CN103486444B - 基于3×3耦合器的Sagnac环形管道安全监测系统 - Google Patents

Abstract

基于3×3耦合器的Sagnac环形管道安全监测系统，属于光学传感器技术领域。其使用在沿管道铺设的光缆作为传感光纤，当管道附近发生破坏性扰动时，会在地表产生振动声源，经由土层作为传播介质，对光缆中的光纤产生局部的振动作用，这种振动会对光纤中传播的光信号进行调制，在光缆的终端利用光信号接收转换装置获得所需要的结果，并进行数据信号分析处理和安全性评价。光纤沿管道铺设，位于管道下方，外部为胶层保护，在激励端和接收端引出以串联方式连接用于激励和接收信号。本发明可解决其它方法不能对可能的破坏性行为，特别是低频扰动行为进行即时监测，无法对被破坏或扰动地点进行即时定位的现状，使监测时间、范围和判断精度得到了有效的提升。

Description

基于3×3耦合器的Sagnac环形管道安全监测系统

技术领域

本发明设计一种基于3×3耦合器的Sagnac光纤干涉仪传感器系统，属于光学传感器技术领域，其作用是把因外界扰动产生的声信号通过对光纤中传播的光信号进行调制，然后对被调制的光信号进行处理和分析，从而对所监测范围内管道沿线有无偷盗油或有无人为等破坏性扰动行为进行监测，对扰动发生地点进行定位。该传感器系统可以用于输油气管道的长距离安全监测，实现有效的预警监控。

背景技术

当前，对于管道沿线是否发生偷盗油或其它人为因素等威胁安全生产运行的行为事件、行为发生地点的确定，多为人工巡查、质量平衡法、应力波法、声波法等传统方法，但这些方法效率低，误判和盲点多，不能及时对带来管道破坏的行为进行监控，因此给管道安全运行监测带来了很多不便。北京工业大学的何存富、杭利军等发明了一种用于实时管道泄漏检测的分布式光纤传感器系统，使用方便且可实时在线监测，但该系统能量损耗较大，且对管道泄漏前威胁管道安全运行的行为还缺乏有效的预警监控，可监测信号幅值低、频率高，限制了其监测实效、空间范围和精度。

发明内容

本发明的目的在于解决了管道安全监测中外界实施的扰动所产生的振动信号无法准确、即时测量的缺点，以及扰动信号发生位置的在线实时定位，提出了一种用于实时管道安全监测的分布式光纤传感器系统。本发明中的监测系统提高了被监测信号的幅度及信噪比，可实现对低频扰动信号的监测，并提高了定位精度，可实现预警监控。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。包括光源1、起偏器2、光隔离器3、2×1耦合器4、3×3耦合器5、第一保偏器61、第二保偏器62、传感光纤7、压电陶瓷相位偏置补偿器8以及信号采集装置9。光源1发出的激光通过起偏器2和光隔离器3，通过2×1耦合器4进入3×3耦合器5，分为三路光，其中两路形成不同光回路结构。光在回路中分别经过第一保偏器61，传感光纤7，第二保偏器62以及压电陶瓷相位偏置补偿器8，或压电陶瓷相位偏置补偿器8，第二保偏器62，传感光纤7以及第一保偏器61，形成正反两个方向的传播回路，并最终在3×3耦合器5中形成三个干涉光信号，其中两路干涉光信号直接由信号采集装置9接收，一路干涉光信号经由耦合器4后由信号采集装置9接收，然后对三路信号进行分析处理。传感光纤部分为单模光纤作为传感器，沿被监测管道铺设，与非传感部分串联形成环状结构。压电陶瓷相位偏置补偿器8为柱状压电陶瓷环，外表缠绕N圈的光纤，N为大于20的整数，光纤需用强力胶固定，使光纤与压电陶瓷环紧密成为一体。压电陶瓷相位偏置补偿器8内外表各引有一根导线，导线与相位补偿电路输出端口相连，根据信号处理结果为相位偏置补偿器8提供所需的电压和调制频率。

本发明采用了以上的技术方案，使监测系统可监测到的扰动信号频率大幅降低，信号的信噪比得到比较明显的改善，进而增加了管道安全监测系统的实时监控和有效监测范围，并提高了监测精度。

附图说明

图1本发明系统整体示意图；

图2压电陶瓷相位偏置补偿器8示意图；

图3扰动频率为100Hz的信号频率计算图；

图4扰动频率为70Hz的信号频率计算图；

图5考虑有白噪声的情况下，扰动频率为70Hz的信号频计算图；

图6扰动频率为100Hz，扰动位置5000m的定位结果；

图7扰动频率为70Hz，扰动位置5000m的定位结果；

图8考虑有白噪声的情况下，扰动频率为70Hz，扰动位置5000m的定位结果；

图中，1、光源，2、起偏器，3、隔离器，4、2×1耦合器，5、3×3耦合器，61、第一保偏器，62、第二保偏器，7、单模光纤，8、压电陶瓷相位偏置补偿器，9、信号采集装置。

