CN101403473B - 一种光纤安全预警相位控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种光纤安全预警相位控制系统。它是由连续单色激光器(101)用第四光纤接第一合分波器(203)后由第五、第六两根光纤分别接第一光电检测器(309)和第二光电检测器(310)，该两光电检测器之后分别由电线接第一A/D采集卡-1(314)和第二A/D采集卡(315)后共接到有第二信号发生器(514)输入的混频器(517)，混频器(517)输出依次串联滤波器(518)、信号处理器(519)、滤波器(520)、信号解调器(521)；连续单色激光器(101)用光纤接第一信号发生器(513)，第一信号发生器(513)输出接串联在第一光纤(1)或第二光纤(2)中的相位调制器(206)。

Description

一种光纤安全预警相位控制系统

本发明是2006年6月30日申请、申请号2006100905926、发明名称为“光纤安全预警相位控制系统”的分案申请。

技术领域

本发明是一种埋地构筑物或重要设施与区域的一种安全保护预警的光纤安全预警相位控制系统，涉及机械振动的测量、冲击的测量和管道系统技术领域。

背景技术

对于石油、天然气、成品油、煤浆以及水等物质来说，管道输送是一种安全、经济以及高效的运输方式，在全球运输行业中发挥着越来越重要的作用，尤其在石油、成品油和天然气这些具有易燃易爆和交易价值极高的能源物质运输中占有极为重要的位置，在我们国家，每年至少新建几千公里的管道，可以说，管道是能源运输的大动脉。管道输送的石油、成品油和天然气既有极高的交易价值也有易燃易爆这一特性，管道一旦泄漏，泄漏区域极易发生燃烧爆炸，不仅影响管道行业的安全生产，造成巨大的经济损失，而且也严重威胁着周边沿线人民群众的财产与生命安全。另外，管道泄露对周边生态环境造成的危害更是无法估量。

自从有了管道，也就有了来自外界的破坏。尤其是近些年来，油价上涨，在利益的驱动下，不法分子利欲熏心，在管道上打孔盗油、盗气；国家基础建设大量上马，管道沿线施工工地随处可见；此外，滑坡、泥石流等自然灾害频频发生，这些都时刻威胁着管道的生产安全，其中打孔盗油和非法施工成为威胁管道安全生产的首要因素。

据不完全统计，仅我国每年因外界破坏而造成的管道泄漏或爆炸上千余次，直接经济损失达几亿元，环境破坏和社会影响等间接损失更是无法估量。为防止外界对管道的破坏，管道运输行业每年投入了大量的人力物力，但是仍然无法有效地预防和阻止破坏。管道运输行业的安全生产形式非常严峻，寻找确保管道运输安全生产的手段和方法已迫在眉睫。

随着管道运输行业的发展，各种管道运输安全监测技术也在不断发展，目前已有的管道安全生产监测技术主要有两类。其一：管道泄漏事件发生后的监测技术，这种技术主要有“管内流体力学状态检测技术和分布式光纤温度和应力监测技术”。管内流体力学状态检测技术是实时采集管线中流体的流量、温度和压力等信号，进行管道泄漏检测和定位，这种技术受到管道内的流体特性、输送工艺以及测试仪器的性能等因素限制，对管道泄漏监测的灵敏度和定位精度较低，这类技术包括：压力梯度法、负压力波法、流量平衡法。分布式光纤温度和应力监测技术是利用光纤的非线性特性(拉曼效应和布里渊效应)实时采集管道泄漏的介质对光纤的温度影响和冲击应力来确定泄漏点的位置，这种技术受到光缆的结构和光缆与泄漏点的距离限制而影响监测效果。其二，管道破坏事件发生前的预防监测技术，也就是管道破坏预警技术，目前已有的该类技术主要是“声波技术监测”，该技术是利用声波沿管道传输原理，在每隔1公里左右安装一个有源传感器，拾取管道沿线的声音信号加以分析，确定事件性质，进而对破坏管道的事件提前发现，但是每一个传感器件必须配备一套供电装置和通信装置，不仅增加设备的投资和维护成本，且这些设施本身也容易遭到破坏，使装置不能正常运行。

针对现有的管道安全监测技术存在的问题，澳大利亚有专利提出基于马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪原理，用光纤传感振动的技术方案。该发明对长距离的线目标或大面积的面目标的安全预警是一突破，但不足的是该发明之光路系统不稳定，存在因相位衰落和偏振衰落引起的信号消隐，很难有效工作。

