CN107831528A - 基于背向瑞利散射原理的光纤地震监测系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于背向瑞利散射原理的光纤地震监测系统。系统主要包括：光纤、进行数据采集和分析的下位机系统、上位机数据分析系统、用于显示地震具体信息的客户端界面以及报警设备。本系统的原理是：脉冲光源向光纤中打出脉冲光，同时设备在脉冲光入射端检测背向瑞利散射光，对回光强度信息进行分析。光纤背向瑞利散射规律性极强，在光纤没有震动情况下，返回的背向瑞丽散射强度基本固定，当地震波动作用于光纤某位置时，此位置的瑞丽散射会发生变化。分析系统根据收到这个异常值的时间来确定震动发生位置，通过分析震动值变化大小确定震动强度。下位机将分析的结果上传至上位机，上位机进行报警详细信息的显示和命令报警设备进行报警。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤地震监测系统，适用于实时监测指定区域内的地震情况。主要用到的技术和原理有：地震波导致光纤震动、光在光纤中传播产生瑞丽散射等。属光纤振动传感、地震监测等技术领域。
背景技术
美国是进行地震监测研究最早的国家，美国地震监测预警的方法是在各地安装建设多点的地震报警监测装置。利用这些装置检测出地震震动波形，通过分析，提取地震波形里面的 P 波数据。由于地震波 P 波相对 S 波破坏力小，但是传播速度相比较 S 波要快得多，因此检测到 P 波并传输到远端数据监控中心，在远端的数据中心可通过多点的 P波数据进行分析，从而可以判断出地震震源位置，地震震级以及地震发生时刻时间。
日本由于地理位置的特殊性专门建设有紧急地震检测与预警系统UrEDAS。该系统最大特点是通过对地震波形数据的分析和初步估测，能够从 P 波的特征参数中提取出信息用于初略估计震源参数。结合多台站数据可以更准确的估测出震源参数信息，在地震 S波到达以后就可以计算出更为精确的震源信息。
以上是目前比较先进的地震监测方案，检测效果经过长时间的检验确实基本可以满足监测需求。但共同的局限性就是都是需要在相隔不远的位置放置地震监测装置，基于成本考虑，这些方案只能适合用作一些重点防护的区域，比如铁路沿线等地震影响极其严重的区域，不适合全面部署。
本申请涉及到的光纤地震监测系统，可以利用通信基站网络，只需在主基站机房部署设备即可。节约成本且易于施工。
发明内容
为满足地震监测的需求，本申请提供的是一种基于背向瑞利散射原理的光纤地震监测系统。其结构图如图1，主要结构包括：光纤、下位机数据采集分析系统、上位机数据分析系统、客户端异常显示系统、报警设备、手机端。
现有通信基站网络结构如图2，由一个中央基站分别与各单基站通过通信光纤进行连接通信。鉴于此分布结构，地震监测设备部署方式如下：在中央基站位置建监测室放置硬件设备，将通往各个方向基站的光纤连接到设备，即可监测整条光纤的震动情况。
采用图3所示的两级EDFA结构，构建了一套Φ－OTDR分布式传感系统，结构如图4所示。窄带激光器输出激光经过声光调制器（AOM）后，形成脉冲信号，进入EDFA进行放大。通过带通滤波器（BPF）滤除EDFA产生的ASE噪声。滤除噪声的光脉冲通过环形器的1、2端口进入传感光纤。在光纤尾段加入隔离器，用以消除光纤尾段端面的菲涅尔反射对传感信号形成干扰噪声。光电探测器（PD）接收光纤中的后向瑞利散射光，进行光电转换。光电转换后的信号送入采集卡（DAQ）采集，最终由计算机（PC）处理，从而解调得到震动信号。
多路光纤，将采集到的震动数据综合分析，可以比较确切的得出震源位置以及震动强度。将计算机分析之后得出的结论发送到客户端网页进行显示；判断若危险等级达到某一标准，则启动报警设备并将预警信息同步推送到相关人员手机。
附图说明
图1是光纤地震监测系统结构图；
