CN101393268A - 基于通信光缆的地震预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于通信光缆的地震预警系统，可对光缆铺设区域地质状况进行实时监控，通过光缆所受的振动信息来判定地震是否发生，并利用地震波传输速度与光波传输速度的差异来实现预警功能，地震预警系统可提前数十秒甚至更多的时间将威胁性强震信息传输到各个可能受威胁的城镇，尽可能减少强震带来的损失。本系统还可用于监控光缆铺设区域的山体滑坡、泥石流等局部地质灾害和人为破坏等恶性事件；具有监测范围广、灵敏度高、可靠性好、投资小、利用率高等特点。

Description

基于通信光缆的地震预警系统

技术领域

本发明涉及基于通信光缆的地震预警系统，属于光缆监控、地震预警领域。

背景技术

地震预警是指在地震发生以后，抢在地震波传播到设防地区前，向设防地区提前几秒至数十秒发出警报，以减小当地的损失。

目前，世界上已开发使用的地震预警系统很多，所用的技术一般是基于地震波的横波和纵波的时间差。地震波分为横波和纵波，其中横波是造成灾害的主要原因，但在地壳中传播速度较慢，约4km/s。纵波传播方向与地震振动方向一致，在地壳中传播较快，约7km/s，当它到达地面时物体会上下颠簸。所以可以在破坏力大的横波到来前几秒至几十秒推测出震源、震级和烈度，并通过数据传输介质传递到可能受到影响的地区，让这些地区的重要设施及人群密集区提前十几秒能够做出应急措施。

发明内容

本发明旨在提供一种基于通信光缆的地震预警系统，可对光缆铺设区域地质状况进行实时监控，通过光缆的振动信息来判定地震是否发生，并利用地震波传输速度与光波传输速度的差异来实现预警功能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：基于通信光缆的地震预警系统，由通信光缆、光反馈装置、光缆振动信息提取装置和光缆振动信息处理平台组成；所述光反馈装置是一个法拉第旋转平面镜，安装在通信光缆的一端的光纤端面处；通信光缆的另一端与光缆振动信息提取装置相连，所述光缆振动信息提取装置是一种白光干涉式全光纤干涉装置，主要由激光器、全光纤干涉装置和光电探测数据处理系统组成，所述激光器的激光经过全光纤干涉装置的耦合器分光，一路经准直后、通过光缆的光纤传输至光反馈装置、并被反射再通过光缆返回、经准直和延时反射后、被耦合器的一端接收，另一路经延时反射和准直后、通过光缆的光纤传输至光反馈装置、并被反射再通过光缆返回、经准直后、被耦合器的另一端接收，差频干涉后，产生稳定的干涉条纹，经探测器光电转换后，得到两路干涉信号；所述光缆振动信息处理平台主要由计算机数据处理系统组成，它与振动信息提取装置连接。

所述通信光缆占用通信线路中1个信道，可使用已铺设好、正在运营中、且具有1信道预留的老通信光缆线路，也可使用新设计的通信光缆线路。

所述光缆振动信息提取装置使用的激光器是工作波长为1.31μm或1.55μm的超辐射发光二极管；所述全光纤干涉装置可以由三只2×2光纤耦合器组成，也可以由一只2×2光纤耦合器和一只3×3光纤耦合器组成。

所述光反馈装置可以是法拉第旋转镜，也可以在通信光缆的光纤端面镀反射膜作为反射镜。

本发明利用了近20年来迅速发展的光纤通讯网络，构建传感、传输合一的网络，无需构建全新的地震监控站，已经铺设的光缆就是地震观测传感器，大大加大了监测面积；同时，在现有的通讯网络上，无需采用任何专用传感器件，不影响通讯功能。因此本发明地震预警系统具有以下特点：

1、监测范围广、投资小、利用率高。

2、报警信息传输速度极高，事实上，采用光缆网络构建的地震预警系统，其信息传递时间为光速，而具有危害性的地震横波传播速度仅为每秒4公里。这样巨大的速度差，能为更多生命财产的保全争取宝贵的时间。

3、监控区域与保护或报警的明确对象相关。网络布设必然是有人活动的地域，布设密度也与人口密度大致成比例关系。换言之，越是需要保护的高危区域，这种传感网络密度越高、灵敏度、可靠性也越高。

4、突出的全系统抗毁损性。光纤光缆通讯网络分布稠密，并广泛应用现代可靠的路由技术，确保即便有个别区域在强震时发生断裂、破坏，也依然能经由网络将报警信息有效传递出来。