具体实施方式

结合本发明方法的内容提供以下实施例：

本实施例的结构如图1所示，包括光源1、起偏器2、光隔离器3、2×1耦合器4、3×3耦合器5、第一保偏器61、第二保偏器62、传感光纤7、压电陶瓷相位偏置补偿器8以及信号采集装置9。光源1发出的激光先后通过起偏器2、光隔离器3和2×1耦合器4进入3×3耦合器5，分为三路光，其中两路光分别进入第一保偏器61和第二保偏器62。两路光各自经过同一回路结构但相互独立，分别顺时针传播和逆时针传播，顺时针传播路径为第一保偏器61，传感光纤7、第二保偏器62、压电陶瓷相位偏置补偿器8；逆时针方向经由压电陶瓷相位偏置补偿器8、第二保偏器62、传感光纤7、第一保偏器61。顺逆光回到3×3耦合器5后发生干涉，产生3个干涉光信号，其中两个干涉光信号直接由信号采集装置9接收，一个干涉光信号经由2×1耦合器4后由信号采集装置9接收，然后对三路干涉光信号进行处理和分析。

本实施例中光纤为单模光纤，光纤传感部分长度11720m，光源波长为1550nm，光源功率19dB，光纤折射率1.5，光纤中光波速2×10⁸m/s。系统传感光纤部分和非传感部分均置于隔音层中。压电陶瓷相位调制器外加峰值为3V，调制信号为正弦电压。光信号经起偏器后输出的光波信号在光路中传播。相位补偿电路通过导线与相位偏置补偿器相连，提供设定的调制正弦电压。经距离长度为L的传感光纤后，经干涉有信号接收装置接收信号，通过光电转换器及端口输入到计算机中并进行处理分析。

对同一地点进行不同频率的扰动，实验结果如图3-图5所示，分别给出了不同频率扰动信号的角频率计算结果波形。图3给出了100Hz和70Hz扰动频率的监测信号计算结果，图4给出了70Hz扰动频率的监测信号计算结果，图5给出了带有白噪声情况下的70Hz扰动频率的监测信号计算结果。通过图3–图5信号可以看出，扰动信号频率的降低，以及白噪声信号的加入，没有影响对低频信号的检测，以及对扰动频率的计算。

通过上述分析可知，监测系统监测的扰动频率可达到100Hz以下，并可得到较为满意的结果，外扰动越强烈，产生的扰动信号强度越高，检测效果越好。图6、图7和图8为不同扰动频率下施加扰动的定位结果，从图中可以明显看出，通过采用基于3×3耦合器的Sagnac环型干涉仪的管道安全监测系统可以对管道沿线的外扰动信号进行实时地监测和较精确地定位，有效地提高了管道安全的监测效果。

Claims (3)

1.基于3×3耦合器的Sagnac环形管道安全监测系统，其包括光源（1）、起偏器（2）、光隔离器（3）、2×1耦合器（4）、3×3耦合器（5），第一保偏器（61）、第二保偏器（62）、传感光纤（7）、压电陶瓷相位偏置补偿器（8）以及信号采集装置（9）；其特征在于：光源（1）发出的激光通过起偏器（2）和光隔离器（3），通过2×1耦合器（4）进入3×3耦合器（5）后形成两个光回路结构；光在回路中形成分别经过第一保偏器（61）、第二保偏器（62）及压电陶瓷相位偏置补偿器（8）和分别经过压电陶瓷相位偏置补偿器（8）、第二保偏器（62）、第一保偏器（61）的正反两个方向的传播回路，并最终光路在3×3耦合器（5）中形成3路干涉光，其中一路经耦合器（4）由信号采集装置（9）接收进行分析处理，另外两路直接从3×3耦合器（5）干涉后由信号采集装置（9）接收，并进行分析处理。

2.根据权利要求1所述的基于3×3耦合器的Sagnac环形管道安全监测系统，其特征在于：所述的传感光纤（7）采用单模光纤作为传感器，沿被监测管道铺设，形成环状结构。

3.根据权利要求1所述的基于3×3耦合器的Sagnac环形管道安全监测系统，其特征在于：所述的压电陶瓷相位偏置补偿器（8）为柱状压电陶瓷环，外表缠绕N圈的光纤，N为大于20的整数，光纤用强力胶固定，使光纤与压电陶瓷环紧密成为一体；压电陶瓷相位偏置补偿器（8）内外表面各引有一根导线，导线与标准信号发射装置两极相连，为压电陶瓷相位偏置补偿器（8）提供恒定的电压和调制频率。