发明内容

本发明的目的是发明一种埋地构筑物或重要设施与区域的安全保护预警的光纤预警系统光路稳定相位的一种光纤安全预警相位控制系统。

本发明针对现有的管道安全监测技术存在的问题，提出了一种基用相位衰落控制技术的双马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪原理，消除了因相位衰落引起的信号消隐，形成了具有稳定相位的两路同步干涉激光调制信号在干涉仪上相对传输并在干涉仪双端拾取的光路结构。它是利用与管道同沟敷设或构筑物、重要设施与区域周围地下光缆中的普通通信光纤作为干涉仪的干涉臂和传输光纤，进而形成连续分布式的土壤振动检测传感器，拾取管道附近沿线土壤的振动信号。当然后接定位系统，根据两路激光信号的传输时间差值分析计算出管道附近沿线的土壤振动事件的发生位置。再接信号识别系统就可确定引起土壤振动事件的性质和类别。在此基础上，再配备各个功能系统或者模块，经由本地管理系统控制、分析与处理后，通过通信系统或者报警输出系统进行数据远传或者本地报警。

本发明的实现原理是：

光纤安全预警系统干涉仪输出光强信号经光电转换后可以写成：

$I_0=I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}\cos ({\mathrm{\φ}}_s+{\mathrm{\φ}}_n+{\mathrm{\φ}}_0)---\left(1\right)$

其中：I₁、I₂分别是干涉仪两个臂的光强，I₀是输出的合成总光强，φ_s表示土壤振动信号引起的相位变化，φ_n表示各种干扰与噪声，φ₀表示初始位相，所有上面三项位相都指干涉仪两臂的位相差信号。

输出光强信号经光电探测器转换成电信号后可以用下式表示：

$V=V_1+V_2+2\sqrt{V_1{V}_2}\cos ({\mathrm{\φ}}_s+{\mathrm{\φ}}_n+{\mathrm{\φ}}_0)---\left(2\right)$

其中，V是输出的电压信号，V₁、V₂对应公式(1)中的I1、I2，V1、V2都是常量。为分析问题的方便，(2)式可以写成：

V＝A+Bcos(φ_s+φ_n)    (3)

其中，A＝V₁+V₂，

φ₀并入φ_n。一般外界干扰信号φ_n是低频大信号，φ_s为高频小信号，当信号有一微小变化量Δφ_s时：

ΔV≈Bsinφ_n·Δφ_s    (4)

由于低频干扰φ_n随机变化，且幅度大，由(4)式不难得出系统输出的信噪比在变化，且当sinφ_n＝0时，信号完全消隐。干涉仪输出信号随外界环境的变化而出现的信号随机涨落现象，称为干涉仪的相位衰落现象。针对这种现象，本发明提出了两种方法。

本系统的技术方案如图1所示，是相位载波(PGC)调制解调，这是一种无源解调技术。通过调制加入干涉仪的相位调制器或直接调制光频，在干涉仪中加入了一个周期变化的相位差，使光纤安全预警系统的输出变为：

V＝A+Bcos(Ccosω₀t+φ_s+φ_n)        (6)

其中C反映调制深度，ω₀是调制频率。它实际上是使系统工作点在一个很大的范围内变化，系统既不能停留在相位响应的最高灵敏区，也不会陷在不灵敏区，最终使得系统有一个平均稳定的相位灵敏度。

对(6)式用调制信号ω₀及其倍频信号进行混频并低通滤波后得到：

BJ₁(C)sin(φ_s+φ_n)    (7)

BJ₂(C)cos(φ_s+φ_n)    (8)

其中，J₁、J₂表示一阶、二阶Bessel函数。上两式分别微分并与微分前另一方相乘，最后结果相减，得到：

$B^2{J}_1\left(C\right)J_2\left(C\right)\frac{d({\mathrm{\φ}}_s+{\mathrm{\φ}}_n)}{\mathrm{dt}}---\left(9\right)$

积分后得到：

B²J₁(C)J₂(C)(φ_s+φ_n)(10)

高通滤波，并对系统输出进行解调后得到土壤振动而产生的信号相位值φ_s。

本方案的构成[见图1]是它由连续单色激光器101用光纤接到合分波器203，合分波器203由两根光纤分别接光电检测器309和光电检测器310，该两光电检测器309和光电检测器310之后分别由电线接A/D采集卡314和A/D采集卡315后共同接到有信号发生器514输入的混频器517，混频器517输出依次串联滤波器518、信号处理器519、滤波器520、信号解调器521，解调出土壤振动而产生的相位信号；同时连续单频激光器101用光纤接到信号发生器513，再由信号发生器513输出接串联在光纤1或光纤2中的相位调制器206。