5、进一步开发出系统衍生功能，还可利用该系统实现对现有光缆网络安全性的实时监控，对各种威胁网络输运介质安全的盗窃、窃听、破坏活动进行预警。

因此，本发明所述的基于通信光缆的地震预警系统可提前数十秒甚至更多的时间将威胁性强震信息传输到各个可能受威胁的城镇，尽可能减少强震带来的损失。本系统还可用于监控光缆铺设区域的山体滑坡及人为破坏等事件。

附图说明

图1为本发明基于通信光缆的地震预警系统结构示意图；

图2为地震波对光缆的扰动示意图；

图3为光缆感受人为扰动示意图；

图4为山体滑坡对光缆的扰动示意图；

图5为光缆感受大范围扰动的频谱波形图；

图6为光缆感受单点扰动的频谱波形图；

图7为光缆感受小范围扰动的频谱波形图。

具体实施方式

本发明按图1所示搭建基于通信光缆的地震预警系统。光反馈装置连接所铺设通信光缆的一端，通信光缆的另一端接光缆振动信息提取装置，光缆振动信息提取装置的输出信号通过数据采集卡将信号采集进计算机进行信号处理，通过软件算法构造光缆振动信息处理平台。

通信光缆占用通信线路中1个信道。可应用于铺设好、有1信道预留的老线路，也可应用于新设计线路中。系统监控范围可达100km以上。

光反馈装置的功能是反射入射光信号，调整光路偏振态，使光缆振动信息提取装置能完成对同一振动信号两次不同时刻的提取。

光反馈装置的特点是不仅可以实现传输的光正反方向两次通过扰动点，在相同外界信号激励的环境下使得相位灵敏度提高一倍，而且能够有效地避免扰动点处的光纤(相当于一个相位调制器)偏振态随机变化对干涉系统的影响；同时，能够实现相位调制信息的单根光纤提取。

在相同的外界信号激励下，采用光波在传感光纤中通过两次的技术方案，得到相位差的倍增效果，即实现了相位灵敏度提高一倍。所以此类相位调制方法除了应用于光纤定位监测系统之外，还可以广泛应用于光纤传感、光纤通信领域。

实现上述方法的反馈装置由两种选择，其一为采用在传感光纤端面镀反射膜的方式，使得光纤中的光到达端面后被重新耦合到光纤中，此时的反射膜可以作为平面镜处理；其二在光纤端面采用法拉第旋转平面镜，使得光被反射的同时，光的偏振面旋转90°，然后再耦合到传感光纤中实现了双倍调制。在光纤干涉系统中都会遇到偏振态的随机扰动问题，严重时，会造成干涉条纹消失。采用上述反馈装置，能够有效克服外界扰动作用在传感光纤上时发生的偏振态变化造成的干涉条纹消失。

光缆振动信息提取装置的功能是将作用于铺设光缆上的各种振动信息提取出来。任何一次地震都表现为对环境的振动，根据光纤的“弹光”效应，任何振动都会引起光缆内传输光程发生变化，利用前期光纤振动传感技术(专利：全光纤振动测量装置，专利号：ZL03229729.7；构建光纤反馈延迟的方法及其构建的全光纤白光干涉系统，专利号：ZL200410093482.6)，能够有效实现对光缆环境振动的检测。

具体来说，光缆振动信息提取装置是一种白光干涉式全光纤干涉装置，主要由激光器、全光纤干涉装置和数据处理系统组成。其中激光器是工作波长为1.31μm或1.55μm的超辐射发光二极管；全光纤干涉装置可以由三只2×2光纤耦合器组成，也可以由一只2×2光纤耦合器和一只3×3光纤耦合器组成，激光经过耦合器分光、差频干涉后，可直接测量振动对象，产生稳定的干涉条纹，经探测器光电转换后，得到两路干涉信号。

其工作原理是：构造光路使得光纤中传导的光波不同时刻往返通过扰动点(非法入侵时引起的振动)，监测光纤的扰动使干涉系统中形成相位差

。而相位差

的变化反应了外界扰动信号的大小，因此只要通过算法将反演出来，就可以完成对外界振动信号的提取功能。这可将两路干涉信号用数据采集卡接入计算机通过软件来实现，是光缆振动信息处理平台的一部分功能。