图2是通信基站网络结构示意图；
图3是两级EDFA结构图；
图4是Φ－OTDR系统原理图；
图5是后向瑞利散射信号的模拟结果；
图6是震动位置的放大图；
图7是后向瑞利散射的解调信号对比。
具体实施方式
后向瑞利散射的过程，可以描述为一系列随机反射单元后向散射的矢量和组成。反射单元后向散射的幅度服从瑞利分布，相位服从均匀分布。蒙特卡罗方法可以用以模拟随机分布在光纤路径上的反射单元的后向散射过程。取单色激光的波长1550nm，脉冲宽度为500ns。在相同的环境条件下，模拟的后向瑞利散射与光纤距离的关系曲线如图5所示，曲线S1表示没有震动的后向瑞利散射信号，曲线S2表示在7km处增加震动的后向瑞利散射信号，曲线S3表示扰动信号（3条曲线在图中的位置经过整体的上下平移，以区分3条曲线）。其中，图6是图5震动位置处的局部放大特征图。从数值模拟的结果可以看到，后向瑞利散射信号总体呈衰减趋势，局部由一系列的锯齿波形构成。
信号处理方法是Φ－OTDR系统提取外界扰动信号的关键部分。为 尽量降低激光器相位噪声、偏振随机变化导致的局部干涉和电子噪声等对后向瑞利散射信号强度的影响，提高系统信噪比，对后向瑞利散射信号进行分段处理。假设后向瑞利散射信号经过数字平均、滑动平均处理后，得到的信号记为s={s1，s2，···，si，···，sL}，其中集合s表示后向散射信号，L表示后向瑞利散射信号的总长度，si表示后向瑞利散射信号的第i个元素。分段处理方法为
其中：i，j的关系为i=j+t，在一次完整的处理中，ｔ保持不变；Ｍ表示 分段位置。后向瑞利散射信号经过改进的分段处理方法后，解调信号如图7（b）所示。对比图7的处理结果可以发现，经过改进的方法处理后， 解调信号前后功率得到均衡。
将脉冲重复率为1khz、脉冲宽度为150ns的矩形脉冲注入到传感光纤中。根据空间分辨率与探测脉冲宽度、折射率等参数的关系，可以得到系统的空间分辨率为15m。后向瑞利散射信号经过ＰＤ接收， 并进行适当的放大后，送入DAQ采集。通过DAQ实时采集传感光纤的后向瑞利散射信号，由DSP进行数据的整理分析，判断属于震动的数据传到上位机C++数据分析系统进行进一步分析。上位机数据分析系统对震动数据进行详细比对判断，若确定是地震信号，则开始启动报警机制。
在震源位置的震动就会导致其附近光纤产生震动，设备会第一时间进行预警，警告即将被影响范围内的人员，留出充分的预处理的时间，减少人员伤亡和经济损失。
Claims (5)
1.基于背向瑞利散射原理的光纤地震监测系统，其特征在于，系统结构包括：光纤、下位机数据采集分析系统、上位机数据分析系统、客户端异常显示系统、报警设备、手机端。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，设备部署于指定区域的通信基站网的主基站机房内；由主基站通向各个分基站的各条光纤即可构成对这一区域的覆盖；系统采用每路光纤中的一条备用光纤作为信号传输介质。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，DSP控制可编程门阵列使光源向光纤中射入脉冲光，产生的散射回光原路返回，经过信号转换变为数字信号传给DSP进行数据的初步分析，并将结果传给上位机。
4.如权利要求3所述的过程，上位机是基于C++编写的一套数据分析系统，接收到下位机上传过来的数据后，进行数据的进一步分析，得出结论，将具体信息添加到每一条报警信息中推送到客户端页面。
5.如权利要求4所述过程，上位机数据分析系统向客户端显示页面推送数据的同时进行危险等级的判断，若危险等级达到某一指定级别，则控制报警设备报警并且将报警数据推送到指定人员手机。
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