干涉信号经光电检测器309和光电检测器310转换后，由A/D采集卡314和A/D采集卡315进行量化，信号发生器513产生一个幅度为A频率为F的调制信号，调制连续单色激光器101或者调制干涉仪一个干涉臂上的相位调制器206，在干涉仪中产生一个周期变化的相位差，光电检测器309和光电检测器310检测出干涉仪两路输出光并转为电信号，送给A/D电路314和A/D电路315变换后，送给混频器517与信号发生器514产生的频率为F的信号以及其倍频信号混频，经过滤波器518滤波后，信号处理器519经过微积分和加减运算后，再经过滤波器520，最后由信号解调器521解调出土壤振动而产生的相位信号。

本方案的电原理如图2所示，合分波器203由两根光纤接具有两路光电检测器309、光电检测器310及信号调理功能的光电信号处理电路309-1的两路光输入口，光电信号处理电路309-1的两路电输出口各接一A/D采集卡314和A/D采集卡315，A/D采集卡314和A/D采集卡315的输出接具有混频器517、信号发生器514、滤波器518、信号处理器519、滤波器520和信号解调器521功能的信号解调主机521-1输入口，信号发生器513输出接一相位控制器205-2，再由相位控制器205-2的输出接串联在光纤1或光纤2中的相位调制器206。这里用光电信号调理电路309-1实现了两路光电检测器309、光电检测器310的功能；用信号解调主机521-1实现了混频器517、信号发生器513、滤波器518、信号处理器519、过滤波器520和信号解调器521的功能。

其中所述光电检测器309、光电检测器310、A/D采集卡314、A/D采集卡315、信号发生器513、信号发生器514、混频器517、滤波器518、信号处理器519、滤波器520、信号解调器521、相位控制器205-2、相位调制器206均为市销产品，可恰当选择，或一机多用。

信号发生器513产生一个幅度为A频率为F的调制信号，调制连续单色激光器101或者调制干涉仪一个干涉臂上的相位调制器206，在干涉仪中产生一个周期变化的相位差，光电检测器309和光电检测器310检测出干涉仪两路输出光并转为电信号，送给A/D电路312和A/D电路313变换后，送给混频器517与信号发生器514产生的频率为F的信号以及其倍频信号混频，经过滤波器518滤波后，信号处理器519经过微积分和加减运算后，在经过滤波器520，最后由信号解调器521解调出土壤振动而产生的相位信号。

附图说明

图1光纤安全预警相位控制系统原理框图

图2光纤安全预警相位控制系统电原理图

其中101-连续单色激光器  203-合分波器

204-合分波器            205-相位控制器

206-相位调制器

309-光电检测器    310-光电检测器

314-A/D采集卡     315-A/D采集卡

513-信号发生器    514-信号发生器

517-混频器        518-滤波器

519-信号处理器    520-滤波器

521-信号解调器

具体实施方式

实施例.本例是一工业实验样机，其构成如图1、图2所示。图中，粗连接线为光纤，细连接线为电线。具体构成为：由连续单色激光器101用光纤接到合分波器203，合分波器203由两根光纤分别接光电信号处理电路309-1的两光输入口，光电信号处理电路309-1的两电输出口分别由电线接A/D采集卡314和A/D采集卡315的输入口，A/D采集卡314和A/D采集卡315的输出口共同接到信号解调主机521-1；信号解调主机521-1代替了有信号发生器514输入的混频器517、滤波器518、信号处理器519、滤波器520、信号解调器521；同时连续单色激光器101用光纤接到信号发生器513，再由信号发生器513输出接相位控制器205-2的输入，相位控制器205-2的输出接串联在光纤1或光纤2中的相位调制器205。

其中：连续单色激光器101选型号：选KOHERAS ADJUSTIK HP E15；合分波器203和合分波器204型号：郎光公司的WDM-A-2×2-1550-1-FC/UPC-3*54；光电信号调理电路309-1：选通用电路两光纤输入口；输入范围：-20～-45dBm，输出范围：-3V～+3V；A/D采集卡-1314和A/D采集卡-2315型号：PXI-5112，2channel，100MHz，32MB/Channel，8-bit；信号解调主机521-1型号：NIPXI-10428-Slot 3U CPU：PXI-8186P42.2I/O：NI；信号发生器513型号：Agi lent33250A；相位控制器205-2：OZ OPTICS FICE PZ-STD-FC/PC；相位调制器206：OZ OPTICS FICE PZ-STD-FC/PC。