光缆振动信息处理平台的功能是将两路干涉信号还原为外界振动信号，并对振动信号进行分析，判定是地震还是局部环境扰动，这是整个系统的核心技术。地震发生引起地面振动是一个区域问题，不是某一点发生的振动。根据地震的这个特性，一定存在这样一个事实，地震对光缆的扰动区域一定是长距离的，如图2所示。而一般的山体滑坡和人为扰动对光缆的扰动是短距离的，如图3和图4所示。利用前期技术积累，我们构建的系统利用振动频谱特性中存在频率缺损特性，可准确确定出外界局部扰动的具体位置。如果光缆铺设环境发生了大范围(1km以上)扰动，我们定义为地震发生。在这种情况下，系统可根据振动频谱特性中频率缺损不存在这一特点，准确判定出地震发生事件。

频谱缺损点产生的原理是基于当扰动信号作用于传感光纤时，系统无法感应扰动信号中某一周期性的特征频率，表现为对

作快速傅里叶变换后频谱域上这一系列特征扰动频率对应的幅值明显小于周边频率对应的幅值，存在所谓“陷波点”，根据“陷波点”的位置可以对扰动点进行定位。

因此，光缆振动信息处理平台首先通过两路干涉信号时域波形的幅度大小判断是否有扰动产生，若有，再将其还原为外界振动信号，再对其运用频谱分析等信号处理方法求得振动频谱，可得到缺损频谱值f_null(k)。但若扰动是大面积的，则频谱上不会有缺损点产生。利用这一特征可判定是否为地震产生的扰动。

分别对铺设光缆施加不同范围内的扰动信号。对光缆施加大范围的扰动信号所得到的频谱波形图如图5所示。在光缆的某一处施加扰动信号所得到的频谱波形图如图6所示。对光缆施加小范围的扰动信号所得到的频谱波形图如图7所示。从三图的比较中可以看出，当光缆感受大范围扰动时，所采集的信号频谱图上不存在频率缺损点；而当光缆感受单点扰动时，所采集的信号频谱图上频率缺损点十分明显，并且这些频率缺损点呈单倍、三倍、五倍......的关系；当光缆感受小范围扰动时，所采集的信号频谱图上存在频率缺损点，但不太明显。由这些区别中可确定是地震还是局部环境扰动或人为扰动。

因为光波传输速度远大于地震波传输速度，所以完全可以利用这一速度差异来实现预警功能。系统可提前数十秒将威胁性强震信息传输到各个可能受威胁的城镇，尽可能减少强震带来的损失。

此外，由于整个监控系统与通信系统共享线路硬件，获得的地震预警信息可在第一时间通过所铺设的光缆发布到各通信终端，通过手机短信、电视、广播等媒体将地震警报信息向民众告知，进一步为避震赢得时间。

Claims (4)

1.一种基于通信光缆的地震预警系统，其特征在于：它由通信光缆、光反馈装置、光缆振动信息提取装置和光缆振动信息处理平台组成；所述光反馈装置是一个法拉第旋转平面镜，安装在通信光缆的一端的光纤端面处；通信光缆的另一端与光缆振动信息提取装置相连，所述光缆振动信息提取装置是一种白光干涉式全光纤干涉装置，主要由激光器、全光纤干涉装置和光电探测数据处理系统组成，所述激光器的激光经过全光纤干涉装置的耦合器分光，一路经准直后、通过光缆的光纤传输至光反馈装置、并被反射再通过光缆返回、经准直和延时反射后、被耦合器的一端接收，另一路经延时反射和准直后、通过光缆的光纤传输至光反馈装置、并被反射再通过光缆返回、经准直后、被耦合器的另一端接收，差频干涉后，产生稳定的干涉条纹，经探测器光电转换后，得到两路干涉信号；所述光缆振动信息处理平台主要由计算机数据处理系统组成，它与振动信息提取装置连接。

2.根据权利要求1所述的基于通信光缆的地震预警系统，其特征在于：所述通信光缆占用通信线路中1个信道，可使用已铺设好、正在运营中、且具有1信道预留的老通信光缆线路，也可使用新设计的通信光缆线路。

3.根据权利要求1或2所述的基于通信光缆的地震预警系统，其特征在于：所述光缆振动信息提取装置使用的激光器是工作波长为1.31μm或1.55μm的超辐射发光二极管；所述全光纤干涉装置可以由三只2×2光纤耦合器组成，也可以由一只2×2光纤耦合器和一只3×3光纤耦合器组成。

4.根据权利要求3所述的基于通信光缆的地震预警系统，其特征在于：所述光反馈装置也可以在通信光缆的光纤端面镀反射膜作为反射镜。

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