CN101413627A - 一种光纤安全预警偏振控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种光纤安全预警偏振控制系统。它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)、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)组成的马赫－曾德光纤干涉仪及激光器(101)，连续单色激光器(101)通过第四光纤接扰偏器(410)，再由第五光纤接到第一合分波器(203)，而第一合分波器(203)由第六、第七光纤分别连接第一检偏器(412)和第二检偏器(413)，第一检偏器(412)和第二检偏器(413)分别接第一偏振检测器(407)和第二偏振检测器(408)后均由电信号线接至信号处理电路(411)。
Description
本发明是2006年6月30日申请、申请号2006100905998、发明名称为“光纤安全预警偏振控制系统”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安全保护预警的光纤安全预警偏振控制系统，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存在着因相位衰落和偏振衰落引起的信号消隐，不稳定，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安全保护的光纤预警系统稳定光路偏振态的光纤安全预警偏振控制系统。
针对现有的管道安全监测技术存在的问题，本发明提出一种基于采用偏振衰落控制技术的双马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪原理，消除了因偏振衰落引起的信号消隐，形成了具有稳定偏振态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。利用与管道同沟敷设或构筑物或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，稳定地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；接信号识别系统及其它系统还可确定引起土壤振动事件的性质和类别，进行数据远传或者本地报警。
本发明的原理框图如图1所示，它是连续单色激光器101通过光纤接扰偏器410，再由光纤接到与合分波器204和三根光纤1、光纤2、光纤3构成马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪的合分波器203，而合分波器203由光纤分别连接检偏器412和检偏器413，检偏器412和检偏器413分别接偏振检测器407和偏振检测器408后均由电信号线接至信号处理单元411。
本方案的电原理如图2所示，连续单色激光器101通过光纤接到扰偏器410的输入，扰偏器410的输出再由光纤接到光纤干涉仪的合分波器203，而合分波器203由光纤分别接检偏器412、检偏器413的输入，检偏器412、检偏器413的输出分别接偏振检测器407和偏振检测器408的输入，偏振检测器407和偏振检测器408的输出接信号处理单元411的输入。
其中所述扰偏器410、检偏器412、检偏器413、偏振检测器407、偏振检测器408、信号处理单元411均有市销产品可供选择。
本发明的实现原理是：
(1)在非保偏光纤干涉仪上传播的两束偏振光有任意的偏振态，光纤干涉仪输出光强信号经光电转换后可以写成：
V0∝1+Vcos(φs+φn+φ0)+Vn
其中，V0是输出的电压信号，V是干涉仪的可视度，Vn是电路附加噪声，φs为由土壤振动声波引起的相差信号，即为要探测的土壤振动声波信号，φ0为干涉仪的初始相位，是个常量，φn为位相差的低频漂移，是一个不确定量，随温度和外界环境影响而变化。
由于光纤的微弯、扭曲、环境温度的变化导致光纤输出偏振态随机变化，反映在可视度V在0～1之间随机变化，此现象被称为光纤干涉仪的偏振诱导信号衰落现象。
干涉型光纤安全预警系统基于采用了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同一干涉仪两次利用光路结构。当干涉的两束光为线偏振光，振幅相等，且偏振方向一致时，干涉仪的可见度为1，信号达到最好干涉；当两束光偏振方向相互垂直时，干涉项为0，信号完全衰落；而光纤传感器途经管道沿线的环境变化非常复杂，干涉的两束光经远距离传输后，为椭圆偏振光，并随时间缓慢变化，干涉仪的可见度一般小于1，且随环境而随机变化。这种由于偏振态的变化而导致干涉信号的随机衰落，导致检测信号的信噪比变化，这是在进行光纤安全预警系统信号检测时不愿意看到的现象。
针对这种现象，本发明提出的方案，在干涉仪的光源输入端加上一个扰偏器和在输出端放置一个任意方向的光学检偏器，高频扰偏器与后面检偏器共同作用的结果相当于使检偏器高速旋转，它的物理意义是使光纤干涉仪输出信号高速投影在不同的检偏器，经高通滤波后而取得某一种平均值。
