电探测器12a、12b，光电探测器12a、12b输出各接信号调理单元14a、14b后共同差动输入模数转换器16a，模数转换器16a的输出接信号处理计算机18的输入；从末端盒10接出的纤芯7、8接到首端盒11后经引导光纤5a、6a和端口5、6分别接光电探测器12c、12d，光电探测器12c、12d输出各接信号调理单元14c、14d后共同差动输入模数转换器16b，模数转换器16b的输出接信号处理计算机19的输入。
这里的信号调理单元14a～14d(见图2)为双二阶带通有源滤波器，它是由三只运算放大器A1、A2、A3组成的，A1组成的低(高)通有源滤波器经A2组成的反相器输出再经A3组成的高(低)通滤波器反馈到A1组成的低(高)通有源滤波器输入，其中心频率可调，且增益不随中心频率变化。
首端盒11和末端盒10均为特殊设计的光缆接续盒，盒中均为光纤耦合器(市销产品)，不含任何有源器件，防水、防潮、耐腐蚀，可以适合长期埋地使用。
其中所用的激光光源18为超辐射发光管型稳定光源，其光源频率为1550nm；光电探测器12a-12d为InGaAs光电探测器；光纤耦合器13选深圳朗光科技有限公司单模标准耦合器，信号调理单元14a-14d按图2所示电路，其中运算放大器A1、A2、A3选AD8512，R1为10K，R2为100K，R3为10K，R4为20K，C1为47PF，C2为47PF；光信号解调系统与外部引导光纤的端口1-6为FC/APC跳线连接，其他光纤连接为采用光纤熔接机熔接；模数转换器16a、16b为NI公司的高速数据采集卡6132；信号处理计算机19选择研华公司610系列工控机。
本例经现场多次试验，证明能够实现一个站间距数十公里的大范围无中继监测，基于特别的定位算法可以稳定、可靠地实现实时的入侵事件定位和报警。该系统将发生干涉的光信号差动输入计算机，有效的提高了信噪比和相位灵敏度，在管道周围5m内铲土均可测出，从而有效的提高了系统的检测灵敏度和单台系统的有效检测长度，且定位精度高，可达到±1m。
Claims (3)
1.一种埋地管道、构筑物或重要地面构筑物、重要设施与区域的安全保护预警的基于相位干涉的分布式光纤管道安全预警系统，包括沿管道敷设的光纤构成的Mach-Zehnder光纤干涉仪，其特征是激光光源[18]发出的激光经光隔离器[17]后输出被光纤耦合器[15]分成两束，经过两个偏振态控制器[13a]和[13b]转换为同一偏振态，输出接端口[3]、[4]经引导光纤[3a]、[4a]，引导光纤[3a]接光缆[9]中的纤芯[3b]，引导光纤[4a]经首端盒[11]后接光缆[9]中的纤芯[7]、纤芯[8]，纤芯[3b]和纤芯[7]、纤芯[8]接末端盒[10]，从末端盒[10]接出的纤芯[1b]、[2b]再分别接引导光纤[1a]、[2a]并经端口[1]和[2]接光电探测器[12a]、[12b]，光电探测器[12a]、[12b]输出各接信号调理单元[14a]、[14b]后共同差动输入模数转换器[16a]，模数转换器[16a]的输出接信号处理计算机[18]的输入；从末端盒[10]接出的纤芯[7]、[8]接到首端盒[11]后经引导光纤[5a]、[6a]和端口[5]、[6]分别接光电探测器[12c]、[12d]，光电探测器[12c]、[12d]输出各接信号调理单元[14c]、[14d]后共同差动输入模数转换器[16b]，模数转换器[16b]的输出接信号处理计算机[19]的输入。
2.根据权利要求1所述的基于相位干涉的分布式光纤管道安全预警系统，其特征是所述首端盒[11]、末端盒[10]为光缆接续盒，盒中均为光纤耦合器。
3.根据权利要求1所述的基于相位干涉的分布式光纤管道安全预警系统，其特征是所述信号调理单元[14a]～[14d]为双二阶带通有源滤波器，它是由三只运算放大器A1、A2、A3组成的，A1组成的低(高)通有源滤波器经A2组成的反相器输出再经A3组成的高(低)阻滤波器反馈到A1组成的低(高)通有源滤波器输入，其中心频率可调，且增益不随中心频率变化。
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