干涉信号经光电信号处理电路309-1转换后，由A/D采集卡314和A/D采集卡315进行量化，信号发生器513产生一个幅度为A频率为F的调制信号，调制连续单色激光器101或者调制干涉仪一个干涉臂上的相位调制器206，在干涉仪中产生一个周期变化的相位差，光电信号处理电路309-1检测出干涉仪两路输出光并转为电信号，送给A/D电路314和A/D电路315变换后，送给信号解调主机521-1产生的频率为F的信号以及其倍频信号混频，经过滤波、微积分和加减运算后，再经过滤波，最后解调出土壤振动而产生的相位信号。

本系统加入光纤安全预警系统，经某管线实际使用、测试，对地面动土开挖、触动管道、在管道上焊接、打孔均能稳定测知，对土壤振动信号的检测具有很高的灵敏度，可以有效检测光缆附近3米以内的任何土壤振动信号；且检测稳定、可靠，无漏检。

本系统不但适用于管道的安全防范与预警，也适用于其它重要设施和重要区域的安全防范与预警。

由上可见，本发明可以有效检测光缆附近3米以内的任何土壤振动信号并准确判断事件性质；事件检测定位精度高，定位精度可达±10米，监测距离长，单套系统的监测距离可达120公里左右；且监测稳定、可靠、无漏检；从根本上消除了用于埋地管道、构筑物或地面构筑物、重要设施与区域的光纤安全预警系统因相位衰落引起的信号消隐问题，使光纤安全预警系统稳定、可靠。

Claims (2)

1.一种埋地构筑物或重要设施与区域安全保护预警的光纤安全预警相位控制系统，包括敷于埋地构筑物或重要设施与区域周围地下的第一光纤(1)、第二光纤(2)、第三光纤(3)及由第一合分波器(203)、第二合分波器(204)与第一光纤(1)、第二光纤(2)组成马赫-曾德光纤干涉仪及激光器(101)，其特征是由连续单色激光器(101)用第四光纤接到第一合分波器(203)，第一合分波器(203)由第五、第六两根光纤分别接第一光电检测器(309)和第二光电检测器(310)，该第一电检测器(309)和第二光电检测器(310)之后分别由电线接第一A/D采集卡(314)和第二A/D采集卡(315)后共同接到有第二信号发生器(514)输入的混频器(517)，混频器(517)输出依次串联滤波器(518)、信号处理器(519)、滤波器(520)、信号解调器(521)，解调出土壤振动而产生的相位信号；同时连续单色激光器(101)用光纤接到信号发生器(513)，再由第一信号发生器(513)输出接串联在第一光纤(1)或第二光纤(2)中的相位调制器(206)；

干涉信号经第一光电检测器(309)和第二光电检测器(310)转换后，由第一A/D采集卡(314)和第二A/D采集卡(315)进行量化，第一信号发生器(513)产生一个幅度为A、频率为F的调制信号，调制连续单色激光器(101)或者调制干涉仪一个干涉臂上的相位调制器(206)，在干涉仪中产生一个周期变化的相位差，第一光电检测器(309)和第二光电检测器(310)检测出干涉仪两路输出光并转为电信号，送给第一A/D采集卡(314)和第二A/D采集卡(315)变换后，送给混频器(517)与第二信号发生器(514)产生的频率为F的信号以及其倍频信号混频，经过滤波器(518)滤波后，信号处理器(519)经过微积分和加减运算后，再经过滤波器(520)，最后由信号解调器(521)解调出土壤振动而产生的相位信号。

2.根据权利要求2所述的一种光纤安全预警相位控制系统，其特征是第一合分波器(203)由两根光纤接具有两路第一光电检测器(309)、第二光电检测器(310)及信号调理功能的光电信号处理电路(309-1)的两路光输入口，光电信号处理电路(309-1)的两路电输出口各接第一A/D采集卡(314)和第二A/D采集卡(315)，第一A/D采集卡(314)和第二A/D采集卡(315)的输出接具有混频器(517)、第二信号发生器(514)、滤波器(518)、信号处理器(519)、滤波器(520)和信号解调器(521)功能的信号解调主机(521-1)输入口，第一信号发生器(513)输出先接一相位控制器(205-2)，再由相位控制器(205-2)输出接串联在第一光纤(1)或第二光纤(2)中的相位调制器(206)。 

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