图1中，光纤1、光纤2为干涉光纤，光纤3传输光纤，合分波器203、合分波器204与光纤1、光纤2组成马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪。连续单色激光器101发射的单色激光，通过光纤到扰偏器407，由光纤到合分波器203的单色激光被分为两路：其中一路激光由马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤合分波器203端入射，在合分波器204端合波而形成干涉光波，干涉光波再通过光纤3传回合分波器203，其中另一路激光通过光纤3传到合分波器204，由马赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉仪合分波器204端入射，在合分波器203端合波而形成干涉光波。
连续单色激光器101输出的激光被扰偏器410高速扰偏，干涉仪输出的两路干涉光被检偏器412和检偏器413检偏，它的物理意义是使光纤干涉仪输出信号高速投影在不同的检偏器，经高通滤波后而取得某一种平均值，使得系统达到一个稳定偏振态。
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类别；且监测稳定、可靠、无漏检；从根本上解决了埋地管道、构筑物或地面构筑物、重要设施与区域免受破坏的光纤安全预警系统光路偏振衰落引起的信号消隐难题。
附图说明
图1光纤安全预警偏振控制系统原理框图
图2光纤安全预警偏振控制系统电原理图
其中101—连续单色激光器 201—偏振控制器
202—偏振调制器 203—合分波器
204—合分波器 206—相位调制器
407—偏振检测器 408—偏振检测器
410—扰偏器
411—信号处理单元 412—检偏器
413—检偏器
具体实施方式
实施例.本例是一实验样机，其构成如图1所示，电路如图2所示。连续单色激光器101通过光纤接到扰偏器410后，再由光纤接到与合分波器204和三根光纤1、光纤2、光纤3构成马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪的合分波器203，而合分波器203由光纤分别连接检偏器412和检偏器413的输入，检偏器412和检偏器413的输出接偏振检测器407和偏振检测器408的输入，偏振检测器407和偏振检测器408的输出均由电信号线接至信号处理单元411。
其中连续单色激光器101选型号：OHERAS ADJUSTIK HP E15；扰偏器410：扰偏器型号：EXFO公司的IQS-5100B；检偏器412、检偏器413：Phoenix Photonics公司POL-20-15-PP-1-0；偏振检测器407和偏振检测器408：偏振分量探测器PDD-001-13-SM-NC；信号处理单元411：信号处理单元411由偏振控制主机处理。
本实验样机经某管线实际使用、测试，对地面动土开挖、触动管道、在管道上焊接、打孔均能有效测知，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；且稳定、可靠、无漏检。
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偏振控制系统，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)、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)组成的马赫-曾德光纤干涉仪及激光器(101)，其特征是连续单色激光器(101)通过第四光纤接扰偏器(410)，再由第五光纤接到第一合分波器(203)，而第一合分波器(203)由第六、第七光纤分别连接第一检偏器(412)和第二检偏器(413)，第一检偏器(412)和第二检偏器(413)分别接第一偏振检测器(407)和第二偏振检测器(408)后均由电信号线接至信号处理电路(411)；连续单色激光器(101)输出的激光经扰偏器(410)高速扰偏，马赫-曾德光纤干涉仪输出的两路干涉光被第一检偏器(412)和第二检偏器(413)检偏，使光纤干涉仪输出信号高速投影于两个检偏器，经高通滤波后取得一种平均值，使得系统达到一个稳定偏振态。
2.根据权利要求1所述的一种光纤安全预警偏振控制系统，其特征是其电路构成为连续单色激光器(101)通过光纤接到扰偏器(410)的输入，扰偏器(410)的输出再由光纤接到马赫-曾德光纤干涉仪的第一合分波器(203)，而第一合分波器(203)由光纤分别接第一检偏器(412)、第二检偏器(413)的输入，第一检偏器(412)、第二检偏器(413)的输出分别接第一偏振检测器(407)和第二偏振检测器(408)的输入，第一偏振检测器(407)和第二偏振检测器(408)的输出接信号处理单元(411)的输入。
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